本發(fā)明屬于電子封裝材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于微納米針錐結(jié)構(gòu)抑制錫晶須生長的方法。

背景技術(shù)：

由于錫(Sn)及錫基合金具有良好的抗氧化性、抗腐蝕性和可焊性，因而錫涂層在整個電子行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，特別是電鍍錫工藝技術(shù)的逐漸成熟，錫焊料被大量應(yīng)用于電子封裝領(lǐng)域。然而，電鍍錫鍍層易于生長錫晶須，從而導(dǎo)致電子器件短路和系統(tǒng)失效，嚴(yán)重影響電子器件的可靠性。

在過去數(shù)十年中，關(guān)于錫晶須導(dǎo)致失效事故的報道層出不窮，涉及航空航天、核電站、發(fā)電廠、衛(wèi)星雷達(dá)通信等重要領(lǐng)域。過去數(shù)十年中，Sn-Pb合金的應(yīng)用成為抑制錫晶須生長的有效方法，但鉛作為有毒重金屬，危害人體健康，污染環(huán)境，是迫切需要替代的重金屬之一。2006年7月1日，歐盟實施了《關(guān)于限制在電子電器設(shè)備中使用某些有害成分的指令》(Restriction of Hazardous Substances，簡稱RoHS)，并重點規(guī)定了鉛的含量不能超過0.1％。因此，純錫或錫基合金易于生長錫晶須的缺陷再次突顯，而且電子器件的微型化對錫晶須提出更為苛刻的要求，因此開發(fā)抑制錫晶須生長的新方法成為亟待解決的問題。

目前，錫晶須的形成機理尚未清楚，但壓應(yīng)力作為錫晶須的驅(qū)動力已被大家所公認(rèn)。氧化，介面合金共化物(IMC)的生成，Sn鍍層的結(jié)構(gòu)和形貌，以及機械應(yīng)力均會影響Sn鍍層內(nèi)應(yīng)力，從而影響錫晶須的形成。從影響錫晶須形成的因素出發(fā)，抑制或減弱錫晶須形成的方法主要有：1)通過合金化，改變Sn鍍層的成分及微結(jié)構(gòu)，但是電鍍合金技術(shù)中，成分的控制十分困難。2)減少氧化物的形成。例如通過Sn表面涂覆保形涂層，可以短期內(nèi)有效防止錫晶須的產(chǎn)生，但不能消去，而且工藝復(fù)雜。3)減少IMC的形成。對于金屬襯底特別是Cu基襯底，阻止IMC的形成對錫晶須的抑制有明顯效果。4)回流或退火。回流或退火可以增長錫晶須的孕育期，延緩錫晶須的形成，但是其熱力學(xué)驅(qū)動力不能消去，并且產(chǎn)生液相可能導(dǎo)致坍塌和搭橋現(xiàn)象。

可見，目前雖然存在各種抑制錫晶須的方法，但仍存在諸多問題，仍未形成普遍適用的機理，以及簡單有效的抑制方法。因此，急需開發(fā)一種簡單有效、適于工業(yè)化應(yīng)用的錫晶須抑制方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，提供了一種基于微納米針錐結(jié)構(gòu)層抑制錫晶須生長的方法，利用微納米針錐結(jié)構(gòu)來釋放錫鍍層內(nèi)部的壓應(yīng)力，從而減小錫鍍層晶須生長的驅(qū)動力，抑制錫晶須的形成。本發(fā)明的方法克服了現(xiàn)有工藝存在的一些缺陷，能夠避免回流或退火工藝溫度高對器件造成的熱損傷，具有操作溫度低，工藝簡單、兼容性強，穩(wěn)定性高，抑制效果明顯的優(yōu)點。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種基于微納米針錐結(jié)構(gòu)抑制錫晶須生長的方法，包括以下步驟：

(1)選擇一導(dǎo)電基體，并對所述的導(dǎo)電基體清洗，清洗后在所述的導(dǎo)電基體上生長微納米針錐結(jié)構(gòu)層；

(2)然后對所述的微納米針錐結(jié)構(gòu)層進(jìn)行清洗，去除表面氧化層，再在所述的微納米針錐結(jié)構(gòu)層上生長錫基焊料。

優(yōu)選為，所述的導(dǎo)電基體為銅合金或沉積有金屬層的PCB板。

優(yōu)選為，步驟(1)所述的對所述的導(dǎo)電基體清洗包括除油和酸洗；步驟(2)對所述的微納米針錐結(jié)構(gòu)層進(jìn)行清洗包括酸洗。

優(yōu)選為，所述的微納米針錐結(jié)構(gòu)層的高度為0.2μm～50μm。

優(yōu)選為，所述的微納米針錐結(jié)構(gòu)層為一級結(jié)構(gòu)或多級結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選為，所述的微納米針錐結(jié)構(gòu)層為多級結(jié)構(gòu)時，前一級結(jié)構(gòu)的尺寸比后一級結(jié)構(gòu)的尺寸大。

優(yōu)選為，所述的微納米針錐結(jié)構(gòu)層的一級結(jié)構(gòu)為Cu或Ni；所述的多級結(jié)構(gòu)的最后一級結(jié)構(gòu)為Ni、Ag或Au。

優(yōu)選為，在所述的導(dǎo)電基體上生長所述的微納米針錐結(jié)構(gòu)層的方法為電沉積法或化學(xué)沉積法；在所述的微納米針錐結(jié)構(gòu)層上生長所述的錫基焊料的方法為電鍍、化學(xué)鍍或熱浸鍍。

優(yōu)選為，所述的錫基焊料為純Sn、Sn-Ag、Sn-Ag-Cu或Sn-Zn。

優(yōu)選為，所述的微納米針錐結(jié)構(gòu)層的高度不低于所述的錫基焊料的高度的四分之一。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下：

一、本發(fā)明的一種基于微納米針錐結(jié)構(gòu)抑制錫晶須生長的方法，通過先在導(dǎo)電基體上設(shè)置微納米針錐結(jié)構(gòu)層，由于微納米針錐結(jié)構(gòu)層具有較大的比表面積和獨特的幾何形狀，利用微納米針錐結(jié)構(gòu)層來釋放錫鍍層內(nèi)部的壓應(yīng)力，從而減小錫鍍層晶須生長的驅(qū)動力，抑制錫晶須的形成，適用于各種形式的錫層薄膜的生長；

二、本發(fā)明的導(dǎo)電基體與微納米針錐結(jié)構(gòu)層之間，以及微納米針錐結(jié)構(gòu)層與錫基焊料之間均通過金屬鍵結(jié)合，強度高，不易脫離；本發(fā)明的方法具有制備方法簡單、溫度低，工藝兼容性強，穩(wěn)定性高，能夠有效地抑制錫層晶須的生長的優(yōu)點。

當(dāng)然，實施本發(fā)明的任一方法并不一定需要同時達(dá)到以上所述的所有優(yōu)點。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的抑制錫晶須生長復(fù)合錫層的剖面圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)該理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明，而不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。在實際應(yīng)用中本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明做出的改進(jìn)和調(diào)整，仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

如圖1所示，本發(fā)明的一種基于微納米針錐結(jié)構(gòu)抑制錫晶須生長的方法，包括以下步驟：

(1)選擇一導(dǎo)電基體1，并對所述的導(dǎo)電基體1除油和酸洗等過程，去除導(dǎo)電基體1表面的有機物和氧化層，清洗后在所述的導(dǎo)電基體1上生長微納米針錐結(jié)構(gòu)層2；

(2)然后對所述的微納米針錐結(jié)構(gòu)層2進(jìn)行酸洗等過程，去除表面氧化層，再在所述的微納米針錐結(jié)構(gòu)層2上生長錫基焊料3。

所述的導(dǎo)電基體1為銅合金或沉積有金屬層的PCB板等具有在基體表面上鍍金屬層的材料。

在所述的導(dǎo)電基體1上生長所述的微納米針錐結(jié)構(gòu)層2的方法為電沉積法或化學(xué)沉積法；在所述的微納米針錐結(jié)構(gòu)層2上生長所述的錫基焊料3的方法為電鍍、化學(xué)鍍或熱浸鍍。

所述的微納米針錐結(jié)構(gòu)層2的高度為0.2μm～50μm，在電沉積或化學(xué)沉積法下，通過控制添加劑濃度、沉積時間、溫度、電流密度等參數(shù)，來控制微納米針錐結(jié)構(gòu)層2的高度；所述的微納米針錐結(jié)構(gòu)層2的高度不低于所述的錫基焊料3的高度的四分之一。

所述的微納米針錐結(jié)構(gòu)層2可以為一級結(jié)構(gòu)或多級結(jié)構(gòu)；當(dāng)本發(fā)明的微納米針錐結(jié)構(gòu)層2為一級結(jié)構(gòu)時，微納米針錐結(jié)構(gòu)層2既可以為一級微米針錐結(jié)構(gòu)層，又可以為一級納米針錐結(jié)構(gòu)層，但要保證微納米針錐結(jié)構(gòu)層2的高度為0.2μm～50μm且不低于所述的錫基焊料3的高度的四分之一；當(dāng)所述的微納米針錐結(jié)構(gòu)層2為多級結(jié)構(gòu)時，前一級結(jié)構(gòu)的尺寸比后一級結(jié)構(gòu)的尺寸要大，且高度為0.2μm～50μm和高度不低于所述的錫基焊料3的高度的四分之一，所述的多級結(jié)構(gòu)可以是先在基底上生長一級結(jié)構(gòu)4，然后在一級結(jié)構(gòu)4基礎(chǔ)上生長二級或三級結(jié)構(gòu)5。

所述的微納米針錐結(jié)構(gòu)層2的一級結(jié)構(gòu)為Cu或Ni等具有較規(guī)則針錐形貌的金屬元素；所述的多級結(jié)構(gòu)的最后一級結(jié)構(gòu)為Ni、Ag或Au等不易與Sn反應(yīng)生成金屬間化合物的元素。

所述的錫基焊料3為純Sn、Sn-Ag、Sn-Ag-Cu或Sn-Zn。

實施例1

選擇引線框架C194銅合金為導(dǎo)電基體，對導(dǎo)電基體除油20s，除油溫度40℃，除油電流3ASD(A/dm2)，去離子水洗凈后，用20％的稀硫酸清洗20s，然后去離子水沖洗干凈；將清洗干凈的目標(biāo)襯底置于準(zhǔn)備好的鍍液中，溶液溫度55℃，在導(dǎo)電基體上化學(xué)沉積微米銅針20min，得到長度為5μm左右的銅針結(jié)構(gòu)。去離子水清洗后，置于鍍鎳針鍍液中，溶液溫度為50℃，電流密度1.2ASD，電鍍時間為10min，在微米銅針上電沉積得到長度為500nm左右的鎳納米微錐二級結(jié)構(gòu)。利用20％的稀硫酸對得到的微納米針錐結(jié)構(gòu)進(jìn)行酸洗，以去除可能暴露在空氣中的氧化層，然后置于鍍錫液中，鍍液溫度為25℃，電流密度為1.0ASD，電鍍時間為20min，錫層厚度為12μm左右，電鍍完對錫層進(jìn)行清洗吹干。

實施例2

選擇不銹鋼為導(dǎo)電基體，對導(dǎo)電基體除油30s，除油溫度40℃，除油電流4ASD(A/dm2)，去離子水洗凈后，用20％的稀硫酸清洗20s，然后去離子水沖洗干凈；置于鍍鎳針鍍液中，溶液溫度為50℃，電流密度1.0ASD，電沉積時間為20min，電沉積得到長度為700nm左右的鎳納米錐結(jié)構(gòu)。利用20％的稀硫酸對得到的微納米針錐結(jié)構(gòu)進(jìn)行酸洗，以去除可能暴露在空氣中的氧化層，然后置于鍍錫液中，鍍液溫度為25℃，電流密度為1.2ASD，電鍍時間為5min，錫層厚度為2μm左右，電鍍完對錫層進(jìn)行清洗吹干。

實施例3

選擇半導(dǎo)體硅為基體，先在硅基體上濺射一層50/500nm的Cr/Cu種子層，用20％的稀硫酸清洗20s，然后去離子水沖洗干凈；置于鍍鎳針鍍液中，溶液溫度為50℃，電流密度1.0ASD，電沉積時間為20min，電沉積得到長度為700nm左右的鎳納米錐結(jié)構(gòu)。利用20％的稀硫酸對得到的微納米針錐結(jié)構(gòu)進(jìn)行酸洗，以去除可能暴露在空氣中的氧化層，然后置于鍍錫液中，鍍液溫度為25℃，電流密度為1.2ASD，電鍍時間為5min，錫層厚度為2μm左右，電鍍完對錫層進(jìn)行清洗吹干。

為了評價利用本發(fā)明方法制得的微納米-錫復(fù)合鍍層抑制錫晶須生長的效果，本發(fā)明通過以下方法進(jìn)行測試：利用壓痕實驗來加速錫晶須生長，在本發(fā)明制得的微納米-錫復(fù)合鍍層和純錫鍍層(對照組)上分別放置一顆直徑為1mm的陶瓷小球，然后在陶瓷小球上施加200g的恒定壓力，保持5天，濕度為45～55％，溫度為20～25℃，在壓痕邊緣會生長錫晶須，通過統(tǒng)計壓痕邊緣錫晶須的長度、直徑和數(shù)量來判斷鍍層錫晶須生長的難易程度。表1為分別對實施例1～3和純一錫鍍層(對照組)進(jìn)行壓痕實驗來評價鍍層錫晶須生長的難易程度。

表一

從表一可以看出，相比于純錫鍍層(對照組)，利用本發(fā)明方法制得的微納米-錫復(fù)合鍍層對抑制錫晶須的生長具有明顯的效果，錫晶須的最大長度、平均長度、平均直徑和數(shù)量均下降，特別對于錫晶須的平均長度和錫晶須的數(shù)量具有明顯的抑制作用，本發(fā)明通過先在導(dǎo)電基體上引入微納米針錐結(jié)構(gòu)層，利用微納米針錐結(jié)構(gòu)層來釋放錫鍍層內(nèi)部的壓應(yīng)力，從而減小錫鍍層晶須生長的驅(qū)動力，抑制錫晶須的形成。

本發(fā)明的導(dǎo)電基體不局限于以上沉積有金屬層的PCB板和銅合金，在導(dǎo)電基體上沉積微納米針錐結(jié)構(gòu)層的順序和成分可以調(diào)換，但要保證微納米結(jié)構(gòu)層的針錐狀形貌，最后一級的微納米結(jié)構(gòu)成分應(yīng)與錫層不易產(chǎn)生金屬間化合物，錫層的生長方法不局限于電鍍，也可以為化學(xué)鍍、熱浸鍍。電沉積或化學(xué)沉積的溫度、電流密度、沉積時間可以根據(jù)實際操作自行調(diào)整。本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員在上述發(fā)明構(gòu)思之內(nèi)所作的任何變化和調(diào)整，都屬于本申請的保護(hù)范圍內(nèi)。

以上公開的本發(fā)明優(yōu)選實施例只是用于幫助闡述本發(fā)明。優(yōu)選實施例并沒有詳盡敘述所有的細(xì)節(jié)，也不限制該發(fā)明僅為所述的具體實施方式。顯然，根據(jù)本說明書的內(nèi)容，可作很多的修改和變化。本說明書選取并具體描述這些實施例，是為了更好地解釋本發(fā)明的原理和實際應(yīng)用，從而使所屬技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員能很好地理解和利用本發(fā)明。本發(fā)明僅受權(quán)利要求書及其全部范圍和等效物的限制。