CN109623068A - 一种基于多点超声振动的纳米银连接方法 - Google Patents

一种基于多点超声振动的纳米银连接方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于多点超声振动的纳米银连接方法，其包括以下步骤：步骤S1，在基板上涂上或印刷纳米银浆焊料，将基板置于与壳体对应的位置，使纳米银浆焊料位于基板与壳体之间；步骤S2，在基板的表面按照由内向外、由中心向四周施加多点超声振动；步骤S3，将施加超声波后的基板与壳体放入加热炉中烧结。采用本发明的技术方案，通过控制超声波作用位置、顺序等参数，得到具有较高连接强度的纳米银烧结焊缝结构，提高了纳米银浆烧结后的连接性能和机械性能，提高了基板与壳体的连接强度。

Description

一种基于多点超声振动的纳米银连接方法
技术领域
本发明属于电子封装技术领域，涉及纳米银烧结方法，尤其涉及一种基于多点超声振动的纳米银连接方法。
背景技术
基板和壳体的大面积连接一直是电子设备(如T/R组件)制造过程中的一个难点，传统的连接方式主要为锡膏、预成型焊片等方式，但是这些连接方式均需要有助焊剂的参与。然而在连接过程中由于连接面积大，助焊剂挥发后不能全部排出焊缝，这将导致基板的焊合率大幅度下降。采用纳米银浆在电子封装领域的应用弥补了这一缺陷，但纳米银浆的烧结属于固态连接，烧结后的焊缝中存在大量的空隙。超声振动虽然可以使纳米银颗粒的排列更加致密，但超声波的传播主要为纵向传播，当其沿横向传播时会迅速的衰减。针对此问题，本文提出一种通过控制超声波作用位置、顺序和超声波作用时间等参数得到具有较高连接强度的纳米银烧结焊缝结构。
发明内容
针对以上技术问题，本发明公开了一种基于多点超声振动的纳米银连接方法，在纳米银烧结之前施加多点超声振动，可以提高电子封装中基板与壳体的连接强度。
对此，本发明采用的技术方案为：
一种基于多点超声振动的纳米银连接方法，其包括以下步骤：
步骤S1，在基板上涂上或印刷纳米银浆焊料，将基板置于与壳体对应的位置，使纳米银浆焊料位于基板与壳体之间；
步骤S2，在基板的表面按照由内向外、由中心向四周施加多点超声振动；其中，多点超声振动为在基板表面的多点施加超声波；
步骤S3，将施加超声波后的基板与壳体放入加热炉中烧结。
采用此技术方案，在纳米银浆烧结之前，在基板表面依次施加多点超声波振动，综合考虑了超声波纵向和横向的结合作用，通过控制超声波作用位置、顺序等得到具有较高连接强度的纳米银烧结焊缝结构，提高了纳米银浆烧结后的连接性能和机械性能，提高了基板与壳体的连接强度。
作为本发明的进一步改进，步骤S2中，多点超声振动的施加点的数量N根据以下公式确定：
其中连接面积的单位为cm2。
作为本发明的进一步改进，步骤S2中，超声振动时间为每点5～20s，超声焊头施加压力为0.1～0.3MPa。采用此技术方案，通过超声波作用时间和压力的优选，使纳米银浆在烧结后具有更好的机械性能。
进一步的，多点超声振动在室温环境下进行。
作为本发明的进一步改进，步骤S2中，所述基板的表面包括位于基板的表面中部的第一超声波施加点和至少两个第二超声波施加点，所述第二超声波施加点位于基板的第一超声波施加点的四周，在基板的表面施加超声波时，先在第一超声波施加点处施加超声波，然后依次在各个第二超声波施加点施加超声波。
作为本发明的进一步改进，所述至少两个第二超声波施加点位于以第一超声波施加点为圆心的圆上。
作为本发明的进一步改进，所述至少两个第二超声波施加点以第一超声波施加点为中心对称设置。进一步的，所述第二超声波施加点为四个。进一步优选的，所述第二超声波施加点位于基板的边线附近。
作为本发明的进一步改进，所述第二超声波施加点与第一超声波施加点的距离小于3mm。
作为本发明的进一步改进，所述基板的表面包括至少两个第三超声波施加点，所述第三超声波施加点位于基板的第一超声波施加点的四周，所述第三超声波施加点与第一超声波施加点的距离大于第二超声波施加点与第一超声波施加点的距离；在基板的表面施加超声波时，先在第一超声波施加点处施加超声波，然后依次在各个第二超声波施加点施加超声波；再依次在各个第三超声波施加点施加超声波。进一步的，所述第三超声波施加点为四个。进一步优选的，所述第二超声波施加点位于基板的角落附近。
进一步的，根据基板面积大小，还可以包括第四超声波施加点、第五超声波施加点等，第四超声波施加点、第五超声波施加点距离第一超声波施加点的距离依次增加。
作为本发明的进一步改进，第一超声波施加点、第二超声波施加点、与第二超声波施加点相邻的第三超声波施加点构成三角形，即第一超声波施加点、第二超声波施加点、与第二超声波施加点相邻的第三超声波施加点不在一条直线上。采用此技术方案，使超声波施加点更加均匀分散，起到更好的效果。
作为本发明的进一步改进，所述至少两个第三超声波施加点位于以第一超声波施加点为圆心的圆上；所述至少两个第三超声波施加点以第一超声波施加点为圆心对称设置。
作为本发明的进一步改进，超声波参数为：超声频率为20～35Hz，超声振幅为4～8μm，超声焊头的横截面积为3～50mm2。
作为本发明的进一步改进，步骤S3中烧结温度为205～255℃，烧结时间为1～20min。。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
采用本发明的技术方案，通过控制超声波作用位置、顺序等参数，得到具有较高连接强度的纳米银烧结焊缝结构，提高了纳米银浆烧结后的连接性能和机械性能，提高了基板与壳体的连接强度。
附图说明
图1是本发明的超声波施加点在基板上位置。
图2是本发明的各实施例和对比例的剪切强度对比图。
附图标记包括：1-第一超声波施加点，2-第二超声波施加点，3-第三超声波施加点。
具体实施方式
下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
一种基于多点超声振动的纳米银连接方法，主要针对基板与壳体的大面积连接，该方法由以下三个步骤组成：
步骤1：使用钢网将纳米银浆印刷在基板上，随后将基板翻转180°后置于壳体对应的位置。
步骤2：根据基板的面积和形状，设计超声振动的位置和顺序，在基板表面依次施加多点超声振动。
多点超声振动的施加位置点的数量N根据以下公式确定：
其中连接面积的单位为cm2。
超声振动施加的顺序遵循“由内向外”、“由中心向四周”的原则。
如图1所示，图1以边长为6cm的正方形基板为例，多点超声振动的施加位置点的数量N的范围为：1.8≤N≤9，设计并标识超声焊点作用位置及顺序如图1所示，具体为：基板的表面设有一个第一超声波施加点1、四个第二超声波施加点2和四个第三超声波施加点3，第一超声波施加点1位于基板的中部，四个第二超声波施加点2、四个第三超声波施加点3分别位于第一超声波施加点1的四周，第三超声波施加点3与第一超声波施加点1的距离大于第二超声波施加点2与第一超声波施加点1的距离，第一超声波施加点1、任意一个第二超声波施加点2、与第二超声波施加点2相邻的第三超声波施加点3不在一条直线上。如图1所示，四个第二超声波施加点2位于基板的四条边旁边，四个第三超声波施加点3位于基板的四个角附近。其中第一超声波施加点1、第二超声波施加点2和第三超声波施加点3的序号也代表施加超声波次序的优先级。
超声波参数为，超声频率20～35Hz、超声振幅4～8μm、超声焊头横截面积为3～50mm2。基板上每个超声作用点施加超声波时间为5～20s、超声焊头施加压力为0.1～0.3MPa。
步骤3：超声波振动结束后，将试样放入加热炉中烧结，烧结温度：205～255℃、烧结时间：1～20min。
实施例1
使用钢网将纳米银浆印刷在Cu基板上，基板尺寸如图1所示。随后将Cu基板翻转180°后置于壳体对应的位置。在基板表面依次施加多点超声波振动。超声波振动位置和顺序如图1所示，施加超声波振动时，首先选择第一超声波施加点1，随后在第二超声波施加点2施加超声波，最后在第三超声波施加点3施加超声波。
所使用超声波的超声频率23Hz、超声振幅5μm、超声焊头横截面积为3mm2。基板上每个超声作用点施加超声波时间为5s、超声焊头施加压力为0.1MPa。超声作用结束后，将试样放入加热炉中烧结，烧结温度：230℃、烧结时间：5min。试样制备后使用线切割在试样的不同位置取10个试样，每个试样面积为0.5×0.5cm2，随后进行剪切实验，实验结果如图2所示。
实施例2
使用钢网将纳米银浆印刷在Cu基板上，基板尺寸如图1所示。随后将Cu基板翻转180°后置于壳体对应的位置。在基板表面依次施加多点超声波振动。超声波振动位置和顺序如图1所示。与具体实施例1不同的是，该实施例线对图1中的第一超声波施加点1施加超声波，随后在第二超声波施加点2位置施加超声波，不对第三超声波施加点3位置施加超声波。所使用超声频率23Hz、超声振幅5μm、超声焊头横截面积为3mm2。基板上每个超声作用点施加超声波时间为10s、超声焊头施加压力为0.1MPa。超声作用结束后，将试样放入加热炉中烧结，烧结温度：230℃、烧结时间：5min。试样制备后使用线切割在试样的不同位置取10个试样，每个试样面积为0.5×0.5cm2，取样位置与实施例1相同。随后进行剪切实验，实验结果如图2所示。
对比例1
使用钢网将纳米银浆印刷在Cu基板上，基板尺寸如图1所示。随后将Cu基板翻转180°后置于壳体对应的位置。随后将试样放入加热炉中烧结，烧结温度：230℃、烧结时间：5min。试样制备后使用线切割在试样的不同位置取10个试样，每个试样面积为0.5×0.5cm2，取样位置与实施例1相同。随后进行剪切实验，实验结果如图2所示。
对比例2
使用钢网将纳米银浆印刷在Cu基板上，基板尺寸如图1所示。随后将Cu基板翻转180°后置于壳体对应的位置。在基板表面依次施加单次超声波振动。超声波振动位置为图1中的第一超声波施加点1位置。所使用超声频率23Hz、超声振幅5μm、超声焊头横截面积为3mm2。施加超声波时间为50s、超声焊头施加压力为0.1MPa。超声作用结束后，将试样放入加热炉中烧结，烧结温度：230℃、烧结时间：5min。试样制备后使用线切割在试样的不同位置取10个试样，每个试样面积为0.5×0.5cm2，取样位置与实施例1相同。随后进行剪切实验，实验结果如图2所示。
根据图2所示的剪切测试对比结果可见，相比于印刷后直接烧结(对比例1)，施加了9点超声振动试样(实施例1)的剪切强度提高了15％；施加了5点超声振动的试样(实施例2)剪切强度提高了12.7％。而仅施加了单点超声振动的试样(对比例2)剪切强度没有明显提高，其原因在于超声波在横向扩散过程中快速衰减，超声振动效果受到限制。
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)

1.一种基于多点超声振动的纳米银连接方法，其特征在于：其包括以下步骤：
步骤S1，在基板上涂上或印刷纳米银浆焊料，将基板置于与壳体对应的位置，使纳米银浆焊料位于基板与壳体之间；
步骤S2，在基板的表面按照由内向外、由中心向四周施加多点超声振动；
步骤S3，将施加超声波后的基板与壳体放入加热炉中烧结。
2.根据权利要求1所述的基于多点超声振动的纳米银连接方法，其特征在于：步骤S2中，多点超声振动的施加点的数量N根据以下公式确定：
；其中连接面积的单位为cm2。
3.根据权利要求1所述的基于多点超声振动的纳米银连接方法，其特征在于：步骤S2中，所述基板的表面包括位于基板的表面中部的第一超声波施加点和至少两个第二超声波施加点，所述第二超声波施加点位于基板的第一超声波施加点的四周，在基板的表面施加超声波时，先在第一超声波施加点处施加超声波，然后依次在各个第二超声波施加点施加超声波。
4.根据权利要求3所述的基于多点超声振动的纳米银连接方法，其特征在于：所述至少两个第二超声波施加点位于以第一超声波施加点为圆心的圆上。
5.根据权利要求3所述的基于多点超声振动的纳米银连接方法，其特征在于：所述基板的表面包括至少两个第三超声波施加点，所述第三超声波施加点位于基板的第一超声波施加点的四周，所述第三超声波施加点与第一超声波施加点的距离大于第二超声波施加点与第一超声波施加点的距离；在基板的表面施加超声波时，先在第一超声波施加点处施加超声波，然后依次在各个第二超声波施加点施加超声波；再依次在各个第三超声波施加点施加超声波。
6.根据权利要求5所述的基于多点超声振动的纳米银连接方法，其特征在于：第一超声波施加点、第二超声波施加点、与第二超声波施加点相邻的第三超声波施加点构成三角形。
7.根据权利要求5所述的基于多点超声振动的纳米银连接方法，其特征在于：所述至少两个第三超声波施加点位于以第一超声波施加点为圆心的圆上；所述至少两个第三超声波施加点以第一超声波施加点为圆心对称设置。
8.根据权利要求1~7任意一项所述的基于多点超声振动的纳米银连接方法，其特征在于：超声波参数为：超声频率为20~35Hz，超声振幅为4~8μm，超声焊头的横截面积为3~50mm2。
9.根据权利要求1~7任意一项所述的基于多点超声振动的纳米银连接方法，其特征在于：步骤S2中，超声振动的时间为每点5~20s，超声焊头施加压力为0.1~0.3MPa。
10.根据权利要求1~7任意一项所述的基于多点超声振动的纳米银连接方法，其特征在于：步骤S3中烧结温度为205~255℃，烧结时间为1~20min。
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