本發明屬于電子封裝技術領域，尤其涉及一種用于面陣列封裝用銅基非晶焊球及其制備方法及封裝方法。

背景技術：

目前用于面積陣列封裝的球形材料有：1）snpb球，但sn錫-鉛釬料球對人體有害，目前很多國家都明令禁止錫鉛釬料的使用。基于此，電子封裝行業的錫-銅無鉛釬料應運而生。2）含sn量高的無鉛錫球，在焊接過程中，錫球會和錫膏熔為一體，將封裝體和焊盤連在一起。常見的錫球的成分一般為sn/ag/cu或者添加石墨烯的sn-ag-cu復合釬料，有較脆的snbi，有sn-ag-bi-in，但in有微弱的放射性，也有snzn焊球等。這些焊球都是共晶合金球居多，焊球經熔化后，冷卻凝固過程中焊點中或多或少出現應力。

現有技術中，制備bga焊球的技術按原理可分為：1）直接澆注法，但澆注工藝難保證球形度；2）切絲重熔法，但其對設備要求較高；3）焊膏印刷回流法，依靠回流熔化在焊盤上形成焊球，工藝復雜，設備昂貴，效率低下；4）切片重熔法與切絲重熔法類似；5）壓電振動法，用此方法制備的焊球仍需精密篩分及選形操作，難度較大。

目前很多面積陣列封裝結構體，都電鍍有ubm層，即在硅片依次鍍上cr層、cu層、ni層和au層，以提高潤濕性以及焊點可靠性，但是制備方法復雜，成本高。

技術實現要素：

針對以上技術問題，本發明公開了一種用于面陣列封裝用銅基非晶焊球及其制備方法及封裝方法，拓展了面積陣列封裝用焊球所使用的合金材料，提高互連焊點的性能，如抗高溫和抗電遷移性能等。

對此，本發明采用的技術方案為：

一種用于面陣列封裝用銅基非晶焊球，所述銅基非晶焊球為非晶球形cu46zr42al7y5粉末，在面陣列封裝過程中，熔融sn通過擴散反應將非晶球形cu46zr42al7y5粉末與焊盤連接起來。

采用此技術方案，所用非晶球形cu46zr42al7y5粉末在連接過程中粉末并不熔化，粉末只在與熔融sn接觸處發生擴散反應，形成焊盤-化合物層-非晶球形粉末-化合物層-焊盤的封裝結構，采用該非晶焊球進行焊接，提高了互連焊點的性能，如抗高溫和抗電遷移性能等。優選的，所述焊盤為銅焊盤，其中cu焊盤不需鍍上阻焊層以及au層。

作為本發明的進一步改進，所述非晶球形cu46zr42al7y5粉末采用氣霧化制粉的方法制備得到。

作為本發明的進一步改進，所述氣霧化制粉采用垂直霧化的方式，使用惰性氣體或者n2沖擊熔融合金，熔融合金的流動方向與霧化氣體的流動方向之間的角度為90度，冷卻凝固成粉末。

本發明還公開了一種如上所述的用于面陣列封裝用銅基非晶焊球的制備方法，其特征在于：

其包括以下步驟：

步驟a：在惰性氣體或氮氣保護下，按cu、zr、al和y的46:42:7:5的原子比感應熔煉cu塊、zr塊、al塊和y塊，得到母合金；

步驟b：然后把母合金分成小塊，清潔表面；然后將分成小塊的母合金進行氣霧化制粉，然后對制備得到的氣霧化的焊球粉末進行篩分。

作為本發明的進一步改進，步驟b中，所述氣霧化制粉采用垂直霧化的方式，使用霧化氣體惰性氣體或n2沖擊熔融合金，其中熔融合金的流動方向與霧化氣體的流動方向之間的角度為90度，冷卻凝固成粉末。

作為本發明的進一步改進，步驟b中，所述惰性氣體或n2氣的壓力為0.15~0.8mpa，步驟a中，惰性氣體或氮氣的氣體流量為0.1~1m³/h。其中，所述惰性氣體優選為ar氣。

作為本發明的進一步改進，步驟b中，采用60~600目的標準篩對粉末混合體篩分成60-65目、75-80目、90-100目、150-160目和325-400目的粉末。

采用上述方法，一次就能制備出適合幾種不同中心距的面積陣列封裝用焊球，所述方法工藝簡單，對設備要求不高，自行設計制造的簡易氣霧化設備即可滿足要求，極大地提高了制備焊球的效率，降低面積陣列封裝用焊球的生產成本，非常適用于工業生產。

詳細的，所述非晶態cu46zr42al7y5焊球的制備方法為：

在ar氣保護下，按46:42:7:5的原子比感應熔煉純度為99.9%以上的cu塊、zr塊、al塊和y塊3次得到母合金，使母合金的成分趨于均勻。然后把母合金線切割成合格尺寸的小塊，用水砂紙磨拋表面氧化膜，冷吹風吹干。在氣霧化過程中，霧化采用垂直霧化方式，即熔融合金與霧化氣體之間的角度為90度，使用ar氣或者n2沖擊熔融合金，細液滴冷卻凝固成粉末，得到已經過初步篩分的粉末混合體，這是因為粉末在一體式氣霧化裝置中作平拋運動而得到初步篩分，從而提高了篩分效率，其中ar氣或者n2的霧化壓力為0.2mpa、保護熔融合金的氣體流量0.8m³/h。再用60~600目的標準篩對粉末混合體篩分成60-65目、75-80目、90-100目、150-160目和325-400目的粉末，得到四種球徑相差不大的非晶態焊球粉末。

采用該制備方法得到的非晶態焊球粉末還可以用于3d打印中。

本發明還公開了一種面陣列的封裝方法，其特征在于：其采用如上所述的用于面陣列封裝用銅基非晶焊球進行封裝。

作為本發明的進一步改進，在面陣列封裝過程中，所述非晶球形cu46zr42al7y5粉末為不熔化的固體狀態，所述非晶球形cu46zr42al7y5粉末在與熔融sn接觸處發生擴散反應，形成焊盤-化合物層-球形粉末-化合物層-焊盤的封裝結構。

作為本發明的進一步改進，所述的面陣列的封裝方法包括以下步驟：

步驟s1，在焊盤上涂覆一層焊sn膏或者粘附一層含有助焊劑的15~25微米的sn箔；其中，焊盤上不需電鍍阻焊層。

步驟s2，在放大鏡觀察下，在sn膏或涂有助焊劑的sn箔上預植cu46zr42al7y5非晶焊球，每個焊盤均預植一個同樣目數范圍下的cu46zr42al7y5非晶焊球粉末，再將另一涂覆了sn膏層或粘附有含有助焊劑的sn箔的陣列與已預植焊球的陣列對中，使中心距相同，利用夾具壓緊，使每兩個焊盤間的結構為焊盤-焊sn膏-cu46zr42al7y5球形粉末-焊sn膏-焊盤、或者焊盤-sn箔-cu46zr42al7y5球形粉末-sn箔-焊盤；

步驟s3，在240℃下回流3-10min后冷卻后取出封裝體。

進一步的，所述焊盤為cu焊盤。

采用上述技術方案，當預封裝結構體，即已用夾具夾緊的cu焊盤-焊sn膏-cu46zr42al7y5球形粉末-焊sn膏-cu焊盤，或者cu焊盤-sn箔-cu46zr42al7y5球形粉末-sn箔-cu焊盤，置于管式爐中回流時，焊sn膏或者sn箔隨即熔化，由于非晶態cu46zr42al7y5焊球與cu焊盤是點接觸，在接觸點周圍焊球與cu焊盤有一狹小的間隙，此狹小間隙對熔融sn提供毛細管力，熔融sn出現毛細現象。與此同時，對cu46zr42al7y5焊球而言，焊球與熔融sn接觸的部位及其附近，cu和sn反應生成cu6sn5化合物層，熔融sn也會和cu焊盤上的部分cu反應生成cu6sn5化合物層，當熔融sn耗盡時達到連接的目的，該過程只持續幾分鐘即可完成。

作為本發明的進一步改進，步驟s3中，冷卻到150度后取出封裝體。

與現有技術相比，本發明的有益效果為：

第一，采用本發明的技術方案，采用銅基cu46zr42al7y5非晶焊球實現面積陣列封裝互連，該材料在互連過程中并不熔化，在連接過程中只通過擴散反應達到連接的目的，焊球高度基本不發生變化，連接過程耗時短，所用焊盤并不需要鍍上阻焊層和au層，完成互連后焊球形狀不發生明顯變化，提高了抗高溫和抗電遷移性能。

第二，采用本發明的技術方案，在連接過程以及后期老化過程中焊球的成分依然為非晶球，化學成分相對穩定、均勻，即化學穩定性好，其成分較均勻，具有各向同性，能提其抗電遷移性能。同時，用此粉末制備的焊點，用于高溫領域可靠性好。而且，所用的陣列不需鍍上ni層和和au層，大大提高了制備陣列焊點的效率，降低成本，節約資源。

第三，采用本發明技術方案的氣霧法制粉制備的銅基cu46zr42al7y5焊球，具有很好的分散性和球形度，表面氧化物少，在用于焊點連接時，只需簡單用稀酸腐蝕5-10s或不用進行表面處理，簡化制造工藝；而且所用氣霧法制粉工藝簡單，對設備要求不高，自行設計制造的簡易氣霧化設備即可滿足要求，極大地提高了制備焊球的效率，降低面積陣列封裝用焊球的生產成本，非常適用于工業生產。

附圖說明

圖1為實施例1經過氣霧化后制得的cu-zr-al-y非晶態合金粉末的sem圖。

圖2為實施例1經過氣霧化后制得的cu-zr-al-y非晶態合金粉末的x射線衍射圖譜。

圖3是實施例l最終獲得的封裝結構體及各層物相的成分分析圖。

圖4為實施例1最終獲得的封裝結構體及各層物相的結構示意圖。

具體實施方式

下面對本發明的較優的實施例作進一步的詳細說明。

實施例1

用天平稱取39.1g純度為99.99%的cu、53.6g純度為99.9%的zr、1.6g純度為99.99%的al和5.8g純度為99.9%的y，表面用水砂紙稍微打磨，去除部分氧化膜，冷風烘干后置于熔煉坩堝中，往熔煉坩堝中通入流量為0.1m³/h的ar氣或者氮氣，在感應線圈作用下，銅和錫熔化成合金，反復熔煉合金3次，冷卻到室溫后，停止通氣，取出合金，切割成10*10*20mm以內的小塊合金，置于垂直氣霧化噴嘴中，氮氣或者氬氣保護下感應加熱至熔融狀態，氮氣或者氬氣沖擊由于氮氣或者氬氣壓力作用下從噴嘴中噴出的熔融合金，實現氣霧化制粉，得到經過初步篩分的粉末混合體，再用60-65目、75-80目、90-100目、150-160目和325-400目的標準樣篩層層篩選4次，得到適用于不同中心距的焊球。再通過xrd表征手段分析每種球徑范圍的粉末，即為非晶態cu-zr-al-y焊球，如圖1和圖2所示。由圖1可見，得到的cu-zr-al-y粉末均為球狀。由圖2可見，粉末的衍射峰為寬化峰，說明得到的粉末為非晶態粉末。

取出60-65目的非晶態cu46zr42al7y5焊球，用15%的稀鹽酸腐蝕10s，烘干，取出兩cu焊盤陣列，在cu焊盤的陣列上涂敷一薄層焊sn膏，在放大鏡的觀察下，用鑷子夾取一顆非晶態cu46zr42al7y5焊球預植于涂有焊sn膏的焊盤中間，重復此操作把每個焊盤都放置一顆非晶態cu46zr42al7y5焊球，通過夾具使另一涂敷有焊sn膏的cu焊盤陣列的中心距與預植有非晶態cu46zr42al7y5焊球的陣列的中心距相同，并用夾具夾緊，得到封裝結構胚體，將夾緊封裝結構胚體的夾具置于240℃的管式馬弗爐中回流6min，后隨爐冷卻到150℃再取出夾具，將封裝結構體取下即可，最終獲得的封裝結構體及各層物相的成分分析圖如圖3所示，最終獲得的封裝結構體及各層物相示意圖如圖4所示。由圖3和圖4可見，焊盤附近的區域，cu和sn的原子比接近6:5，可以推斷非晶焊球與焊盤間的間隙層的物相為cu6sn5化合物層，而非晶焊球中cu、zr、al和y的原子比接近27:59:6:8，銅的比例明顯低于非晶焊球中銅的比例，說明焊球中的部分cu已擴散到焊球外，也說明焊盤上的sn通過毛細管力，與cu46zr42al7y5焊球和cu焊盤作用：非晶焊球與熔融sn接觸的部位及其附近，cu和sn反應生成cu6sn5化合物層，熔融sn也會和cu焊盤上的部分cu反應生成cu6sn5化合物層，最終，所用非晶球形cu46zr42al7y5粉末在連接過程中粉末并不熔化，粉末只在與熔融sn接觸處發生擴散反應，形成焊盤-化合物層-非晶球形粉末-化合物層-焊盤的封裝結構。

經測得其初始抗剪切力為10n，所得封裝結構體經260攝氏度熱處理48h后，封裝結構體的組織稍微弱化，其抗剪切力變為9n，說明封裝結構體具有較高的抗高溫性能。電流密度為5*10⁴a/cm²，工作溫度為200攝氏度時，連續工作60h或更長時間后陰極出現柯肯達爾孔洞，陽極的化合物層稍微增厚，抗剪切力變為7n，工作80h或更長時間后出現顯微裂紋。

實施例2

用天平稱取39.1g純度為99.99%的cu，53.6g純度為99.9%的zr，1.6g純度為99.99%的al和5.8g純度為99.9%的y，表面用水砂紙稍微打磨，去除部分氧化膜，冷風烘干后置于熔煉坩堝中，往熔煉坩堝中通入流量為0.1m³/h的ar氣或者氮氣，在感應線圈作用下，銅和錫熔化成合金，反復熔煉合金3次，冷卻到室溫后，停止通氣，取出合金，切割成10*10*20mm以內的小塊合金，置于垂直氣霧化噴嘴中，氮氣或者氬氣保護下感應加熱至熔融狀態，氮氣或者氬氣沖擊由于氮氣或者氬氣壓力作用下從噴嘴中噴出的熔融合金，實現氣霧化制粉，得到經過初步篩分的粉末混合體，再用60-65目、75-80目、90-100目、150-160目和325-400目的標準樣篩層層篩選4次，得到適用于不同中心距的焊球。再通過xrd表征手段分析每種球徑范圍的粉末，即為非晶態cu-zr-al-y焊球。取出75-80目的非晶態cu46zr42al7y5焊球，取出兩cu焊盤陣列，在cu焊盤的陣列上涂敷一薄層焊sn膏，在放大鏡的觀察下，用鑷子夾取一顆非晶態cu46zr42al7y5焊球預植于涂有焊sn膏的焊盤中間，重復此操作把每個焊盤都放置一顆非晶態cu46zr42al7y5焊球，通過夾具使另一涂敷有焊sn膏的cu焊盤陣列的中心距與預植有非晶態cu46zr42al7y5焊球的陣列的中心距相同，并用夾具夾緊，得到封裝結構胚體，將夾緊封裝結構胚體的夾具置于240℃的管式馬弗爐中回流6min，后隨爐冷卻到150℃再取出夾具，將封裝結構體取下即可。

經測得其初始抗剪切力為9n，所得封裝結構體經260攝氏度熱處理48h后，封裝結構體的組織稍微弱化，其抗剪切力變為8n，說明封裝結構體具有較高的抗高溫性能。電流密度為5*10⁴a/cm²，工作溫度為200攝氏度時，連續工作55h或更長時間后陰極出現柯肯達爾孔洞，陽極的化合物層稍微增厚，抗剪切力變為7n，工作75h或更長時間后出現顯微裂紋。

實施例3

用天平稱取33.6g純度為99.99%的cu，58g純度為99.9%的zr，2.5純度為99.99%的al和5.9g純度為99.9%的y，表面用水砂紙稍微打磨，去除部分氧化膜，冷風烘干后置于熔煉坩堝中，往熔煉坩堝中通入流量為0.1m³/h的ar氣或者氮氣，在感應線圈作用下，銅和錫熔化成合金，反復熔煉合金3次，冷卻到室溫后，停止通氣，取出合金，切割成10*10*20mm以內的小塊合金，置于垂直氣霧化噴嘴中，氮氣或者氬氣保護下感應加熱至熔融狀態，氮氣或者氬氣沖擊由于氮氣或者氬氣壓力作用下從噴嘴中噴出的熔融合金，實現氣霧化制粉，得到經過初步篩分的粉末混合體，再用75-80目、90-100目、150-160目和325-400目的標準樣篩層層篩選4次，得到適用于不同中心距的焊球。再通過xrd表征手段分析每種球徑范圍的粉末，即為非晶態cu-zr-al-y焊球。取出75-80目的非晶態cu-zr-al-y焊球，取出兩cu焊盤陣列，在cu焊盤的陣列上先涂敷少量助焊劑，再將與cu焊盤差不多大小的sn箔粘附到助焊劑上后在sn箔上面涂敷更少量助焊劑，在放大鏡的觀察下，用鑷子夾取一顆非晶態cu-zr-al-y焊球預植于涂有助焊劑的sn箔中間，重復此操作把每個焊盤都放置一顆非晶態cu-zr-al-y焊球，通過夾具使另一粘附有sn箔的cu焊盤陣列的中心距與預植有非晶態cu-zr-al-y焊球的陣列的中心距相同，并用夾具夾緊，得到封裝結構胚體，將夾緊封裝結構胚體的夾具置于240℃的管式馬弗爐中回流8min，后隨爐冷卻到150℃再取出夾具，將封裝結構體取下即可。

經檢測其初始抗剪切強度為7n，所得封裝結構體經260攝氏度熱處理48h后，封裝結構體的組織不發生明顯變化，其抗剪切力仍為7n，說明封裝結構體具有較高的抗高溫性能。電流密度為5*10⁴a/cm²，工作溫度為200攝氏度時，連續工作50h或更長時間后陰極出現柯肯達爾孔洞，陽極化合物稍微增厚，抗剪切力變為5n，工作74h或更長時間后才出現顯微裂紋。

實施例4

用天平稱取39.1g純度為99.99%的cu、53.6g純度為99.9%的zr、1.6g純度為99.99%的al和5.8g純度為99.9%的y，表面用水砂紙稍微打磨，去除部分氧化膜，冷風烘干后置于熔煉坩堝中，往熔煉坩堝中通入流量為0.1m³/h的ar氣或者氮氣，在感應線圈作用下，銅和錫熔化成合金，反復熔煉合金3次，冷卻到室溫后，停止通氣，取出合金，切割成10*10*20mm以內的小塊合金，置于垂直氣霧化噴嘴中，技噴嘴的出口方向與霧化氣體的出口方向垂直，即熔融合金的流動方向與霧化氣體的流動方向之間的角度為90度，氮氣或者氬氣保護下感應加熱至熔融狀態，氮氣或者氬氣沖擊由于氮氣或者氬氣壓力作用下從噴嘴中噴出的熔融合金，實現氣霧化制粉，得到經過初步篩分的粉末混合體，再用75-80目、90-100目、150-160目、325-400目和600-900目的標準樣篩層層篩選4次，得到球徑相差不大的非晶粉末。

取出600-900目的非晶粉末，經3d打印技術制備成工件后，延伸率達到8%，顯微硬度達到1.2gpa左右，抗拉強度為450mpa，彈性模量達40gpa左右。采用本氣霧化制粉方法制備得到的非晶粉末還可以用于3d打印中。

對比例1

用sac305焊料球作為焊球，經過回流試驗后測得其初始剪切力在13n左右；在200攝氏度老化48h后，其剪切力變為6n，說明其抗高溫性能較差；電流密度為5*10⁴a/cm²，工作溫度為150攝氏度時，連續工作48h左右陰極出現柯肯達爾孔洞，此外在陽極側的化合物層增厚明顯，剪切力降為4n，性能下降。

對比例2

用目前市場上切絲重熔法獲得的sn63pb27焊料球作為焊球，經過回流試驗后測得其初始剪切力在14n左右；在150攝氏度老化48h后，其剪切力變為7n，說明其抗高溫性能較差；電流密度為1.6*10⁴a/cm²，工作溫度為100攝氏度時，連續工作40h左右陰極出現柯肯達爾孔洞，此外在陽極側的化合物層增厚，剪切力降為6n，性能下降。

通過上述實施例1~4和對比例1~2的測試數據可見，本發明采用非晶本發明的粉末球形粉末作為焊球，提高了面陣列封裝焊點的耐高溫性能和抗電遷移性能。

以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限于這些說明。對于本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本發明的保護范圍。