CN112191968B - 一种增强纳米焊料界面冶金的封装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种增强纳米焊料界面冶金的封装方法，其包括以下步骤：步骤S1，在基板的表面沉积钎料，然后清洗并干燥；步骤S2，将纳米焊料覆盖于钎料的表面形成焊接层，将芯片表贴于焊接层上形成堆叠结构；步骤S3，对步骤S2形成的堆叠结构进行烧结形成互连焊点；其中，烧结的温度不小于钎料的熔点温度。采用本发明技术方案的封装方法，可以有效提高纳米焊料在焊接时的界面润湿性能，加速界面的元素扩散与反应，提高焊点的界面可靠性。另外，该封装方法形成的封装结构，界面会形成连续的金属间化合物层，焊点的熔点远高于传统钎料，且在服役时，可以有效阻止氧气的侵入和界面的元素扩散，保障焊点的高温服役性能。

Description

一种增强纳米焊料界面冶金的封装方法
技术领域
本发明涉及电子封装技术领域，尤其涉及一种增强纳米焊料界面冶金的封装方法。
背景技术
随着新能源汽车、智能电网、高速列车的发展与推广，高功率模块正在受到越来越多的关注与研究。典型的功率模块结构为硅基或碳化硅基功率芯片通过钎焊或烧结的方式在陶瓷覆铜基板上形成堆叠结构。由于对小型化和高性能的追求，功率模块需要具备更高的散热性能、力学性能和服役可靠性。其中芯片与基板间的连接可靠性正在成为富有挑战的研究课题。
以纳米银、纳米铜焊料为代表的纳米焊料，有着低烧结温度、高连接强度、高可靠性等特性而备受关注。采用纳米焊料作为功率芯片和基板间的互连层，可以满足功率模块服役时的高散热、高导电的需求。然而，纳米焊料在烧结过程中，是以固相扩散的方式与基板界面进行冶金结合，尤其对于铜或镍界面而言，界面连接将遇到异质金属扩散效率低、界面氧化、润湿性差等问题，难以保障界面结合的可靠性。另外，铜或镍界面在高温老化的过程中，表面易形成氧化物而降低焊点强度，此外铜或镍向焊点中的持续扩散也会带来长期服役的可靠性问题。因此针对纳米焊料互连过程中的可靠性问题，需要进行焊点结构的优化，并增强烧结过程中的界面润湿行为，加速扩散反应，同时在焊点老化过程中，抑制界面元素的扩散与氧气的侵入，保障焊点的长期可靠服役。
发明内容
针对以上技术问题，本发明公开了一种增强纳米焊料界面冶金的封装方法，改善了烧结过程中纳米焊料与基板界面的润湿性，增强了反应过程中的扩散速率。在反应过程中，界面生成连续的金属间化合物，抑制焊点服役过程中氧气的侵入与界面元素的扩散行为。
对此，本发明采用的技术方案为：
一种增强纳米焊料界面冶金的封装方法，其包括以下步骤：
步骤S1，在基板的表面沉积钎料，然后清洗并干燥；
步骤S2，将纳米焊料覆盖于钎料的表面形成焊接层，将芯片表贴于焊接层上形成堆叠结构；
步骤S3，对步骤S2形成的堆叠结构进行烧结形成互连焊点；其中，烧结的温度不小于钎料的熔点温度。
采用本发明的技术方案，在基板表面沉积低温钎料，可以使得纳米焊料在烧结过程中，钎料熔化，基板界面为熔化状态，改善纳米焊料与基板界面的润湿性，加速元素扩散与界面冶金反应，增强纳米焊料与基板间的反应速率，经过烧结反应后，界面低温钎料与纳米焊料和基板分别反应生成金属间化合物，可以在焊点高温服役时阻止氧气的侵入与元素扩散，保障焊点的长期服役可靠性。
作为本发明的进一步改进，所述钎料的熔化温度低于250℃。
作为本发明的进一步改进，步骤S1中，所述钎料为锡基钎料或铟基钎料。所述锡基钎料和铟基钎料的熔点较低，熔化后，容易与纳米焊料、基板形成金属间化合物。
作为本发明的进一步改进，步骤S1中，所述沉积钎料的方法为电镀、化学镀、溅射、蒸镀或冷喷涂。
作为本发明的进一步改进，钎料沉积的厚度为5-50μm。
作为本发明的进一步改进，步骤S2中，所述纳米焊料为纳米银膏、纳米铜膏、纳米银铜合金焊膏、纳米金属气凝胶或纳米金属薄膜。
作为本发明的进一步改进，所述焊接层的厚度为50-200μm。
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℃，烧结的压力为0-20MPa，保温时间为1-30min。其中，所述烧结的温度大于钎料的熔点温度。
作为本发明的进一步改进，步骤S1中，所述基板为AMB（Active Metal Brazing，活性金属钎焊）、DBC（Direct Bonding Copper，覆铜陶瓷基板或陶瓷覆铜板）、铜基板或表面进行铜、镍、银或金的金属化处理后的基板。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
采用本发明技术方案的封装方法，可以有效提高纳米焊料在焊接时的界面润湿性能，加速界面的元素扩散与反应，提高焊点的界面可靠性。另外，该封装方法形成的封装结构，界面会形成连续的金属间化合物层，焊点的熔点远高于传统钎料，且在服役时，可以有效阻止氧气的侵入和界面的元素扩散，保障焊点的高温服役性能。
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
一种增强纳米焊料界面冶金的封装方法，包括如下步骤：
（1）在AMB基板上进行电镀锡，镀层厚度为10μm，镀后置于酒精溶液中进行超声清洗并干燥。
（2）将纳米银焊料涂覆于锡镀层上，银膏涂覆厚度为100μm，而后将芯片表贴于焊膏上。
（3）将焊点置于鼓风干燥箱中进行烧结，烧结温度为250℃，保温时间30min。
经过截面组织观察，焊点的基板界面处生成铜锡与银锡化合物，焊点剪切强度为48MPa；经过300℃高温老化1000h后，焊点剪切强度为45MPa，焊点断裂界面处未发现氧化物，说明该封装结构有效地阻止了氧气的侵入和铜元素的扩散。
实施例2
一种增强纳米焊料界面冶金的封装方法，包括如下步骤：
（1）在镀镍DBC基板上进行电镀锡银铜合金，镀层厚度为50μm，镀后置于酒精溶液中进行超声清洗并干燥。
（2）将纳米铜焊料涂覆于锡镀层上，铜膏涂覆厚度为200μm，而后将芯片表贴于焊膏上。
（3）将焊点置于热压机中进行烧结，烧结温度为250℃，压力为10MPa，保温时间10min。
经过截面组织观察，焊点的基板界面处生成镍锡与锡铜化合物，焊点剪切强度为62MPa。
实施例3
一种增强纳米焊料界面冶金的封装方法，包括如下步骤：
（1）在DBC基板上进行电镀铟，镀层厚度为20μm，镀后置于酒精溶液中进行超声清洗并干燥。
（2）将纳米银气凝胶焊料放置于锡镀层上，气凝胶厚度为200μm，而后将芯片表贴于气凝胶上。
（3）将焊点置于热压机中进行烧结，烧结温度为180℃，压力为20MPa，保温时间30min。
经过截面组织观察，焊点的基板界面处生成铜铟与银铟化合物，焊点剪切强度为28MPa；经过300℃高温老化1000h后，焊点剪切强度为22MPa，焊点断裂界面处未发现氧化物，说明该封装结构有效地阻止了氧气的侵入和铜元素的扩散。
对比例1
一种AMB基板与芯片的封装方法，包括如下步骤：
（1）将纳米银焊料涂覆于AMB上，银膏涂覆厚度为100μm，而后将芯片表贴于焊膏上。
（2）将焊点置于鼓风干燥箱中进行烧结，烧结温度为250℃，保温时间30min。
经过截面组织观察，焊点的基板界面处生成大量氧化铜，焊点剪切强度为18MPa；经过300℃高温老化50h后，焊点剥离，无剪切强度。这是由于烧结焊点为疏松多孔结构，氧气极易侵入到焊点界面处并与铜发生氧化反应，导致了焊点强度下降，无法在高温下服役。
对比例2
一种镀镍DBC基板与芯片的封装方法，包括如下步骤：
（1）在镀镍DBC基板上进行纳米铜焊料的涂覆，铜膏涂覆厚度为200μm，而后将芯片表贴于焊膏上。
（2）将焊点置于热压机中进行烧结，烧结温度为250℃，压力为10MPa，保温时间10min。
经过截面组织观察，焊点的基板界面处生成氧化镍和氧化铜，焊点剪切强度为5MPa，这是由于镍和铜在空气中易氧化，且界面无钎料熔化，导致固相反应的扩散速率低，无法在有限的烧结温度和时间内形成冶金结合。
对比例3
一种增强纳米焊料界面冶金的封装方法，包括如下步骤：
（1）在镀镍DBC基板上进行电镀锡银铜合金，镀层厚度为50μm，镀后置于酒精溶液中进行超声清洗并干燥。
（2）将纳米银焊料涂覆于锡镀层上，银膏涂覆厚度为30μm，而后将芯片表贴于焊膏上。
（3）将焊点置于热压机中进行烧结，烧结温度为250℃，压力为10MPa，保温时间10min。
经过截面组织观察，焊点组织均为锡银的金属间化合物，由于锡银金属间化合物的生成会带来体积收缩，焊点中出现了大量的孔洞及裂纹，焊点剪切强度仅为18MPa。因此焊接层厚度应大于基板表面沉积钎料层的厚度，并确保焊点组织的相组成以铜或银相为主，下基板界面的金属间化合物为辅。
通过上述实施例和对比例的对比可见，采用本发明实施例的封装方法，提高了焊点剪切强度，而且界面低温钎料与纳米焊料和基板分别反应生成金属间化合物，高温服役后，仍能保持高的剪切强度，且焊点断裂界面处未发现氧化物，具有更好的高温长期服役的可靠性。
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 (6)

1.一种增强纳米焊料界面冶金的封装方法，其特征在于：其包括以下步骤：
步骤S1，在基板的表面沉积钎料，然后清洗并干燥；
步骤S2，将纳米焊料覆盖于钎料的表面，使纳米焊料形成焊接层，将芯片表贴于焊接层上形成堆叠结构；
步骤S3，对步骤S2形成的堆叠结构进行烧结形成互连焊点；其中，烧结的温度不小于钎料的熔点温度；所述烧结的温度为150-250℃，烧结的压力为0-20MPa，保温时间为1-30min；
步骤S1中，所述钎料的熔化温度低于250℃；
步骤S2中，所述纳米焊料为纳米银膏、纳米铜膏、纳米银铜合金焊膏、纳米金属气凝胶或纳米金属薄膜；
所述焊接层厚度大于基板表面沉积钎料层的厚度。
2.根据权利要求1所述的增强纳米焊料界面冶金的封装方法，其特征在于：步骤S1中，所述钎料为锡基钎料或铟基钎料。
3.根据权利要求2所述的增强纳米焊料界面冶金的封装方法，其特征在于：步骤S1中，所述沉积钎料的方法为电镀、化学镀、溅射、蒸镀或冷喷涂。
4.根据权利要求3所述的增强纳米焊料界面冶金的封装方法，其特征在于：钎料沉积的厚度为5-50μm。
5.根据权利要求1所述的增强纳米焊料界面冶金的封装方法，其特征在于：所述焊接层的厚度为50-200μm。
6.根据权利要求1~5任意一项所述的增强纳米焊料界面冶金的封装方法，其特征在于：步骤S1中，所述基板为AMB、DBC、铜基板或表面进行铜、镍、银或金的金属化处理后的基板。
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