本发明涉及一种金锡共晶焊料与可伐基板构成的焊点结构及其焊接方法；属于焊接技术领域。
背景技术：
在现代电子封装应用中，小型化的趋势和对电子器件先进特性的要求越来越高，大大减小了电子封装的体积和重量，但反过来又增加了封装系统的密度。au-20sn钎料合金具有较高的导电率和热导率，较高的剪切强度，优良的疲劳、蠕变和耐腐蚀性能，并具有自由钎焊的可能性。
金锡焊料的力学性能远高于锡基焊料。但在制备和焊接过程中，初级阶段的粗糙度对焊接的可靠性有很大的影响。回流焊后钎料基体中出现大量枝晶，降低了焊点的剪切强度。据报道，由于imc的粗化效应，金属间化合物(imc)的体积比随着焊料体积的减小而增大。这也证实了在微型焊点中形成的晶粒较少，恶化了焊点的各向异性性能。焊料通常通过在界面形成imc层与其他金属结合。imc层是焊料与基体金属相互扩散形成的，随着保温时间的延长，imc层逐渐长大。焊料和基底金属之间的结合强度通常取决于imc层的特性和焊料基体的微观结构。
因此，近年来，在提高微型焊点可靠性的同时控制其微观结构的技术发展引起了人们极大的研究兴趣。最有利的方法之一是在sn-ag-cu(sac)焊料等传统焊料中加入纳米颗粒来制备复合焊料。尽管研究表明，使用这些新开发的复合焊料可以改善微观结构的精细化和抑制界面imc的生长，由于不同的纳米颗粒具有不同的化学反应性，并且由于其表面能高，容易团聚，因此其有效性在很大程度上取决于纳米颗粒的类型和添加量。据报道，纳米颗粒加入量不当会降低复合焊料的润湿性，因此，粗枝晶仍然是一个长期存在的问题。
为了克服这一问题，人们提出了另一种将超声振动引入回流焊工艺的改进方法。研究表明，在28-35khz的超声电压作用下，锡基焊料凝固过程中存在的初生锡和共晶相得到了细化。这些有益的影响归因于声空化和流效应，这些效应只能由频率范围为20-100khz(也称为功率超声)的usv引起。kago等人、chinnam等人将这一技术进一步整合到焊接工艺中。基于这些文献的研究结果，发现超声处理后的焊料基体晶粒细化，焊料/基板界面形成较薄的界面imc层，焊点强度提高。这种键合技术具有很大的吸引力，但目前的研究还很有限，超声波功率对au-20sn/au/ni(p)/kovar组织和力学性能的影响还未见报道。
技术实现要素：
本发明旨在开发一种适用于金锡共晶焊料与可伐镀镍磷镀金基板形成高强度高可靠性的焊接方法，有效解决了金锡焊点脆性大，初生相粗大带来的界面可靠性不高的问题，大大提高了金锡焊料与可伐基板的界面连接强度。
本发明采用的技术方案是：一种基于金锡共晶预成型片与可伐镀镍磷镀金基板的氮气气氛超声辅助回流焊焊接方法：所述焊接方法可以得到焊点组织均匀，金属间化合物层结合良好的焊点。
本发明一种金锡共晶焊料与可伐基板构成的焊点结构；所述焊点结构由au-20sn与au/ni(p)/kovar基板通过氮气气氛超声辅助回流焊而制得；所述焊点结构包含：ni3p层,(ni,au)3sn2层,(au,ni)sn层、共晶焊料层；所述ni3p层附着在ni(p)层上，所述(ni,au)3sn2层附着在ni3p层上，所述(au,ni)sn层位于(ni,au)3sn2层与共晶焊料层之间；所述共晶焊料的成分为au-5sn。在本发明中au/ni(p)/kovar基板是指在kovar板上依次设置有ni(p)层、au层；其中ni(p)层指的是ni-p非晶层。
本发明一种金锡共晶焊料与可伐基板构成的焊点结构；所述的ni3p层厚度为100-150nm，(ni,au)3sn2层厚度为100-200nm，(au,ni)sn层厚度为80-130nm。
本发明一种金锡共晶焊料与可伐基板构成的焊点结构；焊点结构中焊点的剪切强度为50.7-58.2mpa。经优化后，焊点结构中焊点的剪切强度为可达58.2mpa。
本发明一种金锡共晶焊料与可伐基板构成的焊点结构的焊接方法；包括下述步骤：
将au-20sn预成型片置于au/ni(p)/kovar基板之间，固定于可抽真空并通保护气氛带有超声辅助功能的箱式回流焊机中的金属托盘上，抽真空至2×10-2pa后，通高纯氮气至0.5-0.8个大气压、优选为0.8个大气压，在焊接温度进行超声辅助回流焊接，得到产品，超声超声辅助回流焊接时，控制超声的频率为55-65khz、功率30-160w、优选为70-90w、更进一步优选为75～85w的功率超声，时间20-30s，所述焊接温度为320-340℃、优选为330℃。所述保护气氛优选为氮气气氛。
作为优选方案，本发明一种金锡共晶焊料与可伐基板构成的焊点结构的焊接方法；以50-60℃/min升温速度升至290-300℃，然后再以15-30℃/min升温速度升至焊接温度，焊接时间20-30s后立即停止超声并以100-150℃/min速度降温至室温，得到产品。
作为优选方案，所述au-20sn预成型片通过下述工艺制备：
将au、sn元素按质量比为4:1称量，然后置于高真空熔炼炉中进行高频电流搅拌熔炼，将得到的金属锭进行浇铸并进行快速冷却，得到厚度为0.5mm的薄焊片，通过模具冲压得到需要的金锡共晶合金预成型片。
作为优选方案，au/ni(p)/kovar基板通过下述工艺制备：
选取可伐合金先化学镀4.5-5.5μm、优选为5μm厚ni(p)层，然后再化学镀0.25-0.35μm、优选为0.3μm厚au层，得到可伐基板。
作为优选方案，焊接前可伐基板、金锡共晶合金预成型片均用丙酮清洗清洗干净。
作为优选方案，焊点内部组织均匀，片层间距为400-500nm。同时焊点内部未见粗大初生相，且片层组织细长。本发明焊点的结构与普通焊接后产生的金属间化合物层不同，新增一层ni3p金属间化合物层，且金属间化合物层厚度与焊点组织有明显的改变，使焊点的剪切强度及可靠性有明显的提升。
本发明通过在金锡焊料的回流焊接中加入外场，进行合适调控频率及功率的超声辅助以达到焊点组织调控、金属间化合物生长的控制及焊点强度及可靠性提升的目的，可满足军工可靠性需求高真空器件的焊接需求。
原理和优势
本发明设计了au-20sn/au/ni(p)/kovar焊点结构，并利用合适参数的气氛超声辅助回流焊的焊接方法获得一种新型金属间化合物(ni3p),对该焊点结构进行组织和性能的表征，获得了十分有效的提升。通过本发明所设计的结构和获得的新型金属间化合物可大幅度提升金锡共晶焊料的剪切性能(剪切强度最高可达58.2mpa)：其原因在于：(1)经过透射电镜观察，在焊点界面出产生了三层超薄金属间化合物层，新的ni3p层的出现缓和了焊点与基板之间的应力，提升了剪切塑性，并产生了韧窝；(2)焊点内部组织片层间距有明显的减小，为500nm左右，且焊点内部组织晶界增多，片层长度变长，提升了焊点剪切强度(3)焊点内部初生相数量明显减少，减少了裂纹源的产生(4)新ni3p金属间化合物层(120nm)的形成大大减缓了ni原子向焊料内部的扩散速度。
本发明提出的一种基于金锡共晶预成型片与可伐镀镍磷镀金基板的保护气氛超声辅助回流焊焊接方法，在各参数的协同作用下，解决现有金锡焊接焊点强度及可靠性问题，为金锡与可伐基板工业级封装提供一种新方法与指导。制得的au-20sn/au/ni(p)/kovar复合焊点界面无缺陷，抗剪切性能好，界面稳定性高。此外，本发明焊接界面产生了新的金属间化合物层，提升了焊点的塑性与可靠性。
附图说明
附图1为金锡共晶预成型片与可伐镀镍磷镀金基板的氮气气氛超声辅助回流焊焊接方法示意图；
附图2为加入不同超声功率后金锡共晶预成型片与可伐镀镍磷镀金基板的氮气气氛超声辅助回流焊焊接后的焊点形貌；
附图3为加入不同超声功率后金锡共晶预成型片与可伐镀镍磷镀金基板的氮气气氛超声辅助回流焊焊接后的焊点截面图；
附图4为金锡共晶预成型片与可伐镀镍磷镀金基板的氮气气氛超声辅助回流焊焊接后的焊点铺展面积和润湿角与超声功率的关系图；
附图5为加入不同超声功率后金锡共晶预成型片与可伐镀镍磷镀金基板的氮气气氛超声辅助回流焊焊接后的焊点扫描结果；
附图6为加入不同超声功率后金锡共晶预成型片与可伐镀镍磷镀金基板的氮气气氛超声辅助回流焊焊接后的剪切强度关系图；
附图7为金锡共晶预成型片与可伐镀镍磷镀金基板的氮气气氛普通回流焊焊接后的焊点界面处透射结果；
附图8为金锡共晶预成型片与可伐镀镍磷镀金基板的氮气气氛超声功率80w回流焊焊接后的焊点界面处透射结果；
从图1中可以看出本发明的工艺原理。
图2中，a为超声波功率为0w时，金锡共晶预成型片与可伐镀镍磷镀金基板的氮气气氛超声辅助回流焊焊接后的焊点形貌；b为超声波功率为40w时，金锡共晶预成型片与可伐镀镍磷镀金基板的氮气气氛超声辅助回流焊焊接后的焊点形貌；c为超声波功率为80w时，金锡共晶预成型片与可伐镀镍磷镀金基板的氮气气氛超声辅助回流焊焊接后的焊点形貌；d为超声波功率为120w时，金锡共晶预成型片与可伐镀镍磷镀金基板的氮气气氛超声辅助回流焊焊接后的焊点形貌。从图2可以看出，功率超声对焊点的形貌起着一定的影响，并随着超声功率提升至80w时，焊点铺展均匀且铺展面积提升，而进一步提升超声功率会使焊点铺展不规则，形成不规则的焊点。
图3中，a为超声波功率为0w时，金锡共晶预成型片与可伐镀镍磷镀金基板的氮气气氛超声辅助回流焊焊接后的焊点截面图；b为超声波功率为40w时，金锡共晶预成型片与可伐镀镍磷镀金基板的氮气气氛超声辅助回流焊焊接后的焊点截面图；c为超声波功率为80w时，金锡共晶预成型片与可伐镀镍磷镀金基板的氮气气氛超声辅助回流焊焊接后的焊点截面图；d为超声波功率为120w时，金锡共晶预成型片与可伐镀镍磷镀金基板的氮气气氛超声辅助回流焊焊接后的焊点截面图。从图3可以看出，随着超声功率的增大，焊点的润湿性在逐步提升，当功率超过80w之后，提升速度减缓。
从图4可以看出超声功率与润湿角和铺展面积之间的关系，超声提升了焊点铺展性，减小了润湿角。
图5中，a为超声波功率为0w时，金锡共晶预成型片与可伐镀镍磷镀金基板的氮气气氛超声辅助回流焊焊接后的焊点界面组织图；b为超声波功率为40w时，金锡共晶预成型片与可伐镀镍磷镀金基板的氮气气氛超声辅助回流焊焊接后的焊点界面组织图；c为超声波功率为80w时，金锡共晶预成型片与可伐镀镍磷镀金基板的氮气气氛超声辅助回流焊焊接后的焊点界面组织图；d为超声波功率为120w时，金锡共晶预成型片与可伐镀镍磷镀金基板的氮气气氛超声辅助回流焊焊接后的焊点界面组织图。从图5可以看出，超声功率对焊点界面结合及焊点内部组织有显著影响，在施加合适的超声功率时，焊点内部组织会变得均匀细小，初生相数量和尺寸明显减少，而当超声功率提升至120w时，初生相再度出现在靠近基板的位置。
图6为超声功率与焊点剪切强度关系图，从图6可以看出随着超声功率提升，剪切强度呈现先增大后减小的趋势，在超声功率为80w时，剪切强度最高，达到53.75mpa。
图7为超声波功率为0w时，金锡共晶预成型片与可伐镀镍磷镀金基板的氮气气氛超声辅助回流焊焊接后的界面透射结果。其中，a为界面处的明场相及界面高分辨图，b为界面处细节图及2处的衍射结果，c为焊点内部析出相明场相图及其衍射结果，d为焊点内部组织明场相及4处衍射结果，e为焊点内部组织明场相及5处衍射结果，f为焊点内部明场相及6处衍射结果。从图7可以看出未加超声的焊点内部imc粗大且易在焊点内部析出金属间化合物，这对焊点强度及性能是十分不利的。
图8为超声波功率为80w时，金锡共晶预成型片与可伐镀镍磷镀金基板的氮气气氛超声辅助回流焊焊接后的界面透射结果。其中，a为界面处明场相，b为界面处1区域的衍射结果，c为2区域的衍射结果，d为3区域的衍射结果，e为4区域的衍射结果，f为5区域的衍射结果。从图8可以看出，80w超声功率有效改善了焊点界面，并形成了新的imc层，缓和界面应力并使界面imc层变得十分均匀。
具体实施方式
以下结合实施例旨在进一步说明本发明，而非限制本发明。
实施例1
本实施方式的金锡共晶预成型片与可伐镀镍磷镀金基板的氮气气氛超声辅助回流焊焊接方法是按如下步骤进行的：
一、au-20sn预成型片的制备：将纯度为99.99％的金片与纯度为99.99％的锡块按4:1的质量比进行称量，然后置于高真空熔炼炉中进行高频电流搅拌熔炼，将搅拌转速控制在600-700转/分钟，得到鹅卵石状金锡合金锭，将得到的金属锭进行浇铸并进行快速冷却，得到厚度为0.5mm的薄焊片，通过模具热冲压得到需要的金锡共晶合金预成型片，冲压温度控制在250-260℃，将得到的预成型片进行双面抛光并用丙酮清洗。
二、au-20sn/au/ni(p)/kovar复合焊点界面的焊接方法：将焊片放于可伐基板上，用夹具将可伐基板固定于箱式回流焊机的金属托盘上以获得au-20sn/au/ni(p)/kovar复合焊点界面焊点；将焊片夹在可伐基板之间，用夹具将其固定于箱式回流焊机的金属托盘上以获得au-20sn/au/ni(p)/kovar复合焊点剪切样。将回流焊机腔体抽真空至2×10-2pa后，通高纯氮气至0.6个大气压，以50℃/min升温速度升至300℃，30℃/min升温速度升至330℃，通入频率为55-65khz，功率40w的功率超声，时间20s，立即停止超声并以120℃/min速度降温至室温，得到产品。
本实施方法所得的au-20sn/au/ni(p)/kovar复合焊点润湿性优于普通回流焊接的焊点，焊点组织优于普通焊接组织。普通焊接方法得到的焊点剪切强度约为42.15mpa，40w超声后剪切强度提升至46.38mpa。
实施例2
本实施方式的金锡共晶预成型片与可伐镀镍磷镀金基板的氮气气氛超声辅助回流焊焊接方法是按如下步骤进行的：
一、au-20sn预成型片的制备：将纯度为99.99％的金片与纯度为99.99％的锡块按4:1的质量比进行称量，然后置于高真空熔炼炉中进行高频电流搅拌熔炼，将搅拌转速控制在650转/分钟，得到鹅卵石状金锡合金锭，将得到的金属锭进行浇铸并进行快速冷却，得到厚度为0.5mm的薄焊片，通过模具热冲压得到需要的金锡共晶合金预成型片，冲压温度控制在250℃，将得到的预成型片进行双面抛光并用丙酮清洗。
二、au-20sn/au/ni(p)/kovar复合焊点界面的焊接方法：将焊片放于可伐基板上，用夹具将可伐基板固定于箱式回流焊机的金属托盘上以获得au-20sn/au/ni(p)/kovar复合焊点界面焊点；将焊片夹在可伐基板之间，用夹具将其固定于箱式回流焊机的金属托盘上以获得au-20sn/au/ni(p)/kovar复合焊点剪切样。将回流焊机腔体抽真空至2×10-2pa后，通高纯氮气至0.8个大气压，以55℃/min升温速度升至300℃，35℃/min升温速度升至330℃，通入频率为65khz，功率80w的功率超声，时间30s，立即停止超声并以150℃/min速度降温至室温，得到产品。
本实施方法所得的au-20sn/au/ni(p)/kovar复合焊点润湿性优于普通回流焊接的焊点及40w超声的焊点，焊点组织优于普通焊接组织。普通焊接方法得到的焊点剪切强度约为42.15mpa，80w超声后剪切强度提升至54.17mpa。
实施例3
本实施方式的金锡共晶预成型片与可伐镀镍磷镀金基板的氮气气氛超声辅助回流焊焊接方法是按如下步骤进行的：
一、au-20sn预成型片的制备：将纯度为99.99％的金片与纯度为99.99％的锡块按4:1的质量比进行称量，然后置于高真空熔炼炉中进行高频电流搅拌熔炼，将搅拌转速控制在700转/分钟，得到鹅卵石状金锡合金锭，将得到的金属锭进行浇铸并进行快速冷却，得到厚度为0.5mm的薄焊片，通过模具热冲压得到需要的金锡共晶合金预成型片，冲压温度控制在260℃，将得到的预成型片进行双面抛光并用丙酮清洗。
二、au-20sn/au/ni(p)/kovar复合焊点界面的焊接方法：将焊片放于可伐基板上，用夹具将可伐基板固定于箱式回流焊机的金属托盘上以获得au-20sn/au/ni(p)/kovar复合焊点界面焊点；将焊片夹在可伐基板之间，用夹具将其固定于箱式回流焊机的金属托盘上以获得au-20sn/au/ni(p)/kovar复合焊点剪切样。将回流焊机腔体抽真空至2×10-2pa后，通高纯氮气至0.8个大气压，以50℃/min升温速度升至300℃，25℃/min升温速度升至330℃，通入频率为60khz，功率120w的功率超声，时间22s，立即停止超声并以120℃/min速度降温至室温，得到产品。
本实施方法所得的au-20sn/au/ni(p)/kovar复合焊点润湿性优于普通回流焊接的焊点及40w超声的焊点，焊点组织优于普通焊接组织。普通焊接方法得到的焊点剪切强度约为42.15mpa，120w超声后剪切强度提升至48.51mpa。
实施例4
本实施方式的金锡共晶预成型片与可伐镀镍磷镀金基板的氮气气氛超声辅助回流焊焊接方法是按如下步骤进行的：
一、au-20sn预成型片的制备：将纯度为99.99％的金片与纯度为99.99％的锡块按4:1的质量比进行称量，然后置于高真空熔炼炉中进行高频电流搅拌熔炼，将搅拌转速控制在700转/分钟，得到鹅卵石状金锡合金锭，将得到的金属锭进行浇铸并进行快速冷却，得到厚度为0.5mm的薄焊片，通过模具热冲压得到需要的金锡共晶合金预成型片，冲压温度控制在255℃，将得到的预成型片进行双面抛光并用丙酮清洗。
二、au-20sn/au/ni(p)/kovar复合焊点界面的焊接方法：将焊片放于可伐基板上，用夹具将可伐基板固定于箱式回流焊机的金属托盘上以获得au-20sn/au/ni(p)/kovar复合焊点界面焊点；将焊片夹在可伐基板之间，用夹具将其固定于箱式回流焊机的金属托盘上以获得au-20sn/au/ni(p)/kovar复合焊点剪切样。将回流焊机腔体抽真空至2×10-2pa后，通高纯氮气至0.8个大气压，以50℃/min升温速度升至300℃，30℃/min升温速度升至330℃，通入频率为55khz，功率150w的功率超声，时间20s，立即停止超声并以120℃/min速度降温至室温，得到产品。
本实施方法所得的au-20sn/au/ni(p)/kovar复合焊点润湿性弱于普通回流焊接的焊点及40w超声的焊点，焊点组织弱于普通焊接组织。普通焊接方法得到的焊点剪切强度约为42.15mpa，150w超声后剪切强度为36.82mpa。
1.一种金锡共晶焊料与可伐基板构成的焊点结构；其特征在于：所述焊点结构由au-20sn与au/ni(p)/kovar基板通过氮气气氛超声辅助回流焊而制得；所述焊点结构包含：ni3p层,(ni,au)3sn2层,(au,ni)sn层、共晶焊料层；所述ni3p层附着在ni(p)层上，所述(ni,au)3sn2层附着在ni3p层上，所述(au,ni)sn层位于(ni,au)3sn2层与共晶焊料层之间；所述共晶焊料的成分为ausn与au5sn。
2.根据权利要求1所述的一种金锡共晶焊料与可伐基板构成的焊点结构；其特征在于：所述的ni3p层厚度为100-150nm，(ni,au)3sn2层厚度为100-200nm，(au,ni)sn层厚度为80-130nm。
3.根据权利要求2所述的一种金锡共晶焊料与可伐基板构成的焊点结构；其特征在于：焊点结构中焊点的剪切强度为50.7-58.2mpa。
4.根据权利要求2所述的一种金锡共晶焊料与可伐基板构成的焊点结构；其特征在于：焊点结构中焊点的剪切强度为可达58.2mpa。
5.一种如权利要求权利要求1-4任意一项所述的一种金锡共晶焊料与可伐基板构成的焊点结构的焊接方法；其特征在于包括下述步骤：
将au-20sn预成型片置于au/ni(p)/kovar基板之间，固定于可抽真空并通保护气氛带有超声辅助功能的箱式回流焊机中的金属托盘上，抽真空至2×10-2pa后，通高纯保护气体至0.5-0.8个大气压、优选为0.8个大气压，在焊接温度进行超声辅助回流焊接，得到产品，超声辅助回流焊接时，控制超声的频率为55-65khz、功率30-160w、优选为70-90w的功率超声，时间20-30s，所述焊接温度为320-340℃、优选为330℃。
6.根据权利要求5所述的一种金锡共晶焊料与可伐基板构成的焊点结构的焊接方法；其特征在于：
以50-60℃/min升温速度升至290-300℃，然后再以15-30℃/min升温速度升至焊接温度，焊接时间20-30s后立即停止超声并以100-150℃/min速度降温至室温，得到产品。
7.根据权利要求5所述的一种金锡共晶焊料与可伐基板构成的焊点结构的焊接方法；其特征在于；所述au-20sn预成型片通过下述工艺制备：
将au、sn元素按质量比为4:1称量，然后置于高真空熔炼炉中进行高频电流搅拌熔炼，将得到的金属锭进行浇铸并进行快速冷却，得到厚度为0.5mm的薄焊片，通过模具冲压得到需要的金锡共晶合金预成型片。
8.根据权利要求5所述的一种金锡共晶焊料与可伐基板构成的焊点结构的焊接方法；其特征在于：au/ni(p)/kovar基板通过下述工艺制备：
选取可伐合金先化学镀4.5-5.5μm、优选为5μm厚ni(p)层，然后再化学镀0.25-0.35μm、优选为0.3μm厚au层，得到可伐基板。
9.根据权利要求7或8所述的一种金锡共晶焊料与可伐基板构成的焊点结构的焊接方法；其特征在于：焊接前可伐基板、金锡共晶合金预成型片均用丙酮清洗清洗干净。
10.根据权利要求5所述的一种金锡共晶焊料与可伐基板构成的焊点结构的焊接方法；其特征在于：焊点内部组织均匀，片层间距为400-500nm。
技术总结