CN101182642A - 一种电镀结合真空镀膜制备Au-Sn合金焊料的方法 - Google Patents
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Abstract
Au－Sn合金焊料属于半导体光电子和微电子技术领域。该领域已知技术需要昂贵的真空镀膜设备，耗费大量的贵金属，生产成本很高；完全利用电镀的方法存在电镀液难以配备且容易失效，沉积的金属复合层厚度和均匀性难以控制，烧结时合金焊料存在多孔。本发明之电镀厚Au层结合真空镀膜技术制备Au－Sn合金焊料的方法采用电镀厚金层结合磁控溅射金属导引层和热蒸发锡层来制备多层金属复合层，大大降低了焊料制作的成本，减少了不必要的耗费，且设备简单容易实现，很容易控制金属层的质量，使得功率型器件的封装散热焊料的制备更加实用和容易实现。该方法可应用于各种光电子器件和微电子器件焊装所需焊料的制备。
Description
技术领域
本发明属于多层金属合金薄膜制备技术领域，是一种镀膜技术和合金烧结技术为核心技术的焊料制备方法，可应用于半导体激光器和发光二极管等光电子器件的芯片和微电子工业中的集成芯片或模板的可靠焊接封装。
背景技术
作为封装过程的一部分，Au-Sn合金焊料常用于将光电子器件和微电子器件焊接到陶瓷载体上。Au-Sn合金焊料的制备成了封装过程中的关键环节。Au-Sn合金焊料通常用电镀或溅射、蒸发等真空沉积技术制备。溅射和蒸发等真空沉积技术制备Au-Sn焊料的主要过程如图1所示：基板上底层金属层的磁控溅射沉积或电子束蒸发沉积，厚Au层的磁控溅射沉积或电子束蒸发沉积，Sn层的电阻热蒸发沉积，焊料的烧结。电镀沉积制备Au-Sn焊料的主要过程如图2所示：基板上金属层的磁控溅射沉积或电子束蒸发沉积，电镀沉积Au层和Sn层，焊料的烧结。基板上沉积底层金属层是作为Au层和Sn层生长的种子层，其中一般包括粘附层、阻挡层、焊料基质层，通常底层金属都比较薄，由真空技术沉积；厚Au层是焊料的主要构成层，一般都在5微米以上，Sn层的厚度根据所需Au-Sn合金的结构要求来控制，通过热蒸发来沉积，主要使用质量比mAu/mSn＝80/20的富含Au的Au-Sn合金焊料；经过烧结后Au/Sn复合金属层发生相变形成Au-Sn合金，即得所需Au-Sn合金焊料。
发明内容
上述技术存在一些缺点，即对于纯粹的溅射和蒸发等真空沉积技术制备Au-Sn焊料，所需成本高，贵金属的浪费严重，焊料制备时间周期长，对真空镀膜设备要求高；对纯粹的电镀沉积制备Au-Sn焊料，所需的电镀Au层和Sn层的电镀液很难配备，溶液的稳定性差，电镀所制备的Au-Sn焊料的孔洞太多，导致热阻变大，影响焊接质量和器件的散热性能，容易使器件退化甚至失效。为了克服这些技术上的缺点，我们发明了本发明之电镀厚Au层结合真空镀膜制备Au-Sn焊料的方法和工艺。
本发明是这样实现的，见图3所示，磁控溅射沉积或电子束蒸发沉积基板上的底层金属层，直流或脉冲电镀沉积厚Au层，热蒸发沉积相应厚度的Sn层，在合适的温度下烧结基板上的Au/Sn金属复合层实现焊接和Au-Sn合金焊料的制备。
上述技术方案克服了现有技术的缺点。对于本发明，由电镀厚Au层代替磁控溅射沉积或电子束蒸发沉积厚Au层，设备简易，大大节省了镀Au的成本，适合规模化生产，且沉积速率可以通过控制温度和电流密度等来改变，且完全没有贵金属材料的额外浪费；并且，由电阻热蒸发镀Sn来代替电镀Sn，使得到的Sn层薄膜比电镀所得的Sn层更平整均匀，减少了电镀可能引进的过多杂质，大大减少了烧结过程合金中产生孔洞的现象，使得到了良好的Au-Sn合金焊料结构，保证了焊接质量和散热效果。
附图说明
为了进一步说明本发明的技术特征，以下结合附图和实施例来进一步说明，其中：
图1是溅射和蒸发等真空镀膜沉积技术制备Au-Sn焊料的主要过程图。
图2是电镀沉积制备Au-Sn焊料的主要过程图。
图3是本发明之电镀结合真空镀膜制备Au-Sn合金焊料的主要过程图。
图中，1是AlN次热沉基板；2是指磁控溅射沉积或电子束蒸发沉积金属膜过程；3是磁控溅射沉积或电子束蒸发沉积的Ti(或Ni)膜；4是磁控溅射沉积或电子束蒸发沉积的Pt(或Cr)膜；5是磁控溅射沉积或电子束蒸发沉积的Au膜；6是电阻热蒸发沉积金属膜过程；7是电阻热蒸发沉积的Sn金属膜；8是合金炉内Au、Sn等多层金属膜的烧结过程；9是烧结后所形成的Au-Sn合金；10是Au、Sn的电镀液电镀沉积Au、Sn金属膜的过程；11是Au、Sn的电镀液电镀沉积的Au金属膜；12是Au、Sn的电镀液电镀沉积的Sn金属膜；13是Au的电镀液电镀沉积Au的过程；
具体实施方式
见图3所示，制备Au-Sn合金的方法是：原始材料通常是平整度＜10微米的AlN陶瓷片或CuW次热沉，清洗干净并烘干的AlN陶瓷片或CuW次热沉基板，置于磁控溅射镀膜机或电子束蒸发镀膜机里镀上Ni/Cr/Au或Ti/Pt/Au等底层金属膜，Ti和Ni膜层是基板上的金属粘附层，主要是提高AlN陶瓷片或CuW次热沉基板的平整度，以保证被Cr层或Pt层完全覆盖；Cr和Pt膜层的作用是阻止Cu原子的扩散，Cr和Pt在相对高的温度时对Cu原子的扩散系数很低；在沉积好Ni/Cr/Au或Ti/Pt/Au等底层金属膜的AlN陶瓷片或CuW次热沉基板置于自行设计的电镀槽中，采用自行配置的酸性电镀液，即可进行厚Au层的电镀沉积。酸性电镀液置于40-75度的恒温水浴槽中加热，并利用所制作的鼓风气管进行空气搅拌，以铂板作为电镀阳极，将沉积Ni/Cr/Au或Ti/Pt/Au等底层金属膜的AlN陶瓷片或CuW次热沉基板置于电镀槽阴极用夹具夹紧保证良好电接触，接通稳压直流电源或脉冲电源通电即可进行厚Au层的电镀沉积，通过调节电流和水浴加热的温度可以控制电镀沉积Au层的速度。所用的电流密度范围为0.5-8mA/cm2，所沉积的Au层厚度为8微米以上，Au层的厚度要保证实现焊料焊接足够的厚度和足够小的电阻的需要。厚Au层电镀沉积完后，用去离子水冲洗干净后烘干，置于电阻热蒸发真空镀膜机即可进行Sn的蒸镀。蒸镀Sn层的厚度由镀膜机舟上Sn块的质量决定，按照主要使用质量比mAu/mSn＝80/20的富含Au的Au-Sn合金焊料的需求来具体确定Sn的用量，由于所沉积的Au层超过8微米，相应所需的Sn层厚度超过2微米，Sn镀层的质量由镀膜机真空室内真空度和所加的电流强度影响，真空室内的真空度超过10-6托，电流强度在5A左右。沉积好Ni/Cr/Au或Ti/Pt/Au等底层金属膜的AlN陶瓷片或CuW次热沉基板电镀所需厚Au层和相应Sn层厚度即可以进行多层金属复合层的合金烧结从而得到Au-Sn合金。多层金属复合层的合金过程在氢气或或氮气或氢气与氮气的保护下，在合适的温度下和加热和退火时间下在合金炉中烧结实现，所用的合金温度为310-380度，合金时的恒温加热时间为10分钟左右，即可得到富含Au的Au-Sn合金焊料。
Claims (5)
1.一种电镀结合真空镀膜制备Au-Sn合金焊料的方法，其过程包括如下步骤：(1)AlN陶瓷片或CuW次热沉基板上利用磁控溅射镀膜或电子束蒸发镀膜沉积Ni/Cr/Au或Ti/Pt/Au等底层金属膜；(2)沉积好Ni/Cr/Au或Ti/Pt/Au等底层金属膜的AlN陶瓷片或CuW次热沉基板置于自行设计的电镀槽中电镀厚Au层；(3)厚Au层上Sn层的蒸镀；(4)AlN陶瓷片或CuW次热沉基板上Au和Sn等多层金属复合层的高温烧结合金。
2.根据权利要求l所述的制备Au-Sn合金焊料的方法，其特征在于，其中步骤(1)中所说的Ni/Cr/Au或Ti/Pt/Au等底层金属膜通过电子束蒸发或磁控溅射等真空镀膜技术沉积，且Ni/Cr/Au或Ti/Pt/Au等底层金属膜的厚度为150～200纳米。
3.根据权利要求1所述的制备Au-Sn合金焊料的方法，其特征在于，其中步骤(2)中所说的电镀厚Au层是指通过所配置的酸性或中性或碱性电镀液电镀，电镀为直流电镀或脉冲电流电镀，厚Au层的厚度为3～30微米。
4.根据权利要求1所述的制备Au-Sn合金焊料的方法，其特征在于，其中步骤(3)中所说的Sn层是指通过电阻热蒸发真空镀膜技术沉积，Sn层厚度为2～5微米。
5.根据权利要求1所述的制备Au-Sn合金焊料的方法，其特征在于，其中步骤(4)中所说的AlN陶瓷片或CuW次热沉基板上Au和Sn等多层金属复合层的高温烧结是在合金炉上在氢气或氮气或氢气和氮气混合气的保护下进行的，烧结的温度为310-380度。
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