[发明专利]一种焊接材料及其制备方法和用途

说明书

本发明提供了一种焊接材料及其制备方法和用途。所述焊接材料具有微晶粒，或小角度晶界微观结构，所述晶粒的晶粒尺寸通常小于1μm，所述焊接材料中小角度晶界相位差通常小于10°。所述方法包括：(1)将纳米焊料原料与助焊剂和溶剂混合，得到焊膏；(2)将步骤(1)所述焊膏涂在第一基底上，将第二基底置于所述焊膏上，进行烧结，得到所述焊接材料，焊接回流的温度在纳米焊料原材料的熔点温度以下。本发明提供的焊接接口处材料具有小晶粒和/或小角度晶界微观结构，这使得所述焊接的机械延伸率、抗疲劳寿命和抗电子迁移寿命比常用钎焊有显著的改善。

技术领域

本发明属于材料领域，涉及一种焊接材料及其制备方法和用途。

背景技术

众所周知，现代电子设备需要为包括计算机中央处理器（CPU）在内的应用进行包装和组装。目前封装的趋势是不断小型化，缩小尺寸使得电子芯片和器件的电流密度增加到更高的水平，即从10⁵到10⁶ A/cm²。但当器件电流密度增加时，由于电流通过导致的电阻热也会增加，进而使器件和互连/封装结构处于更恶劣的使用条件下（在器件开和关时，温度差增大），芯片和基底热膨胀系数(CTE)的不匹配性也随之增加，焊点所遇到的应力（包括CTE不匹配引起的或热循环引起的疲劳问题）要求焊点材料具有更强的柔韧性以适应这种应力。当当焊点的晶粒尺寸接近纳米晶粒的尺寸时，(如小于1 μm、200 nm、50 nm，甚至小于30 nm)，焊点材料会有超塑性性能，焊点更容易放松局部积累的应力。因此，如果能赋予焊料纳米晶粒结构，焊点的疲劳寿命可以得到改善。

在先进的高密度电子电路中，高电流密度（如10⁶ A/cm²）也会引起更明显的电子迁移和热迁移问题，最终导致焊点失效。电子迁移(EM)是电流通过导体(如焊点的互连线)时原子的运动，已在100多年前被证实。当电流引起原子向焊点阳极一侧迁移时，焊点材料阴极一侧出现晶格空隙，晶格空隙不断累积形成空洞，通常类似于薄烤饼状。这种空洞缺陷不断增长最终会导致焊点失效。电迁移降低了集成电路芯片的可靠性，特别是常用无铅焊料组装的芯片，如Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Ag- cu、Sn-Sb、Bi-Sn、Sn-In型焊料合金。在这样一个背景下，焊点的可靠性评估可以由一个电子迁移测试来检测，通常是使高密度电流在100-180℃的温度下通过焊点，时间持续100-10000小时。无铅焊料如Sn-Cu或Sn-Ag-Cu电子迁移阻力高于传统的共晶Pb-Sn焊料，因为它们通常比传统的共晶Pb-Sn焊料具有更高的熔点。通过改进无铅焊料的微观结构以进一步减少电子迁移所引起的焊点失效率，以降低相关设备故障率是非常必要的。

CN105935845A公开了一种碲化铋纳米颗粒强化锡银铜焊料及其使用方法，该方法提供的焊料按重量百分比计包含碲化铋纳米颗粒0.5~1%、锡银铜微米粉末80~90%以及助焊剂10~20%。碲化铋纳米颗粒的平均粒径为20nm，碲元素与铋元素的原子比为3:2。锡银铜微米粉末的平均粒径为30μm锡元素、银元素与铜元素的重量百分比为96.5%：3.0%：0.5%。助焊剂为松香助焊剂。

CN103639614A公开了一种具备尺寸效应的纳米级/微米级颗粒混合型无铅焊料膏及其制备方法，包括以下几个步骤：将纳米级焊料缓慢的加入助焊膏/剂中，机械搅拌后在引入超声振荡，继续搅拌，然后停止超声振荡，缓慢加入微米级焊料/膏，继续搅拌得到混合均匀的混合型焊料膏。

但是上述方案均存在焊料产品的抗电子迁移和抗疲劳性能仍有待加强。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种焊接材料及其制备方法和用途。本发明提供的焊接材料具有超塑性，以及极高的抗疲劳断裂和抗电子迁移高可靠性，超长寿命。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种焊接材料，所述焊接材料由晶粒组成，所述晶粒的晶粒尺寸小于1μm和/或所述焊接材料中相邻晶粒之间的位相差小于10°。