CN113199103B

CN113199103B - 适用于高功率电子器件或组件的电磁感应快速连接方法

Info

Publication number: CN113199103B
Application number: CN202110655360.5A
Authority: CN
Inventors: 刘威; 吴卓寰; 王春青; 安荣�; 郑振; 田艳红
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2021-06-11
Filing date: 2021-06-11
Publication date: 2022-04-19
Anticipated expiration: 2041-06-11
Also published as: CN113199103A

Abstract

本发明公开了一种适用于高功率电子器件或组件的电磁感应快速连接方法，所述方法包括如下步骤：步骤S1、对待连接基板焊盘进行表面处理；步骤S2：将键合材料转移至待连接基板焊盘区域并与芯片装配成三明治结构，并施加压强；步骤S3、将三明治结构转移至电磁感应设备上方，采用电磁感应热源对键合材料进行原位加热或熔化，完成键合过程后，键合材料冷却形成接头。本发明充分利用电磁感应的热效率高，实现极短时间内的局部互连；相对于传统的电磁感应焊接工艺，具有润湿铺展更充分、焊缝缺陷少、焊接时灵活性高、接头性能良好和可靠性高的特点。

Description

适用于高功率电子器件或组件的电磁感应快速连接方法

技术领域

本发明属于电磁感应连接技术领域，涉及一种电子器件和组件待连接界面的电磁感应快速连接方法。

背景技术

随着人们对电子产品短小、轻薄和多功能的需求，微纳电子技术正快速发展，微电子集成电路的复杂程度和集成密度迅速提升。尺寸不断减小，高密度互连将会是电子封装发展的主流趋势。传统焊接工艺技术由于操作手段复杂，加热过程容易对器件造成影响，加热时间过长等弊端无法满足现有电子设备的封装。一方面，小型化使接头尺寸进一步缩小，对微纳尺寸三维复杂结构接头集中加热避免其他影响的难度日益提高。另一方面，焊点微型化后其可靠性对于电子产品的寿命具有重要影响。而光电子模块耐受温度低，传统的再流焊、热压焊等封装工艺一般需要在预涂覆钎料层后对焊接结构进行整体加热，可能会造成高温下失效，严重影响可靠性。因此，必须开发同时满足钎料选择性涂覆且集中加热的局部封装工艺，以适应新一代电子器件的互连和工作要求。

电磁感应焊接工艺是利用交变的磁场在导体中产生感应电流，从而使导体加热的一种高效精密焊接方法。电磁感应焊接具有热效率高、热影响区小的特点，适用于热敏器件的封装，有望实现极短时间内的局部互连。但上述电磁感应焊接技术存在下面的问题：电磁感应对耐高温金属夹具会产生影响，在不间断加热过程中，电磁感应快速升温过快，容易对基板和芯片造成损伤，且由于加热过程结束后液态钎料会快速冷却，钎料有机物分解的气体滞留其中，易形成孔隙、孔洞、裂纹等缺陷。因此，亟需优化现有的电磁感应焊接工艺以提高焊接质量。

发明内容

针对现有电磁感应焊接工艺存在的上述问题，本发明提供了一种适用于高功率电子器件或组件的电磁感应快速连接方法。该方法充分利用电磁感应的热效率高，实现极短时间内的局部互连；相对于传统的电磁感应焊接工艺，具有润湿铺展更充分、焊缝缺陷少、焊接时灵活性高、接头性能良好和可靠性高的特点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种适用于高功率电子器件或组件的电磁感应快速连接方法，包括如下步骤：

步骤S1、对待连接基板焊盘进行表面处理，其中：

所述待连接基板焊盘可以是Cu、Au、Ni、Ag、Au/Ni/Cu、Ni/Ti、Sn/Cu、Sn/Ni等单层或多元过渡金属化层材料，基板的材料可以为紫铜、黄铜、不锈钢、铝合金、可伐合金、陶瓷、硅片或玻璃等电子结构材料；

所述表面处理方法如下：采用机械研磨、超声振动清洗或超声酸洗等方法去除待连接基板焊盘表面污染物、氧化层，促进连接过程中原子间的扩散，并且除去氧化层可有效降低连接所需加热温度，有利于键合材料的铺展润湿，保证连接过程中键合材料的充分填充和冶金连接；

步骤S2：将键合材料转移至待连接基板焊盘区域并与芯片装配成三明治结构，并施加0.1~5.0MPa压强，其中：

所述键合材料为合金钎料、金属焊膏、导电胶、微米钎料或纳米钎料等中的一种；

所述键合材料作为三明治结构中间层；

所述施加压力的方法为使用陶瓷夹具对三明治结构进行固定与施压，陶瓷夹具可避免连接过程中电磁感应使夹具升温从而对三明治结构造成影响，影响接头质量与可靠性；

步骤S3、将三明治结构转移至电磁感应设备上方，采用电磁感应热源对键合材料进行原位加热或熔化，完成键合过程后，键合材料冷却形成接头，其中：

将三明治结构转移至电磁感应设备上方通过在X、Y、Z轴方向移动设置陶瓷夹具的位置；

对键合材料原位加热或熔化的加热方式一般采用脉冲加热的方式，设定脉冲周期可设定为1~15s，如3 s、5 s、8 s等，脉冲宽度为1~10s，如1 s、3 s、5s等，脉冲加热一方面实现了键合材料预热，可使键合材料中的有机物分解产生的气体及时逸出，另一方面避免长时间加热造成机器温度过高，损害设备；

原位加热或熔化的温度为400~800 ℃，加热功率为5~30kW等，如22 kW、24 kW、26kW等，时间为9~120s，如9 s、18 s、27s等，电磁感应加热能够达到较高效率，短时间内形成强度较高的接头。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明充分利用电磁感应连接热效率高、热影响区小的特点，实现极短时间内的局部互连，可解决由于加热过程结束后，液态钎料在空气中会快速冷却，钎料中有机物分解的气体没有逸出形成孔隙、孔洞、裂纹等缺陷的问题。

2、本发明使用陶瓷夹具实现对三明治结构的固定及对其压力的施加，能够提高接头性能，同时解决电磁感应加热时会对耐高温金属夹具同时加热导致接头质量急剧下降的问题。

3、本发明可自由控制三明治结构所处在电磁感应中的位置，避免加热过程中无法及时调整加热温度造成器件损伤的问题。

4、本发明可实现简单操作即可得到高强度连接接头的目的，避免预热过程以及长时间的加热可能造成器件损伤的问题。

5、本发明适用于高温封装、三维封装及系统封装的多次重熔结构及连接工艺中。

附图说明

图1为三明治结构示意图；

图2为电磁感应键合结构示意图；

图3为纳米颗粒键合材料使用该方法键合的过程示意图；

图4为电磁感应加热产生涡流促进原子扩散示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

实施例1：

本实施例提供了一种铜锡核壳纳米颗粒键合材料的电磁感应加热方法，通过在硅基板的铜焊盘上涂敷铜锡核壳纳米颗粒键合材料后，装配成的三明治结构如图1所示，进行固定和加压转移至电磁感应加热设备上方，其连接结构示意图如图2所示。具体实施步骤如下：

步骤一：对硅基板的铜焊盘与芯片进行表面处理，将其放至丙酮溶液中，超声清洗10 min去除表面污染物和油污，然后将硅基板的铜焊盘使用水砂纸打磨至表面出现方向一致的划痕。将打磨后的铜焊盘连同硅基板放至去离子水中，继续超声清洗10 min，表面处理结束。

步骤二：将铜锡核壳纳米颗粒键合材料转移至硅基板焊盘区域，使用80 μm掩模板控制键合材料的涂敷厚度，将芯片覆盖在焊膏上，装配成三明治结构，通过陶瓷装置固定并施加一定压力，在芯片处对应2.0MPa压强。

步骤三：将三明治结构转移至电磁感应加热设备上方（图2），采用电磁感应热源进行原位加热或熔化，键合过程中使用的电磁感应功率为26 kW，脉冲加热一段时间，使用的脉冲周期为5 s，脉冲宽度为3 s，完成键合过程后冷却。

本实施例中采用电磁感应连接技术对低温键合材料进行加热连接，相对于传统电磁感应加热方法，焊料的润湿铺展以及焊料与母材之间的冶金反应更加充分，避免升温过快造成接头损害，连接后接头质量更高。除此之外，电磁感应连接工艺相对于传统再流焊的整体加热，热输入更加集中，可避免对其它位置热敏感器件加热造成的损伤。

实施例2：

本实施例提供了一种电磁感应连接技术用于制备“全Cu₃Sn”接头的方法，具体步骤如下：

步骤一：对氧化铝陶瓷基板的铜焊盘与芯片进行表面处理，将其放至丙酮溶液中，超声清洗10 min去除表面污染物和油污，然后将氧化铝陶瓷基板的铜焊盘使用水砂纸打磨至表面出现方向一致的划痕。将打磨后的铜焊盘连同氧化铝陶瓷基板放至稀盐酸溶液中，继续超声清洗10 min去除表面氧化膜，表面处理结束。

步骤二：三明治结构的中层直接采用锡箔进行后续的键合。将锡箔放置于氧化铝陶瓷基板的铜焊盘表面，并涂覆助焊剂，然后将芯片覆盖在厚度为30 μm锡箔上，装配成三明治结构，通过陶瓷装置固定并施加一定压力，在芯片处对应1.0MPa压强。

步骤三：将三明治结构转移至电磁感应加热设备上方，采用电磁感应加热达到锡箔熔点后冷却完成连接过程。在连接过程中电磁感应功率为26 kW，采用脉冲加热的方式，脉冲周期为4 s，脉冲宽度为1 s。键合结束后进行空冷。

本实施例中采用电磁感应加热技术对使用锡箔作为中间层的三明治结构进行加热连接，实现“全Cu₃Sn”接头的制备。相对于传统再流焊接方法，重熔焊料的润湿铺展以及焊料与母材之间的扩散反应更加充分。焊接过程中的高频交变磁场，产生的涡流，能够使铜原子运动更加活跃，见图4，使键合材料与焊盘间扩散更充分，发生冶金反应，连接接头的性能更加优异。

实施例3：

本实施例提供了一种银铜固溶体纳米颗粒键合材料的电磁感应连接方法，通过在氧化铝陶瓷基板的铜焊盘上涂敷银铜固溶体纳米颗粒键合材料后装配成的三明治结构，进行固定和加压转移至电磁感应加热设备上方进行电磁感应加热实现连接。

本实施例与实施例1不同的是：步骤三中，使用的电磁感应功率为22 kW，使用的脉冲加热方式为脉冲周期为8 s，脉冲宽度为3 s。

实施例4：

本实施例与实施例1不同的是：步骤二中，铜锡核壳纳米颗粒键合材料替换为纳米银浆料。步骤三中，使用的电磁感应功率替换为24 kW，使用的脉冲周期为4 s，脉冲宽度为1s。

实施例5：

本实施例与实施例1不同的是：步骤二中，铜锡核壳纳米颗粒键合材料替换为铜银核壳纳米浆料。

实施例6：

本实施例与实施例2不同的是：步骤三中，使用的电磁感应功率替换为22 kW，使用的脉冲周期为8 s，脉冲宽度为3 s。

实施例7：

本实施例与实施例1、3-6不同的是：铜焊盘替换为Ni焊盘。

实施例8：

本实施例与实施例1、3-6不同的是：铜焊盘替换为Ag焊盘。

实施例9：

本实施例与实施例1-6不同的是：铜焊盘替换为Sn/Cu焊盘。

Claims

1.一种适用于高功率电子器件或组件的电磁感应快速连接方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤S1、对待连接基板焊盘进行表面处理，所述待连接基板焊盘的材料是Cu、Au、Ni、Ag、Au/Ni/Cu、Ni/Ti、Sn/Cu或Sn/Ni；

步骤S2：将键合材料转移至待连接基板焊盘区域并与芯片装配成三明治结构，并施加压强，所述键合材料为微米钎料或纳米钎料；

步骤S3、将三明治结构转移至电磁感应设备上方，采用电磁感应热源对键合材料进行原位加热或熔化，完成键合过程后，键合材料冷却形成接头。

2.根据权利要求1所述的适用于高功率电子器件或组件的电磁感应快速连接方法，其特征在于所述步骤1中，基板的材料是紫铜、黄铜、不锈钢、铝合金、可伐合金、陶瓷、硅片或玻璃。

3.根据权利要求1所述的适用于高功率电子器件或组件的电磁感应快速连接方法，其特征在于所述步骤1中，表面处理方法如下：采用机械研磨、超声振动清洗或超声酸洗方法去除待连接基板焊盘表面污染物、氧化层。

4.根据权利要求1所述的适用于高功率电子器件或组件的电磁感应快速连接方法，其特征在于所述步骤2中，施加压力的方法为使用陶瓷夹具对三明治结构进行固定与施压。

5.根据权利要求1所述的适用于高功率电子器件或组件的电磁感应快速连接方法，其特征在于所述步骤2中，压强为0.1~5.0MPa。

6.根据权利要求1所述的适用于高功率电子器件或组件的电磁感应快速连接方法，其特征在于所述步骤3中，将三明治结构转移至电磁感应设备上方通过在X、Y、Z轴方向移动设置陶瓷夹具的位置。

7.根据权利要求1所述的适用于高功率电子器件或组件的电磁感应快速连接方法，其特征在于所述步骤3中，对键合材料原位加热或熔化的加热方式采用脉冲加热的方式，设定脉冲周期为1~15s，脉冲宽度为1~10s。

8.根据权利要求1所述的适用于高功率电子器件或组件的电磁感应快速连接方法，其特征在于所述步骤3中，原位加热或熔化的温度为400~800 ℃，加热功率为5~30kW。