一種保證對接單晶焊點晶粒取向一致的方法與流程
2024-01-29 14:57:15
本發明為一種保證對接單晶焊點晶粒取向一致的方法，屬於材料製備與連接領域，適用於製備晶粒取向一致的微型釺焊對接接頭，應用於微電子連接的力學、熱學以及電學的可靠性研究。該工藝可以有效保證焊點的尺寸和晶粒取向，進而保證釺焊對接接頭的可靠性測試數據的可比性。
背景技術：
焊點是微電子互連中不可或缺的組成部分，起到了機械連接和電信號傳輸的作用。目前，微電子封裝空間減小，晶片產熱加劇，一方面，在焊點形成或電子產品使用過程中釺料與焊盤金屬化層之間反應所生成的界面金屬間化合物(intermetalliccompounds,imcs)層佔整個焊點的比重不斷增加，其形貌、尺寸、晶體取向以及厚度等對焊點可靠性的影響也愈發嚴重，另一方面，焊點所承受的電流密度不斷增加，在熱力學與動力學因素的驅使下，重熔過程中液態釺料潤溼於固態焊盤上形成的imcs會生長或溶解，造成焊點的失效，焊點的可靠性很大程度上決定了整個電子產品的可靠性和壽命。因此，如何控制界面imcs的反應行為就顯得尤為重要，這就需要首先明確焊點形成及服役過程中的界面反應機理。
已有研究表明，重熔製備的sn基無鉛互連焊點往往呈現單晶或孿晶結構，而β-sn的bct晶體結構具有各向異性(a＝0.5832，c＝0.3182，c/a＝0.546)，cu等原子在焊點中的擴散會由於β-sn不同的晶粒取向而呈現出強烈的各向異性，比如，在25℃，cu沿β-sn晶格c軸的擴散速率為2×10-6cm2/s，是其沿a、b軸擴散速率的500倍，這種取向擴散行為將會對焊點的電遷移行為造成嚴重影響，具有c軸與電流方向平行的sn基釺料單晶焊點容易產生提前失效，其界面imcs的生長速度約為具有c軸與電流方向垂直的單晶焊點或孿晶焊點的10倍。目前，深刻理解並預測sn枝晶的生長模式是一個熱力學難題，在完成互連後，每一個焊點都具有獨特的晶體取向，因此不可避免的會有一些焊點由於β-sn晶粒的取向不利，在電子產品使用過程中提前失效，進而降低電子產品的使用壽命。可見，焊點的晶粒取向會嚴重影響其服役可靠性，因此，尋找一個合適的手段，獲取具有相同晶粒取向的單晶焊點，進行其界面imcs重熔狀態表徵及拉伸、蠕變、時效、電遷移過程中界面imcs演變行為的研究，必將極大程度上提高對焊點界面反應行為的認識水平。
技術實現要素：
本發明的目的是克服微型釺焊對接接頭晶粒取向不一致導致的可靠性數據不具可比性的特點，製作出焊點尺寸可控，晶粒取向一致的釺焊對接接頭。同時期望可以通過進行晶體取向一致的對接單晶焊點的重熔狀態、拉伸、蠕變、時效和電遷移過程中界面imcs演變行為的表徵，得到具備可比性的一系列可靠性數據，最終達到評價釺焊對接接頭可靠性的目的。
為了達到上述目的，本發明採用了如下技術方案。
一種保證對接單晶焊點晶粒取向一致的方法，其特徵在於，包括以下步驟：
(1)，去除焊盤表面的氧化物和有機汙染物，在基板上粘附雙面膠，並將兩個焊盤置於基板上，保證兩焊盤的焊接面平行，並有一定的間距，以保證焊縫尺寸和寬度一致性，焊接面垂直基板；
(2)，將選用的釺料焊膏塗敷於兩個焊盤的焊接面之間，進行重熔，然後冷卻，得到相應的釺料對接接頭；將釺料對接接頭連同基板一起置於丙酮溶液中，以將釺料對接接頭從基板上取下，得到具有一定晶粒取向的重熔製備的釺焊對接接頭，不經鑲嵌，直接研磨，以去除多餘釺料，並對釺焊對接接頭的可作為截面的表面進行拋光；
(3)，通過正交偏振光學顯微鏡(polarizedlightmicroscopy,plm)觀察拋光了的釺焊對接接頭表面截面，區分不同晶體取向的β-sn晶粒，選取在plm下呈現單一晶粒取向的釺焊對接接頭；
由於β-sn具有各向異性的bct晶體結構，光束入射到拋光的β-sn晶體表面時，會分解為兩束光而沿不同方向折射而發生雙折射現象。由於不同取向的晶粒在正交偏振光學顯微鏡(polarizedlightmicroscopy,plm)下對比度顯著不同，因此通過plm觀察拋光了的釺焊對接接頭截面，可以區分不同晶體取向的β-sn晶粒，選取在plm下呈現單一晶粒取向的釺焊對接接頭；
(4)，對通過plm觀察所得的釺料對接單晶接頭進行線切割，得到與步驟(3)重熔製備的釺焊對接接頭具有相同晶粒取向的多個微型釺焊對接接頭，對得到的微型釺焊對接接頭進行精拋，以獲取電子背散射衍射(electronbackscattereddiffraction,ebsd)數據。
本發明的釺料焊膏為所sn基的二元合金、三元合金或四元合金；優選是二元合金sncu系列、snag系列、snzn系列、snbi系列或snin系列，三元合金snagcu系列、snagbi系列或snagin系列，四元snagbiin系列無鉛釺料。
所述基板能夠耐受重熔溫度和電遷移溫度並且不導電，採用印刷電路板等；
所述焊盤採用cu、cu/ni/au，cu/cu6sn5；
所述步驟(2)中的重熔，溫度範圍選擇200℃到700℃；步驟(2)中的冷卻，選擇隨爐冷卻、空冷、風冷、水冷或油冷的冷卻方式。
適用於製備晶粒取向一致的微型釺焊對接接頭，應用於微電子連接的力學、熱學以及電學的可靠性研究。本發明的優點在於能夠控制釺焊對接接頭的尺寸，保證對接接頭晶體取向一致性；工藝簡單，成本低廉；同時獲得的對接接頭能夠滿足拉伸，蠕變，時效，電遷移測試的各種要求，並且其可靠性測試數據具有可比性。本發明的關鍵步驟在於選取在正交偏振光學顯微鏡(polarizedlightmicroscopy,plm)下呈現單一晶粒取向的重熔製備的釺焊對接接頭，並對其進行線切割，以製備取向一致的微型釺焊對接接頭。
本發明的優點在於能夠控制釺焊對接接頭的尺寸，保證對接接頭晶體取向一致性；工藝簡單，成本低廉；同時獲得的對接接頭能夠滿足拉伸、蠕變、時效、電遷移測試的各種要求，獲取具備可比性的焊點可靠性數據，進而獲得準確的焊點可靠性評價。
附圖說明
圖1：線切割獲得的微型釺焊對接接頭照片；
圖2：兩個微型釺焊對接接頭取向分布圖。
具體的實施方式
下面結合實施例對本發明作進一步說明，但本發明並不限於以下實施例。
實施例1
以下內容結合圖1、2具體闡述本發明的實施方式。釺料焊膏一般保存在冰箱中，需要提前4-8h從冰箱取出放在室溫環境中以恢復焊膏的粘度，使用之前還需要進行充分攪拌。
晶粒取向一致的，截面尺寸為300μm×300μm，焊縫寬度為200μm的cu/sn3.5ag/cu對接單晶接頭的製作。
1、cu焊盤準備：用線切割方式製作銅焊盤，其尺寸為500μm×10mm×20mm；
2、將純度大於99.99wt.％，尺寸為500μm×10mm×20mm的cu片放入配製好的30％hno3水溶液中浸泡幾分鐘，去除cu焊盤表面氧化物和汙染物，接著將其放入丙酮中進一步超聲清洗，清洗完畢烘乾備用；
3、在10mm×10mm×1.5mm的印刷電路板(printedcircuitboards,pcb)上粘附雙面膠，並將兩個cu焊盤置於其上，間距為200μm，同時注意保證焊盤間距為200μm，並且保證cu焊盤的平行性；
4、然後採用細的紙棉籤將攪拌好的sn3.5ag釺料焊膏塗敷於兩個cu焊盤之間，採用熱風返修工作檯(美國pacest325)進行重熔實驗，重熔溫度設定為245℃，重熔時間設定為50s，空冷，得到sn3.5ag釺料對接接頭；
5、將樣品連同pcb一起置於丙酮溶液，將線性焊點由pcb取下，不經鑲嵌，直接研磨，去除多餘釺料，得到cu/sn3.5ag/cu對接接頭；
6、進行指定截面的研磨拋光，藉助plm觀察重熔製備的釺焊對接接頭晶粒取向，選取在plm下呈現單晶焊點的對接接頭；
7、對選取的單晶焊點對接接頭進行線切割，對得到的微型釺焊對接接頭進行研磨，去除多餘釺料，並對其指定截面進行精拋，最終得到線性焊點截面尺寸為300μm×300μm，焊點厚度為200μm，如圖1所示；
8、獲取精拋截面的ebsd數據，確定釺焊對接接頭是否為晶粒取向一致的單晶焊點。