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一种微焊点的镍层界面反应及镍层的消耗规律的方法

阅读:781发布:2024-01-06

专利汇可以提供一种微焊点的镍层界面反应及镍层的消耗规律的方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种微焊点的 镀 镍层界面反应及镍层的消耗规律的方法,涉及镀镍层技术领域;它的方法如下:将三种钎料在镍层上进行 焊接 ,通过控制液态 停留时间 ,等温时效时间,对镍层消耗量,界面IMC的厚度,以及时效后焊点的剪切性能进行测试,观察焊点的微观组织及剪切断口形貌,分析镀层消耗的机理,推导镀镍层消耗的规律,从而合理制定钎料的镍层厚度;本发明根据镍层的消耗规律,为不同钎料制定镀层厚度,提高焊点的可靠性;通过研究液态停留时间,等温时效时间对3种不同钎料的镀镍层消耗规律,以及界面IMC的生长速率,焊点时效后的剪切性能影响,预测焊点的镀镍层厚度消耗趋势,从而合理制定不同钎料相应的镀镍层厚度。,下面是一种微焊点的镍层界面反应及镍层的消耗规律的方法专利的具体信息内容。

1.一种微焊点的镍层界面反应及镍层的消耗规律的方法,其特征在于:它的方法如下:将SAC305,Sn5Sb,42Sn58Bi三种钎料在镍层上进行焊接,通过控制液态停留时间,等温时效时间,对镍层消耗量,界面IMC的厚度,以及时效后焊点的剪切性能进行测试,观察焊点的微观组织及剪切断口形貌,分析镀层消耗的机理,推导镀镍层消耗的规律,从而合理制定钎料的镍层厚度。
2.一种微焊点的镀镍层界面反应及镍层的消耗规律的方法,其特征在于:它的具体操作方法为:
步骤一:焊前处理:
对镀镍的基板进行清理,采用声波清洗,同时加入少量稀盐酸,去除镍层表面的化膜,用无乙醇再次清洗,将镀镍铜基板在干燥箱中进行干燥;将处理过的镀镍铜基板表面镀层进行测量,采用CAD测量镀层初始厚度;
步骤二:焊点制备:
首先用砂纸去除钎料表面的氧化膜,然后将钎料块剪成碎末,并且用无水乙醇超声清洗并晾干备用,将分析纯的甘油倒入平板电炉的坩埚中,然后用镊子将钎料碎末放入甘油中,用平板电炉加每种材料适应的温度,待钎料熔化后,关闭电炉电源,待钎料球凝固后用镊子取出钎料球;最后把钎料球放入无水乙醇中,用超声波清洗掉钎料球表面的甘油后,然后取出晾干;
步骤三:采用回流焊进行焊接:
在植球之前选择合适的助焊剂,将助焊剂均匀涂抹到镀镍铜基板上,将制备好的三种BGA植球到镀镍铜基板上进行回流焊接,采用三种不同焊接温度,三种BGA分别为SAC305,Sn-5Sb,42Sn58Bi;
步骤四:焊后焊点的界面IMC层及镀层厚度测量:
采用GX71-6230A多功能光学显微镜及扫描电子显微镜对无铅互连微焊点界面微观组织观察分析,同时为研究焊点界面金属间化合物层生长动学,借助Auto CAD 软件对界面 IMC 层进行厚度测量,首先用面积测量按钮测出试样的面积A,及界面层的长度,测量面积A比测量长度L得出界面IMC的厚度,然后把测量的界面IMC层薄厚取其平均值;为避免出现误差,对每种焊点进行10组照片测量;镀层厚度测量同样采用此种方法。
3.根据权利要求2所述的一种微焊点的镀镍层界面反应及镍层的消耗规律的方法,其特征在于:所述SAC305加热与焊接的温度为260℃,Sn-5Sb加热与焊接的温度为280℃,
42Sn58Bi加热与焊接的温度为170℃。

说明书全文

一种微焊点的镍层界面反应及镍层的消耗规律的方法

技术领域

[0001] 本发明属于镀镍层技术领域,具体涉及一种微焊点的镀镍层界面反应及镍层的消耗规律的方法。

背景技术

[0002] 电子元器件制造与封装中,钎料与镀层反应形成焊接接头,熔融液态钎料与镀层间的相互作用分为两个方面:一为镀层金属扩散至熔融液态体钎料中;二为钎料和镀层金属发生反应,生成界面化合物IMC层。钎料和镀层之间以界面IMC层相互连接。但界面IMC本身具有硬而脆的特点,过厚的IMC层会降低焊接接头可靠性,导致电子元器件失效。由于镍具有明显的阻挡向钎料中扩散生成过厚的IMC的作用,所以在钎料与基板直接之间引入镍阻挡层,可以有效的改善焊点的可靠性,具有较好的应用前景。但是经过长时间的高温服役,焊盘镍镀层因与钎料发生反应,而使镍镀层持续消耗,这也是一个业界人士广泛关注的问题。所以,镍镀层对焊点性能的影响仍需进行深入的研究。
[0003] 镍层厚度作为镍层质量的重要保证,在实际长期服役过程中,会随着服役时间增长发生大量消耗。同时目前电子元件领域对合理选取镀镍层厚度的研究,尚未做出明确的规定。由于电子元器件所采用的焊料服役领域不同,故不同焊接温度的钎料选用的镀镍层厚度不同。本文主要研究的是不同焊接温度的焊料在镀镍层上界面反应及镀镍层消耗规律,从而合理制定不同焊接温度的钎料镀镍层厚度。
[0004] 在电子封装领域中多采用镀镍的铜板,不仅可以达到高可靠性,同时由于铜较好导热导电性,可以及时将热量散出,避免产品失效。但是在采用镀镍铜基板时,镍层在长期服役中会被大量消耗,使得焊点界面IMC过度生长,同时也可能诱发Kirkendall孔洞的产生。因此研究镀镍层的消耗对于焊点可靠性有着重要的意义。

发明内容

[0005] 为解决背景技术中的问题;本发明的目的在于提供一种微焊点的镀镍层界面反应及镍层的消耗规律的方法。
[0006] 本发明的一种微焊点的镀镍层界面反应及镍层的消耗规律的方法,它的方法如下:将SAC305,Sn5Sb,42Sn58Bi三种钎料在镍层上进行焊接,通过控制液态停留时间,等温时效时间,对镍层消耗量,界面IMC的厚度,以及时效后焊点的剪切性能进行测试,观察焊点的微观组织及剪切断口形貌,分析镀层消耗的机理,推导镀镍层消耗的规律,从而合理制定钎料的镍层厚度。
[0007] 一种微焊点的镀镍层界面反应及镍层的消耗规律的方法,它的具体操作方法为:步骤一:焊前处理:
对镀镍的铜基板进行清理,采用声波清洗,同时加入少量稀盐酸,去除镍层表面的化膜,用无乙醇再次清洗,将镀镍铜基板在干燥箱中进行干燥;将处理过的镀镍铜基板表面镀层进行测量,采用CAD测量镀层初始厚度;
步骤二:焊点制备:
首先用砂纸去除钎料表面的氧化膜,然后将钎料块剪成碎末,并且用无水乙醇超声清洗并晾干备用,将分析纯的甘油倒入平板电炉的坩埚中,然后用镊子将钎料碎末放入甘油中,用平板电炉加每种材料适应的温度,待钎料熔化后,关闭电炉电源,待钎料球凝固后用镊子取出钎料球;最后把钎料球放入无水乙醇中,用超声波清洗掉钎料球表面的甘油后,然后取出晾干;
步骤三:采用回流焊进行焊接:
在植球之前选择合适的助焊剂,将助焊剂均匀涂抹到镀镍铜基板上,将制备好的三种BGA植球到镀镍铜基板上进行回流焊接,采用三种不同焊接温度,三种BGA分别为SAC305,Sn-5Sb,42Sn58Bi;
步骤四:焊后焊点的界面IMC层及镀层厚度测量:
采用GX71-6230A多功能光学显微镜及扫描电子显微镜对无铅互连微焊点界面微观组织观察分析,同时为研究焊点界面金属间化合物层生长动学,借助Auto CAD 软件对界面 IMC 层进行厚度测量,首先用面积测量按钮测出试样的面积A,及界面层的长度,测量面积A比测量长度L得出界面IMC的厚度,然后把测量的界面IMC层薄厚取其平均值;为避免出现误差,对每种焊点进行10组照片测量;镀层厚度测量同样采用此种方法。
[0008] 作为优选,所述SAC305加热与焊接的温度为260℃,Sn-5Sb加热与焊接的温度为280℃,42Sn58Bi加热与焊接的温度为170℃。
[0009] 与现有技术相比,本发明的有益效果为:一、根据镍层的消耗规律,为不同钎料制定镀层厚度,提高焊点的可靠性;
二、通过研究液态停留时间,等温时效时间对3种不同钎料的镀镍层消耗规律,以及界面IMC的生长速率,焊点时效后的剪切性能影响,预测焊点的镀镍层厚度消耗趋势,从而合理制定不同钎料相应的镀镍层厚度。

具体实施方式

[0010] 本具体实施方式的技术方案为:将SAC305,Sn5Sb,42Sn58Bi三种钎料在镍层上进行焊接,通过控制液态停留时间,等温时效时间,对镍层消耗量,界面IMC的厚度,以及时效后焊点的剪切性能进行测试,观察焊点的微观组织及剪切断口形貌,分析镀层消耗的机理,推导镀镍层消耗的规律,从而合理制定钎料的镍层厚度。
[0011] 1、在不同液态停留时间下,制备3种钎料的微焊点,采用高温时效的方法,研究液态停留时间对镀镍层消耗速率及界面IMC生长速率的影响。
[0012] 2、将3种焊点进行等温时效,分析时效过程中镀镍层的消耗规律。
[0013] 3、采用等温时效的方法,研究焊点在镀层消耗过程中剪切性能的变化。
[0014] 4、总结3种微焊点的镀镍层消耗规律,分析消耗机理的转变。
[0015] 本实施例的研究方法:首先通过系统的搜集阅读关于镀镍层消耗的文献,总结现有的镀镍层使用过程中所面临的问题,针对现有的问题综述各国研究者对与这些问题提出的解决方案,并分析这些方案的可行性,结合实验室现有的实验条件,制订了关于3种不同钎料镀镍层消耗的实验方案,即经过焊点制备,进行回流焊接,焊后测量镀镍层厚度,焊点剪切强度,设计等温时效实验,分析时效时间对镀镍层的影响,得出镍层的消耗规律,合理的制定镀镍层厚度。
[0016] 本实施例的理论分析及计算:1)钎料与基板金属的反应一个元素扩散的过程。在固相条件下,界面化合物生长受元素扩散机制控制,因此,在众多影响界面IMC生长的因素当中,其对时效温度最为敏感。当焊点所处的环境温度恒定时,随着时效时间的延长,焊点界面化合物的形貌和界面组织的类型也随之不断发生变化;焊点处在不同时效时间段时,界面IMC 的生长速率也不相同,表现为各不相同的界面IMC层厚度。当时效温度变化时,界面IMC的形貌、成分及生长速率也会产生比较明显的差异。
[0017] 2)本试验采用GX71-6230A多功能光学显微镜及扫描电子显微镜对无铅互连微焊点界面微观组织观察分析。同时为研究焊点界面金属间化合物层生长动力学,本试验借助Auto CAD 软件对界面 IMC 层进行厚度测量。首先用面积测量按钮测出试样的面积A,及界面层的长度,测量面积A比测量长度L得出界面IMC的厚度,然后把测量的界面IMC层薄厚取其平均值。为避免出现误差,对每种焊点进行10组照片测量。镀层厚度测量同样采用此种方法。
[0018] 本实施例的实验方法和步骤:1)焊前处理:
对镀镍的铜基板进行清理,采用超声波清洗,同时加入少量稀盐酸,去除镍层表面的氧化膜,用无水乙醇再次清洗,将镀镍铜基板在干燥箱中进行干燥。将处理过的镀镍铜基板表面镀层进行测量,采用CAD测量镀层初始厚度。
[0019] 2)焊点制备:首先用砂纸去除钎料块表面的氧化膜,然后将钎料块剪成碎末,并且用无水乙醇超声清洗并晾干备用,将分析纯的甘油倒入平板电炉的坩埚中,然后用镊子将钎料碎末放入甘油中,用平板电炉加每种材料适应的温度(SAC305加热温度为260℃,Sn-5Sb加热温度为280℃,42Sn58Bi加热温度为170℃),待钎料熔化后,关闭电炉电源,待钎料球凝固后用镊子取出钎料球。最后把钎料球放入无水乙醇中,用超声波清洗掉钎料球表面的甘油后,然后取出晾干。
[0020] 3)采用回流焊进行焊接:在植球之前选择合适的助焊剂,将助焊剂均匀涂抹到镀镍铜基板上,将制备好的三种BGA(SAC305,Sn-5Sb,42Sn58Bi)植球到镀镍铜基板上进行回流焊接,采用三种不同焊接温度(SAC305焊接温度为260℃,Sn-5Sb焊接温度为280℃,42Sn58Bi焊接温度为170℃)。
[0021] 4)焊后焊点的界面IMC层及镀层厚度测量:本试验采用GX71-6230A多功能光学显微镜及扫描电子显微镜对无铅互连微焊点界面微观组织观察分析。同时为研究焊点界面金属间化合物层生长动力学,本试验借助Auto CAD 软件对界面 IMC 层进行厚度测量。首先用面积测量按钮测出试样的面积A,及界面层的长度,测量面积A比测量长度L得出界面IMC的厚度,然后把测量的界面IMC层薄厚取其平均值。为避免出现误差,对每种焊点进行10组照片测量。镀层厚度测量同样采用此种方法。
[0022] 本实施例的时效实验设计:由于不同材料的时效温度不同,根据GJB548A-96标准,时效温度设定为:SAC305时效温度为150℃,Sn-5Sb时效温度为180℃,42Sn58Bi时效温度为100℃,根据工程行业标准的最简单设计原则设定的时效时间可以根据周计次,故时效时间选择为1周,2周,3周,4周。
[0023] 本实施例的焊点的时效后剪切性能测试:先将制备好的焊点固定在平台上,打开剪切仪器的指示装置,调节两侧的蜗杆,将刀尖调至焊点的后排,随后将提前设置的参数实时传送至剪切测试设备中,随后点击开始按钮,进行剪切性能的测试。操作中焊点所受剪切力借助传感器实时发送至测试仪器的主机中,试验后借助软件导出试验结果。此次实验剪切速度是 0.1 mm/s,剪切行程1.0 mm,剪切高度设置20-45μm。每种工艺条件下制备的焊点测量12个,求其平均值,得出剪切强度。
[0024] 对于本领域技术人员而言,显然本发明不限于上述示范性实施例的细节,而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下,能够以其他的具体形式实现本发明。因此,无论从哪一点来看,均应将实施例看作是示范性的,而且是非限制性的,本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定,因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
[0025] 此外,应当理解,虽然本说明书按照实施方式加以描述,但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案,说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见,本领域技术人员应当将说明书作为一个整体,各实施例中的技术方案也可以经适当组合,形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
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