[发明专利]一种多次回流过程中调控微焊点Sn晶粒取向的方法

说明书

本发明提供一种多次回流过程中调控微焊点Sn晶粒取向的方法，其特征在于：采用预设的回流工艺将由第一基底与第二基底之间具有钎料微凸点的第一金属焊盘和第二金属焊盘形成的组合体结构进行两次或两次以上钎焊回流，每次钎焊回流后钎料全部凝固形成微焊点，使得微焊点中的Sn晶粒具有择优取向或织构特征。本发明通过在钎焊第二次回流时改变相应的工艺参数，实现微焊点钎料基体Sn晶粒取向调控，形成择优取向微焊点实现第一基底和第二基底之间的互连，制作过程方便，与半导体和封装技术中的多次钎焊回流工艺有良好的兼容性，所形成的择优取向微焊点具有良好的抗电迁移和热迁移可靠性，提高微焊点或者具有以上材料组织及结构特征器件的服役寿命。

技术领域

本发明涉及电子制造技术领域，具体而言，尤其涉及一种多次回流过程中调控微焊点Sn晶粒取向的方法。

背景技术

随着电子封装器件不断向着多功能、高性能和小体积发展，电子封装技术也由2D封装向3D封装发展，特点是轻、薄、小、高密度、高速和低成本。在微型化发展趋势下，承载供电、散热和机械支撑等作用的微焊点的尺寸持续减小，微焊点通常以Sn基钎料作为连接材料，因此，钎焊回流后Sn基钎料微焊点中仅形成几个甚至单个β-Sn晶粒。β-Sn为金属Sn的一种同素异构体，晶体结构为体心四方结构其物理和力学性能具有强烈的各向异性。例如，150℃时，Cu、Ni和Ag等元素沿β-Sn晶粒c轴的扩散速率比沿a轴大43倍有余。文献[M.L.Huang,et.al.Acta Mater,100:98-106,2015]、[W.N.Hsu,et.al.Acta Mater,81:141-150,2014]分别报道了Sn基微焊点的β-Sn晶粒取向对微焊点抗电迁移和热迁移性能具有关键作用。由于电子封装微焊点中的Sn基体通常为β-Sn结构，为便于表述，以下均采用Sn代替。

在电子封装结构中通常包含大量的微焊点，传统互连工艺下Sn晶粒取向极为随机，导致包含有限Sn晶粒的微焊点因Sn晶粒取向的不同而具有不同的服役性能，并且在3D等先进电子封装中形成的微焊点需要经历多次回流过程，每次回流后形成的Sn晶粒的取向很难控制，不同回流之间的Sn晶粒在晶粒取向、晶粒数量等组织特征上缺乏连续性和一致性，而整个电子封装结构或器件的寿命通常由性能较差的微焊点所决定。因此，Sn晶粒的这种各向异性问题，严重地影响电子封装器件的服役性能和可靠性。

为解决上述问题，目前对于Sn晶粒取向的调控方法主要有：预制形核基体、调节钎料成分、添加外场。Sn在预制的特定金属间化合物晶面上形核，会获得特别好的晶格匹配关系，但是需要挑选出数微米量级的金属间化合物晶体片结合到焊盘上，在工艺上难于实现；调节钎料成分，提高Ag含量，以Ag原子促使Sn晶粒形貌向孪生转变的研究仅仅针对几种钎料成分展开，缺少Ag、Cu溶质浓度及耦合作用对Sn晶粒形核生长的机制研究，且增加材料成本；通过添加温度场、磁场会促使Sn晶粒沿着特定的方向生长，制备出具有择优取向的凸点可延长凸点或者具有以上材料组织的结构或器件的使用寿命，但是所引入的磁场对电子器件造成磁化作用，容易在制造过程中改变器件的性能甚至损伤器件，带来不确定的可靠性问题。更重要的是，上述技术方案始终无法解决同一个微焊点的Sn晶粒组织特征在不同回流工艺之间缺乏连续性和一致性的问题。

因此，有必要研发一种方法用以解决在多次回流过程中调控微焊点Sn晶粒取向连续、稳定的问题。

发明内容

根据上述提出微焊点的Sn晶粒组织在不同回流工艺之间缺乏连续性和一致性的技术问题，而提供一种多次回流过程中调控微焊点Sn晶粒取向的方法。本发明主要通过第一次钎焊回流凝固时在微焊点内形成强织构组织，也就是凝固后钎料基体中的Sn晶粒具有择优取向(或织构)特征，从而实现微焊点Sn晶粒取向在不同回流工艺之间具有连续性和一致性。此回流方法与现有半导体及封装工艺具有良好的兼容性；所形成的微焊点具有相同或相似的择优取向组织，且所述择优取向组织在多次回流后得以保留，使得微焊点在经历多次回流后，依然具有良好的抗电迁移和热迁移可靠性，且服役性能趋于一致，进而可以显著提高微焊点或者具有以上材料组织特征的器件的服役寿命。

本发明采用的技术手段如下：