CN102554383A - 电流烧结技术实现铜-铜粘接的方法及其装置 - Google Patents

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陆国权
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陈刚
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Abstract

本发明公布了一种电流烧结技术进行电子器件中铜与铜粘接的方法及完成该烧结方法的装置，属于功率电子封装中的烧结新技术领域。该方法由加热台和加压通电试验机两台设备完成，其中加压通电试验机能够调节试验中的压力、电流大小和通电时间，通过承压导电模具对粘接器件施加压力和导通电流。承压导电模具由上加载板和下托盘组成。将预热好的涂有纳米银焊膏的粘接铜器件放置于下托盘上，当上加载板施加压力时导通电流，实现纳米银焊膏的烧结。该方法具有效率高，成本低，操作方便，粘接强度高的优点。根据本实验方法做出的裸铜与裸铜的粘接，其界面的粘接强度已经达到了102MPa，大大超出了传统的烧结方法得到的粘接强度。

Description

电流烧结技术实现铜-铜粘接的方法及其装置
技术领域
本发明涉及一种利用电流烧结技术进行电子器件中铜与铜粘接的方法，如汇流条同基板的粘接，通过施加压力及导通大电流实现烧结纳米银焊膏粘接电子器件，属于功率电子封装中的烧结新技术领域。
背景技术
目前国内外利用烧结纳米银焊膏粘接电子器件采用的主要方法是加压烧结，通过几段一定温度的保温过程和烧结过程中施加压力完成纳米银焊膏的烧结行为，需要加热台和热压机两种设备。但是这种方法存在很多问题，首先必须设定不同阶段的加热温度，每一个加热温度都对应一台设备，完成烧结需要的设备很多，另外加压阶段无法保证同时压许多电子器件时，使每个电子器件都能够均匀受力，因此产品质量的分散性较大，最后每一加热阶段的时间较长，完成全部烧结需要时间很长，比较耗时。因此，这种方法的效率并不高，其适用性有限，不利于普及推广。为此，有必要研究新的烧结方法，实现快速高效的烧结。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的不足提出的一种新的电流烧结技术烧结纳米银焊膏实现铜-铜粘接的方法及实现该烧结方法的装置。
本发明的技术方案如下：
一种电流烧结技术实现铜-铜粘接的方法，利用试验机控制器施加压力P，调节导通电流I和通电时间T来实现烧结：
1)将试验机的试验参数进行预设、测控和自动记录；
2)试验机经过承压导电模具对粘接器件施加压力和导通大电流；
3)脉冲直流或高频交流电流同时通过模具和试样；
将制好的纳米银焊膏粘接器件放入承压导电模具中间，试验机按照设定好的参数进行运行后，通过承压导电模具对试样施加的压力和电流完成纳米银焊膏的烧结，实现铜-铜的粘接。
所述的电流烧结技术实现铜-铜粘接的方法中导通的脉冲直流或高频交流大电流I使纳米银晶粒表面容易活化，通过表面扩散的物质传递过程得到促进。
所述的电流烧结技术实现铜-铜粘接的方法，烧结过程中导通的大电流会产生极高的温度，这引起晶粒表面熔化并在晶粒接触点处形成颈部，促进材料的烧结。
实现烧结纳米银焊膏粘接铜器件的装置，由试验机控制器和承压导电模具组成；承压导电模具由上加载板和下托盘构成，下托盘用来放置试样，上加载板为上下移动装置，下移对试样施加压力，同时能在模具上加可控的脉冲电流，脉冲电流既通过模具也通过试样本身；完成烧结后上移，取出试样。
具体步骤是将涂有纳米银焊膏的铜器件预热后放入下托盘5上，打开试验机控制器调节参数，使上加载板1向下移动并在接触到器件2施加压力的同时导通电流，加压通电完成后，上加载板1向上移动离开器件2，此时压力和电流消失，即完成纳米银焊膏的烧结。
在一个铜器件上平整的刮一层焊膏，焊膏的面积为大于粘接器件，保证能将粘接器件完全放在焊膏上。
所述的上加载板1对器件2施加压力并导通电流的时间为1～2s。
所述的铜器件预热在加热块上预热。
所述的试验机对粘接器件施加压力和导通大电流是通过一个承压导电模具实现的。
所述的模具由铜或不锈钢等导电金属制成，为平整的方板形如附图中的1和5。
与现有技术相比，本发明的优点在于，完成纳米银焊膏的烧结实现铜-铜粘接是瞬间的，能够大大提高生产中的效率，节约了能源和时间，一台试验机可以提供多种条件下的烧结，只需一个加热块和一台加压通电试验机即可完成烧结，提高了设备的效率，这大大降低了生产中的成本。且该方法简单易操作。此外，此方法完成的纳米银焊膏烧结提供的界面粘接强度远远高于传统烧结技术，致密度高，力学性能好，能够大大提高器件的使用寿命。
附图说明
图1为所述试验装置的示意图；
图2为所述实验装置在实验中的示意图；
图中：1上加载板、2粘接器件、3纳米银焊膏、4被粘接器件、5下托盘  6、试验机控制器
具体实施方式
本发明是通过对涂有焊膏的器件预热后进行加压通电完成的纳米银焊膏的烧结，完成此烧结只需一个加热块和一台加压通电试验机。
采用如图1所示的装置，由试验机控制器和承压导电模具组成；承压导电模具由上加载板和下托盘构成，下托盘用来放置试样，上加载板为上下移动装置，下移对试样施加压力，同时能在模具上加可控的脉冲电流，脉冲电流既通过模具也通过试样本身；完成烧结后上移，取出试样。
具体步骤采用如图2所示，是将涂有纳米银焊膏的铜器件预热后放入下托盘5上，打开试验机控制器调节参数，使上加载板1向下移动并在接触到器件2施加压力的同时导通电流，加压通电完成后，上加载板1向上移动离开器件2，此时压力和电流消失，即完成纳米银焊膏的烧结。
在一个铜器件上平整的刮一层焊膏，焊膏的面积为大于粘接器件，保证能将粘接器件完全放在焊膏上。
首先，在一个铜器件上平整的刮一层焊膏，焊膏的面积为大于粘接器件，保证能将粘接器件完全放在焊膏上。
然后，将涂有焊膏的被粘接器件放在70℃的加热块上保温10min，10min后从加热块上拿下放置于空气中，立即在焊膏上放置粘接器件，保证焊膏和粘接器件完全接触。
打开试验机，该试验机由试验机控制器和承压导电模具组成。调好附图中6试验机控制器的压力P、电流大小I和通电时间T的参数，如该实验所用的参数为工作压力2kgf、电流1万安培、通电时间500ms。通过试验机的承压导电模具对粘接器件施加压力和导通大电流。承压导电模具由上加载板和下托盘构成，下托盘用来放置试样，上加载板为上下移动装置，下移对试样施加压力，同时能在模具上加可控的脉冲电流，脉冲电流既通过模具也通过试样本身；完成烧结后上移，取出试样。
将粘接试样放在试验机模具的下托盘5上，开始实验后通过上加载板1向下移动并在接触到器件2施加压力的同时导通电流，加压通电完成后，上加载板1向上移动离开器件2，取出试样。对粘接试样施加的压力和导通的大电流产生的热量使纳米银焊膏完成烧结，将两个电子器件粘接在一起。
实验结果为两个裸铜的电子器件粘接在一起后，其界面处得粘接强度能达到102MPa。
按照传统的烧结方式粘接相同的铜器件，在被粘接器件上涂相同厚度的焊膏，将其放在70℃的加热块上保温10min，10min后从加热块上拿下放置于空气中，立即在焊膏上放置粘接器件，将做好的试样放在热压机上加压5MPa加热温度为225℃保持10min，之后从热压机上拿下直接放到275℃的加热块上保温10min完成纳米银焊膏的烧结。
实验结果为，粘接界面的粘接强度为60MPa左右。
可看出新的烧结方式比原有的加压烧结能获得更高的粘接强度，且整个烧结时间明显缩短。

Claims (8)

1.一种电流烧结技术实现铜-铜粘接的方法，其特征是利用试验机控制器施加压力P，调节导通电流I和通电时间T来实现烧结：
1)将试验机的试验参数进行预设、测控和自动记录；
2)试验机经过承压导电模具对粘接器件施加压力和导通大电流；
3)脉冲直流或高频交流电流既通过模具和试样；
将制好的纳米银焊膏粘接器件放入承压导电模具中间，试验机按照设定好的参数进行运行后，通过承压导电模具对试样施加的压力和电流完成纳米银焊膏的烧结，实现铜-铜的粘接。
2.权利要求1所述的电流烧结技术实现铜-铜粘接的方法，其特征是导通的脉冲直流或高频交流大电流I使纳米银晶粒表面容易活化，通过表面扩散的物质传递过程得到促进。
3.权利要求1所述的电流烧结技术实现铜-铜粘接的方法，其特征是烧结过程中导通的大电流会产生极高的温度，这引起晶粒表面熔化并在晶粒接触点处形成颈部，促进材料的烧结。
4.实现烧结纳米银焊膏粘接铜器件的装置，其特征是由试验机控制器和承压导电模具组成；承压导电模具由上加载板和下托盘构成，下托盘用来放置试样，上加载板为上下移动装置，下移对试样施加压力，同时能在模具上加可控的脉冲电流，脉冲电流既通过模具也通过试样本身；完成烧结后上移，取出试样。
5.如权利要求4所述的装置，其特征是将涂有纳米银焊膏的铜器件预热后放入下托盘(5)上，打开试验机控制器调节参数，使上加载板(1)向下移动并在接触到器件(2)施加压力的同时导通电流，加压通电完成后，上加载板(1)向上移动离开器件(2)，此时压力和电流消失，即完成纳米银焊膏的烧结，实现铜-铜粘接。
6.如权利要求5所述的装置，其特征是在一个铜器件上平整的刮一层焊膏，焊膏的面积为大于粘接器件，保证能将粘接器件完全放在焊膏上。
7.如权利要求5所述的装置，其特征是所述的上加载板(1)对器件(2)施加压力并导通电流的时间为1～2s。
8.如权利要求5所述的装置，其特征是所述的铜器件预热是在加热块上预热。
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