CN110349871A - 一种电子元件封装中Cu-Cu直接互连方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电子元件封装中Cu‑Cu直接互连方法，应用于高温的电子封装方法，包括：一、冷喷涂参数确定；二、待焊工件的装配；三、工件的氧化还原烧结连接，焊机进行焊接，在焊接的过程中始终采用稳定的压力，同时分段加热被焊Cu工件，使得被焊Cu工件在焊机中空气气氛下氧化，氧化完成后，再通入还原性气体进行还原，原位生成纳米的铜颗粒，再热压烧结，在预定的还原时间内加热、加压，随炉冷却，完成焊接。该方法利用冷喷涂处理Cu基板，施加压力，采用氧化还原反应原位生成纳米Cu颗粒实现Cu‑Cu直接互连短流程焊接方法，得到全Cu接头。

Description

一种电子元件封装中Cu-Cu直接互连方法
技术领域
本发明涉及电子封装技术领域，特别涉及一种电子元件封装中Cu-Cu直接互连方法。
背景技术
电子产品正向多功能、高密度、高可靠性以及绿色封装等方向特别是小型化(甚至是纳米尺寸)方向迅速发展，很多工业上要求大功率电子元件能够在500-600℃高温下保持高可靠性，比如飞机，汽车，太空飞行器，深层油气钻探等等，同时，连接件性能的要求愈来愈苛刻，需要微连接和纳米连接制造的结构件或元器件数量迅猛增多，微连接和纳米连接制造的重要性也愈突显。钎焊广泛用于电子器件和基板的焊接，芯片和基板的封装。钎焊接头的耐热程度取决于钎料的熔点。然而，绿色无铅封装材料如Sn基钎料难以承受500-600℃，其电性能相对较差，使得钎焊技术不能够满足先进电子电子系统的要求。
为了解决上述问题，有人发明了采用具有纳米尺度特征的材料作为中间层连接材料，利用纳米颗粒的极高的表面能，使得其烧结驱动力较高，致使在较低的烧结温度下形成可靠的互连接头。在这种方法中，纳米颗粒浆料相对价格昂贵，需要添加较高比例的分散剂，溶剂，和其他有机材料。而且，当采用这种浆料连接时，被加热去除后仍有部分有机材料容易残留在接头中，加热去除阶段通常需要5-10分钟，降低了生产效率，有机材料蒸发时会使接头产生很大的体积变化。而且，纳米颗粒浆料难于保存，需要即时使用。
进而，被连接基体为固体，烧结活性极低，使得基体与纳米颗粒的界面处形成有效的冶金结合较为困难，成为接头的薄弱区域，接头容易在界面处断裂，使接头力学性能较差，难于满足电子封装行业对接头力学性能的要求。为提高接头的强度，多对基板进行镀Ag和镀Au处理，大幅提高了连接成本，电镀工艺污染严重，Ag存在严重的电迁移现象。而Cu-Cu互连接头耐高温，导电性能好，连接成本相对贵金属价格大幅降低，为电子封装行业首选的连接方式。有人利用了冷喷涂技术在硅晶圆表面冷喷涂铜粉制备太阳能电池的电极，表明了冷喷涂技术在电子封装行业的应用潜力。
发明内容
为了解决现有采用纳米颗粒浆料烧结连接方法中浆料的有机溶剂残留和纳米颗粒与基体难于形成有效冶金结合致使接头力学性能降低，有机物的去除降低了连接工艺的生产效率，浆料难于保存问题，本发明提供一种电子元件封装中Cu-Cu直接互连方法，该方法利用冷喷涂处理Cu基板，仍然保持粉末颗粒状形貌，表面面积较大，而且冷喷涂涂层与基体的接合强度远远高于电子行业对于优质Cu-Cu连接接头剪切强度的要求，不需要对喷涂涂层进行氧化膜清除工序，施加压力，采用氧化还原反应原位生成纳米Cu颗粒实现Cu-Cu直接互连短流程焊接方法，得到全Cu接头。
为实现上述目的，本发明采用以下技术手段：
一种电子元件封装中Cu-Cu直接互连方法，包括以下步骤：
步骤一、工件表面冷喷涂Cu涂层：采用冷喷涂的方法将Cu粉喷涂到两个Cu工件的焊接端面上；
步骤二、工件的装配：将两个Cu工件的焊接端面对接，使其喷涂表面直接接触，再将组合好的两个Cu工件放到焊机的上下压力板中间，用于焊机通过压力板向工件施加压力；
步骤三、工件的氧化还原烧结连接：焊机进行焊接，在焊接的过程中始终采用稳定的压力，同时分段加热被焊Cu工件，使得被焊Cu工件在焊机中空气气氛下氧化，氧化完成后，再通入还原性气体进行还原，原位生成纳米的铜颗粒，再热压烧结，在预定的还原时间内加热、加压，随炉冷却，完成焊接。
作为本发明的进一步改进，步骤一中，冷喷涂工艺为：采用氮气为喷涂气体，Cu粉的颗粒直径为1-100μm,形状为片状或颗粒状，喷涂气体的温度为300-400℃，气体压力为2-3MPa，喷涂速度为50-100mm/s，喷涂距离为2-3mm，Cu工件的焊接端面粗糙度均应该保持在Ra25以下，RZ280以下；喷涂后再用机械加工方式降低表面粗糙度。
作为本发明的进一步改进，步骤一中，Cu粉的颗粒直径为30-50μm,形状为片状，喷涂气体的温度为300℃，气体压力为2.5MPa，喷涂速度为50-100mm/s。
作为本发明的进一步改进，步骤一中，Cu粉的颗粒直径为1-2μm，形状为球形，真空喷涂，气体压力为2.5MPa，喷涂速度为40-80mm/s，不需要后续的降低表面粗糙度的加工。
作为本发明的进一步改进，机械加工方式为磨削、铣削、车削或抛光。
作为本发明的进一步改进，步骤三中，氧化还原焊接的工艺为：焊接压力为3-20MPa，氧化的温度为200-300℃，氧化时间为5-60min，通入还原性气体，还原焊接的温度为200-350℃，还原焊接时间为5-90min。
作为本发明的进一步改进，步骤三中，还原性气体为N2+甲酸或者N2+3％H2。
作为本发明的进一步改进，步骤三中，氧化阶段不施加压力，氧化时间为10min,氧化温度为250℃。
作为本发明的进一步改进，步骤三中还原焊接阶段采用压力为10MPa,还原焊接温度为300℃，焊接时间40min。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明的Cu-Cu直接互连方法，Cu粉末在压力作用下与Cu基板产生强烈机械互锁的作用，使界面的结合强度能够达到60MPa以上，远高于电子封装行业对优质接头剪切强度须高于20MPa的要求。被喷涂粉末在压力的作用下被压扁，颗粒直径变大20％左右，仍然保持颗粒的形状，表面面积较大，有利于后续的氧化还原反应的进行。将两个被喷涂后的Cu基体组成搭接接头，施压，在加热状态氧化一段时间，通还原性气体一段时间后原位生成纳米的Cu颗粒，烧结连接形成可靠的互连接头。具体优点如下：一、采用冷喷涂微米Cu粉直接进行原位烧结连接，不添加其他中间材料，互连成显著本低，Cu-Cu直接互连使接头能够在高温下可靠服役，热稳定性好；二、Cu-Cu直接互连得到全Cu接头，使接头的导电率较高，无电迁移现象，接头可靠性好；三、冷喷涂提高了接头薄弱区域基板和Cu颗粒界面的强度，使得接头的力学强度有效提高；四、Cu-Cu直接互连避免了有机溶剂蒸发产生的空洞和较大体积收缩，缩短了连接流程，提高了生产效率；五、冷喷涂后致密度高，容易搬运，容易保存，焊接时也不需要进行清除氧化膜的处理。
附图说明
图1是本发明实施例3中第一被焊Cu工件和第二被焊Cu工件在焊接时的相对位置示意图；
图2是互连过程中压力与时间的关系图；
图3是互连过程中温度与时间的关系图；
图4是接头剪切断裂后第一被焊Cu工件的形貌；
图5是接头剪切断裂后第被焊Cu工件的形貌。
其中，1为第一被焊Cu工件，2为第二被焊Cu工件，3为Cu喷涂层。
具体实施方式
本发明的方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、冷喷涂参数确定。采用冷喷涂的方法将Cu粉喷涂到第一被焊Cu工件和第二被焊Cu工件上，氮气为喷涂气体，Cu粉的颗粒直径为1-100μm,形状为片状或颗粒状，喷涂气体的温度为250-400℃，气体压力为2-3MPa，喷涂速度为50-100mm/s，喷涂距离为2-3mm，第一被焊Cu工件1与第二被焊Cu工件2的上端面粗糙度均应该保持在Ra25以下，RZ280以下；
步骤二、待焊工件的装配：将第二被焊Cu工件置于第一被焊Cu工件之上，使其喷涂表面直接接触，再将组合好的工件放到上下的压力板中间，工件的未喷涂表面与压力板直接接触，焊机通过压力向工件施加压力；
步骤三、工件的氧化还原烧结连接：在焊接的过程中始终采用稳定的压力，同时分段加热被焊Cu工件，使得被焊Cu工件在焊机中空气气氛下氧化一段时间，氧化完成后，再通入还原性气体进行还原，在原位生成纳米的铜颗粒，较低温度下热压烧结，在预定的还原时间内加热、加压，随炉冷却至50℃完成焊接。
本发明采用冷喷涂的方法将微米级的Cu粉末颗粒粉末冷喷涂到Cu基板上。采用高压的被加热的氮气将被喷涂粉末喷涂到Cu基板上，Cu基体的温度升高不超过50℃，不影响基板的使用。Cu粉末在压力作用下与Cu基板产生强烈机械互锁的作用，使界面的结合强度能够达到60MPa以上，远高于电子封装行业对优质接头剪切强度须高于30MPa的要求。被喷涂粉末在压力的作用下被压扁，颗粒直径变大20％左右,仍然维持颗粒状的形貌，表面面积较大。将两个被喷涂后的Cu基体组成搭接接头，施压，在加热状态氧化一段时间，通还原性气体一段时间后原位生成纳米的Cu颗粒，烧结连接形成可靠的互连接头。采用微米Cu粉冷喷涂处理后进行氧化还原烧结焊接可以获得全Cu接头，耐高温性能优异，电性能优异，且能够提高了接头薄弱区域的强度，致使接头的强度大幅提高。
下面结合具体实施例和附图对本发明进行详细说明：
实施例1：
结合图1说明本实施例，本实施例是通过以下步骤实现的：
步骤一、冷喷涂参数确定。
采用冷喷涂的方法将Cu粉喷涂到第一被焊Cu工件1和第二被焊Cu工件2上，氮气为喷涂气体，Cu粉的颗粒直径为1-100μm，形状为片状或颗粒状，喷涂气体的温度为300-400℃，气体压力为2-3MPa，喷涂速度为50-100mm/s，喷涂距离为2-3mm，第一被焊Cu工件1与第二被焊Cu工件2的上端面粗糙度均应该保持在Ra25以下，RZ280以下；根据第一被焊Cu工件1和第二被焊Cu工件2的涂层的结合强度和涂层的粗糙度选择喷涂参数，第一被焊Cu工件1与第二被焊Cu工件2的上端面粗糙度均应该保持在Ra25以下，RZ280以下，与压力板接触的下端面的粗糙度应该在Ra6.4以下，为保证涂层较高的强度和焊接时的充分接触，保证接头的力学性能的稳定性。
步骤二、待焊工件的装配：
将第二被焊Cu工件2置于第一被焊Cu工件1之上，使其喷涂表面直接接触,再将组合好的工件放到上下的压力板中间，工件的下端面(未喷涂表面)与压力板直接接触，焊机通过压力向工件施加压力,组装后第一被焊Cu工件1与第二被焊Cu工件2的上端面应和与压力板接触的下端面均应该紧密贴合；
步骤三、工件的氧化还原烧结连接：
焊接压力为3-20MPa，氧化的温度为200-300℃，氧化时间为5-60min,还原焊接的温度为200-350℃，还原焊接时间为5-90min；焊接时，第一被焊工件1与第二被焊Cu工件2直接连接，不采用其他材料做中间层。
实施例2：结合图1说明本实施例，本实施例中的步骤1中是通过以下步骤实现的：
步骤一、确定冷喷涂的参数。
采用氮气为喷涂气体，Cu粉的颗粒直径为30-50μm,形状为片状，喷涂气体的温度为300℃，气体压力为2.5MPa，喷涂速度为60mm/s，喷涂距离为2.5mm；根据第一被焊Cu工件1和第二被焊Cu工件2的涂层的结合强度和涂层的粗糙度选择喷涂参数，第一被焊Cu工件1与第二被焊Cu工件2的上端面粗糙度均应该保持在Ra25以下，RZ280以下，与压力板接触的下端面的粗糙度应该在Ra6.4以下，为保证涂层较高的强度和焊接时的充分接触，可采用磨削、抛光方式降低冷喷涂表面的粗糙度，保证接头的力学性能的稳定性。其他步骤与实施例1相同。
实施例2：结合图1说明本实施例，本实施例的步骤一中，采用铜粉末形状为球形，颗粒直径为1-2μm，形状为球状，真空喷涂，气体压力为2.5Pa，喷涂速度为50mm/s。较小的颗粒尺寸和优化的工艺参数使得喷涂表面获得较低的粗糙度，无需进行进一步加工即可进行焊接，提高了接头的强度，简化了工艺流程。其他步骤与实施例1相同。
实施例3：
结合图2和图3说明本实施例，本实施例的步骤三中氧化阶段不施加压力，氧化时间为10min,氧化温度为280℃。上述参数能够使得氧化效果最好。其它步骤与实施例1相同。
实施例4：
结合图2和图3说明本实施例，本实施例的步骤三中还原焊接阶段采用压力为10MPa,还原焊接温度为300℃，焊接时间40min。上述焊接参数为最佳工艺焊接参数。其它步骤与实施例1相同。
实施例4接头的剪切强度达到32.9MPa，远高于电子行业优质接头的剪切强度的要求。
图4和图5分别为剪切后接头中第一被焊Cu工件和第二被焊Cu工件的断裂形貌。断裂形貌中存在大量的原位生成纳米铜颗粒，大量的韧窝，剪切过程中产生了较大的塑性变形，表明接头通过原位生成纳米颗粒实现了可靠的冶金连接。
实施例5
一种电子元件封装中Cu-Cu直接互连方法，包括以下步骤：
步骤一、工件表面冷喷涂Cu涂层：采用冷喷涂的方法将Cu粉喷涂到两个Cu工件的焊接端面上；
其中，冷喷涂工艺为：采用氮气为喷涂气体，Cu粉的颗粒直径为1μm,形状为颗粒状，喷涂气体的温度为250℃，气体压力为2MPa，喷涂速度为50mm/s，喷涂距离为2mm，Cu工件的焊接端面粗糙度均应该保持在Ra25以下，RZ280以下；喷涂后再用机械加工方式或电解抛光法降低表面粗糙度。
机械加工方式为磨削。电解抛光法采用直流电源通电，试样为阴极，电流密度为0.05A/cm2，待抛光端面进入铜电解抛光液，抛光时间为5s。气体压力为2.5MPa，喷涂速度为40mm/s。
步骤二、工件的装配：将两个Cu工件的焊接端面对接，使其喷涂表面直接接触，再将组合好的两个Cu工件放到焊机的上下压力板中间，用于焊机通过压力板向工件施加压力；
步骤三、工件的氧化还原烧结连接：焊机进行焊接，在焊接的过程中始终采用稳定的压力，同时分段加热被焊Cu工件，使得被焊Cu工件在焊机中空气气氛下氧化，氧化完成后，再通入还原性气体进行还原，原位生成纳米的铜颗粒，再热压烧结，在预定的还原时间内加热、加压，随炉冷却，完成焊接。氧化还原焊接的工艺为：焊接压力为3MPa，氧化的温度为200℃，氧化时间为5min,通入还原性气体，还原焊接的温度为200℃，还原焊接时间为5min。通入的还原性气体为N2+甲酸气体。氧化阶段不施加压力，氧化时间为10min,氧化温度为250℃。还原焊接阶段采用压力为10MPa,还原焊接温度为300℃，焊接时间40min。
实施例6
一种电子元件封装中Cu-Cu直接互连方法，包括以下步骤：
步骤一、工件表面冷喷涂Cu涂层：采用冷喷涂的方法将Cu粉喷涂到两个Cu工件的焊接端面上；
其中，冷喷涂工艺为：采用氮气为喷涂气体，Cu粉的颗粒直径为1-100μm,形状为片状或颗粒状，喷涂气体的温度为300℃，气体压力为2.5MPa，喷涂速度为80mm/s，喷涂距离为2.5mm，Cu工件的焊接端面粗糙度均应该保持在Ra25以下，RZ280以下；喷涂后再用机械加工方式或电解抛光法降低表面粗糙度。
Cu粉的颗粒直径为40μm,形状为片状，喷涂气体的温度为300℃，气体压力为2.5MPa，喷涂速度为60mm/s。机械加工方式为车削。
步骤二、工件的装配：将两个Cu工件的焊接端面对接，使其喷涂表面直接接触，再将组合好的两个Cu工件放到焊机的上下压力板中间，用于焊机通过压力板向工件施加压力；
步骤三、工件的氧化还原烧结连接：焊机进行焊接，在焊接的过程中始终采用稳定的压力，同时分段加热被焊Cu工件，使得被焊Cu工件在焊机中空气气氛下氧化，氧化完成后，再通入还原性气体进行还原，原位生成纳米的铜颗粒，再热压烧结，在预定的还原时间内加热、加压，随炉冷却，完成焊接。氧化还原焊接的工艺为：焊接压力为10MPa，氧化的温度为260℃，氧化时间为40min,通入还原性气体，还原焊接的温度为300℃，还原焊接时间为60min。通入的还原性气体为N2+3％H2气体。氧化阶段不施加压力，氧化时间为10min,氧化温度为250℃。还原焊接阶段采用压力为10MPa,还原焊接温度为300℃，焊接时间40min。
实施例7
一种电子元件封装中Cu-Cu直接互连方法，包括以下步骤：
步骤一、工件表面冷喷涂Cu涂层：采用冷喷涂的方法将Cu粉喷涂到两个Cu工件的焊接端面上；
其中，冷喷涂工艺为：采用氮气为喷涂气体，Cu粉的颗粒直径为100μm,形状为片状，喷涂气体的温度为400℃，气体压力为3MPa，喷涂速度为100mm/s，喷涂距离为3mm，Cu工件的焊接端面粗糙度均应该保持在Ra25以下，RZ280以下；喷涂后再用机械加工方式或电解抛光法降低表面粗糙度。
Cu粉的颗粒直径为50μm,形状为片状，喷涂气体的温度为300℃，气体压力为2.5MPa，喷涂速度为100mm/s。电解抛光法采用直流电源通电，试样为阴极，电流密度为0.05A/cm2，待抛光端面进入铜电解抛光液，抛光时间为5s。Cu粉的颗粒直径为2μm，球形真空喷涂，气体压力为2.5MPa，喷涂速度为40-80mm/s。
步骤二、工件的装配：将两个Cu工件的焊接端面对接，使其喷涂表面直接接触，再将组合好的两个Cu工件放到焊机的上下压力板中间，用于焊机通过压力板向工件施加压力；
步骤三、工件的氧化还原烧结连接：焊机进行焊接，在焊接的过程中始终采用稳定的压力，同时分段加热被焊Cu工件，使得被焊Cu工件在焊机中空气气氛下氧化，氧化完成后，再通入还原性气体进行还原，原位生成纳米的铜颗粒，再热压烧结，在预定的还原时间内加热、加压，随炉冷却，完成焊接。氧化还原焊接的工艺为：焊接压力为20MPa，氧化的温度为300℃，氧化时间为60min,通入还原性气体，还原焊接的温度为200-350℃，还原焊接时间为90min。通入的还原性气体为N2+甲酸气体。氧化阶段不施加压力，氧化时间为10min,氧化温度为250℃。还原焊接阶段采用压力为10MPa,还原焊接温度为300℃，焊接时间40min。
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方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不隔离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (10)

1.一种电子元件封装中Cu-Cu直接互连方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、工件表面冷喷涂Cu涂层：采用冷喷涂的方法将Cu粉喷涂到两个Cu工件的焊接端面上；
步骤二、工件的装配：将两个Cu工件的焊接端面对接，使其喷涂表面直接接触，再将组合好的两个Cu工件放到焊机的上下压力板中间，用于焊机通过压力板向工件施加压力；
步骤三、工件的氧化还原烧结连接：焊机进行焊接，在焊接的过程中始终采用稳定的压力，同时分段加热被焊Cu工件，使得被焊Cu工件在焊机中空气气氛下氧化，氧化完成后，再通入还原性气体进行还原，原位生成纳米的铜颗粒，再热压烧结，在预定的还原时间内加热、加压，随炉冷却，完成焊接。
2.根据权利要求1所述的一种电子元件封装中Cu-Cu直接互连方法，其特征在于：
步骤一中，冷喷涂工艺为：采用氮气为喷涂气体，Cu粉的颗粒直径为1-100μm,形状为片状或颗粒状，喷涂气体的温度为250-400℃，气体压力为2-3MPa，喷涂速度为50-100mm/s，喷涂距离为2-3mm，Cu工件的焊接端面粗糙度均应该保持在Ra 25以下，RZ 280以下；喷涂后再用机械加工方式或电解抛光法降低表面粗糙度。
3.根据权利要求2所述的一种电子元件封装中Cu-Cu直接互连方法，其特征在于：
步骤一中，Cu粉的颗粒直径为30-50μm,形状为片状，喷涂气体的温度为300℃，气体压力为2.5MPa，喷涂速度为50-100mm/s。
4.根据权利要求2所述的一种电子元件封装中Cu-Cu直接互连方法，其特征在于：机械加工方式为磨削、铣削、车削或抛光。
5.根据权利要求2所述的一种电子元件封装中Cu-Cu直接互连方法，其特征在于：电解抛光法采用直流电源通电，试样为阴极，电流密度为0.05A/cm2，待抛光端面进入铜电解抛光液，抛光时间为5s。
6.根据权利2所述的一种电子元件封装中Cu-Cu直接互连方法，其特征在于：步骤一中，Cu粉的颗粒直径为1-2μm，球形，真空喷涂，气体压力为2.5MPa，喷涂速度为40-80mm/s。
7.根根据权利要求1所述的一种电子元件封装中Cu-Cu直接互连方法，其特征在于：步骤三中，氧化还原焊接的工艺为：焊接压力为3-20Mpa，氧化的温度为200-300℃，氧化时间为5-60min,通入还原性气体，还原焊接的温度为200-350℃，还原焊接时间为5-90min。
8.根据权利要求1所述的一种电子元件封装中Cu-Cu直接互连方法，其特征在于：步骤三种，通入的还原性气体为N2+甲酸或N2+3％H2气体。
9.根根据权利要求1所述的一种电子元件封装中Cu-Cu直接互连方法，其特征在于：步骤三中，氧化阶段不施加压力，氧化时间为10min,氧化温度为250℃。
10.根根据权利要求1所述的一种电子元件封装中Cu-Cu直接互连方法，其特征在于：步骤三中还原焊接阶段采用压力为10MPa,还原焊接温度为300℃，焊接时间40min。
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