CN107127468A - 一种基于泡沫铜的高温互连焊点的制备方法 - Google Patents

一种基于泡沫铜的高温互连焊点的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于泡沫铜的耐高温互连焊点的制备方法，所述互连方法为热压焊接，其中，泡沫铜是通过腐蚀铜铝合金片得到，整个过程为无钎料焊接。使用含有所述泡沫铜的耐高温互连焊点进行焊接即可实现低温(260℃)焊接，所得焊点能经受高温服役，极大的提高了焊点可靠性和焊缝的稳定性，可以广泛应用于各种高温焊接领域。

Description

一种基于泡沫铜的高温互连焊点的制备方法
技术领域
本发明属于材料物理与材料加工交叉技术领域，涉及一种基于泡沫铜的耐高温互连焊点的制备方法。
背景技术
传统硅材料由于禁带宽度、临界击穿强度等各项参数普遍偏低，目前发展受限。与硅材料相比，碳化硅(SiC)以及氮化镓(GaN)等禁带宽度较宽的材料，具有更好的物理性能，制成的功率器件在击穿电压、功率损耗、开关损耗等方面有较大优势，并且能够经受很高的温度，可以应用在高功率、高频率以及高温环境中。器件的芯片贴装对于整个系统正常工作有至关重要的作用，广泛应用的Sn基材料和导电胶能够在低于573K(300℃)下形成连接。高温功率器件在汽车、井下石油天然气、测井、飞行器、空间探测等领域存在巨大的潜力而越来越受到了人们广泛的关注，传统连接材料难以满足需求。目前SiC半导体即将广泛推广，推出适用于这类器件的高温钎料迫在眉睫。
目前，用于高温功率器件的芯片粘贴工艺主要有高温无铅合金钎料焊接、纳米银烧结法、导电胶粘贴以及瞬态液相连接工艺(TLP)。
高温无铅合金钎料的研究主要集中在Au基合金、Bi基合金和Zn基合金，其中使用最为广泛的为Au-Sn(Tm＝280℃)和Au-Ge(Tm＝356℃)，Au基合金强度高、导电和导热性能优良，耐腐蚀性强，焊接时可以不需要助焊剂，保证芯片的清洁。但是Au基合金较硬、抗拉强度较高、伸长率低、可加工性差；而且互连接头在较高温度下服役时，接头的热应力直接传到芯片等电子元件上，严重时可导致芯片等元件失效；当服役温度接近200℃时，接头强度严重下降。最为重要的是Au基合金成本过高，因此适用场合极为有限。
纳米银浆在高功率电子器件中应用亦日益增多，其具有较高的导热率(240Wm-1K-1)和电导率(4.1×107S·m-1)，烧结后熔点高(961℃)等优势。但这种工艺烧结后焊接材料为金属银，高温下的电迁移问题以及成本较高都不利于商业化生产。
导电胶是一种固化后具有一定导电、导热、力学性能的胶黏剂，其具有环境友好、固化温度低、工艺简单等优良特性。目前研究纳米填料对导电胶导电性能的影响引起许多学者的关注。此外，有研究发现，导电胶由于吸湿能力强，与金属化层的粘结界面常出现腐蚀现象，另外，在焊区的金属化过程中，处理工艺带入的杂质元素污染液会加速潮热环境下金属的氧化腐蚀。
另一种比较有发展前景的方法是瞬态液相烧结法(TLPS)或固液互扩散(SolidLiquid Interdiffusion)。钎料可以在较低的温度下钎焊，并且在高温下表现出优良性能。这种焊接方法的优点是原材料来源广泛、成本低廉，且与当前企业产线有较高的加工兼容性；缺点是反应时间长，容易发生反应不完全的现象，产生可靠性问题，并且若单纯提高温度，金属间化合物生长速率不同时，IMC界面粗糙度增加，易形成空洞。
现有技术有诸多关于泡沫铜材料的制备方法，如CN105671617A和CN103103513A等，但是将其适用于耐高温互连焊点还较少，且依据其方法制备的泡沫铜难以满足焊点高温服役的需求。
本发明基于现有技术在高温连接领域各种钎焊方法与钎焊材料存在的问题，创新性的提出了利用泡沫铜进行热压焊接，解决焊点高温服役问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于泡沫铜的耐高温互连焊点的制备方法。
本发明所采用的技术方案包括：采用脱合金法将铜铝合金腐蚀生成固定孔径的泡沫铜片。通过两侧涂抹助焊剂并采用热压焊接法，实现耐高温焊点的连接。
一种基于泡沫铜的耐高温互连焊点的制备方法，包括：
(1)熔炼得到铜铝合金，并切割成适当尺寸的合金薄片；
(2)清洗步骤(1)处理过的合金薄片，去除表面污渍并干燥；
(3)配制恰当比例腐蚀液，在一定温度下通过脱合金法得到泡沫铜片，整个泡沫铜不含铝杂质，并具有均匀孔隙；
(4)清洗步骤(3)得到的泡沫铜片，清除残留的腐蚀液，干燥待用；
(5)通过丝网印刷的方式在泡沫铜片上印刷适量厚度的半固态助焊剂，然后热压焊接，得到基于泡沫铜的耐高温焊点。
与现有技术相比，该制备方法的有益效果是，前期制备工艺简单，成本低廉，具有广阔的推广应用前景；整个实验过程不需要钎料来改善界面，仅热压焊接即可实现铜铜连接，可实现高温服役；连接温度低(260℃)，焊接时间短(2～5min)，相比纳米材料烧结等其他高熔点焊点制备工艺，此方法可缩短制备周期，并与可应用于焊接生产线中，可在现有的加工设备基础上推广应用。
优选方案之一为所述步骤(1)中，所述合金薄片中铜铝原子比优选为4:6；合金薄片厚度为0.7mm及以下。
为了腐蚀出泡沫孔分布均匀的泡沫结构，并且力求去合金化过程中能够对活泼金属完全腐蚀。若活泼原子的成分过低，会直接导致脱合金反应无法进行。综合考量以上因素，优选选择铜铝原子比为4:6。
合金薄片的厚度直接决定后续去合金化试验的时间，当合金片厚度过大，直接导致腐蚀时间过长，并且焊接过程中并无性能提高，考虑实验周期问题，选用0.7mm及以下的合金片。
优选方案之一为所述步骤(2)中，将合金薄片置于丙酮溶液中，时间优选为120s～300s，并施加超声，再用无水乙醇、去离子水超声清洗待用。
合金片切割后，表面残留大量油污和杂质，需要清洗和打磨才能表露出金属光泽。后续脱合金实验中需要金属表面干净清洁，则需要用丙酮、乙醇、以及去离子水加超声保证金属片表面无杂质，有利后续实验进行。
优选方案之一为所述步骤(3)中，优选采用将步骤(2)所得合金薄片置于质量分数为5％的盐酸溶液中，并优选在80℃～90℃水浴环境下进行腐蚀，腐蚀时间以不产生气泡为止，泡沫铜的孔隙尺寸优选为300nm～600nm。
本发明人通过大量实验研究后发现，通过丝网印刷助焊剂后然后热压焊接孔径尺寸在300nm～600nm的泡沫铜，在较低温度、短时间内实现Cu-Cu连接。
为了寻找能够腐蚀出泡沫组织的腐蚀液，并且要求满足腐蚀时间短、剩余活泼金属元素量低、溶液易于配置、形成泡沫组织均匀、孔大小均匀的要求。而泡沫铜的形貌对后续热压焊接过程影响极大，组织不均匀会直接导致焊接界面连接情况差，通过大量实验考量前述选择因素，优选得到泡沫铜的孔隙尺寸为300nm～600nm的方案。
优选方案之一为所述步骤(4)中优选采用将泡沫通置于去离子水中多次清洗，后置于无水乙醇中清洗2～3次，于真空干燥箱中烘干，放入氮气手套箱中备用。
去离子水和无水乙醇目的为清洗掉泡沫铜表面附着的残留腐蚀液；真空干燥箱中干燥目的是去除泡沫铜表面附着的液体；由于泡沫铜的特殊结构容易在空气中氧化，所以需要在惰性气体手套箱中保存较为妥当。若不能够清洗干净，表面残留的腐蚀液会在加热过程中和泡沫铜发生反应，生成针状物质，严重影响焊接性能。
优选方案之一为所述步骤(5)中印刷半固态助焊剂的厚度与泡沫铜的厚度比值为0.1，压焊温度优选为260℃，时间优选为2min～5min，压力优选为10MPa。
半固态助焊剂材料优选为艾威博尔(everpower)959211天然松香助焊膏。
助焊剂在焊接过程中可以有去除脏污及氧化膜的作用，传统焊膏中也会有助焊剂加入来确保焊接质量，并且半固态助焊剂可以做到固定泡沫铜片的作用，若不加助焊剂，焊接过程中泡沫片的移动以及表面残留的污垢或氧化膜直接导致焊接质量差、连接面积小。
焊接温度、时间、压力为经过多次尝试后确定。当温度低于260℃，焊不上；当压力小于10MPa，界面以及泡沫内部孔较多，连接质量差；焊接时间确定以能形成焊点为准，最短为2min。
更为具体的有限制备方法步骤详述如下：
(1)在氩气中熔炼纯铝、纯铜金属，得到均匀的铜铝合金，其中铜铝原子比优选为4:6，用线切割方法将所得合金裁取为适当尺寸的合金薄片，厚度优选为0.7mm及以下；
(2)将步骤(1)所得合金薄片磨抛得到光滑平面，并置于丙酮溶液中，时间优选为120s～300s，并施加超声，再用去离子水超声清洗待用；
(3)配制浓度为5％的稀盐酸腐蚀液，将步骤(2)所得合金薄片置于其中，并在80℃～90℃温度下水浴加热，腐蚀时间以不产生明显气泡为准，得到孔径尺寸为300nm～600nm的泡沫铜片；
(4)将步骤(3)所得泡沫铜片，置于去离子水中多次清洗，后置于无水乙醇中清洗2～3次，在真空干燥箱中干燥，保存于氮气手套箱中备用。
(5)通过丝网印刷的方式，在泡沫铜片上印刷半固态助焊剂，助焊剂的厚度与泡沫铜的厚度比值为0.1，压焊温度优选为260℃，时间优选为2min～5min，压力优选为10MPa。
本发明的另一目的在于提供一种含有泡沫铜的耐高温互连焊点的材料，所述耐高温焊点通过前述的制备方法制备得到。
本发明的再一目的在于提供一种基于泡沫铜的耐高温互连焊点的焊接方法，使用前述的一种含有泡沫铜的耐高温互连焊点进行焊接，可实现低温(260℃)焊接，所得焊点能经受高温服役的目的。
相比现有技术，本发明的优点在于：
(1)焊缝致密性好。整个焊接过程为热压焊接，基于泡沫铜的结构特点，焊接过程中泡沫铜孔壁相互连接，并发生致密化反应，使得最终焊缝完全为完整致密的铜，相比纳米材料烧结焊缝，反应过程快，焊缝铜致密性好。
(2)热压焊接时间短。由于整个反应过程为特殊形貌的泡沫铜发生纳米效应和致密化反应，反应迅速，时间短，大大降低了器件由于长时间高温而导致损坏的几率。
(3)导电、导热性能优异。由于不同于传统的焊接，焊缝界面完全不含钎料及IMC，界面全完为铜，并且相比纳米烧结焊缝组织更为致密，使得整个焊缝具有接近纯铜的导电导热性能，这种耐高温焊点的电阻率小于等于6.656μΩ·cm，导电性能远优于传统的锡基钎料(11.5μΩ·cm)，与纳米银烧结之后的焊缝处于相同量级(2.5-10μΩ·cm)，接近于相同温度烧结的纳米铜的电阻率(5.65μΩ·cm)。
(4)工艺简单。泡沫铜生产工艺简单且成熟，泡沫铜腐蚀液配制简单，腐蚀整个过程只需控制水浴锅温度即可；热压焊过程不需要保护气并且温度较低，易于控制与推广。
(5)成本低廉。原料价格低廉；脱合金过程中，腐蚀液为稀盐酸，温度由水浴锅来控制；焊接过程不需要加保护气，整个制备和焊接过程对设备要求低，价格低廉。
附图说明
图1为具有一定孔洞的泡沫铜。
图2为泡沫铜热压焊接后的焊缝图，其中：0201为Cu基板，0202为泡沫铜。
图3为泡沫铜与铜基板连接处放大图，其中，0301铜基板，0302为泡沫铜。
图4为泡沫铜热压焊后内部放大图。
具体实施方式
下面通过具体实例及说明书附图说明本发明的实现途径，但本发明不局限于此。
实施实例1，参考图1：
基于以上考虑，我们通过大量的试验尝试和数据分析，发明了这种基于泡沫铜的耐高温焊点的制备方法。
该方法具体包括以下步骤(以采用盐酸作为腐蚀剂，腐蚀形成泡沫铜，在两侧印刷助焊剂进行热压焊接并最终将其制成耐高温焊点为例)：
(1)通过前文步骤所述，熔炼得到铜铝原子占比为4:6的铜铝合金，并在切割、磨抛后得到8mm*8mm*0.7mm的合金片，后超声清洗烘干备用；
(2)配制浓度为5％的稀盐酸腐蚀液，将步骤(1)所得合金薄片置于其中，并在80℃温度下水浴加热，腐蚀时间以不产生明显气泡为准，得到孔径尺寸为300nm～600nm的泡沫铜片；
(3)将步骤(2)所得泡沫铜片，置于去离子水中多次清洗，后置于无水乙醇中清洗2～3次，在真空干燥箱中干燥，保存于氮气手套箱中备用。
(4)通过丝网印刷的方式，在泡沫铜片上印刷半固态助焊剂，助焊剂的厚度与泡沫铜的厚度比值为0.1，压焊温度为260℃，时间优选为2min，压力为10MPa，获得耐高温焊点，所得焊缝组织如图2、3、4所示。
经大量实验验证，这种耐高温焊点的电阻率为6.656μΩ·cm，导电性能远优于传统的锡基钎料(11.5μΩ·cm)，与纳米银烧结之后的焊缝处于相同量级(2.5-10μΩ·cm)，接近于相同温度烧结的纳米铜的电阻率(5.65μΩ·cm)。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于泡沫铜的耐高温互连焊点的制备方法，其工艺流程包括：
(1)熔炼得到铜铝合金，并切割成适当尺寸的合金薄片；
(2)清洗步骤(1)处理过的合金薄片，去除表面污渍并干燥；
(3)配制恰当比例腐蚀液，在一定温度下通过脱合金法得到泡沫铜片，整个泡沫铜不含铝杂质，并具有均匀孔隙；
(4)清洗步骤(3)得到的泡沫铜片，清除残留的腐蚀液，干燥待用；
(5)通过丝网印刷的方式在泡沫铜片上印刷适量厚度的半固态助焊剂，然后热压焊接，得到基于泡沫铜的耐高温焊点。
2.根据权利要求1所述的一种基于泡沫铜的耐高温互连焊点的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述合金薄片中铜铝原子比优选为4:6；合金薄片厚度为0.7mm及以下。
3.根据权利要求1所述的一种基于泡沫铜的耐高温互连焊点的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，将合金薄片置于丙酮溶液中，时间优选为120s～300s，并施加超声，再用无水乙醇、去离子水超声清洗待用。
4.根据权利要求1所述的一种基于泡沫铜的耐高温互连焊点的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，优选采用将步骤(2)所得合金薄片置于质量份数为5％的盐酸溶液中，并优选在80℃～90℃水浴环境下进行腐蚀，腐蚀时间以不产生气泡为止，泡沫铜的孔隙尺寸优选为300nm～600nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于泡沫铜的耐高温互连焊点的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中优选采用将泡沫通置于去离子水中多次清洗，后置于无水乙醇中清洗2～3次，于真空干燥箱中烘干，放入氮气手套箱中备用。
6.根据权利要求1所述的一种基于泡沫铜的耐高温互连焊点的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中印刷半固态助焊剂的厚度与泡沫铜的厚度比值为0.1，压焊温度优选为260℃，时间优选为2min～5min，压力优选为10MPa。
7.根据权利要求1所述的一种基于泡沫铜的耐高温互连焊点的制备方法，其特征在于，
(1)在氩气中熔炼纯铝、纯铜金属，得到均匀的铜铝合金，其中铜铝原子比优选为4:6，用线切割方法将所得合金裁取为适当尺寸的合金薄片，厚度优选为0.7mm及以下；
(2)将步骤(1)所得合金薄片磨抛得到光滑平面，并置于丙酮溶液中，时间优选为120s～300s，并施加超声，再用去离子水超声清洗待用；
(3)配制浓度为5％的稀盐酸腐蚀液，将步骤(2)所得合金薄片置于其中，并在80℃～90℃温度下水浴加热，腐蚀时间以不产生明显气泡为准，得到孔径尺寸为300nm～600nm的泡沫铜片；
(4)将步骤(3)所得泡沫铜片，置于去离子水中多次清洗，后置于无水乙醇中清洗2～3次，在真空干燥箱中干燥，保存于氮气手套箱中备用。
(5)通过丝网印刷的方式，在泡沫铜片上印刷半固态助焊剂，助焊剂的厚度与泡沫铜的厚度比值为0.1，压焊温度优选为260℃，时间优选为2min～5min，压力优选为10MPa。
8.一种含有泡沫铜的耐高温互连焊点的材料，其特征在于，所述耐高温焊点通过权利要求1～7任一权利要求所述的制备方法制备得到。
9.一种基于泡沫铜的耐高温互连焊点的焊接方法，其特征在于，使用权利要求8所述的泡沫铜的耐高温互连焊点进行焊接，可实现低温(260℃)焊接，所得焊点能经受高温服役的目的。
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