[发明专利]一种Ni‑P基板的封装方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种Ni-P基板的封装方法；特别涉及一种抑制Ni-P层消耗及界面层金属间化合物生长并采用含锡焊料封装Ni-P基板的方法；属于电子封装技术领域。

背景技术

P质量百分数为6-9％的非晶态化学镀Ni-P层与绝大多数基板(铜板、硅板等)具有较好的粘结性，能够有效地阻止锡基焊料中的Sn与基板的反应。与一般金属及合金镀层相比，非晶态Ni-P合金具有优异的机械性能及物理和化学特性，例如较高的硬度、良好的耐磨性和耐蚀性；另外，其具有良好的可焊接性，厚度均一可控性，表面光亮美观，因此，非晶态Ni-P化学镀层作为一种扩散阻挡层在flip-chip和BGA焊点等封装领域，尤其是航空航天关键电子元件与大功率计算机CPU封装中得到了广泛应用。但在封装焊接过程中，Ni原子从Ni-P层向焊接界面扩散，与Sn原子结合生成Ni₃Sn₄金属间化合物。同时，Ni原子向焊料中扩散也引起了Ni-P层的晶化，在Ni₃Sn₄与Ni-P层之间产生一层脆性的富P相(即Ni₃P)严重影响焊点的力学性能。在焊点服役过程中，器件之间的热差异引起焊点内部的热迁移效应。热迁移作用使得Ni原子继续向焊接界面扩散，导致Ni₃P层长大，最终Sn与Ni₃P结合形成Ni-Sn-P金属间化合物，造成焊接界面的剥离。另外，Ni的消耗导致Ni-P层体积收缩，引起Ni₃P中形成柱状孔洞，加速了基底Cu原子通过Ni-P层向界面的扩散速率，引起Ni-P/Cu界面的分离，严重影响焊点的电学性能、力学可靠性，最终导致BGA焊点失效，造成关键信息装置和电子器件的失效，引发通讯甚至航空事故。因此，迫切需要一种高效，廉价的Ni-P印刷基板焊接技术以抑制Ni-P层中Ni扩散和界面金属间化合物的生长，提高焊点可靠性和电子装置的寿命，推动新一轮封装技术革命。

据科技查新和专利检索结果，目前还没有抑制Sn-3.5Ag/Ni-P焊接界面Ni扩散的专利公布。近期科研文献主要集中在如何抑制Sn-Ag-Cu系焊料/Ni-P界面的反应。例如，Tseng等(Tseng C F,Lee T K,Ramakrishna G,et al.Suppressing Ni3Sn4formation in the Sn-Ag-Cu solder joints with Ni-P/Pd/Au surface finish[J].Materials Letters,2011,65(21):3216-3218.)提出在Ni-P板表面化学镀一层50 nm厚的Pd层，使用Sn-3.0Ag-0.5Cu焊接Ni-P/Pd/Au镀层发现界面形成了Cu₆Sn₅型的(Cu，Ni，Pd)₆Sn₅，此金属间化合物稳定性好，不易长大，且不会转变为Ni₃Sn₄型金属间化合物，有效地阻止了Ni-P中Ni的扩散，从而大大降低Ni₃Sn₄和Ni₃P中柱状柯肯达尔空洞的生长速率。但Pd属于稀贵金属，增加了电路板制造成本。Wang等(Wang S J,Liu C Y.Retarding growth of Ni₃ P crystalline layer in Ni(P)substrate by reacting with Cu-bearing Sn(Cu)solders[J].Scripta materialia,2003,49(9):813-818.)提出在Sn中添加Cu元素，在焊接过程中界面形成一层Cu₆Sn₅从而减缓Ni的扩散速率。但Cu元素的加入会改变焊料体系的焊接特性，不能进行广泛的推广使用。在Sn-3.5Ag焊料中不存在Cu，反应界面不存在Cu₆Sn₅，因此上述两种方法不适于Sn-3.5Ag/Ni-P体系的焊接。Kang等(Kang H B,Bae J H,Lee J W,et al.Control of interfacial reaction layers formed in Sn-3.5 Ag-0.7 Cu/electroless Ni-P solder joints[J].Scripta Materialia,2009,60(4):257-260.)提出在焊接前对Ni-P基板进行真空热处理，在Ni-P层中成弥散分布的纳米Ni颗粒，从而诱导非晶态Ni原子向周围纳米Ni颗粒的团聚，抑制了非晶态Ni向界面的扩散。但真空热处理对设备要求较高，处理时间较长，对基板树脂的损害较大，应用受到限制。