CN104294218A - 金锡薄膜的制备装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种金锡薄膜制备装置和方法，该装置包括蒸发室、公转轴、公转盘、固定轴、工件架、推杆、支撑架、滑槽、电极和蒸发舟，通过推杆的移动推动Au球和Sn球沿着滑槽滚动落到蒸发舟上从而实现AuSn薄膜的制备，本发明可以精确控制AuSn薄膜中Au和Sn的厚度和比例，得到的薄膜具有结构致密、成分分布均匀的特点，在半导体激光器封装领域具有很高的应用价值。

Description

金锡薄膜的制备装置和方法
技术领域
本发明属于薄膜制备领域，涉及一种金锡薄膜的制备装置和方法。
背景技术
金锡(简称为AuSn)焊料因其优异的力学性能及热性能受到了广泛的关注，由于合金成分中金占了一定比重，材料的表面氧化程度较低，如果在钎焊过程中采用真空或还原性气体如氮气和氢气的混合气，就不必使用化学助焊剂，这是最令人瞩目的特点之一，对电子器件，尤其是光电子器件封装最为重要。AuSn合金具有良好的浸润性且对镀金层无铅锡焊料的浸蚀现象，金锡合金与镀金层的成分接近，因而通过扩散对很薄镀层的浸溶程度很低，没有迁移现象。AuSn合金的屈服强度很高，即使在250～260℃的温度下，其强度也能胜任气密性的要求。
金锡薄膜的制备主要有以下几种方法：
⑴金锡合金电镀，即采用湿法电镀，直接在基材上电镀金锡合金薄膜，采用该方法在成本花费上比较低，但是存在混合电镀液难以配置，电镀液的稳定性差，电镀沉积出来的膜层质量较差，金锡的成分比例难以控制、烧结时存在多孔等问题；
⑵金锡分层电镀，即采用湿法电镀的方式，在基材上分别电镀金层和锡层，该方法虽然操作简单，但工艺控制较难，电镀沉积出来的膜层质量也较差，而且还需要后扩散处理；
⑶热蒸发蒸镀，即在基材上蒸镀金层和锡层，然后进行后处理，该方法具有高的沉积速率，沉积材料纯度高，制备出的薄膜质量好，是目前最主要的制备方法。
采用热蒸发工艺制备薄膜，主要是蒸发块状金锡合金或是先蒸发Au，再蒸发Sn制备不同厚度不同比例的薄膜，但该两种方法都很难控制薄膜中Au和Sn的比例。
发明内容
本发明目的在于克服现有薄膜制备方式的不足及薄膜中成分比例控制和成膜质量不理想的问题，提供一种金锡薄膜的制备装置和方法，可以精确控制AuSn薄膜中Au和Sn的厚度和比例，得到的薄膜具有结构致密、成分分布均匀的特点，在半导体激光器封装领域具有很高的应用价值。
本发明的技术解决方案如下：
一种金锡薄膜制备装置，其特点在于包括蒸发室、公转轴、公转盘、固定轴、工件架、推杆、支撑架、滑槽、电极和蒸发舟，所述的公转轴的一端联接在蒸发室顶部的中央位置，另一端固定联接所述的公转盘的中心位置，公转盘中心下面通过所述的固定轴固定联接所述的工件架，；所述的滑槽通过所述的支撑架与所述的蒸发室的底部固定，两个电极与所述的公转轴对称地固定在蒸发室底部，两个电极上固定所述的蒸发舟，上端滑槽在蒸发舟上方供金属Au球和金属Sn球置放；所述的推杆与所述的公转盘相连或所述的推杆通过所述的蒸发室并由蒸发室外部控制在滑槽内移动；推杆的移动推动滑槽内的Au球和Sn球滚落到所述的蒸发舟里实现蒸镀。
所述的滑槽最底端在蒸发舟上方为5～10cm。
所述的滑槽为不锈钢或钨制成的。
所述的滑槽材料为不锈钢或钨。
一种金锡薄膜制备方法，该方法包括下列步骤：
①预先确定待蒸镀工件的蒸镀的Au层和Sn层的层数，再根据金锡合金的总厚度及Au和Sn的比例，计算出每一Au层的厚度和每一Sn层的厚度；
②根据Au层和Sn层的厚度计算出蒸镀的Au球和Sn球的质量和Au球和Sn球的直径，制备相应的Au球和Sn球；
③把待蒸镀工件的待蒸镀面朝下安装在所述的工件架上；
④将一个Au球放在蒸发舟里，其他Sn球和Au球依次放在所述的滑槽最上端位置，并保持不动；
⑤所述的蒸发室抽真空，当真空度达到2.0×10-4Pa～4.0×10-4Pa时给电极加电，加电电流为200～300A，蒸发舟开始加热，当达到Au的蒸发温度后，Au蒸气分子沉积到零件表面实现Au层成膜；
⑥当蒸发舟里的Au蒸发干净后，驱动所述的推杆沿着滑槽移动，推杆与滑槽上的最右端的金属球接触并推动所有金属球向前移动，当最前端的球，即Sn球滚落到蒸发舟里后停止推杆的推动，所述的Sn球受蒸发舟加热开始蒸发，Sn蒸气分子沉积到零件表面实现Sn层成膜；
⑦每当蒸发舟里的金属蒸发干净后，重复步骤⑥，实现Au层和Sn层交替成膜；
⑧金属球都蒸发干净后，停止电极加电；
⑨在200～300℃下共晶扩散处理5～10min完成薄膜制备。
本发明的优点是：
该装置是通过推杆推动位于滑槽的金属球滚落到蒸发舟上进行交替蒸发来实现薄膜的制备，可以很好的控制AuSn薄膜的厚度和AuSn薄膜中Au和Sn的比例，得到的薄膜具有结构致密、成分分布均匀的特点，在半导体激光器封装领域具有很高的应用价值。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图；
图2是本发明实施例2的结构示意图；
具体实施方式
图1是本发明实施例1的结构示意图，本发明为一个金锡薄膜制备装置，包括蒸发室11、公转轴12、公转盘13、固定轴14、工件架15、推杆16、滑槽17、支撑架18、电极19和蒸发舟20。公转轴12的一端联接在蒸发室11顶部中央位置，另一端固定联接圆形公转盘13中心位置；公转盘13中心处固定联接固定轴14的一端，固定轴14另一端固定联接工件架15中心位置，公转盘13边缘固定联接推杆16。滑槽17通过支撑架18固定在蒸发室11底部，推杆16通过公转盘13的转动可在滑槽17内移动。两个电极19固定在蒸发室11底部，与公转轴12成对称分布。电极19上面固定蒸发舟20，滑槽17最底端在蒸发舟20上方5～10cm。
实施方法如下：为制备一定厚度和比例的金锡合金，预先确定好蒸镀的Au层和Sn层的层数，再根据金锡合金的总厚度及Au和Sn的比例，计算出Au层和Sn层的厚度；根据Au层和Sn层的总厚度计算出蒸镀的Au球和Sn球的质量，再根据Au球和Sn球的数量与其层数相同，可计算出Au球和Sn球的直径；把需要镀膜的零件(预蒸面朝下)安装在工件架15上，把一定直径的Au球21放在蒸发舟里，把一定直径的Sn球22放在滑槽17上端平面位置，后面再依次放一定数量的Au球和Sn球，根据所制备AuSn薄膜的厚度确定Au球和Sn球的数量。蒸发室抽真空，真空度为2.0×10-4Pa～4.0×10-4Pa，给电极19加电，加电电流为200～300A，蒸发舟20开始加热，当达到蒸发舟20里的Au球21的蒸发温度后，其蒸气分子沿着蒸发路径23沉积到工件架15上的零件表面实现Au层成膜。当蒸发舟20里的Au蒸发干净后，小角度转动公转轴12，带动公转盘13转动，公转盘13的转动带动推杆16沿着滑槽17向前移动，推杆16与滑槽17上的最右端的金属球接触后开始推动所有金属球向前移动，当最前端Sn球22滚落到蒸发舟20里后开始对其加热蒸发，其蒸气分子沿着蒸发路径23沉积到工件架15上的零件表面实现Sn层成膜。每当蒸发舟20里的金属蒸发干净后，通过推杆16的移动推动金属球的滚动实现Au层和Sn层交替成膜，蒸发出多层的薄膜，最后在200～300℃下共晶扩散处理5～10min；
图2为本发明实施例2的结构示意图，通过增加工件架的360度旋转功能来提高膜层的均匀性，提高膜层质量；通过改变推杆的位置来增加推杆的移动距离，可增加蒸镀金属球的数量，进而增加膜层的数量及薄膜的厚度。工件架26中心位置通过公转轴25联接在蒸发室24顶部中央位置。滑槽28通过支撑架29固定在蒸发室24底部。推杆27联接蒸发室24并由外部控制可在滑槽28内移动。两个电极30固定在蒸发室24底部，与公转轴25成对称分布，电极30上面固定蒸发舟31，滑槽28在蒸发舟31上方5～10cm。
实施方法如下：为制备一定厚度和比例的金锡合金，预先确定好蒸镀的Au层和Sn层的层数，再根据金锡合金的总厚度及Au和Sn的比例，计算出Au层和Sn层的厚度；根据Au层和Sn层的总厚度计算出蒸镀的Au球和Sn球的质量，再根据Au球和Sn球的数量与其层数相同，可计算出Au球和Sn球的直径；把零件(预蒸面朝下)安装在工件架26上，并以10～20r/min进行360度转动，把一定直径的Au球32放在蒸发舟里，把一定直径的Sn球33放在滑槽28上端位置，后面再依次放一定数量的Au球和Sn球，根据所制备AuSn薄膜的厚度确定Au球和Sn球的数量。蒸发室抽真空，真空度为2.0×10-4Pa～4.0×10-4Pa，给电极30加电，加电电流为200～300A，蒸发舟31开始加热，当达到蒸发舟31里的Au球32的蒸发温度后，其蒸气分子沿着蒸发路径34沉积到工件架26上的零件表面实现Au层成膜。当蒸发舟31里的Au蒸发干净后，向前推动推杆27，进而推动金属球向前移动，当最前端Sn球33滚落到蒸发舟31里后开始对其加热蒸发，其蒸气分子沿着蒸发路径34沉积到工件架26上的零件表面实现Sn层成膜。每当蒸发舟31里的金属蒸发干净后，通过推杆27的移动推动小球的滚动实现Au层和Sn层交替成膜，蒸发出多层的薄膜，最后在200～300℃下共晶扩散处理5～10min完成薄膜制备，采用此机构可以实现工件架上的零件360度旋转成膜。
实验表明，本发明可以精确控制AuSn薄膜中Au和Sn的厚度和比例，得到的薄膜具有结构致密、成分分布均匀的特点，在半导体激光器封装领域具有很高的应用价值。

Claims (4)

1.一种金锡薄膜制备装置，其特征在于包括蒸发室、公转轴、公转盘、固定轴、工件架、推杆、支撑架、滑槽、电极和蒸发舟，所述的公转轴的一端联接在蒸发室顶部的中央位置，另一端固定联接所述的公转盘的中心位置，公转盘中心下面通过所述的固定轴固定联接所述的工件架，；所述的滑槽通过所述的支撑架与所述的蒸发室的底部固定，两个电极与所述的公转轴对称地固定在蒸发室底部，两个电极上固定所述的蒸发舟，上端滑槽在蒸发舟上方供金属Au球和金属Sn球置放；所述的推杆与所述的公转盘相连或所述的推杆透过所述的蒸发室并由蒸发室外部控制在滑槽内移动；推杆的移动推动滑槽内的Au球和Sn球滚落到所述的蒸发舟里实现蒸镀。
2.根据权利要求1所述的一种金锡薄膜制备装置，其特征在于所述的滑槽最底端在蒸发舟上方为5～10cm。
3.根据权利要求1所述的一种金锡薄膜制备装置，其特征在于所述的滑槽为不锈钢或钨制成的。
4.一种金锡薄膜制备方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
①预先确定待蒸镀工件的蒸镀的Au层和Sn层的层数，再根据金锡合金的总厚度及Au和Sn的比例，计算出每一Au层的厚度和每一Sn层的厚度；
②根据Au层和Sn层的厚度计算出蒸镀的Au球和Sn球的质量和Au球和Sn球的直径，制备相应的Au球和Sn球；
③把待蒸镀工件的待蒸镀面朝下安装在所述的工件架上；
④将一个Au球放在蒸发舟里，其他Sn球和Au球依次放在所述的滑槽最上端位置，并保持不动；
⑤所述的蒸发室抽真空，当真空度达到2.0×10-4Pa～4.0×10-4Pa时给电极加电，加电电流为200～300A，蒸发舟开始加热，当达到Au的蒸发温度后，Au蒸气分子沉积到零件表面实现Au层成膜；
⑥当蒸发舟里的Au蒸发干净后，驱动所述的推杆沿着滑槽移动，推杆与滑槽上的最右端的金属球接触，推动所有金属球向前移动，当最前端的球，即Sn球滚落到蒸发舟里后停止推杆的推动，所述的Sn球受蒸发舟加热开始蒸发，Sn蒸气分子沉积到零件表面实现Sn层成膜；
⑦每当蒸发舟里的金属蒸发干净后，重复步骤⑥，实现Au层和Sn层交替成膜；
⑧金属球都蒸发干净后，停止电极加电；
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