CN107096988A - 一种快速制备电子封装材料Cu3Sn金属间化合物的方法 - Google Patents

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Abstract

一种快速制备电子封装材料Cu3Sn金属间化合物的方法，本发明属于电子封装技术领域，它要解决现有高温功率器件中获得Cu3Sn金属间化合物的耐高温材料所需的整体加热互连工艺复杂、连接时间长、施加压力大的问题。制备方法：一、将Sn箔和Cu箔放入无水乙醇中进行超声清洗；二、在清洗后的Sn箔的两面涂抹助焊膏，将Cu箔放置在Sn箔表面，形成Cu/Sn/Cu三明治结构箔片；三、Cu/Sn/Cu结构箔片置于线圈中，在箔片的表面用重物压上，控制加热温度为240℃～530℃，钎焊时间为20s～300s，持续施加0.007MPa～0.05MPa压力进行封装。本发明能够实现小压力、耐高温的封装连接，连接时间短。

Description

一种快速制备电子封装材料Cu3Sn金属间化合物的方法
技术领域
本发明属于电子封装技术领域，具体涉及一种快速制备电子封装材料Cu3Sn金属间化合物的方法。
背景技术
高温、高密度封装是未来电子器件发展的主要方向。与传统的Si器件相比，SiC、GaN等宽禁带半导体功率器件具有更高的转换效率、更大的输出功率和更高的使用温度，可在600℃甚至更高的温度下使用。但是，宽禁带半导体功率芯片的最高允许工作温度不仅取决于半导体本身的性能，还受到封装条件的限制。芯片与基板的耐高温问题，接头的可靠性问题和如何降低连接成本已经成为当前电子领域迫切需要解决的问题。
针对这些问题，最先的思路是开发出高温钎料合金。目前的高温钎料合金有Au-Sn钎料合金，Bi-Ag钎料合金，Zn-Al钎料合金等高温钎料合金。Au-Sn钎料合金的可加工性不好，且成本太高，限制了它的应用。Bi-Ag钎料合金较脆性，加工性较差，导电导热性以及可焊性均不好。Zn-Al钎料合金加工性不好，容易氧化，在Cu基板上的润湿性比较差，这些缺点限制了该钎料合金的应用场合。因此，通过研发出高温钎料合金来解决高温功率器件封装的耐高温问题是比较困难的。
近年来国内外在新一代高温、高功率器件封装芯片连接方面最新的思路是发展“低温连接/高温服役”连接技术。为此，发展了纳米Ag粉烧结技术和瞬时液相烧结(TLPS)技术。纳米Ag烧结连接技术虽然能使接头具有较高的耐热温度和较好的导热、导电性能，但是从纳米Ag粉烧结机理来看，为了加速烧结过程，获得较高性能的连接接头，需要施加较大的压力，而过高的压力容易造成芯片损坏。另外，Ag的价格昂贵，不利于大规模商业化应用。为了克服纳米Ag烧结存在的问题，近年来发展了瞬时液相烧结(TLPS)技术。其原理是利用低熔点金属熔化形成液相与高熔点金属发生反应实现连接。同时形成高熔点的连接层，从而实现功率芯片的“低温连接/高温服役”。但是目前通过瞬时液相烧结技术获得耐高温封装材料所需的Cu3Sn金属间化合物的加工工艺复杂、连接时间长(几十分钟至几小时以上)、焊接压力大等特点会为器件带来可靠性隐患。因此，如何快速、高效地制备电子封装材料Cu3Sn金属间化合物，对解决电子器件耐高温封装问题具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是针对新一代高温功率芯片尤其是SiC功率芯片的封装技术需求，解决现有高温功率器件中获得Cu3Sn金属间化合物的耐高温材料所需的整体加热互连工艺复杂、连接时间长、施加压力大的问题，而提供一种快速制备电子封装材料Cu3Sn金属间化合物的方法。
本发明快速制备电子封装材料Cu3Sn金属间化合物的方法按下列步骤实现：
一、将Sn箔和Cu箔放入无水乙醇中进行超声清洗，取出后晾干，得到清洗后的Sn箔和Cu箔；
二、在清洗后的Sn箔的两面涂抹助焊膏，然后将Cu箔放置在Sn箔表面，形成Cu/Sn/Cu三明治结构箔片；
三、将Cu/Sn/Cu三明治结构箔片置于高频感应加热装置的线圈中，在Cu/Sn/Cu三明治结构箔片的表面用重物压上，控制加热温度为240℃～530℃，钎焊时间为20s～300s，进行连接，连接过程中持续施加0.007MPa～0.05MPa焊接压力，焊接结束后空冷至250℃以下，即完成所述的电子封装材料Cu3Sn金属间化合物的制备。
本发明快速制备Cu3Sn金属间化合物的方法是以Cu-Sn作为反应体系(金属Cu片为高熔点金属组分，金属Sn箔为低熔点金属组分)，在连接过程中低熔点液相金属组分Sn熔化形成液相实现连接，同时与高熔点固相金属组分Cu进行固-液扩散反应形成高熔点的Cu3Sn金属间化合物，从而实现连接层的耐高温。
本发明提供的一种快速制备Cu3Sn金属间化合物的方法，能够实现小压力(0.007MPa～0.05MPa)、耐高温(670℃)的封装连接。与现有的封装技术相比具有以下优点：
1、本发明提供的一种快速制备Cu3Sn金属间化合物的方法，可实现在0.007MPa～0.05MPa的焊接压力下实现耐高温封装连接，具有焊接压力小的优点，钎焊时间为20s～300s，连接时间短。
2、本发明提供的一种快速制备Cu3Sn金属间化合物的方法，能够使连接层完全转变成Cu3Sn金属间化合物，Cu3Sn熔点为670℃，熔点高，接头耐高温能力强。
3、本发明提供的一种快速制备Cu3Sn金属间化合物的方法，与传统的高温钎料及其方法相比，该制备方法可在较低的温度条件下进行封装，克服了传统钎料连接温度高于使用温度的技术缺陷，优化了器件封装方法。
附图说明
图1为实施例6中钎焊接头焊点的温度曲线图，其中●代表第1次测温数据点，■代表第2次测温数据点，▲代表第3次测温数据点；
图2为实施例6得到的Cu/Cu3Sn/Cu钎焊接头界面显微组织图；
图3为实施例中步骤三连接过程的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式快速制备电子封装材料Cu3Sn金属间化合物的方法按下列步骤实现：
一、将Sn箔和Cu箔放入无水乙醇中进行超声清洗，取出后晾干，得到清洗后的Sn箔和Cu箔；
二、在清洗后的Sn箔的两面涂抹助焊膏，然后将Cu箔放置在Sn箔表面，形成Cu/Sn/Cu三明治结构箔片；
三、将Cu/Sn/Cu三明治结构箔片置于高频感应加热装置的线圈中，在Cu/Sn/Cu三明治结构箔片的表面用重物压上，控制加热温度为240℃～530℃，钎焊时间为20s～300s，进行连接，连接过程中持续施加0.007MPa～0.05MPa焊接压力，焊接结束后空冷至250℃以下，即完成所述的电子封装材料Cu3Sn金属间化合物的制备。
本实施方式针对第三代半导体(SiC和GaN)高温功率芯片的耐高温封装的问题，提供了一种快速制备电子封装材料Cu3Sn金属间化合物的方法。以Cu-Sn作为反应体系，在连接过程中低熔点液相金属组分Sn熔化形成液相实现连接，同时与高熔点固相金属组分Cu进行固-液扩散反应形成高熔点的Cu3Sn金属间化合物，从而实现连接层的耐高温。
在实际应用过程中，将Cu箔片分别沉积于SiC芯片和基板上，然后将Sn箔置于两Cu箔之间形成Cu/Sn/Cu三明治结构箔片，感应加热进行封装。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中Sn箔的厚度为15μm。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤一中Cu箔的厚度为100μm。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤三控制加热温度为500℃～530℃。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤三控制钎焊时间为250s～300s。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤三连接过程中持续施加0.015MPa～0.025MPa焊接压力。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是步骤三控制加热温度为510℃～530℃，钎焊时间为250s～280s，连接过程中持续施加0.015MPa～0.025MPa焊接压力。其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是步骤三控制加热温度为530℃，钎焊时间为270s，连接过程中持续施加0.015MPa焊接压力。其它步骤及参数与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是步骤三焊接结束后空冷至210～250℃。其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。
实施例1：本实施例快速制备电子封装材料Cu3Sn金属间化合物的方法按下列步骤实施：
一、将面积大小相同的Sn箔和Cu箔放入无水乙醇中进行超声清洗，取出后晾干，得到清洗后的Sn箔和Cu箔，其中Sn箔的厚度为15μm，Cu箔的厚度为100μm；
二、在清洗后的Sn箔的两面涂抹美国AMTECH助焊膏，然后将Cu箔放置在Sn箔表面，形成Cu/Sn/Cu三明治结构箔片；
三、将Cu/Sn/Cu三明治结构箔片置于陶瓷基板上并位于高频感应焊机的线圈中，在Cu/Sn/Cu三明治结构箔片的表面用重物压上，钎缝厚度为15μm(即Cu箔和Cu箔之间的缝隙)，控制加热温度为245℃，钎焊时间为20s，连接过程中持续施加0.007MPa焊接压力，焊接结束后空冷至210℃取出连接试样，完成电子封装材料Cu3Sn金属间化合物的制备。
本实施例中间连接层中Sn未完全反应，微观组织主要为Cu3Sn和Cu6Sn5金属间化合物。
实施例2：本实施例快速制备电子封装材料Cu3Sn金属间化合物的方法按下列步骤实施：
一、将面积大小相同的Sn箔和Cu箔放入无水乙醇中进行超声清洗，取出后晾干，得到清洗后的Sn箔和Cu箔，其中Sn箔的厚度为15μm，Cu箔的厚度为100μm；
二、在清洗后的Sn箔的两面涂抹美国AMTECH助焊膏，然后将Cu箔放置在Sn箔表面，形成Cu/Sn/Cu三明治结构箔片；
三、将Cu/Sn/Cu三明治结构箔片置于陶瓷基板上并位于高频感应加热装置的线圈中，在Cu/Sn/Cu三明治结构箔片的表面用重物压上，钎缝厚度为15μm，控制加热温度为320℃，钎焊时间为45s，连接过程中持续施加0.007MPa焊接压力，焊接结束后空冷至210℃取出连接试样，完成电子封装材料Cu3Sn金属间化合物的制备。
本实施例中间连接层中Sn已经完全反应，微观组织主要为Cu3Sn和Cu6Sn5金属间化合物。
实施例3：本实施例快速制备电子封装材料Cu3Sn金属间化合物的方法按下列步骤实施：
一、将面积大小相同的Sn箔和Cu箔放入无水乙醇中进行超声清洗，取出后晾干，得到清洗后的Sn箔和Cu箔，其中Sn箔的厚度为15μm，Cu箔的厚度为100μm；
二、在清洗后的Sn箔的两面涂抹美国AMTECH助焊膏，然后将Cu箔放置在Sn箔表面，形成Cu/Sn/Cu三明治结构箔片；
三、将Cu/Sn/Cu三明治结构箔片置于陶瓷基板上并位于高频感应加热装置的线圈中，在Cu/Sn/Cu三明治结构箔片的表面用重物压上，钎缝厚度为15μm，控制加热温度为430℃，钎焊时间为70s，连接过程中持续施加0.007MPa焊接压力，焊接结束后空冷至210℃取出连接试样，完成电子封装材料Cu3Sn金属间化合物的制备。
本实施例中间连接层中Sn已经完全反应，微观组织主要为Cu3Sn和Cu6Sn5金属间化合物。
实施例4：本实施例快速制备电子封装材料Cu3Sn金属间化合物的方法按下列步骤实施：
一、将面积大小相同的Sn箔和Cu箔放入无水乙醇中进行超声清洗，取出后晾干，得到清洗后的Sn箔和Cu箔，其中Sn箔的厚度为15μm，Cu箔的厚度为100μm；
二、在清洗后的Sn箔的两面涂抹美国AMTECH助焊膏，然后将Cu箔放置在Sn箔表面，形成Cu/Sn/Cu三明治结构箔片；
三、将Cu/Sn/Cu三明治结构箔片置于陶瓷基板上并位于高频感应加热装置的线圈中，在Cu/Sn/Cu三明治结构箔片的表面用重物压上，钎缝厚度为15μm，控制加热温度为500℃，钎焊时间为115s，连接过程中持续施加0.007MPa焊接压力，焊接结束后空冷至210℃取出连接试样，完成电子封装材料Cu3Sn金属间化合物的制备。
本实施例中间连接层中Sn已经完全反应，微观组织主要为Cu3Sn和Cu6Sn5金属间化合物。
实施例5：本实施例快速制备电子封装材料Cu3Sn金属间化合物的方法按下列步骤实施：
一、将面积大小相同的Sn箔和Cu箔放入无水乙醇中进行超声清洗，取出后晾干，得到清洗后的Sn箔和Cu箔，其中Sn箔的厚度为15μm，Cu箔的厚度为100μm；
二、在清洗后的Sn箔的两面涂抹美国AMTECH助焊膏，然后将Cu箔放置在Sn箔表面，形成Cu/Sn/Cu三明治结构箔片；
三、将Cu/Sn/Cu三明治结构箔片置于陶瓷基板上并位于高频感应加热装置的线圈中，在Cu/Sn/Cu三明治结构箔片的表面用重物压上，钎缝厚度为15μm，控制加热温度为510℃，钎焊时间为140s，连接过程中持续施加0.01MPa焊接压力，焊接结束后空冷至210℃取出连接试样，完成电子封装材料Cu3Sn金属间化合物的制备。
本实施例中间连接层中Sn已经完全反应，微观组织主要为大量的Cu3Sn和少量的Cu6Sn5金属间化合物。
实施例6：本实施例快速制备电子封装材料Cu3Sn金属间化合物的方法按下列步骤实施：
一、将面积大小相同的Sn箔和Cu箔放入无水乙醇中进行超声清洗，取出后晾干，得到清洗后的Sn箔和Cu箔，其中Sn箔的厚度为15μm，Cu箔的厚度为100μm；
二、在清洗后的Sn箔的两面涂抹美国AMTECH助焊膏，然后将Cu箔放置在Sn箔表面，形成Cu/Sn/Cu三明治结构箔片；
三、将Cu/Sn/Cu三明治结构箔片置于陶瓷基板上并位于高频感应加热装置的线圈中，在Cu/Sn/Cu三明治结构箔片的表面用重物压上，钎缝厚度为15μm，控制加热温度为530℃，钎焊时间为270s，连接过程中持续施加0.015MPa焊接压力，焊接结束后空冷至210℃取出连接试样，完成电子封装材料Cu3Sn金属间化合物的制备。
本实施例中间连接层中Sn已经完全反应，微观组织主要为全部的Cu3Sn金属间化合物。重复本实施例三次的钎焊接头焊点的温度曲线图如图1所示，钎焊接头界面显微组织图如图2所示。
实施例7：本实施例快速制备电子封装材料Cu3Sn金属间化合物的方法按下列步骤实施：
一、将面积大小相同的Sn箔和Cu箔放入无水乙醇中进行超声清洗，取出后晾干，得到清洗后的Sn箔和Cu箔，其中Sn箔的厚度为15μm，Cu箔的厚度为100μm；
二、在清洗后的Sn箔的两面涂抹美国AMTECH助焊膏，然后将Cu箔放置在Sn箔表面，形成Cu/Sn/Cu三明治结构箔片；
三、将Cu/Sn/Cu三明治结构箔片置于陶瓷基板上并位于高频感应加热装置的线圈中，在Cu/Sn/Cu三明治结构箔片的表面用重物压上，钎缝厚度为15μm，控制加热温度为530℃，钎焊时间为270s，连接过程中持续施加0.02MPa焊接压力，焊接结束后空冷至210℃取出连接试样，完成电子封装材料Cu3Sn金属间化合物的制备。
本实施例中间连接层中Sn已经完全反应，微观组织主要为全部的Cu3Sn金属间化合物。

Claims (9)

1.一种快速制备电子封装材料Cu3Sn金属间化合物的方法，其特征在于该方法是通过下列步骤实现：
一、将Sn箔和Cu箔放入无水乙醇中进行超声清洗，取出后晾干，得到清洗后的Sn箔和Cu箔；
二、在清洗后的Sn箔的两面涂抹助焊膏，然后将Cu箔放置在Sn箔表面，形成Cu/Sn/Cu三明治结构箔片；
三、将Cu/Sn/Cu三明治结构箔片置于高频感应加热装置的线圈中，在Cu/Sn/Cu三明治结构箔片的表面用重物压上，控制加热温度为240℃～530℃，钎焊时间为20s～300s，进行连接，连接过程中持续施加0.007MPa～0.05MPa焊接压力，焊接结束后空冷至250℃以下，即完成所述的电子封装材料Cu3Sn金属间化合物的制备。
2.根据权利要求1所述的一种快速制备电子封装材料Cu3Sn金属间化合物的方法，其特征在于步骤一中Sn箔的厚度为15μm。
3.根据权利要求1所述的一种快速制备电子封装材料Cu3Sn金属间化合物的方法，其特征在于步骤一中Cu箔的厚度为100μm。
4.根据权利要求1所述的一种快速制备电子封装材料Cu3Sn金属间化合物的方法，其特征在于步骤三控制加热温度为500℃～530℃。
5.根据权利要求1所述的一种快速制备电子封装材料Cu3Sn金属间化合物的方法，其特征在于步骤三控制钎焊时间为250s～300s。
6.根据权利要求1所述的一种快速制备电子封装材料Cu3Sn金属间化合物的方法，其特征在于步骤三连接过程中持续施加0.015MPa～0.025MPa焊接压力。
7.根据权利要求1所述的一种快速制备电子封装材料Cu3Sn金属间化合物的方法，其特征在于步骤三控制加热温度为510℃～530℃，钎焊时间为250s～280s，连接过程中持续施加0.015MPa～0.025MPa焊接压力。
8.根据权利要求7所述的一种快速制备电子封装材料Cu3Sn金属间化合物的方法，其特征在于步骤三控制加热温度为530℃，钎焊时间为270s，连接过程中持续施加0.015MPa焊接压力。
9.根据权利要求1所述的一种快速制备电子封装材料Cu3Sn金属间化合物的方法，其特征在于步骤三焊接结束后空冷至210～250℃。
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