一種含Nd、Re、In的Sn-Ag-Cu低銀無(wú)鉛釬料的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及釬料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種含Nd、Re、In的Sn-Ag-Cu低銀無(wú)鉛釬料。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著微電子產(chǎn)品的特征尺寸不斷縮小，使得1C的集成密度和集成復(fù)雜度持續(xù)增 加，芯片的I/O引腳數(shù)量增多、I/O引腳密度不斷升高，推動(dòng)了細(xì)間距焊點(diǎn)及高密度封裝技 術(shù)，如球柵陣列封裝、芯片尺度封裝、倒粧芯片封裝、晶圓級(jí)封裝和3D封裝技術(shù)的發(fā)展。高 密度封裝技術(shù)的顯著特點(diǎn)是互連焊點(diǎn)的特征尺寸逐漸縮小，導(dǎo)致釬料合金體積與金屬焊盤(pán) 的界面面積比例急劇減小，互連焊點(diǎn)界面MC生長(zhǎng)加快，成為影響微電子產(chǎn)品可靠性的關(guān) 鍵問(wèn)題。
[0003] 目前，無(wú)鉛釬料的研究主要集中在Sn-Ag-Cu、Sn-Zn、Sn-Cu及Sn-Ag系等，其中最 具競(jìng)爭(zhēng)力的是Sn-Ag-Cu系無(wú)鉛釬料。Sn-Ag-Cu系無(wú)鉛釬料的三元共晶熔點(diǎn)約217°C，具有 良好的可焊性、潤(rùn)濕性及抗熱疲勞等優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的Sn-Pb共晶釬料相比，Sn-Ag-Cu系無(wú) 鉛釬料具有更好的力學(xué)性能和良好的可焊性，而且Sn、Ag、Cu都是電子封裝行業(yè)中使用最 為普遍的元素。
[0004] 低銀Sn-Ag-Cu系無(wú)鉛釬料已經(jīng)成為當(dāng)前無(wú)鉛釬料的主流，但是，現(xiàn)有Sn-Ag-Cu系 釬料，由于Ag含量較高而使釬料成本較高。同時(shí)，Ag含量的減少會(huì)對(duì)無(wú)鉛釬料性能產(chǎn)生許 多不良影響，如熔點(diǎn)升高、潤(rùn)濕性變差等，并且容易形成粗大的脆性Ag3Sn相，造成焊接接頭 可靠性降低和壽命下降。
[0005] 發(fā)明人通過(guò)前期研究表明，將微米級(jí)元素Sb、Bi和LaB6等摻入Sn-Ag-Cu釬料中 能增加IMC生長(zhǎng)的激活能，降低原子互擴(kuò)散率，從而抑制釬料與金屬基體間頂C的生長(zhǎng)，增 強(qiáng)釬料的力學(xué)性能。但是通過(guò)此改良得到的釬料性能仍然存在不足，不能滿(mǎn)足實(shí)際需要。因 此本發(fā)明研究開(kāi)發(fā)通過(guò)加入多種元素的協(xié)同作用，以獲得熔點(diǎn)、潤(rùn)濕性、拉伸性能、剪切性 能和熱疲勞性?xún)?yōu)異的低銀Sn-Ag-Cu無(wú)鉛釬料合金。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 有鑒于此，本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種釬料性能良好、焊點(diǎn) 力學(xué)性能及熱疲勞性能優(yōu)異的含Nd、Re、In的Sn-Ag-Cu低銀無(wú)鉛釬料。
[0007] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下方案實(shí)現(xiàn)： 一種含Nd、Re、In的Sn-Ag-Cu低銀無(wú)鉛釬料，在Sn-Ag-Cu釬料中摻雜Nd、Re和In。
[0008] 微量高熔點(diǎn)元素Re可均勻地分布在熔融的復(fù)合焊料中，這為Cu6Sn5成核提供了成 核點(diǎn)，將會(huì)有更多的核通過(guò)能皇而穩(wěn)定生長(zhǎng)，因此添加微量元素Re可以增加Cu6Sn5的成核 速率和減小頂C晶粒的尺寸，細(xì)化基體組織，提高Sn-Ag-Cu低銀無(wú)鉛釬料力學(xué)性能。添加 了Re使得釬料力學(xué)性能有所提高，但是其潤(rùn)濕性并沒(méi)有顯著改善，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在Re存在 的前提下，通過(guò)添加稀土元素Nd，能顯著提高釬料的潤(rùn)濕性，除此之外，稀土元素Nd被金屬 間化合物晶界吸收，這種吸收改變了晶界沿不同方向生長(zhǎng)的速度，導(dǎo)致晶粒更加細(xì)小和均 勻，增強(qiáng)了焊點(diǎn)服役過(guò)程中組織熱穩(wěn)定性。通過(guò)Re和Nd的作用使得釬料具有比Sn-Ag-Cu更為優(yōu)異的性能，但是Re和Nd的摻雜并沒(méi)有降低釬料的熔點(diǎn)，甚至出現(xiàn)略有升高，發(fā)明人 通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在Re和Nd存在的前提下，微量低熔點(diǎn)元素In的加入能降低釬料的熔點(diǎn)，此 外，會(huì)使得釬料結(jié)晶方式發(fā)生變化，原來(lái)的平面生長(zhǎng)方式變成了包狀樹(shù)枝晶生長(zhǎng)，且二次枝 晶增多，最終使得枝晶間距減小，晶粒細(xì)化，更為有利于服役過(guò)程中焊點(diǎn)力學(xué)性能的保持。
[0009] 優(yōu)選地，Re含量為 0· 001~0· 25wt. %，Nd含量為 0· 001~0·lwt. %，In含量為 0· 001 ~0· 2wt. %〇
[0010] 進(jìn)一步優(yōu)選地，Re含量為(λ06~0· 12wt. %，Nd含量為(λ05~0·lwt. %，In含量為 0· 1 ~0· 2wt. %〇
[0011] 通過(guò)對(duì)Nd、Re和In的優(yōu)化，得到了對(duì)母材潤(rùn)濕性、鋪張性能良好；焊點(diǎn)力學(xué)性能、 蠕變性能以及熱疲勞性能優(yōu)異的Sn-Ag-Cu系低銀無(wú)鉛復(fù)合釬料，并將其熔點(diǎn)控制在低于 或等于Sn-Ag-Cu三元合金227°C的210°C_227°C范圍內(nèi)。
[0012] 優(yōu)選地，Ag含量為 0· 1~LOwt.%，Cu含量為 0· 5~2.Owt. %。
[0013] 進(jìn)一步優(yōu)選地，Ag含量為 0· 2~0· 5wt. %，Cu含量為 0· 6~LOwt. %。
[0014] 優(yōu)選地，Ag含量為0· 3wt.%，Cu含量為0· 7wt.%，Re含量為0·lwt.%，Nd含量為0· 1 wt.%，In含量為0. 2wt.%，余量為Sn。
[0015] 釬料的制備方法為將各原料在真空或氮?dú)獗Ｗo(hù)下混合熔煉至所有原料融化，熔煉 的最高溫度以所有原料全部融化為準(zhǔn) 釬料采用上述方法將錫錠、銀錠、電解銅、金屬Re、金屬Nd、金屬I(mǎi)n進(jìn)行混煉，溫度的控 制是為了防止釬料的化學(xué)組成或金相組織不均勻。通過(guò)擠壓、拉拔即得到絲材，采用制粉設(shè) 備可將其制成顆粒狀。
[0016] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果： 1. 經(jīng)過(guò)大量的對(duì)比試驗(yàn)，確定了具有優(yōu)良性能的新的復(fù)合釬料合金體系，經(jīng)過(guò)成分優(yōu) 化試驗(yàn)，分別確定了各元素的含量范圍。在本發(fā)明的Sn-Ag-Cu無(wú)鉛釬料合金體系中，通過(guò) Nd、Re和In的協(xié)同作用，不僅具有顯著改變Sn-Ag-Cu系無(wú)鉛釬料的組織形態(tài)的作用，同時(shí) 能夠增強(qiáng)組織的熱穩(wěn)定性及抗蠕變能力； 2. 通過(guò)Nd、Re和In微量元素的協(xié)同作用，能夠增加Cu6Sn5的成核速率和減小頂C晶 粒的尺寸，同時(shí)抑制界面脆性的Cu6Sn5金屬間化合物的生長(zhǎng)，提高無(wú)鉛釬料力學(xué)性能。
【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1為焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為未經(jīng)時(shí)效不同Re含量的釬料焊點(diǎn)拉伸強(qiáng)度圖； 圖3為190°C時(shí)效720h不同Re含量的釬料焊點(diǎn)拉伸強(qiáng)度圖； 圖4為不同Re含量的釬料蠕變疲勞壽命圖； 圖5為Ag含量0. 3wt. %，Cu含量0. 7wt. %，余量為Sn的釬料金相顯微組織圖； 圖 6 為Nd含量 0. 06wt.%，In含量 0.lwt.%，Re含量 0.lwt.%，Ag含量 0. 3wt.%，Cu含 量0. 7wt. %，余量為Sn的釬料金相顯微組織圖； 圖 7 為Nd含量 0· 1wt.%，In含量 0· 2wt.%，Re含量 0·lwt.%，Ag含量 0· 3wt.%，Cu含 量0. 7wt. %，余量為Sn的釬料金相顯微組織圖； 圖8為190°C時(shí)效720h下，Ag含量0. 3wt. %，Cu含量0. 7wt. %，余量為Sn的釬料焊點(diǎn) 界面顯微組織圖； 圖 9 為 190°C時(shí)效 720h下，Nd含量 0· 1wt. %;In含量 0· 2wt. %;Re含量 0·lwt. %;Ag含量0. 3wt. % ;Cu含量0. 7wt. % ;余量為Sn的釬料焊點(diǎn)界面顯微組織圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 為了讓本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明 作進(jìn)一步闡述。
[0019] 實(shí)施例1 一種含Nd、Re、In的Sn-Ag-Cu低銀無(wú)鉛釬料，包括下述組分：Ag含量為0. 1wt.