專利名稱：復合材料焊料及其制備方法
技術領域：
本發明涉及適用于將電子元件進行互連的焊料，具體地講，涉及一種金 屬焊料基陶瓷晶須增強的復合材料焊料以及該復合材料焊料的制備方法。
背景技術：
焊料互連是各級電子互連的重要方式之一，主要用于倒裝芯片(flip
chip)、球柵陣列封裝(BGA)、四側引腳扁平封裝(QFP)等封裝技術。在適 用于將電子元件進行互連的焊料中，錫鉛焊料以其優異的性能和低廉的成本 而成為電子互連領域中主要釆用的焊接材料。近來，由于減少和防止環境污 染的原因，無鉛焊料逐漸引起了人們的關注。目前，所開發的無鉛焊料主要 包括二元合金無鉛焊料和多元合金無鉛焊料。二元合金無鉛焊料的示例為 Sn-Ag、 Sn-Cu、 Sn-Bi、 Sn-Zn、 Sn-Sb等；多元合金無鉛焊料的示例為Sn-Ag-Cu、 Sn-Zn-Bi、 Sn-Ag-Bi畫Cu、 Sn-Ag-Bi-In、 Sn-Ag-Bi-Cu-Ge等。
然而，由于電子設備的日益小型化和多功能化的發展趨勢需要不斷地提 高電子元件的集成度，因而也需要不斷地改進焊料的性能，從而使焊料能夠 經受長時間的加熱、溫度變化、熱膨脹差異、機械振動等的影響，并防止裂 紋等缺陷的產生和擴展，進而提高半導體裝置中電子互連的可靠性。 因此，開發與利用性能優異的焊料成為人們研究的重點。 為了提高焊料的性能，可以采用優化金屬焊料的組成、將焊料顆粒納米 化和添加增強體等多種方式，其中關于添加增強體方面的研究最為豐富。例 如，可以向金屬焊料中添加金屬納米顆粒，諸如Cu、 Mo、 Ta等納米顆粒， 從而提高焊料的微觀硬度；可添加微量稀土元素，諸如Sc、 La、 Ce、 Er、 Y 等，從而細化晶粒，提高焊料的潤濕性能，并提高焊料的斷裂韌性；可添加 惰性材料，諸如納米多面低聚倍半硅氧烷(POSS)材料(如圖la所示)，POSS 作為惰性的無機/有機混合材料可增強金屬焊料與增強體之間的相互作用，從 而提高焊料的機械性能；可物理或化學地添加金屬間化合物，諸如納米Cu6Sn5 材料(如圖lb所示)，從而提高焊料的蠕變應變率敏感性等性能；可以向液
4態金屬焊料中添加細小的鐵磁顆粒，這種細小的分散質顆粒可提高焊料的抗
變形和抗蠕變能力；可以添加陶瓷顆粒，諸如八1203顆粒等，從而提高焊料 的機械性能；此外，還可以添加氧化鈦、氧化鋯和氮化鋁等氧化物或氮化物 顆粒，以提高焊料的微觀硬度。
雖然這些增強體可以起到分擔基體所承受的載荷、增加基體中的位錯等 作用，從而提高焊料承受熱疲勞和機械沖擊的能力，但是目前研究的這些增 強體仍然具有多方面的缺點。例如，微量元素的添加對焊料性能的提高非常
有限，金屬間化合物常常由于回流過程中與基體的反應而導致互連強度降低， 而氧化鋁等顆粒則會在回流過程中存在團聚問題，并影響焊料與焊盤的潤濕 性能等。
因此，仍然需要對焊料的增強體進行不斷的探索和研究。
發明內容
本發明的目的在于提供一種復合材料焊料，該復合材料焊料具有較高的 抵抗蠕變和抵抗裂紋擴展的能力。
本發明的另一目的在于提供一種復合材料焊料的制備方法，以制備能夠 有效地提高焊料抵抗蠕變和抵抗裂紋擴展的能力的復合材料焊料。
本發明的另一目的在于提供一種電子組件，以提高電子組件的可靠性。
本發明的另一目的在于提供一種電子元件的連接方法，以提高電子互連 的可靠性。
為了實現上述發明目的，本發明提供了一種復合材料焊料，該復合材料 焊料包含作為基體的金屬焊料和作為增強體的SiC晶須，其中金屬焊料可以 為含鉛金屬焊料或無鉛金屬焊料，SiC晶須所占的體積百分比可以為 0.1%-30%,直徑可以為0.5-1微米，長徑比可以為20:1至40:1。
為了實現上述發明目的，本發明還提供了 一種復合材料焊料的制備方法， 包括(a)將作為基體的金屬焊料與作為增強體的SiC晶須進行混合，得到 混合物；(b)使上述混合物成型，得到復合材料焊料。其中金屬焊料可以為 含鉛金屬焊料或無鉛金屬焊料，SiC晶須所占的體積百分比可以為0.1%-30%， 直徑可以為0.5-1樣i米，長徑比可以為20:1至40:1。該制備方法可以采用攪 拌鑄造、粉末冶金、擠壓鑄造或噴射沉積方式中的一種。
為了實現上述發明目的，本發明還提供了一種電子組件，該電子組件由至少兩個電子元件連接組成，所述連接釆用如上所述的復合材料焊料。其中
為了實現上述發明目的，本發明還提供了一種電子元件的連接方法，所 述連接采用如上所述的復合材料焊料。
通過參考以下結合附圖對實施例進行的描述和說明，本發明的上述目的 和優點將變得更加明了。
圖la是根據現有技術的以納米POSS為增強體的焊料的SEM圖。
圖lb是根據現有技術的摻雜有納米Cu6Sn5的Sn-Ag-Cu焊料的TEM圖。
圖2是根據本發明的以金屬焊料為基體且以SiC晶須為增強體(金屬焊
料/ SiC晶須)的復合材料焊料的微結構的示意圖。
圖3是在根據本發明的金屬焊料/ SiC晶須復合材料焊料中裂紋擴展的示意圖。
圖4是根據本發明的SiC晶須增強體互相搭接的示意圖。
圖5a至圖5d是根據本發明的金屬焊料/SiC晶須復合材料焊料的制備方
法的示意圖，其中圖5a至圖5d分別是攪拌鑄造、粉末冶金、擠壓鑄造和噴
射沉積方式的示意圖。
圖6a至圖6c是半導體封裝件利用根據本發明的金屬焊料/ SiC晶須復合
材料焊料在電子元件之間進行焊料互連的示意圖。
具體實施例方式
在下文中，參照附圖更充分地描述了本發明，本發明的實施例示出在附 圖中。然而，本發明可以以多種不同的形式來實施，且不應#:理解為局限于 在此提出的實施例。相反，提供這些實施例使得本公開將是徹底和完全的， 且將把本發明的范圍充分地傳達給本領域的技術人員。在附圖中，為了清晰 起見，會夸大層和區域的尺寸和相對尺寸。
參照圖2，根據本發明的復合材料焊料包括作為基體的金屬焊料和作為 增強體的SiC晶須。SiC晶須分散在金屬焊料基體中。
一方面，對于金屬焊料基體來說，所述金屬焊料可以為含鉛金屬焊料或 無鉛金屬焊料，例如可以是由Sn、 Pb、 Ag、 Cu、 Bi、 Zn、 Sb、 In、 Ge和Mg中的至少兩種金屬形成的合金。其中含鉛金屬焊料可以為錫鉛焊料；無鉛 金屬焊料可為二元合金無鉛焊料或多元合金無鉛焊料，例如Sn-Ag、 Sn-Cu、 Sn-Bi、 Sn-Zn、 Sn-Sb、 Sn-Ag-Cu、 Sn-Zn-Bi、 Sn-Ag-Bi畫Cu、 Sn-Ag畫Bi-In、 Sn-Ag-Bi-Cu-Ge等。
另一方面，對于SiC晶須增強體來說，SiC晶須通常是一種直徑為納米 級至微米級的具有高度曲線性的纖維晶體材料。SiC晶須的晶體結構缺陷少， 長徑比大(可為大約20:1-100:1 ),強度高，因此增強效果非常好。另外，SiC 晶須還具有很高的抗拉強度和彈性模量，例如SiC晶須的抗拉強度可達到 7GPa，彈性模量可達到550GPa。再者，SiC晶須的熱脹系數低、導熱系數高， 還具有較高的化學穩定性以及抗高溫氧化性，并與Al、 Ti、 Mg等多種金屬 之間有良好的化學相容性和潤濕性。
因此，在如圖2所示的金屬焊料/SiC晶須復合材料焊料中，當該復合材 料焊料承受熱疲勞或沖擊等作用時，分散在基體中的增強體SiC晶須可以分 擔一部分載荷，使作用在基體中的應力減小，從而提高復合材料焊料的機械 性能，提高電子互連的可靠性和壽命。另外，由于SiC晶須的熱脹系數遠低 于基體，因而在焊料制備過程中，會造成基體的微塑性變形，進而在基體中 形成大量位錯，從而提高焊料的屈服強度。再者，由于SiC晶須的化學穩定 性高，因此在回流過程中不會與基體發生反應，從而也可提高電子互連的可靠性。
為了使SiC晶須增強體的增強效果達到最佳，優選地，在根據本發明的 復合材料焊料中，SiC晶須增強體的晶體結構是單晶結構，直徑為0.5-1微米， 長徑比為20:1至40:1,平均長度為20微米。
參照圖3，高強度的SiC晶須可有效承受外界載荷，并當焊料基體中有 裂紋形成時，在斷開的裂紋面之間起到堅實的橋連作用，使基體產生使裂紋 閉合的力，從而提高復合材料的韌性；另外，由于SiC晶須的拔出機制，也 可以消耗一部分外界負載能量，從而達到增韌目的。由此可見，通過SiC晶 須的拔出、橋連、承擔載荷等機制可延緩裂紋的擴展速度，增強復合材料焊 料的韌性，從而提高復合材料焊料抵抗蠕變和抵抗裂紋擴展的能力。
基于根據本發明的復合材料焊料的總體積，SiC晶須增強體所占的體積 百分比可以為0.1%-30%。若SiC晶須增強體的體積百分比小于0.1 % ,則SiC 晶須增強體的增強效果不明顯；若SiC晶須增強體的體積百分比高于30% ,則SiC晶須的增強效果并不會有顯著提高。因此SiC晶須增強體的體積百分 比為0.1%-30%。如圖4所示，當SiC晶須的體積百分比達到20%或大于20 %時，分布在金屬焊料基體中的SiC晶須可互相搭接，從而在回流過程中更 加有效地防止由于增強體的坍塌、漂移而產生的團聚現象。可見，SiC晶須 的體積百分比優選地為20% -30%。
下面參照圖5a至圖5d詳細描述根據本發明的金屬焊料/SiC晶須復合材 料焊料的制備方法。
實施例1:
下面參照圖5a描述以攪拌鑄造方式制備根據本發明的復合材料焊料的 步驟提供液態金屬焊料基體，然后向液態金屬焊料基體中添加適宜比例的 SiC晶須，機械攪拌均勻，使SiC晶須均勻分散在金屬焊料基體中，最后將 液態金屬焊料基體與SiC晶須的混合物澆鑄成型，從而得到金屬焊料/SiC晶 須復合材料焊料。
實施例2:
下面參照圖5b描述以粉末冶金方式制備根據本發明的復合材料焊料的 步驟提供粉末狀金屬焊料基體，然后向粉末狀金屬焊料基體中添加適宜比 例的SiC晶須，機械攪拌均勻，最后進行冷壓燒結或者采用熱壓燒結使粉末 狀金屬焊料基體與SiC晶須的混合物成型，從而得到金屬焊料/SiC晶須復合 材料焊料。
實施例3:
下面參照圖5c描述以擠壓鑄造方式制備才艮據本發明的復合材料焊料的 步驟首先，將適宜比例的SiC晶須與硅膠混合，使兩者的混合物成型并烘 干，將得到的SiC晶須預制塊放入模具中；其次，提供液態金屬焊料基體， 通過壓頭進行加壓，從而將液態金屬焊料基體壓入SiC晶須預制塊的孔隙中， 并從下面的排氣孔中排出氣體；最后鑄造成型，從而得到金屬焊料/SiC晶須 復合材料焊料。
實施例4:
下面參照圖5d描述以噴射沉積方式制備根據本發明的復合材料焊料的 步驟提供液態金屬焊料基體，將液態金屬焊料基體通過噴霧，在惰性氣體 氣流的作用下分散成細小的液態金屬霧化流；在液態金屬焊料基體噴射霧化 的同時，將SiC晶須加入到霧化的液態金屬焊料中，以與液態金屬焊料基體混合，然后將液態金屬焊料基體和SiC晶須一起在襯底上沉積成型，最終得 到金屬焊料/ SiC晶須復合材料焊料。
根據本發明的金屬焊料/ SiC晶須復合材料焊料可以以諸如澆焊、回流
焊、焊接后電鍍、焊球、絲焊等各種方式應用到電子元件之間的電子互連中。 即可以采用常用的電子互連方式將根據本發明的復合材料焊料應用到電子互
連中，例如(a)將根據本發明的金屬焊料/SiC晶須復合材料焊料制成焊膏， 從而應用于電子互連中；(b)以液滴方式或噴霧方式將金屬焊料/SiC晶須復 合材料焊料應用于電子互連中；(c)將根據本發明的金屬焊料/ SiC晶須復合 材料焊料軋制成薄片或拉成絲，然后使用油熔法制備焊球，從而應用于電子
也可以為電阻、電容等無源器件。
例如，可以采用倒裝芯片、球柵陣列封裝(BGA)、四側引腳扁平封裝 (QFP)等封裝技術將根據本發明的金屬焊料/ SiC晶須復合材料焊料應用于 半導體封裝件中，如圖6a至圖6c所示，半導體芯片可以通過根據本發明的 復合材料焊料與基板進行連接。由于金屬焊料/SiC晶須復合材料焊料的抵抗 蠕變和抵抗裂紋擴展的能力等性能得到了很大程度的改善，因此利用該復合 材料焊料進行電子互連的半導體封裝件的可靠性也可得到很大程度的改善。
盡管對本發明的一些示例性實施例進行了描述，但是本發明不應理解為 局限于這些示例性實施例，在本發明的精神和范圍內本領域的普通技術人員 可以做出各種變化和修改。
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權利要求
1、一種復合材料焊料，包含作為基體的金屬焊料和分散在所述基體中作為增強體的SiC晶須。
2、 如權利要求1所述的復合材料焊料，其特征在于所述金屬焊料為含鉛 金屬焊料或無鉛金屬焊料。
3、 如權利要求1所述的復合材料焊料，其特征在于所述金屬焊料是由 Sn、 Pb、 Ag、 Cu、 Bi、 Zn、 Sb、 In、 Ge和Mg中的至少兩種金屬形成的合 金。
4、 如權利要求2所述的復合材料焊料，其特征在于所述含鉛金屬焊料為 錫鉛焊料。
5、 如權利要求2所述的復合材料焊料，其特征在于所述無鉛金屬焊料為 Sn-Ag、 Sn-Cu、 Sn-Bi、 Sn-Zn、 Sn-Sb、 Sn-Ag-Cu、 Sn-Zn-Bi、 Sn-Ag曙Bi-Cu、 Sn-Ag-Bi-In和Sn-Ag-Bi-Cu-Ge中的一種。
6、 如權利要求1所述的復合材料焊料，其特征在于所述SiC晶須所占的 體積百分比為0.1%-30%。
7、 如權利要求1所述的復合材料焊料，其特征在于所述SiC晶須所占的 體積百分比為20%-30%。
8、 如權利要求1所述的復合材料焊料，其特征在于所述SiC晶須的晶體 結構是單晶結構。
9、 如權利要求1所述的復合材料焊料，其特征在于所述SiC晶須的直徑 為0.5-1微米。
10、 如權利要求1或權利要求9所述的復合材料焊料，其特征在于所述 SiC晶須的長徑比為20:1至40:1。
11、 如權利要求1或權利要求9所述的復合材料焊料，其特征在于所述 SiC晶須的平均長度為20微米。
12、 一種復合材料焊料的制備方法，其特征在于將作為基體的金屬焊料 與作為增強體的SiC晶須進行混合，并使所得的混合物成型。
13、 如權利要求12所述的制備方法，其特征在于所述金屬焊料為含鉛金 屬焊料或無鉛金屬焊料。
14、 如權利要求12所述的制備方法，其特征在于所述金屬焊料是由Sn、Pb、 Ag、 Cu、 Bi、 Zn、 Sb、 In、 Ge和Mg中的至少兩種金屬形成的合金。
15、 如權利要求13所述的制備方法，其特征在于所述含鉛金屬焊料為錫 鉛焊料。
16、 如權利要求13所述的復合材料焊料，其特征在于所述無鉛金屬焊料 為Sn-Ag、 Sn陽Cu、 Sn-Bi、 Sn-Zn、 Sn-Sb、 Sn-Ag-Cu、 Sn-Zn-Bi、 Sn-Ag-Bi-Cu、 Sn-Ag-Bi-In和Sn-Ag-Bi-Cu-Ge中的一種。
17、 如權利要求12所述的制備方法，其特征在于所述SiC晶須所占的體 積百分比為0.1%-30%。
18、 如權利要求12所述的制備方法，其特征在于所述SiC晶須所占的體 積百分比為20%-30%。
19、 如權利要求12所述.的制備方法，其特征在于所述SiC晶須的晶體結 構是單晶結構。
20、 如權利要求12所述的制備方法，其特征在于所述SiC晶須的直徑為 0.5-1微米。
21、 如權利要求12或權利要求20所述的制備方法，其特征在于所述SiC 晶須的長徑比為20:1至40:1。
22、 如權利要求12或權利要求20所述的制備方法，其特征在于所述SiC 晶須的平均長度為20微米。
23、 如權利要求12至權利要求22中任意一項所述的制備方法，其特征 在于所述的混合、成型采用攪拌鑄造、粉末冶金、擠壓鑄造或噴射沉積方式 之一。
24、 一種電子組件由至少兩個電子元件連接組成，其特征在于所述的連 接采用復合材料焊料，該復合材料焊料包含作為基體的金屬焊料和分散在所 述基體中作為增強體的siC晶須。
25、 如權利要求24所述的電子組件，其特征在于所述至少兩個電子元件 包含有源器件和無源器件中的至少 一種。
26、 如權利要求25所述的電子組件，其特征在于所述有源器件為半導體芯片。
27、 一種電子元件的連接方法，其特征在于所述的連接采用復合材料焊 料，該復合材料焊料包含作為基體的金屬焊料和分散在所述基體中作為增強 體的SiC晶須。
全文摘要
本發明公開了一種復合材料焊料及其制備方法。該復合材料焊料包含作為基體的金屬焊料和作為增強體的SiC晶須，其中金屬焊料可以為含鉛金屬焊料或無鉛金屬焊料，SiC晶須所占的體積百分比可以為0.1％-30％，直徑可以為0.5-1微米，長徑比可以為20∶1至40∶1。該復合材料焊料具有較高的抵抗蠕變和抵抗裂紋擴展的能力。
文檔編號B23K35/22GK101480763SQ200810001639
公開日2009年7月15日 申請日期2008年1月7日 優先權日2008年1月7日
發明者海 劉 申請人:三星電子株式會社;三星半導體(中國)研究開發有限公司