本發(fā)明涉及一種用于MEMS器件3D封裝互連釬料，屬于MEMS互連釬料領域。本互連釬料主要用于MEMS一類電子器件高可靠性需求的領域，是一種具有高性能的新型互連釬料。

背景技術：

微系統(tǒng)或微電子機械系統(tǒng)(MEMS)是20世紀80年代末發(fā)展起來的一種新興技術，結(jié)合了機械可動結(jié)構(gòu)和大規(guī)模、低成本微電子加工的優(yōu)點,在微小尺度上實現(xiàn)了與外界電、熱、光、聲、磁、流信號的相互作用。其系統(tǒng)尺寸在幾毫米乃至更小，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級。因此在MEMS封裝過程中的互連焊點的尺寸也更為細小，由于焊點數(shù)量眾多，單一焊點的失效直接會導致MEMS器件的失效，因此焊點的高可靠性成為MEMS封裝中較為關鍵的環(huán)節(jié)。

SnPb釬料是一種傳統(tǒng)的互連材料，由于其較低的熔化溫度和較高的可靠性成為業(yè)界最為關注的互連材料，但是Pb毒性引起了國際社會的廣為關注，歐盟、美國、日本和中國紛紛出臺政策禁止Pb的應用。在傳統(tǒng)的SnPb釬料替代的研究中，SnAgCu、SnAg、SnCu、SnZn和SnBi五個釬料系成為業(yè)界研究者關注的焦點，SnZn釬料的熔化溫度和傳統(tǒng)的SnPb釬料最為接近，對于SnZn釬料而言，在進行大尺寸的互連焊點時，焊點的性能能夠滿足一般電子器件的使用要求，但是對于MEMS一類器件而言，焊點的尺寸較小，焊點在服役期間出現(xiàn)抗蠕變性能較低、金屬間化合物厚度較大等缺點，直接降低了焊點的可靠性，因此有必要針對MEMS一類器件研究新型的SnZn基釬料滿足MEMS器件封裝工藝互連性能。

為了促進無鉛釬料的性能，達到一定程度的改性，國際研究者主要采取添加合金元素的方法，例如Cu、Pr、Ce、Nd、Ga等。

國外比較代表性的專利為：美國專利US20060204397A1，通過優(yōu)化Sn、(6～10％)Zn、(0.0015～0.03％)Mg、(0.001～0.006％)Al的含量，可以提高無鉛釬料的潤濕性和抗氧化性，對于Mg最高添加量為0.003％，最低添加量為0.0015％，Al最高添加量為0.006％，最低添加量為0.001％，這無疑給釬料的制備工藝帶來巨大的困難，難以控制添加元素的痕量。中國比較有代表性的專利為：(6.0～10.5％)Zn，(0.05～0.5％)Pr，(0.005～0.05％)Ga,(0.001～0.01％)Te,其余為Sn[中國專利：ZL201210346558.6]，該專利通過添加一定量的Pr、Ga、Te、Zn，優(yōu)化Sn、Pr、Ga、Te、Zn含量，可以獲得良好的潤濕性能和焊點(釬縫)力學性能。但是由于釬料中添加一定量的稀土元素Pr，并且最高含量達到0.5％，目前已有的文獻證明0.5％的稀土元素足以引起在釬料或者焊點表面生長錫須，導致器件相鄰引腳短路的危險，因此對于含稀土SnZn系釬料的應用存在明顯的局限性。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種MEMS器件3D封裝互連釬料，本發(fā)明采用Sn顆粒、納米Ag顆粒、納米Al顆粒、納米Zn顆粒，Ni修飾碳納米管，五者耦合作用可以顯著提高MEMS器件互連的工藝性能和SnZn焊點的可靠性。在MEMS期間封裝工藝實施過程中，保證新型互連釬料具有良好的潤濕性、抗氧化性和較低的熔化溫度，另外在服役期間具有較高的使用壽命，能滿足MEMS一類電子元器件的高可靠性需求。主要解決以下關鍵性問題：優(yōu)化Sn顆粒、納米Ag顆粒、納米Al顆粒、納米Zn顆粒，Ni修飾碳納米管百分配比，獲得具有高性能的無鉛釬料。

本發(fā)明是以如下技術方案實現(xiàn)的：一種用于MEMS器件互連的無鉛釬料，其成分及質(zhì)量百分比為：納米Ag含量為0.01～4.0％，納米Al含量為0.01～0.8％，納米Zn顆粒含量為6～10％，Ni修飾碳納米管為0.5～3.0％，其余為Sn。

本發(fā)明可以采用生產(chǎn)釬料的常規(guī)冶煉方法得到。本發(fā)明優(yōu)選采用的方法是：使用Sn顆粒、納米Ag顆粒、納米Al顆粒、納米Zn顆粒，Ni修飾碳納米管，預先將Sn和納米Zn混合均勻，然后加熱熔化，最后加入納米Ag顆粒、納米Al顆粒和Ni修飾碳納米管，采用中頻爐進行冶煉互連材料，釬料熔化中采用熔鹽防止釬料氧化，然后澆鑄成棒材，然后通過擠壓、拉拔即得到所需要的釬料絲材。也可將顆粒直接混合釬劑制備成焊膏使用。

本發(fā)明的機理是：Sn-Zn二元共晶合金，熔化溫度超過199℃，工業(yè)中的焊接溫度低于250℃，形成的焊點組織中為Sn基體和富Zn相，Zn易于氧化，在焊接過程中易于出現(xiàn)潤濕性差和氧化嚴重，另外在服役期間，由于富Zn相組織粗大，導致焊點使用壽命較低。在Sn中混合納米Zn，有利于保證在Sn基體中出現(xiàn)細小的富Zn相，減小釬料的氧化性能。納米Al顆粒的添加可以保證在釬料熔化過程中易于富集在釬料表面，增強其抗氧化特性和潤濕性鋪展性能。納米Ag顆粒的添加，易于在釬料內(nèi)部形成Ag-Zn化合物，減小Zn氧化的可能性，提高釬料的潤濕性和抗氧化性，另外，Ag-Zn化合物顆粒扮演“石子”角色，Ni修飾碳納米管扮演“鋼筋”角色，在無鉛焊點內(nèi)部形成“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)，有利于提高焊點在服役期間的可靠性。當Sn顆粒、納米Ag顆粒、納米Al顆粒、納米Zn顆粒，Ni修飾碳納米管應用于MEMS封裝時，即可以保證在焊接過程中具有良好的潤濕性和抗氧化特性，同時可以保證焊點在服役期間具有較高的可靠性?？紤]到納米顆粒和Ni修飾碳納米管的團聚作用，故而控制納米Ag含量為0.01～4.0％，納米Al含量為0.01～0.8％，納米Zn顆粒含量為6～10％，Ni修飾碳納米管為0.5～3.0％，其余為Sn。

與已有技術相比，本發(fā)明的有益效果在于：本互連釬料具有優(yōu)越的潤濕性、抗氧化特性、較高的力學性能和使用壽命，使用壽命提高幅度為SnZn的近5倍。

附圖說明

圖1是SnZn、SnZnAg、SnZnAgAl和SnZnAgAl-NiCNT拉伸力。

圖2是SnZn、SnZnAg、SnZnAgAl和SnZnAgAl-NiCNT使用壽命。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例進一步說明本發(fā)明及效果。

下述16個實施例所使用的材料為：使用市售的Sn粉，納米Ag，納米Al，納米Zn，Ni修飾碳納米管。方法為：按照配比要求，預先將Sn和納米Zn混合均勻，然后加熱熔化，最后加入納米Ag顆粒、納米Al顆粒和Ni修飾碳納米管，采用中頻爐進行冶煉無鉛釬料，釬料熔化中采用熔鹽防止釬料氧化，然后澆鑄成棒材，然后通過擠壓、拉拔即得到所需要的釬料絲材。也可將顆粒直接混合釬劑制備成焊膏使用。

實施例1

MEMS器件3D封裝互連釬料成分為：納米Ag為0.01％，納米Al為0.01％，納米Zn為9％，Ni修飾碳納米管為0.5％，余量為Sn。

釬料主要性能檢測：固相線溫度在187℃左右，液相線溫度在194℃左右(考慮了試驗誤差)，具有優(yōu)良的性能。

實施例2

MEMS器件3D封裝互連釬料成分為：納米Ag為4％，納米Al為0.8％，納米Zn為10％，Ni修飾碳納米管為3.0％，余量為Sn。

釬料主要性能檢測：固相線溫度在193℃左右，液相線溫度在204℃左右(考慮了試驗誤差)，具有優(yōu)良的性能。

實施例3

MEMS器件3D封裝互連釬料成分為：納米Ag為0.01％，納米Al為0.1％，納米Zn為9％，Ni修飾碳納米管為0.5％，余量為Sn。

釬料主要性能檢測：固相線溫度在188℃左右，液相線溫度在195℃左右(考慮了試驗誤差)，具有優(yōu)良的性能。

實施例4

MEMS器件3D封裝互連釬料成分為：納米Ag為0.02％，納米Al為0.02％，納米Zn為9％，Ni修飾碳納米管為0.5％，余量為Sn。

釬料主要性能檢測：固相線溫度在188℃左右，液相線溫度在194℃左右(考慮了試驗誤差)，具有優(yōu)良的性能。

實施例5

MEMS器件3D封裝互連釬料成分為：納米Ag為0.05％，納米Al為0.1％，納米Zn為8％，Ni修飾碳納米管為1％，余量為Sn。

釬料主要性能檢測：固相線溫度在189℃左右，液相線溫度在196℃左右(考慮了試驗誤差)，具有優(yōu)良的性能。

實施例6

MEMS器件3D封裝互連釬料成分為：納米Ag為0.05％，納米Al為0.2％，納米Zn為8％，Ni修飾碳納米管為1％，余量為Sn。

釬料主要性能檢測：固相線溫度在190℃左右，液相線溫度在197℃左右(考慮了試驗誤差)，具有優(yōu)良的性能。

實施例7

MEMS器件3D封裝互連釬料成分為：納米Ag為1.0％，納米Al為0.01％，納米Zn為6％，Ni修飾碳納米管為0.5％，余量為Sn。

釬料主要性能檢測：固相線溫度在195℃左右，液相線溫度在208℃左右(考慮了試驗誤差)，具有優(yōu)良的性能。

實施例8

MEMS器件3D封裝互連釬料成分為：納米Ag為1.0％，納米Al為0.1％，納米Zn為6％，Ni修飾碳納米管為0.5％，余量為Sn。

釬料主要性能檢測：固相線溫度在196℃左右，液相線溫度在208℃左右(考慮了試驗誤差)，具有優(yōu)良的性能。

實施例9

MEMS器件3D封裝互連釬料成分為：納米Ag為2.0％，納米Al為0.01％，納米Zn為6.5％，Ni修飾碳納米管為1.0％，余量為Sn。

釬料主要性能檢測：固相線溫度在196℃左右，液相線溫度在209℃左右(考慮了試驗誤差)，具有優(yōu)良的性能。

實施例10

MEMS器件3D封裝互連釬料成分為：納米Ag為0.01％，納米Al為0.01％，納米Zn為6％，Ni修飾碳納米管為0.5％，余量為Sn。

釬料主要性能檢測：固相線溫度在193℃左右，液相線溫度在206℃左右(考慮了試驗誤差)，具有優(yōu)良的性能。

實施例11

MEMS器件3D封裝互連釬料成分為：納米Ag為1.0％，納米Al為0.6％，納米Zn為9.0％，Ni修飾碳納米管為1.0％，余量為Sn。

釬料主要性能檢測：固相線溫度在188℃左右，液相線溫度在195℃左右(考慮了試驗誤差)，具有優(yōu)良的性能。

實施例12

MEMS器件3D封裝互連釬料成分為：納米Ag為2.0％，納米Al為0.6％，納米Zn為9.0％，Ni修飾碳納米管為2.0％，余量為Sn。

釬料主要性能檢測：固相線溫度在189℃左右，液相線溫度在196℃左右(考慮了試驗誤差)，具有優(yōu)良的性能。

實施例13

MEMS器件3D封裝互連釬料成分為：納米Ag為2.0％，納米Al為0.7％，納米Zn為9.0％，Ni修飾碳納米管為2.5％，余量為Sn。

釬料主要性能檢測：固相線溫度在189℃左右，液相線溫度在196℃左右(考慮了試驗誤差)，具有優(yōu)良的性能。

實施例14

MEMS器件3D封裝互連釬料成分為：納米Ag為0.01％，納米Al為0.01％，納米Zn為6％，Ni修飾碳納米管為0.5％，余量為Sn。

釬料主要性能檢測：固相線溫度在196℃左右，液相線溫度在209℃左右(考慮了試驗誤差)，具有優(yōu)良的性能。

實施例15

MEMS器件3D封裝互連釬料成分為：納米Ag為3.0％，納米Al為0.8％，納米Zn為6.0％，Ni修飾碳納米管為3.0％，余量為Sn。

釬料主要性能檢測：固相線溫度在196℃左右，液相線溫度在209℃左右(考慮了試驗誤差)，具有優(yōu)良的性能。

實施例16

MEMS器件3D封裝互連釬料成分為：納米Ag為2.8％，納米Al為0.5％，納米Zn為8.0％，Ni修飾碳納米管為2.5％，余量為Sn。

釬料主要性能檢測：固相線溫度在191℃左右，液相線溫度在209℃左右(考慮了試驗誤差)，具有優(yōu)良的性能。

實驗例：SnZn、SnZnAg、SnZnAgAl和SnZnAgAl-NiCNT合金的力學性能和使用壽命。

結(jié)論：添加微量Sn顆粒、納米Ag顆粒、納米Al顆粒、納米Zn顆粒，Ni修飾碳納米管可以顯著提高SnZ n互連釬料使用壽命，提高幅度為SnZn的4.75倍。