CN109848497A

CN109848497A - 一种用于大面积基板封装的低温烧结方法

Info

Publication number: CN109848497A
Application number: CN201910063083.1A
Authority: CN
Inventors: 杨帆; 胡博; 彭烨; 李明雨
Original assignee: Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
Current assignee: Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
Priority date: 2019-01-23
Filing date: 2019-01-23
Publication date: 2019-06-07

Abstract

本发明提供了一种用于大面积基板封装的低温烧结方法，其包括以下步骤：步骤S1，将基板的表面进行清洁，并使焊膏在基板上形成特定图案，其中所述特定图案包含纵向和/或横向延伸的间隙；步骤S2，将覆盖银膏的基板放置于底座上，形成三明治结构；步骤S3，将基板与底座进行烧结，烧结的温度不大于250℃。采用本发明的技术方案，极大地提高了基板的焊合率，抑制了孔洞的形成，实现了大面积低温烧结，提高了封装器件的寿命和可靠性。

Description

一种用于大面积基板封装的低温烧结方法

技术领域

本发明涉及电子封装领域，尤其涉及一种用于大面积基板封装的低温烧结方法。

背景技术

在航天和军工领域，设备电子系统的核心是由电子元件高度集成的封装组件构成。考虑到系统整体的重量控制，组件盒体的材料一般为铝合金等轻质金属，其与芯片等电子元件存在较大的热膨胀系数的差异，因此在高可靠系统中，需要在封装盒体上钎焊大面积基板作为盒体与芯片间的缓冲材料，以减小因芯片与铝合金因热失配较大带来的可靠性问题。

目前一般使用传统的软钎焊工艺进行大面积基板与铝合金基板间的封装。由于基板面积较大（≥1000mm²），焊料熔化时助焊剂难以挥发，导致在凝固后焊缝中出现较多孔洞甚至出现大面积虚焊区域，焊合率难以满足高可靠的服役需求。此外，考虑到后续的芯片及其衬底垫片的梯度封装要求，基板封装往往需要使用熔点较高的焊料，过高的工艺温度不仅容易造成树脂基基板的劣化也会导致焊后基板与盒体间因热失配而出现极大的内应力，对后期组件的服役可靠性危害较大。

国防行业的技术革新正在进行，为了保障设备在苛刻环境下的稳定服役，组件中的封装质量亟需改善，因此对关键组件中的基板焊合率提出了很高要求（＞90%），且需要封装材料去吸收机械冲击、冷热循环带来的应力。采用纳米银焊膏作为大面积基板的封装材料，可以彻底解决熔融焊料中助焊剂难以挥发造成的低焊合率问题，且烧结银的高熔点（961℃）以及较低的工艺温度（220-260℃）可以分别解决高温钎焊带来的基板损伤和热失配带来的内应力问题。然而，纳米银焊膏固相在低温烧结时存在烧结不充分、孔隙率较高等问题，从而造成可靠性问题。因此需要设计特别的印刷图案及烧结工艺来保证纳米银膏的充分烧结并保证低孔隙率的大面积基板封装。

发明内容

针对以上技术问题，本发明公开了一种用于大面积基板封装的低温烧结方法，解决目前大面积基板封装中高孔隙率、低焊合率且工艺温度高进而导致组件整体可靠性差的问题。

对此，本发明的技术方案为：

一种用于大面积基板封装的低温烧结方法，其包括以下步骤：

步骤S1，将基板的表面进行清洁，并使纳米银焊膏在基板上形成特定图案，其中所述特定图案包含纵向和/或横向延伸的间隙；即间隙不涂覆焊膏。

步骤S2，将覆盖银膏的基板放置于底座上，形成三明治结构；

步骤S3，将基板与底座进行烧结，烧结的温度不大于250℃。

其中，特定图案的外形尺寸不大于基板的外形尺寸；即特定图案的外形尺寸与基板的外形尺寸相同，或略小于基板的外形尺寸。

采用此技术方案，特定图案包含纵向和/或横向延伸的间隙，在对于大面积基板进行烧结时，焊膏中的易挥发物质可以通过间隙快速地挥发，使烧结好的封装产品的焊膏连接部分具有更低的孔隙率，具有更好的焊合率。另外，焊膏中的主要成分可以与与空气的充分接触，具有更稳定的性能，抑制了孔洞的形成。

作为本发明的进一步改进，所述焊膏为纳米银焊膏。上述烧结方法采用纳米银焊膏，可以在更低的烧结温度下，使得基板具有更高的焊合率，特别对于大面积基板的效果更明显。

作为本发明的进一步改进，步骤S1中，相邻间隙的间距为8-15mm，间隙的宽度为0.3-1mm。进一步优选的，步骤S1中，相邻间隙的间距为10-12mm，间隙的宽度为0.5-0.8mm。间距过小会导致相同图案面积时间隙数量的增加，整体焊合率的降低；间距过大会导致纳米银焊膏内的中心位置与空气无法充分接触，纳米颗粒表面包覆的有机物分解缓慢且分解产物难以挥发，在焊缝中形成孔洞。间隙的宽度过小会导致银膏在加工时因挤压而堵塞预留的间隙，导致孔洞形成；宽度过大会导致焊膏之间的间隙过大，降低整体焊合率。进一步的，相邻间隙的间距优选10mm。进一步的，间隙宽度优选0.5mm。

作为本发明的进一步改进，步骤S3中，所述烧结的温度为150-250℃，保温时间为5-30min，并在烧结时施加0.5-5Mpa的辅助压力。

作为本发明的进一步改进，步骤S1中，采用钢网印刷或点胶的方法使焊膏在基板上形成特定图案。进一步的，步骤S1中，采用无水乙醇对基板的表面进行油污清洁。

作为本发明的进一步改进，所述烧结为热压烧结、微波烧结或超声辅助烧结。

作为本发明的进一步改进，所述底座为经过镀金、镀银或镀铜处理的金属基板或盒体。目前使用的组件底座多为铝合金的盒体或基板，在保证整体刚度的情况下降低器件的重量。铝合金与焊料润湿性较差，一般在表明进行施镀金，银或铜以增强界面焊接强度。

作为本发明的进一步改进，所述基板为经过镀金、镀银或镀铜处理的树脂基层压板、金属基板或陶瓷基板。目前作为缓冲层的基板多为树脂基层压板，铝硅基板，钼铜基板，或陶瓷基板，为了增强可焊性，往往采用表面金属化处理。经过镀金，镀银或镀铜处理的基板可以与纳米银焊膏发生金属键合，实现结合力较好的封装结构。

进一步的，基板中间设有镂空区域。

作为本发明的进一步改进，所述基板的面积≥1000mm²。对于越大面积的基板，本发明的方法在降低孔隙率、提高焊合率，降低烧结温度，提高整体可靠性上会更加明显。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

第一，采用本发明的技术方案，解决了传统钎焊过程中助焊剂难以挥发、形成大面积虚焊的接头成型问题，极大地提高了基板的焊合率，同时提高了封装器件的寿命和可靠性。

第二，采用本发明的技术方案，采用特定图案的纳米银膏涂覆方法，使得纳米银焊膏可与空气充分接触，促进了纳米颗粒包覆层的分解，提升了纳米银烧结的质量，抑制了孔洞的形成，实现了大面积低温烧结，并保证了可靠性。

附图说明

图1是本发明一种大面积基板封装的涂敷了焊膏的基板的结构示意图。

图2是本发明一种大面积基板封装的基板与底座组装的结构示意图。

图3是本发明实施例烧结好后的X-Ray结果分析图。

图4是对比例的烧结好后的X-Ray结果分析图。

附图标记包括：1-基板，2-纳米银膏，3-底座，21-间隙。

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。

实施例1

一种用于大面积基板封装的低温烧结方法，包括以下步骤：

（1）取表面经过镀金处理的树脂基层压板作为基板1，基板1尺寸为120mm×50mm，先使用无水乙醇去除基板1的表面油污。

（2）使用钢网印刷的方法将纳米银膏2印刷于基板1的底部，形成特定图案，包含纵向延伸的间隙21，间隙21延基板短边方向分布，相邻间隙21的间距为10mm，间隙21宽度为0.5mm，如图1所示。

（3）将背面覆盖银膏的基板1放置于底座3上形成三明治结构，底座3为镀银的铝合金盒体，如图1和图2所示。

（4）将样品置于热压机的加热台上，加压压力为5Mpa，烧结温度为250℃，保温时间为30min，获得低孔隙率的大面积封装组件。对得到的大面积封装组件采用X-Ray进行测试，如图3所示，白点位置为虚焊区域，经过计算该基板焊合率达到了98%，孔隙率就是2%。

实施例2

一种用于大面积基板封装的低温烧结方法，包括：

（1）取表面经过镀银处理的钼铜方形基板，基板尺寸为200mm×200mm，使用无水乙醇去除基板表面油污。

（2）使用点胶的方法将纳米银膏涂覆于基板的底部，间隙延基板长边方向分布，相邻间隙的间距为8mm，间隙宽度为0.3mm。

（3）将背面覆盖银膏的基板放置于底座上形成三明治结构，底座为镀金的铝合金散热板，尺寸为300mm×200mm。

（4）将样品置于微波烧结炉，加压压力为1Mpa，烧结温度为150℃，保温时间为10min，之后获得低孔隙率的大面积封装组件，经过对X-Ray结果进行计算，该基板焊合率达到了96%。

实施例3

一种用于大面积基板封装的低温烧结方法，包括以下步骤：

（1）取表面经过镀铜处理的硅铝长方形基板，基板尺寸为100mm×60mm，使用无水乙醇去除基板表面油污。

（2）使用钢网印刷的方法将纳米银膏印刷于基板底部，间隙延基板短边方向分布，相邻间隙的间距为15mm，间隙宽度为1mm。

（3）将背面覆盖银膏的基板放置于底座上形成三明治结构，底座为铜散热板，尺寸为100mm×60mm。

（4）将样品置于超声波焊接设备的加热台上，加压压力为0.5MPa，烧结温度为180℃，保温时间为20min。之后获得低孔隙率的大面积封装组件，经过对X-Ray结果进行计算，该基板焊合率达到了95%。

对比例1

一种用于大面积基板封装的低温烧结方法，本例与实施例1的不同主要在于就间隙的间距和宽度，其包括以下步骤：

（1）取表面经过镀金处理的树脂基层压板，基板尺寸为120mm×50mm，见图1深色区域，基板中间存在灰色的镂空区域，使用无水乙醇去除基板表面油污。

（2）使用钢网印刷的方法将纳米银膏印刷于基板底部，间隙延基板短边方向分布，相邻间隙的间距为30mm，间隙宽度为0.5mm。

（3）将背面覆盖银膏的基板放置于底座上形成三明治结构，底座为镀银的铝合金盒体，形状见图1的边缘轮廓部分。

（4）将样品置于热压机的加热台上，加压压力为5MPa。烧结温度为250℃。保温时间为30min。经过X-Ray测试，该基板焊合率只有78%。该焊合率虽然较传统钎焊焊合率更高，然而由于相邻间隙的间距过大，焊膏中心位置无法充分与空气接触，导致不充分烧结，且包覆层分解产物无法良好的分解挥发，导致中心处出现较多空洞，焊合率较实施例1低。

对比例2

一种传统的基板钎焊封装方法，包括：

（1）取表面经过镀金处理的树脂基层压板，基板尺寸为120mm×50mm，使用无水乙醇去除基板表面油污。

（2）使用钢网印刷的方法将SAC305焊膏印刷于基板底部，不预留气体通道。

（3）将背面覆盖焊膏的基板放置于底座上形成三明治结构，底座为镀金的铝合金散热板，尺寸为300mm×200mm。

（4）将样品置于150℃热板上加热3min以实现助焊剂的活化，之后置于260℃的热风烘箱中进行加热5min后拿出，获得传统钎焊方法制备的大面积封装组件，经过对X-Ray结果进行计算，白色位置为虚焊区域，如图4所示，基板焊合率为60%。

通过实施例与对比例的对比可见，采用本发明的技术方案，实现了大面积低温烧结，抑制了孔洞的形成，极大地提高了基板的焊合率，并保证了可靠性。

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

1.一种用于大面积基板封装的低温烧结方法，其特征在于：其包括以下步骤：

步骤S1，将基板的表面进行清洁，并使纳米银焊膏在基板上形成特定图案，其中所述特定图案包含纵向和/或横向延伸的间隙；

步骤S3，将基板与底座进行烧结，烧结的温度不大于250℃。

2.根据权利要求1所述的用于大面积基板封装的低温烧结方法，其特征在于：步骤S1中，相邻间隙的间距为8-15mm，间隙的宽度为0.3-1mm。

3.根据权利要求2所述的用于大面积基板封装的低温烧结方法，其特征在于：步骤S1中，相邻间隙的间距为10-12mm，间隙的宽度为0.5-0.8mm。

4.根据权利要求1所述的用于大面积基板封装的低温烧结方法，其特征在于：步骤S1中，采用钢网印刷或点胶的方法使焊膏在基板上形成特定图案。

5.根据权利要求1所述的用于大面积基板封装的低温烧结方法，其特征在于：步骤S3中，所述烧结的温度为150-250℃，保温时间为5-30min，并在烧结时施加0.5-5Mpa的辅助压力。

6.根据权利要求5所述的用于大面积基板封装的低温烧结方法，其特征在于：所述烧结为热压烧结、微波烧结或超声辅助烧结。

7.根据权利要求1~6任意一项所述的用于大面积基板封装的低温烧结方法，其特征在于：所述底座为经过镀金、镀银或镀铜处理的金属基板或盒体。

8.根据权利要求7所述的用于大面积基板封装的低温烧结方法，其特征在于：所述基板为经过镀金、镀银或镀铜处理的树脂基层压板、金属基板或陶瓷基板。

9.根据权利要求1~6任意一项所述的用于大面积基板封装的低温烧结方法，其特征在于：所述基板的面积≥1000mm²。