MEMS器件3D封裝互連釬料的制作方法

本發明涉及一種用于MEMS器件3D封裝互連釬料，屬于MEMS互連釬料領域。本互連釬料主要用于MEMS一類電子器件高可靠性需求的領域，是一種具有高性能的新型互連釬料。

背景技術：

微系統或微電子機械系統(MEMS)是20世紀80年代末發展起來的一種新興技術，結合了機械可動結構和大規模、低成本微電子加工的優點,在微小尺度上實現了與外界電、熱、光、聲、磁、流信號的相互作用。其系統尺寸在幾毫米乃至更小，其內部結構一般在微米甚至納米量級。因此在MEMS封裝過程中的互連焊點的尺寸也更為細小，由于焊點數量眾多，單一焊點的失效直接會導致MEMS器件的失效，因此焊點的高可靠性成為MEMS封裝中較為關鍵的環節。

SnPb釬料是一種傳統的互連材料，由于其較低的熔化溫度和較高的可靠性成為業界最為關注的互連材料，但是Pb毒性引起了國際社會的廣為關注，歐盟、美國、日本和中國紛紛出臺政策禁止Pb的應用。在傳統的SnPb釬料替代的研究中，SnAgCu、SnAg、SnCu、SnZn和SnBi五個釬料系成為業界研究者關注的焦點，SnZn釬料的熔化溫度和傳統的SnPb釬料最為接近，對于SnZn釬料而言，在進行大尺寸的互連焊點時，焊點的性能能夠滿足一般電子器件的使用要求，但是對于MEMS一類器件而言，焊點的尺寸較小，焊點在服役期間出現抗蠕變性能較低、金屬間化合物厚度較大等缺點，直接降低了焊點的可靠性，因此有必要針對MEMS一類器件研究新型的SnZn基釬料滿足MEMS器件封裝工藝互連性能。

為了促進無鉛釬料的性能，達到一定程度的改性，國際研究者主要采取添加合金元素的方法，例如Cu、Pr、Ce、Nd、Ga等。

國外比較代表性的專利為：美國專利US20060204397A1，通過優化Sn、(6～10％)Zn、(0.0015～0.03％)Mg、(0.001～0.006％)Al的含量，可以提高無鉛釬料的潤濕性和抗氧化性，對于Mg最高添加量為0.003％，最低添加量為0.0015％，Al最高添加量為0.006％，最低添加量為0.001％，這無疑給釬料的制備工藝帶來巨大的困難，難以控制添加元素的痕量。中國比較有代表性的專利為：(6.0～10.5％)Zn，(0.05～0.5％)Pr，(0.005～0.05％)Ga,(0.001～0.01％)Te,其余為Sn[中國專利：ZL201210346558.6]，該專利通過添加一定量的Pr、Ga、Te、Zn，優化Sn、Pr、Ga、Te、Zn含量，可以獲得良好的潤濕性能和焊點(釬縫)力學性能。但是由于釬料中添加一定量的稀土元素Pr，并且最高含量達到0.5％，目前已有的文獻證明0.5％的稀土元素足以引起在釬料或者焊點表面生長錫須，導致器件相鄰引腳短路的危險，因此對于含稀土SnZn系釬料的應用存在明顯的局限性。

技術實現要素：

本發明提供一種MEMS器件3D封裝互連釬料，本發明采用Sn顆粒、納米Ag顆粒、納米Al顆粒、納米Zn顆粒，Ni修飾碳納米管，五者耦合作用可以顯著提高MEMS器件互連的工藝性能和SnZn焊點的可靠性。在MEMS期間封裝工藝實施過程中，保證新型互連釬料具有良好的潤濕性、抗氧化性和較低的熔化溫度，另外在服役期間具有較高的使用壽命，能滿足MEMS一類電子元器件的高可靠性需求。主要解決以下關鍵性問題：優化Sn顆粒、納米Ag顆粒、納米Al顆粒、納米Zn顆粒，Ni修飾碳納米管百分配比，獲得具有高性能的無鉛釬料。

本發明是以如下技術方案實現的：一種用于MEMS器件互連的無鉛釬料，其成分及質量百分比為：納米Ag含量為0.01～4.0％，納米Al含量為0.01～0.8％，納米Zn顆粒含量為6～10％，Ni修飾碳納米管為0.5～3.0％，其余為Sn。

本發明可以采用生產釬料的常規冶煉方法得到。本發明優選采用的方法是：使用Sn顆粒、納米Ag顆粒、納米Al顆粒、納米Zn顆粒，Ni修飾碳納米管，預先將Sn和納米Zn混合均勻，然后加熱熔化，最后加入納米Ag顆粒、納米Al顆粒和Ni修飾碳納米管，采用中頻爐進行冶煉互連材料，釬料熔化中采用熔鹽防止釬料氧化，然后澆鑄成棒材，然后通過擠壓、拉拔即得到所需要的釬料絲材。也可將顆粒直接混合釬劑制備成焊膏使用。

本發明的機理是：Sn-Zn二元共晶合金，熔化溫度超過199℃，工業中的焊接溫度低于250℃，形成的焊點組織中為Sn基體和富Zn相，Zn易于氧化，在焊接過程中易于出現潤濕性差和氧化嚴重，另外在服役期間，由于富Zn相組織粗大，導致焊點使用壽命較低。在Sn中混合納米Zn，有利于保證在Sn基體中出現細小的富Zn相，減小釬料的氧化性能。納米Al顆粒的添加可以保證在釬料熔化過程中易于富集在釬料表面，增強其抗氧化特性和潤濕性鋪展性能。納米Ag顆粒的添加，易于在釬料內部形成Ag-Zn化合物，減小Zn氧化的可能性，提高釬料的潤濕性和抗氧化性，另外，Ag-Zn化合物顆粒扮演“石子”角色，Ni修飾碳納米管扮演“鋼筋”角色，在無鉛焊點內部形成“鋼筋混凝土”結構，有利于提高焊點在服役期間的可靠性。當Sn顆粒、納米Ag顆粒、納米Al顆粒、納米Zn顆粒，Ni修飾碳納米管應用于MEMS封裝時，即可以保證在焊接過程中具有良好的潤濕性和抗氧化特性，同時可以保證焊點在服役期間具有較高的可靠性。考慮到納米顆粒和Ni修飾碳納米管的團聚作用，故而控制納米Ag含量為0.01～4.0％，納米Al含量為0.01～0.8％，納米Zn顆粒含量為6～10％，Ni修飾碳納米管為0.5～3.0％，其余為Sn。

與已有技術相比，本發明的有益效果在于：本互連釬料具有優越的潤濕性、抗氧化特性、較高的力學性能和使用壽命，使用壽命提高幅度為SnZn的近5倍。

附圖說明

圖1是SnZn、SnZnAg、SnZnAgAl和SnZnAgAl-NiCNT拉伸力。

圖2是SnZn、SnZnAg、SnZnAgAl和SnZnAgAl-NiCNT使用壽命。

具體實施方式

下面結合實施例進一步說明本發明及效果。

下述16個實施例所使用的材料為：使用市售的Sn粉，納米Ag，納米Al，納米Zn，Ni修飾碳納米管。方法為：按照配比要求，預先將Sn和納米Zn混合均勻，然后加熱熔化，最后加入納米Ag顆粒、納米Al顆粒和Ni修飾碳納米管，采用中頻爐進行冶煉無鉛釬料，釬料熔化中采用熔鹽防止釬料氧化，然后澆鑄成棒材，然后通過擠壓、拉拔即得到所需要的釬料絲材。也可將顆粒直接混合釬劑制備成焊膏使用。

實施例1

MEMS器件3D封裝互連釬料成分為：納米Ag為0.01％，納米Al為0.01％，納米Zn為9％，Ni修飾碳納米管為0.5％，余量為Sn。

釬料主要性能檢測：固相線溫度在187℃左右，液相線溫度在194℃左右(考慮了試驗誤差)，具有優良的性能。

實施例2

MEMS器件3D封裝互連釬料成分為：納米Ag為4％，納米Al為0.8％，納米Zn為10％，Ni修飾碳納米管為3.0％，余量為Sn。

釬料主要性能檢測：固相線溫度在193℃左右，液相線溫度在204℃左右(考慮了試驗誤差)，具有優良的性能。

實施例3

MEMS器件3D封裝互連釬料成分為：納米Ag為0.01％，納米Al為0.1％，納米Zn為9％，Ni修飾碳納米管為0.5％，余量為Sn。

釬料主要性能檢測：固相線溫度在188℃左右，液相線溫度在195℃左右(考慮了試驗誤差)，具有優良的性能。

實施例4

MEMS器件3D封裝互連釬料成分為：納米Ag為0.02％，納米Al為0.02％，納米Zn為9％，Ni修飾碳納米管為0.5％，余量為Sn。

釬料主要性能檢測：固相線溫度在188℃左右，液相線溫度在194℃左右(考慮了試驗誤差)，具有優良的性能。

實施例5

MEMS器件3D封裝互連釬料成分為：納米Ag為0.05％，納米Al為0.1％，納米Zn為8％，Ni修飾碳納米管為1％，余量為Sn。

釬料主要性能檢測：固相線溫度在189℃左右，液相線溫度在196℃左右(考慮了試驗誤差)，具有優良的性能。

實施例6

MEMS器件3D封裝互連釬料成分為：納米Ag為0.05％，納米Al為0.2％，納米Zn為8％，Ni修飾碳納米管為1％，余量為Sn。

釬料主要性能檢測：固相線溫度在190℃左右，液相線溫度在197℃左右(考慮了試驗誤差)，具有優良的性能。

實施例7

MEMS器件3D封裝互連釬料成分為：納米Ag為1.0％，納米Al為0.01％，納米Zn為6％，Ni修飾碳納米管為0.5％，余量為Sn。

釬料主要性能檢測：固相線溫度在195℃左右，液相線溫度在208℃左右(考慮了試驗誤差)，具有優良的性能。

實施例8

MEMS器件3D封裝互連釬料成分為：納米Ag為1.0％，納米Al為0.1％，納米Zn為6％，Ni修飾碳納米管為0.5％，余量為Sn。

釬料主要性能檢測：固相線溫度在196℃左右，液相線溫度在208℃左右(考慮了試驗誤差)，具有優良的性能。

實施例9

MEMS器件3D封裝互連釬料成分為：納米Ag為2.0％，納米Al為0.01％，納米Zn為6.5％，Ni修飾碳納米管為1.0％，余量為Sn。

釬料主要性能檢測：固相線溫度在196℃左右，液相線溫度在209℃左右(考慮了試驗誤差)，具有優良的性能。

實施例10

MEMS器件3D封裝互連釬料成分為：納米Ag為0.01％，納米Al為0.01％，納米Zn為6％，Ni修飾碳納米管為0.5％，余量為Sn。

釬料主要性能檢測：固相線溫度在193℃左右，液相線溫度在206℃左右(考慮了試驗誤差)，具有優良的性能。

實施例11

MEMS器件3D封裝互連釬料成分為：納米Ag為1.0％，納米Al為0.6％，納米Zn為9.0％，Ni修飾碳納米管為1.0％，余量為Sn。

釬料主要性能檢測：固相線溫度在188℃左右，液相線溫度在195℃左右(考慮了試驗誤差)，具有優良的性能。

實施例12

MEMS器件3D封裝互連釬料成分為：納米Ag為2.0％，納米Al為0.6％，納米Zn為9.0％，Ni修飾碳納米管為2.0％，余量為Sn。

釬料主要性能檢測：固相線溫度在189℃左右，液相線溫度在196℃左右(考慮了試驗誤差)，具有優良的性能。

實施例13

MEMS器件3D封裝互連釬料成分為：納米Ag為2.0％，納米Al為0.7％，納米Zn為9.0％，Ni修飾碳納米管為2.5％，余量為Sn。

釬料主要性能檢測：固相線溫度在189℃左右，液相線溫度在196℃左右(考慮了試驗誤差)，具有優良的性能。

實施例14

MEMS器件3D封裝互連釬料成分為：納米Ag為0.01％，納米Al為0.01％，納米Zn為6％，Ni修飾碳納米管為0.5％，余量為Sn。

釬料主要性能檢測：固相線溫度在196℃左右，液相線溫度在209℃左右(考慮了試驗誤差)，具有優良的性能。

實施例15

MEMS器件3D封裝互連釬料成分為：納米Ag為3.0％，納米Al為0.8％，納米Zn為6.0％，Ni修飾碳納米管為3.0％，余量為Sn。

釬料主要性能檢測：固相線溫度在196℃左右，液相線溫度在209℃左右(考慮了試驗誤差)，具有優良的性能。

實施例16

MEMS器件3D封裝互連釬料成分為：納米Ag為2.8％，納米Al為0.5％，納米Zn為8.0％，Ni修飾碳納米管為2.5％，余量為Sn。

釬料主要性能檢測：固相線溫度在191℃左右，液相線溫度在209℃左右(考慮了試驗誤差)，具有優良的性能。

實驗例：SnZn、SnZnAg、SnZnAgAl和SnZnAgAl-NiCNT合金的力學性能和使用壽命。

結論：添加微量Sn顆粒、納米Ag顆粒、納米Al顆粒、納米Zn顆粒，Ni修飾碳納米管可以顯著提高SnZ n互連釬料使用壽命，提高幅度為SnZn的4.75倍。