CN104759725A - 一种使用微纳米级金属颗粒填充Sn基焊料实现电子组件高温封装的方法 - Google Patents

一种使用微纳米级金属颗粒填充Sn基焊料实现电子组件高温封装的方法 Download PDF

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Abstract

一种使用微纳米级金属颗粒填充Sn基焊料实现电子组件高温封装的方法，步骤如下：步骤一：制备微纳米金属颗粒，将其与分散剂、粘结剂、稀释剂以及助焊剂混合；步骤二：将微纳米金属颗粒混合物与纯Sn或Sn基焊膏均匀混合；步骤三：将微纳米级金属颗粒填充Sn基焊膏放置于基板上，完成待焊部件对准过程，并施加压力；步骤四：将以上体系放入回流炉中，经历预热阶段、保温阶段、再流阶段、冷却阶段。本发明应用微纳米级金属颗粒填充Sn基焊料中，在与传统再流焊兼容的工艺条件下可实现高功率器件或组件的连接及组装，在器件高温服役过程中，形成接头内部的金属颗粒，具备优异的导电和导热性能，会使电子组件的散热和电气性能指标显著提升。

Description

一种使用微纳米级金属颗粒填充Sn基焊料实现电子组件高温封装的方法
技术领域
本发明属于电子封装微互连技术领域，涉及一种电子组件及模块封装和互连方法，具体涉及一种采用微纳米级金属颗粒填充Sn基焊料实现电子组件高温封装的方法。
背景技术
电子封装微互连技术是各种电子元器件、模块、组件封装的核心技术之一。随着电子行业对电子元器件、模块、组件的高功率和高密度封装需求和指标的不断攀升，电子元器件、模块、组件的服役温度也随之不断提高，这将对微互连材料提出更为苛刻的要求，然而传统的钎料合金和树脂类粘接材料等已经不能胜任高功率、发热量大电子器件及组件的高温工作环境，因此，互连部位相对较差的高温服役性能已经成为制约高密度封装和高功率封装发展的主要瓶颈之一。
对于传统钎料合金制备的接头，要求服役温度必须低于连接温度，例如Sn3.5wt.%Ag钎料熔点为221℃，其连接温度需达到250～260℃以上，而其服役温度仅在125℃以下。要想提高服役温度须选择熔点更高的Pb基焊料或Au基钎料，钎焊的温度也将随之升高，而过高的连接温度会造成元器件的损伤。
为解决以上问题，出现了低温连接高温服役的键合方法。现在较常见的技术有纳米银焊膏低温烧结、全金属间化合物互连、金属间化合物纳米颗粒焊膏烧结等。根据纳米银颗粒的热力学性质，可以在低于200℃条件下实现连接，形成接头可在超过350℃条件下服役，但纳米颗粒的连接所需时间较长、接头为多孔结构、纳米材料制备成本较高，制约了此类材料的应用；全金属间化合物所形成接头可以在高温条件下应用，但一般制备时间较长，很难实现大规模工业应用；金属间化合物纳米颗粒焊膏烧结需使用高于或近似与金属间化合物熔点的规范实现烧结，而金属间化合物的熔点一般较高(超过400℃)，连接过程中容易造成器件的损伤。
发明内容
本发明的目的是提供一种使用微纳米级金属颗粒填充Sn基焊料实现电子组件高温封装的方法，该方法应用微纳米级金属颗粒（Cu或Ag）填充Sn基焊料中，在与传统再流焊兼容的工艺条件下可实现高功率器件或组件的连接及组装，在器件高温服役过程中，形成接头内部的金属颗粒，如Cu或Ag，具备优异的导电和导热性能，会使电子组件的散热和电气性能指标显著提升。此外，在服役过程中，接头中的Sn会与微纳米级金属颗粒继续缓慢的反应，生成Cu-Sn或Ag-Sn金属间化合物，会使接头的熔点逐步提升，耐高温能力进一步增强。与此同时，焊点内部的微纳米级金属颗粒及其演变的金属间化合物还会对焊点起到强化作用。
所述目的是通过如下技术方案实现的：
步骤一：制备直径为100nm～50μm的微纳米金属颗粒，将其与用以均匀分散微米粒子的分散剂、可保持聚合物稳定的粘结剂、用于改善焊膏印刷性和流动性的稀释剂以及用于改善润湿性能和去除氧化膜的助焊剂适量混合，得到微纳米金属颗粒混合物；所述微纳米金属颗粒混合物中含有微纳米金属颗粒80～90wt.%、分散剂2～8wt.%、粘结剂2～8wt.%、稀释剂2～8wt.%和助焊剂2～8wt.%；
步骤二：将步骤一制备的微纳米金属颗粒混合物与纯Sn或Sn基焊膏（作为基体），如Sn3.5wt.%Ag等通过超声波震荡、手动搅拌或机械搅拌等方法等均匀混合制备出微纳米级金属颗粒填充Sn基焊料焊膏，微纳金属颗粒混合物在最终制备出焊膏内所占的质量百分比为5～80%；
步骤三：采用丝网印刷或点胶方法将以上微纳米级金属颗粒填充Sn基焊膏放置于基板上，完成待焊部件对准过程，并施加1~20Mpa压力；
步骤四：将以上体系放入回流炉中，经历预热阶段、保温阶段、再流阶段、冷却阶段，完成有机物的挥发、Sn基钎料合金与微纳金属颗粒和焊盘的润湿和界面反应。
本发明步骤一中，通过机械粉碎法、气相合成法或液相合成法制备直径为100nm～50μm的金属颗粒，如Cu或Ag金属颗粒。
本发明步骤二中，Sn基焊膏为以Sn为基体添加一种或多种合金元素形成的合金粉末，添加分散剂、粘接剂、稀释剂和助焊剂所形成的焊膏，例如Sn3.5wt.%Ag、Sn37wt.%Pb、Sn0.7wt.%Cu、Sn-Ag-Cu系、Sn-Zn系等。
本发明步骤四中，以1~5℃/s的速度加热至120~160℃完成预热阶段，以1~3℃/s的加热速率完成40~100s的保温阶段，以1~5℃/s的速率快速升温到峰值温度（基体Sn基焊膏熔点以上30~60℃）并保温50~200s实现再流阶段，最后以1~6℃/s的速率冷至100℃以下。
本发明使用微纳米级金属颗粒（Cu或Ag）填充Sn基焊料中，制备成焊膏，焊料的熔化温度与Sn基焊料接近，钎焊可使用与Sn基焊料接近温度工艺曲线，钎焊过程中，Sn会在微纳米级金属颗粒表面形成金属间化合物，形成致密、高强度焊点，适合宽禁带半导体、LED等高功率器件或组件的连接及组装工艺，形成的接头在后续的高温服役过程中，由于微纳米级金属颗粒，如Cu或Ag具备优异的导电和导热性能，会使电子组件的散热和电气性能指标显著提升。此外，接头中的Sn会与微纳米级金属颗粒缓慢地继续反应，生成Cu-Sn或Ag-Sn金属间化合物，包覆于金属颗粒表面，会使接头的熔点逐步提升，耐高温性能力进一步增强。与此同时，焊点内部的微纳米级金属颗粒及其演变的金属间化合物还会对焊点起到强化作用。以前的Sn基焊料在125度以上高温服役时，会随着服役的时间性能退化，而本发明的焊料在同样的条件下却会随着时间性能增强，因此，可服役温度显著增加。使用微纳米级金属颗粒（Cu或Ag）填充Sn基焊料制备的接头，其长效高温服役的功能不仅可以解决高密度封装、功率封装带来的高温条件下的可靠问题，还可有助于常规器件在现有工作温度下的寿命提高，此外，提高接头的服役温度还有助于减小散热系统体积，降低封装成本。
附图说明
图1为微纳米级金属颗粒填充Sn基焊料焊膏结构及互连接头形成过程和结构示意图，其中：（1）微纳米级金属颗粒填充Sn基焊料焊膏焊膏构成；（2）涂覆/装配/焊接结构；（3）凝固后形成接头的结构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例1：
如图1所示，微米级Cu金属颗粒填充Sn基焊料焊膏互连接头形成方法包括如下步骤：
步骤一：准备直径为20μm左右的Cu颗粒；
步骤二：将以上微米级Cu颗粒与分散剂甲基戊醇、粘结剂α-松油醇、稀释剂萜品醇、助焊剂松香适量混合，混合质量比例为80:4:6:4:6；
步骤三：将上述Cu颗粒混合物与Sn3.5wt.%Ag焊膏混合，Cu颗粒混合物占最终焊膏混合物总质量50%；
步骤四：利用200W超声波震荡80min，使Cu颗粒在步骤三中配成混合物中均匀一致的分散，制成微米级金属颗粒填充Sn基焊料焊膏；
步骤五：采用丝网印刷法将以上微米级金属颗粒填充Sn基焊料焊膏放置于基板上，完成待焊部件焊盘与基板焊盘的对准，并施加8MPa压力；
步骤六：将以上体系放入回流炉中，持续进行以下动作：以2~5℃/s的速度加热至120~140℃完成预热阶段，以1℃/s的加热速率完成40~60s的保温阶段，以1~3℃/s的速率快速升温到峰值温度（Sn3.5wt.%Ag熔点（221℃）以上30~60℃）并保温实现再流阶段（需50~80s），最后以1~4℃/s的速率冷至100℃以下。
实施例2：
纳米级Ag金属颗粒填充Sn基焊料焊膏互连接头形成方法包括如下步骤：
步骤一：准备直径为100nm左右的Ag颗粒；
步骤二：将以上纳米Ag颗粒与分散剂三乙基己基磷酸、粘结剂α-松油醇、稀释剂酒精、助焊剂松香适量混合，混合比例为85:3:4:4:4；
步骤三：将上述纳米级Ag颗粒混合物与Sn0.7wt.%Cu焊膏混合，Ag颗粒混合物占最终焊膏混合物总质量30%；
步骤四：利用150W超声波震荡120min，使Ag颗粒在步骤三中配成混合物中均匀一致的分散，制成纳米级Ag金属颗粒填充Sn基焊料焊膏；
步骤五：采用点胶方法将以上纳米级Ag金属颗粒填充Sn基焊料焊膏，完成待焊部件焊盘与基板焊盘的对准，并施加15MPa压力；
步骤六：将以上体系放入回流炉中，持续进行以下动作：以2~4℃/s的速度加热至120℃完成预热阶段，以1℃/s的加热速率完成80s的保温阶段，以3℃/s的速率快速升温到峰值温度（Sn0.7wt.%Cu熔点（227℃）熔点以上30~60℃）并保温实现再流阶段（需70s），最后以3℃/s的速率冷至100℃以下。
实施例3：纳米级Cu金属颗粒填充Sn基焊料焊膏互连接头形成方法包括如下步骤：
步骤一：准备直径为500nm左右的Cu颗粒；
步骤二：将以上微米级Cu颗粒与分散剂甲基戊醇、粘结剂α-松油醇、稀释剂萜品醇、助焊剂松香适量混合，混合质量比例为82:4:5:4:5；
步骤三：将上述Cu颗粒混合物与纯Sn焊膏混合，Cu颗粒混合物占最终焊膏混合物总质量60%；
步骤四：利用180W超声波震荡100min，使Cu颗粒在步骤三中配成混合物中均匀一致的分散，制成纳米级金属颗粒填充Sn基焊料焊膏；
步骤五：采用丝网印刷法将以上纳米级金属颗粒填充Sn基焊料焊膏放置于基板上，完成待焊部件焊盘与基板焊盘的对准，并施加2MPa压力；
步骤六：将以上体系放入回流炉中，持续进行以下动作：以2~4℃/s的速度加热至130~160℃完成预热阶段，以1℃/s的加热速率完成50~70s的保温阶段，以3℃/s的速率快速升温到峰值温度（纯Sn熔点（232℃）以上30~60℃）并保温实现再流阶段（需70~120s），最后以1~3℃/s的速率冷至100℃以下。
添加微纳米级金属颗粒的焊膏可以实现在高于Sn基焊膏熔点30~60℃条件下实现钎焊互连，以纯Sn焊膏为例，最高加热温度为262~292℃，其它Sn基焊料熔点一般低于纯Sn焊膏，因此，所需的钎焊峰值温度均有所降低。而焊点内微纳米Cu或Ag金属颗粒，会在钎焊和服役过程中逐渐生成包覆Cu6Sn5、Cu3Sn或Ag3Sn金属间化合物的Cu或Ag颗粒，上述金属间化合物的熔化或分解温度均高于400℃、600℃或480℃，因此，本发明中使用微纳米级金属颗粒填充Sn基焊料所形成的接头，在服役过程中的熔点逐步提升，耐高温能力进一步增强。焊点内部的微纳米级金属颗粒及其演变的金属间化合物还会对焊点起到强化作用。此外，接头内部的Cu、Ag金属颗粒，具备优异的导电和导热性能，会使电子组件的散热和电气性能指标显著提升。而未添加微纳米金属颗粒的传统Sn基焊料所形成焊点的工作温度一般在125℃以下，且性能会随服役温度升高和时间延长而发生退化。

Claims (6)

1.一种使用微纳米级金属颗粒填充Sn基焊料实现电子组件高温封装的方法，其特征在于所述方法步骤如下：
步骤一：制备直径为100nm～50μm的微纳米金属颗粒，将其与分散剂、粘结剂、稀释剂以及助焊剂适量混合，得到微纳米金属颗粒混合物；所述微纳米金属颗粒混合物中含有微纳米金属颗粒80～90wt.%、分散剂2～8wt.%、粘结剂2～8wt.%、稀释剂2～8wt.%和助焊剂2～8wt.%；
步骤二：将步骤一制备的微纳米金属颗粒混合物与纯Sn或Sn基焊膏均匀混合制备出微纳米级金属颗粒填充Sn基焊料焊膏，微纳金属颗粒混合物在最终制备出焊膏内所占的质量百分比为5～80%；
步骤三：将以上微纳米级金属颗粒填充Sn基焊膏放置于基板上，完成待焊部件对准过程，并施加1~20Mpa压力；
步骤四：将以上体系放入回流炉中，经历预热阶段、保温阶段、再流阶段、冷却阶段，完成有机物的挥发、Sn基钎料合金与微纳金属颗粒和焊盘的润湿和界面反应。
2.根据权利要求1所述的使用微纳米级金属颗粒填充Sn基焊料实现电子组件高温封装的方法，其特征在于所述步骤一中，通过机械粉碎法、气相合成法或液相合成法制备直径为100nm～50μm的金属颗粒。
3.根据权利要求1所述的使用微纳米级金属颗粒填充Sn基焊料实现电子组件高温封装的方法，其特征在于所述步骤二中，所述Sn基焊膏为Sn3.5wt.%Ag、Sn37wt.%Pb、Sn0.7wt.%Cu、Sn-Ag-Cu系或Sn-Zn系。
4.根据权利要求1所述的使用微纳米级金属颗粒填充Sn基焊料实现电子组件高温封装的方法，其特征在于所述步骤三中，采用丝网印刷或点胶方法将以上微纳米级金属颗粒填充Sn基焊膏放置于基板上。
5.根据权利要求1所述的使用微纳米级金属颗粒填充Sn基焊料实现电子组件高温封装的方法，其特征在于所述步骤四中，以1~5℃/s的速度加热至120~160℃完成预热阶段，以1~3℃/s的加热速率完成40~100s的保温阶段，以1~5℃/s的速率快速升温到峰值温度并保温50~200s实现再流阶段，最后以1~6℃/s的速率冷至100℃以下。
6.根据权利要求1所述的使用微纳米级金属颗粒填充Sn基焊料实现电子组件高温封装的方法，其特征在于所述峰值温度为基体Sn基焊膏熔点以上30~60℃。
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