CN108581109A - 一种基于锡填充泡沫铜的高温服役焊点的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于锡填充泡沫铜的高温服役焊点的制备方法,其中,泡沫铜具有三维多孔结构,泡沫铜由脱合金腐蚀法获得,钎料由购买所得,整个过程为加热加压焊接。该焊点可在低温(230℃)低压(3~5MPa)条件下短时间(5min)焊接获得,并且所得互连焊点能在高温服役下服役并保持较好的可靠性,焊点的机械性能、导电导热性能良好,可以广泛应用于各种高温焊接领域。
Description
技术领域
本发明属于材料加工工程与材料物理与化学的技术交叉领域,涉及一种基于锡填充泡沫铜的高温服役焊点的制备方法。
背景技术
目前,由于电子产品日益趋向多功能、小型化和高功率三个方向飞速发展,传统的功率器件已经不能在较恶劣服役环境中保持很高的可靠性。第三代半导体材料SiC制成的功率器件最高可以在600℃下稳定工作,为了不破坏系统中其他敏感元器件,如何在较低温度和较短时间内实现芯片与基板的连接,得到的焊点能够耐受很高的服役温度,便成为了急需解决的难题。
目前适用于高温功率器件的芯片粘贴方式主要有瞬态液相连接法(TLP)、高温合金钎料焊接、纳米材料烧结法等。每种方法均有其优势,但也有一定的局限性。
能够实现高温互连的合金钎料按照是否含铅一般可归为有铅钎料和无铅钎料两类。其中电子设备中常用的无铅钎料一般分为Zn基钎料、Bi基钎料、Au基钎料和Ag基钎料等。高温互连中一般使用Zn基钎料时,Zn元素在空气中容易发生氧化现象,使钎料的润湿性大大下降,进而影响焊接效果。Au基钎料由于较硬、抗拉强度较高、伸长率低、可加工性差、成本过高,使用中也存在着很多局限性。Bi基钎料的硬度接近于与高铅钎料,但是由于其导热率很差因而不能应用与电子微电子设备的互连中。
瞬态液相连接是基于扩散原理的一种连接方法方法。当连接温度处在低熔点材料A和另一种高熔点材料B的熔点之间时,材料A融化为液相并与仍处于固相状态的材料B发生扩散反应,并生成熔点比材料A高的IMC,从而实现在较低温度下连接后获得高熔点焊点的过程。这种连接方法有明显的优势,能够满足大规模的生产线,但也有明显的不足。瞬态液相扩散的方法只适用与窄焊缝,并且焊接时间很长,最终所得到的焊缝组成IMC一般为硬脆相,在日后服役过程中也极容易带来可靠性的问题。
纳米金属颗粒基焊膏的低温烧结连接技术是目前发展较好的一种低温互连获得高温服役焊缝的方法,但这种方法的劣势在于Ag的成本较高,且最终获得焊缝组成为Ag,在高温下容易发生电迁移而造成可靠性下降的现象。
可见目前应用较广泛的互连技术均存在着较大的局限性。泡沫铜具有特殊的疏松多孔结构,本发明从泡沫铜的比表面积大的特点出发,设计出一种基于锡填充泡沫铜的新型互连结构,低温低压条件下用较短时间完成互连,最终获得高温服役焊缝。
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锡填充泡沫铜的高温服役焊点的制备方法。
本发明所采用的技术方案包括:采用脱合金腐蚀法获得泡沫铜片,在泡沫铜片两侧涂抹锡基钎料,加热加压进行焊接,从而获得由铜锡金属间化合物及少量残余泡沫铜组成的焊点,即实现低温连接,高温服役的目的。
一种基于锡填充泡沫铜的高温服役互连焊点的制备方法,包括:
(1)、通过脱合金腐蚀的方法将铜铝合金片制备成泡沫铜片;
(2)、清洗步骤(1)所得泡沫铜片,去除腐蚀液;
(3)、将步骤(2)所得泡沫片浸泡在液体助焊剂中;
(4)、在步骤(3)所得泡沫铜片两侧通过钢网印刷方式涂覆钎料膏,加热加压进行焊接,获得可高温服役焊点。
与现有技术相比,该制备方法的有益效果是,泡沫铜片获得方法简单且成本低廉;焊接温度低(230℃),焊接时间短(5~10min),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;焊接压力小(3~5MPa),焊接过程中对基板、芯片或器件无损伤。
优选方案之一为所述步骤(1)中,将尺寸为10mm*10mm*0.2mm的Cu40Al60合金薄片打磨后超声水洗30s,之后将合金薄片置于稀盐酸溶液(10wt.%)中,在80℃的水浴环境中腐蚀12h直至合金薄片表面无明显气泡生成,获得孔隙尺寸为300nm左右的泡沫铜片。
优选方案之一为所述步骤(2)中,为了去除泡沫铜片内部残余的腐蚀液,使用蒸馏水对泡沫铜片进行反复冲洗,再使用滤纸吸干表面水分,放入真空干燥箱中烘干,为了防止泡沫铜片氧化,将干燥后的泡沫铜片放入氮气环境中储存备用。
优选方案之一为所述步骤(3)中,使用所述步骤(2)所得的泡沫铜片进行焊接之前,需去除其表面及内部的氧化物等杂质,增强泡沫铜片的可焊性及钎料在泡沫铜片内部的润湿性,此过程中将步骤(2)所得泡沫铜片浸泡在液体助焊剂中,时间优选为5min~10min。
液体助焊剂优选裕庶YS-1087环保免清洗助焊剂。
优选方案之一为所述步骤(4)中,使用滤纸将步骤(3)所得的泡沫铜片表面多余余的液体助焊剂吸干备用,将焊膏均匀涂覆在泡沫铜片表面,单面涂覆焊膏厚度与泡沫铜片厚度比为1/10。将涂覆好钎料的泡沫铜片置于被连接铜板之间进行焊接,优选焊接温度230℃下加热保温5min,两侧施加压力优选为3MPa。
优选钢网印刷的方法涂覆焊膏以控制每次涂覆焊膏厚度一定,焊膏优选爱法(ALPHA)SAC305OM338PT环保焊膏。
本发明人通过大量实验发现,当焊接温度低于230℃时,可以实现连接,但焊点界面处有大量锡残余,由于锡的熔点较低(232℃),因此不能满足高温条件下服役的要求;焊接时间以能够形成焊点为准,最少为5min;焊接压力以焊缝内组织均匀且无缺陷为准,至少为3MPa,但压力又不能过大而造成基板或芯片损伤,因此要小于5MPa。
更为具体的有限制备方法步骤详述如下:
(1)、将尺寸为10mm*10mm*0.2mm的Cu40Al60合金薄片置于稀盐酸溶液(10wt.%)中,在80℃的水浴环境中选择性腐蚀12h直至合金薄片表面无明显气泡生成,获得孔隙尺寸为300nm左右的泡沫铜片。
(2)、使用蒸馏水对步骤(1)所得泡沫铜片进行反复冲洗,再使用滤纸吸干表面水分,放入真空干燥箱中烘干,将干燥后的泡沫铜片放入氮气环境中储存备用。
(3)、将步骤(2)所得的泡沫铜片浸泡在液体助焊剂中,时间优选为5min~10min,去除其表面及内部的氧化物等杂质,增大反应面积,增强泡沫铜片的可焊性。
(4)、使用滤纸将步骤(3)所得的泡沫铜片表面多余的液体助焊剂吸干备用,将焊膏均匀涂覆在泡沫铜片表面,单面涂覆焊膏厚度与泡沫铜片厚度比为1/10。将涂覆好钎料的泡沫铜片置于被连接铜板之间进行焊接,优选焊接温度230℃下加热保温5min,两侧施加压力优选为3MPa。
本发明的目的之一是利用两面涂覆锡基钎料的泡沫铜片作为中间层的新型焊点结构,这种泡沫结构可以加速反应速度,从而提高焊接效率。
本发明的另一目的是提供基于这种新型焊点结构的焊接工艺,低温(230℃)低压(3MPa~5MPa)条件下短时间(5min)即可获得可高温服役的焊点。
相比现有技术,本发明的优点在于:
(1)、焊接参数优异。整个焊接过程中,焊接温度较低(230℃),低温条件下即可获得可高温服役的焊点;焊接时间短,由于泡沫铜的特殊结构可以增大反应面积,提高反应速率进而提高了焊接效率。与传统TLP工艺相比,可将焊接时间从2h降低到5min,大幅度节省了焊接时间;焊接压力小,与传统热压键合工艺相比,3MPa压力的施加可对基板与芯片的损伤降低到很小。
(2)、焊点组织均匀致密。整个反应过程为泡沫铜与锡基钎料反应生成铜锡金属间化合物,最终得到的焊点为金属间化合物和少量剩余泡沫铜均匀分布的复合结构,且焊点结构均匀致密、无明显缺陷。与传统TLP工艺所得全铜锡金属间化合物焊点相比,该焊点更为致密且孔洞量明显减少。
(3)、焊点导电性能较好。该发明所得焊点大部分由Cu6Sn5金属间化合物组成,并伴随有少量剩余泡沫分布在焊点中,这种焊点的电阻率小于或等于13.38μΩ·cm,与传统TPL工艺所得的全Cu6Sn5焊点电阻率(17.5μΩ·cm)相比,有所提高。
(4)、焊点剪切强度高。该发明所得焊点在室温下平均剪切强度高达51.65MPa,完全可满足日后服役要求。
(5)、成本低廉。不管是Cu40Al60合金薄片还是腐蚀所使用的稀盐酸,以及焊接过程中使用的SAC305焊膏及液体助焊剂,均价格低廉且容易获得。焊接时在大气环境中间进行即可,且对设备要求很低。
附图说明
图1为加热加压焊接过程示意图。
图2为焊接后所得焊点图。
图3为所得焊点内部放大图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明进行解释说明,但本发明不局限于此。
实施例1,参考图1:
我们经过大量的试验后,发明了示意图中采用锡填充泡沫铜作为中间层进行焊接的焊接方式,从而在较低温度、较小压力下焊接较短时间即可获得可高温服役的焊点。
实施例2,参考图2和图3:
根据图1焊接方式,获得图2焊点结构(图3为焊点内部放大图)。该方法具体包括以下步骤(采用脱合金腐蚀方法获得泡沫铜片,在泡沫铜片两侧钢网印刷SAC305焊膏,加热加压焊接并获得可高温服役焊点为例):
(1)、将尺寸为10mm*10mm*0.2mm的Cu40Al60合金薄片置于稀盐酸溶液(10wt.%)中,在80℃的水浴环境中选择性腐蚀12h直至合金薄片表面无明显气泡生成,获得孔隙尺寸为300nm左右的泡沫铜片。
(2)、使用蒸馏水对步骤(1)所得泡沫铜片进行反复冲洗,再使用滤纸吸干表面水分,放入真空干燥箱中烘干,将干燥后的泡沫铜片放入氮气环境中储存备用。
(3)、将步骤(2)所得的泡沫铜片浸泡在裕庶YS-1087环保免清洗助焊剂中,时间为5min,去除其表面及内部的氧化物等杂质,增大反应面积,增强泡沫铜片的可焊性。
(4)、使用滤纸将步骤(3)所得的泡沫铜片表面多余的液体助焊剂吸干备用,将SAC305焊膏均匀涂覆在泡沫铜片表面,单面涂覆焊膏厚度与泡沫铜片厚度比为1/10。将涂覆好钎料的泡沫铜片置于被连接铜板之间进行焊接,优选焊接温度230℃下加热保温5min,两侧施加压力为3MPa。
经大量实验验证,这种可高温服役焊点的电阻率为13.38μΩ·cm,与传统TPL工艺所得的全Cu6Sn5焊点电阻率(17.5μΩ·cm)相比,有所提高。并且焊点平均剪切强度高达51.65MPa,完全可满足日后服役要求。
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 (10)
1.一种基于锡填充泡沫铜的高温服役焊点的制备方法,其特征在于,工艺流程包括:
(1)、通过脱合金腐蚀的方法将铜铝合金片制备成泡沫铜片;
(2)、清洗步骤(1)所得泡沫铜片,去除腐蚀液;
(3)、将步骤(2)所得泡沫片浸泡在液体助焊剂中;
(4)、在步骤(3)所得泡沫铜片两侧通过钢网印刷方式涂覆钎料膏,加热加压进行焊接,获得可高温服役焊点。
2.根据权利要求1所述的一种基于锡填充泡沫铜的高温服役焊点的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中,铜铝合金片优选尺寸为10mm*10mm*0.2mm的Cu40Al60合金薄片,使用浓度为10wt.%稀盐酸溶液在80℃的水浴环境中将合金片腐蚀12h,直至合金薄片表面无明显气泡生成。
3.根据权利要求1所述的一种基于锡填充泡沫铜的高温服役焊点的制备方法,其特征在于,所述步骤(2)中,使用蒸馏水对步骤(1)所得泡沫铜片进行反复冲洗,再使用滤纸吸干表面水分,放入真空干燥箱中烘干,将干燥后的泡沫铜片放入氮气环境中储存备用。
4.根据权利要求1所述的一种基于锡填充泡沫铜的高温服役焊点的制备方法,其特征在于,所述步骤(3)中,将步骤(2)所得的泡沫铜片浸泡在液体助焊剂中,时间为5min~10min,以去除其表面及内部的氧化物等杂质,增大反应面积,增强泡沫铜片的可焊性。
5.根据权利要求1所述的一种基于锡填充泡沫铜的高温服役焊点的制备方法,其特征在于,所述步骤(4)中,使用滤纸将步骤(3)所得的泡沫铜片表面多余的液体助焊剂吸干备用,通过钢网印刷的方法将焊膏均匀涂覆在泡沫铜片表面,单面涂覆焊膏厚度与泡沫铜片厚度比为1/10;将涂覆好钎料的泡沫铜片置于被连接铜板之间进行焊接,优选焊接温度230℃下加热保温5min,两侧施加压力为3MPa。
6.根据权利要求1所述的一种基于锡填充泡沫铜的高温服役焊点的制备方法,其特征在于:
(1)、通过脱合金腐蚀的方法将尺寸为10mm*10mm*0.2mm的铜铝合金片制备成同样尺寸的泡沫铜片;
(2)、使用蒸馏水反复冲洗步骤(1)所得泡沫铜片,去除腐蚀液,真空条件下烘干,并保存在氮气环境中备用;
(3)、将步骤(2)所得的泡沫铜片浸泡在液体助焊剂中,时间为5min~10min,去除其表面及内部的氧化物等杂质;
(4)、在步骤(3)所得泡沫铜片两侧通过钢网印刷方式涂覆钎料膏,单面涂覆焊膏厚度与泡沫铜片厚度比为1/10;将涂覆好钎料的泡沫铜片置于被连接铜板之间加热加压进行焊接,优选焊接温度230℃下加热保温5min,两侧施加压力优选为3MPa。
7.根据权利要求1所述的一种基于锡填充泡沫铜的高温服役焊点的制备方法,其特征在于,所述钎料膏为SAC305钎料膏。
8.根据权利要求1所述的一种基于锡填充泡沫铜的高温服役焊点的制备方法,其特征在于,液体助焊剂为裕庶YS-1087环保免清洗助焊剂。
9.一种基于锡填充泡沫铜的高温服役焊点,其特征在于,所述使用权利要求1-8任一项所述的制备方法获得,所得焊点可实现低温、低压以及短时内焊接,所得焊点能在高温条件下服役并保持良好可靠性。
10.根据权利要求9所述的高温服役焊点,其特征在于,所述低温为230℃,低压为3~5MPa,短时为5min。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180928 |
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