避免线性焊点电迁移过程热影响的测试组件及其制作方法

1.本技术属于材料制备与连接技术领域，具体涉及避免线性焊点电迁移过程热影响的测试组件及其制作方法。


背景技术：

2.焊点是微电子互连中不可或缺的组成部分，起到机械连接和电信号传输的作用。目前，微电子封装空间减小，芯片产热加剧，一方面，受电流影响，在焊点形成或电子产品使用过程中钎料与焊盘金属化层之间反应所生成的界面金属间化合物(intermetallic compounds, imcs)层形貌、尺寸、晶体取向以及厚度等对焊点可靠性的影响愈发严重，另一方面，焊点所承受的电流密度不断增加，原子从阴极扩散到阳极，在阴极形成空洞，进而萌生微裂纹。因此，相当多的实验工作放在研究焊点经过电学处理后的形貌变化，尤其是电迁移过程中会出现散热不足或温度不均导致的热缺陷，这就需要熟悉电迁移时线性焊点的散热问题。
3.已有研究表明，当焊点通过的电流密度达到电迁移发生的门槛值 (104a/cm2)时，就会发生电迁移。当使用一维线性焊点进行电迁移时，电流通过焊点，使焊点中分子的运动加剧，由q＝i2rt可知，产生的热量与电流、电阻和时间有关。焊点粘接在pcb(printed circuitboards)板上，至少有一面完全与pcb板接触，当焊点长时间通过较大电流会导致热应力不均，严重的话可能会导致焊点熔化。目前，线性焊点在电迁移研究时常采用的pcb作为承载线性焊点的基板，但这种方式由于焊点直接粘贴基板上，三面空气散热，一面被pcb板阻挡，易出现上述热应力不均的情况。因此，需要寻找合适的手段，使焊点在通电的情况下，使其各个面散热均一，排除热应力对一维线性焊点电迁移的影响。


技术实现要素：

4.本技术提出了避免线性焊点电迁移过程热影响的测试组件及其制作方法，对待焊接的铜体进行预处理后，使用特定的钎料焊膏，经过特殊制作程序，得到一种可避免电迁移热影响的一维线性对接焊点。
5.为实现上述目的，本技术提供了如下方案：
6.避免线性焊点电迁移过程热影响的测试组件，包括线性对接焊接铜棒、基底板和结构板；
7.所述线性对接焊接铜棒包括线性焊点、第一铜棒和第二铜棒；
8.所述线性焊点位于所述第一铜棒和所述第二铜棒之间，所述线性焊点与所述第一铜棒和所述第二铜棒焊接连接；
9.所述结构板包裹所述线性对接焊接铜棒，所述线性对接焊接铜棒的截面为长方形，所述线性对接焊接铜棒只有一个侧面可见；
10.所述基底板用于承载所述结构板。
11.优选的，所述第一铜棒和所述第二铜棒的几何尺寸相同，所述线性焊点的截面几
何形状与所述第一铜棒和所述第二铜棒的截面几何形状相同。
12.优选的，所述第一铜棒和所述第二铜棒在与所述线性焊点焊接连接前，需要使用有机溶液和分解液去除所述第一铜棒和所述第二铜棒表面附着的有机物和氧化物。
13.优选的，所述有机溶液为丙酮溶液，所述分解液为盐酸与酒精的混合溶液。
14.优选的，所述线性焊点为cu/sn3.0ag0.5cu/cu对接单晶接头，所述线性焊点使用sn3.0ag0.5cu钎料焊膏制作。
15.优选的，所述基底板和所述结构板均采用pcb板；
16.所述结构板包括第一结构板、第二结构板、第三结构板和第四结构板；
17.所述第一结构板和所述第二结构板与所述线性对接焊接铜棒的一个侧面固定连接，所述第三结构板的厚度大于所述线性对接焊接铜棒的截面尺寸，所述第三结构板和所述第四结构板均不与所述线性对接焊接铜棒接触。
18.优选的，所述第一结构板和所述第二结构板之间留有空隙，所述空隙的宽度大于所述线性焊点的高度，所述线性焊点位于所述空隙的上方。
19.本技术还公开了避免线性焊点电迁移过程热影响的测试组件制作方法，包括如下步骤：
20.对待焊接的两根铜棒进行焊前预处理，得到备用铜棒；
21.使用钎料焊膏按照预设的空间位置对两根所述备用铜棒进行焊接操作，得到线性对接焊接铜棒；
22.基于所述线性对接焊接铜棒，设置基底板和结构板，按照预设的空间结构，搭建得到测试组件。
23.本技术的有益效果为：
24.本技术公开了避免线性焊点电迁移过程热影响的测试组件及其制作方法，通过对一维线性焊点进行改良组装，克服了一维线性焊点在传统方法通电时产生的热应力不均的难点，使得在电迁移时样品焊点能够向四周均匀散热，有利于电迁移过程中对界面金属间化合物演变行为的表述，能够准确评价线性焊点对接接头可靠性；进一步的，大幅减少了由于热应力对焊点产生的实验误差，满足了电迁移测试时只需考虑通电时间的唯一变量要求。
附图说明
25.为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为本技术实施例一的避免线性焊点电迁移过程热影响的测试组件结构示意图；
27.图2为本技术实施例二的避免线性焊点电迁移过程热影响的测试组件制作方法流程示意图。
28.附图标记说明
29.1、第一结构板；2、第二结构板；3、第三结构板；4、第四结构板；5、基底板；11、第一铜棒；12、第二铜棒；21、线性焊点。
具体实施方式
30.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
31.为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步详细的说明。
32.实施例一
33.本实施例一以制作晶粒取向一致的、截面尺寸为300μm
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300μm，焊缝宽度为300μm的cu/sn3.0ag0.5cu/cu对接单晶接头为例展开说明。
34.如图1所示，为本技术实施例避免线性焊点电迁移过程热影响的测试组件，其特征在于，包括线性对接焊接铜棒、基底板5和结构板。其中，线性对接焊接铜棒包括线性焊点21、第一铜棒11和第二铜棒 12；线性焊点21位于第一铜棒11和第二铜棒12之间，与第一铜棒 11和第二铜棒12焊接连接；结构板包裹该线性对接焊接铜棒，线性对接焊接铜棒的截面为长方形，线性对接焊接铜棒只有一个侧面可见；基底板5用于承载结构板。
35.根据目标尺寸，选用两根400μm
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400μm
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10mm的铜棒制作线性对接焊接铜棒，经过后期的打磨处理，使成品尺寸合乎精度要求。由于铜金属极易与空气中的水分和氧气发生氧化反应，所以通常会在铜表面涂一层有机物，但是该有机物又会影响焊接质量，甚至导致无法焊接。因此，在本实施例一中，在制作线性对接焊接铜棒之前，需要对两根铜棒11、12进行清洗，以去除该层有机物，以及可能已经产生的氧化物，对于有机物保护层，通常使用有机溶液去除，对于铜氧化物，通常使用分解液去除。在本实施例一中，使用丙酮溶液作为有机溶液，在超声环境下清洗10分钟，以去除铜棒表面的有机保护层，再将两根铜棒11、12置于盐酸与酒精的混合溶液中同样超声清洗10 分钟，洗掉铜棒表面的氧化物，在本实施例一中，混合溶液中盐酸占体积分数10％。
36.在本实施例一中，使用常用的pcb板作为焊接平台，将两根铜棒 11、12待焊接的截面相对放置成一条直线，两根铜棒11、12间距 300μm，然后对铜棒两端涂抹红色高温胶进行固定，将处理好的样品放置干燥皿中24h，使高温胶完全干燥固定。
37.在本实施例一中，使用sn3.0ag0.5cu钎料焊膏涂敷于两个铜棒 11、12之间，采用热风返修工作台(美国pace st325)进行重熔，重熔条件可根据钎料焊膏的熔点温度和凝固时长设置，在本实施例一中，重熔温度为270℃，重熔时间为30s，空冷，得到sn3.0ag0.5cu钎料对接线性焊点，此时得到对接焊接铜棒，没有经过打磨，整体尺寸、焊点形状、尺寸等均不符合目标要求，只能称之为初始的线性对接焊接铜棒，需要对该初始铜棒做进一步的尺寸打磨，以符合目标尺寸要求。
38.在本实施例一中，将该初始铜棒置于冷镶嵌树脂块平面侧边对齐，用冷镶嵌树脂溶液均匀覆盖线性焊点两端铜棒11、12，待30min完全凝固后，使用1000#、1500#、2000#砂纸依次打磨铜棒各个面，保证截面尺寸不低于320μm，即保证每个面打磨减少尺寸不超过20μm，期间用丙酮去除粘接剂，获得尺寸为0.30mmx0.32mmx20.3mm的线性对接焊接铜棒；
39.接下制作整体的测试组件。在本实施例一中，取15x15x1mm的 pcb板作为基底板5，使用四块8x8x1mm的pcb板做为结构板，分别标记为第一结构板1、第二结构板2、第三结构板
3和第四结构板4。在基底板5上面粘贴第一结构板1和第二结构板2，直线排列，间隔 2mm，且侧边与基底板对齐。然后，第三结构板3和线性对接焊接铜棒同平面叠加到第一、第二结构板1、2上，线性对接焊接铜棒的侧边与第一、第一结构板1、2和基底板5的侧边对齐，中间的线性焊点21位于第一、第二结构板1、2中间的空隙悬空，此时线性焊点 21的外侧面和底面不接触结构板，可直接向空气散热。第三结构板3 与线性对接焊接铜棒不接触，则线性焊点21的内侧面可直接向空气散热。最后将第四结构板4覆盖于第三结构板3和线性对接焊接铜棒顶部，且与下面的对接铜棒、第一、第二结构板1、2和基底板5的侧边均对齐，由于结构板的厚度大于铜棒的高度，所以第四结构板4 并不会贴合到对接铜棒的顶面，这样，线性焊点21的顶面也可以直接向空气散热，同时，还可以得到第四结构板4的保护。在本实施例一中，pcb板之间采用树脂粘接，完成测试组件的制作。
40.待完全凝固后，采用0.3μm～0.5μm的α-氧化铝的悬浊液进行粗抛，0.02μm～0.05μm的二氧化硅悬浮液进行精抛，最终获得尺寸在 0.3mmx0.3mmx20.3mm的一维线性对接焊点21，该焊点可用于电迁移测试。
41.实施例二
42.如图2所示，为本技术实施例二的避免线性焊点电迁移过程热影响的测试组件制作方法流程示意图，主要包括以下步骤：
43.s1.对待焊接的两根铜棒进行焊前预处理，得到备用铜棒。焊前预处理主要包括铜棒尺寸选取，及采用适当的方法去除铜棒表面的附着物。
44.s2.使用钎料焊膏按照预设的空间位置对两根备用铜棒进行焊接操作，得到线性对接焊接铜棒；其中钎料焊膏的选择要根据目标焊点成分选择，铜棒的空间位置要根据目标测试组件的尺寸和电迁移测试的要求确定。进一步的，可采用手工打磨的方式保证尺寸精度。
45.s3.基于线性对接焊接铜棒，设置基底板和结构板，按照预设的空间结构，搭建得到测试组件。测试组件成品结构示意图如图1所示。其中，焊点四周不与任何结构板或基底板接触，以保证焊点可向各个方向散热。
46.以上所述的实施例仅是对本技术优选方式进行的描述，并非对本技术的范围进行限定，在不脱离本技术设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本技术的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本技术权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：
1.避免线性焊点电迁移过程热影响的测试组件，其特征在于，包括线性对接焊接铜棒、基底板和结构板；所述线性对接焊接铜棒包括线性焊点、第一铜棒和第二铜棒；所述线性焊点位于所述第一铜棒和所述第二铜棒之间，所述线性焊点与所述第一铜棒和所述第二铜棒焊接连接；所述结构板包裹所述线性对接焊接铜棒，所述线性对接焊接铜棒的截面为长方形，所述线性对接焊接铜棒只有一个侧面可见；所述基底板用于承载所述结构板。2.根据权利要求1所述的避免线性焊点电迁移过程热影响的测试组件，其特征在于，所述第一铜棒和所述第二铜棒的几何尺寸相同，所述线性焊点的截面几何形状与所述第一铜棒和所述第二铜棒的截面几何形状相同。3.根据权利要求2所述的避免线性焊点电迁移过程热影响的测试组件，其特征在于，所述第一铜棒和所述第二铜棒在与所述线性焊点焊接连接前，需要使用有机溶液和分解液去除所述第一铜棒和所述第二铜棒表面附着的有机物和氧化物。4.根据权利要求3所述的避免线性焊点电迁移过程热影响的测试组件，其特征在于，所述有机溶液为丙酮溶液，所述分解液为盐酸与酒精的混合溶液。5.根据权利要求1所述的避免线性焊点电迁移过程热影响的测试组件，其特征在于，所述线性焊点为cu/sn3.0ag0.5cu/cu对接单晶接头，所述线性焊点使用sn3.0ag0.5cu钎料焊膏制作。6.根据权利要求1所述的避免线性焊点电迁移过程热影响的测试组件，其特征在于，所述基底板和所述结构板均采用pcb板；所述结构板包括第一结构板、第二结构板、第三结构板和第四结构板；所述第一结构板和所述第二结构板与所述线性对接焊接铜棒的一个侧面固定连接，所述第三结构板的厚度大于所述线性对接焊接铜棒的截面尺寸，所述第三结构板和所述第四结构板均不与所述线性对接焊接铜棒接触。7.根据权利要求6所述的避免线性焊点电迁移过程热影响的测试组件，其特征在于，所述第一结构板和所述第二结构板之间留有空隙，所述空隙的宽度大于所述线性焊点的高度，所述线性焊点位于所述空隙的上方。8.避免线性焊点电迁移过程热影响的测试组件制作方法，其特征在于，包括如下步骤：对待焊接的两根铜棒进行焊前预处理，得到备用铜棒；使用钎料焊膏按照预设的空间位置对两根所述备用铜棒进行焊接操作，得到线性对接焊接铜棒；基于所述线性对接焊接铜棒，设置基底板和结构板，按照预设的空间结构，搭建得到测试组件。

技术总结
本申请公开了避免线性焊点电迁移过程热影响的测试组件及其制作方法，包括线性对接焊接铜棒、基底板和结构板；线性对接焊接铜棒包括线性焊点、第一铜棒和第二铜棒；线性焊点位于第一铜棒和第二铜棒之间，与第一铜棒和第二铜棒焊接连接；结构板包裹该线性对接焊接铜棒，线性对接焊接铜棒的截面为长方形，线性对接焊接铜棒只有一个侧面可见；基底板用于承载结构板。本申请克服了一维线性焊点在传统方法通电时产生的热应力不均的难点，有利于电迁移过程中对界面金属间化合物演变行为的表述，能够准确评价线性焊点对接接头可靠性；进一步的，大幅减少了由于热应力对焊点产生的实验误差，满足了电迁移测试时只需考虑通电时间的唯一变量要求。一变量要求。一变量要求。


技术研发人员：汉晶 晋学轮 郭福 马立民 孟洲 曹恒 李子萱 贾强 周炜 籍晓亮 王乙舒 王晓露
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2021.11.19
技术公布日：2022/3/7