CN113937007B - 一种提高多层镀覆材料胶接性能的表面处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高多层镀覆材料胶接性能的表面处理方法，涉及集成电路封装技术领域，包括设置表面处理区域图层，功率为5‑10W，频率为50‑70KHz的第一激光按照表面处理区域图层对多层镀覆材料表面进行预处理，功率为15‑20W，频率为30‑50KHz的第二激光按照表面处理区域图层进行二次处理，然后进行超声波水洗处理以及干燥处理。本发明的表面处理方法能够任意去除所需的一层或多层镀层，同时可以使胶接区域满足胶接强度要求及封装的气密性要求，有效提高多层镀覆材料的胶接性能。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路封装技术领域，具体涉及一种提高多层镀覆材料胶接性能的表面处理方法。
背景技术
胶接工艺包含4个步骤：表面处理、胶粘剂涂放、加热加压、固化，其中被粘接件的表面处理是胶接工艺中第一步也是最重要的步骤，表面处理的作用为消除表面有机物，改善表面粗糙度以增加机械咬合作用并且提高粘合剂的接触面积，从而提高胶接性能。现有技术中，主要提供有在单一合金金属上进行激光表面处理，以改善胶接性能的技术方案，但是缺少对多层镀覆材料（半导体）的激光表面处理方案，即如何控制激光器参数，以满足任意去除所需的一层或多层镀层，同时不对底层材料造成影响。
采用现有技术虽然也可以提升半导体的胶接性能，但是对于半导体封装来说，胶接性能满足封装不破裂（被粘部件满足可靠性验证，不脱落），还远远不够。密封性是半导体封装的重要性能指标，外部水汽或者其他腐蚀性气体可能会侵入内部芯片或键合线位置污染器件，造成器件性能下降甚至失效，因此在半导体封装领域内，胶接性能的提高还需以气密性评价，这对胶接性能有了更高的要求，同时仍需保障整体胶接区域保持一个统一水准。因此，进一步优化激光表面处理方法，提高多层镀覆材料胶接性能具有重要意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种针对多层镀覆材料，能够任意去除所需的一层或多层镀层，同时可以使胶接区域满足胶接强度要求及封装的气密性要求的提高多层镀覆材料胶接性能的表面处理方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种提高多层镀覆材料胶接性能的表面处理方法，包括以下步骤：
（S1）设置表面处理区域图层：按照所需进行胶接的区域进行软件绘制，获取用于对多层镀覆材料进行表面处理的区域图层；
（S2）利用激光器发出的功率为5-10W，频率为50-70KHz的第一激光，按照步骤（S1）中的表面处理区域图层对多层镀覆材料的表面进行预处理，第一激光扫描该多层镀覆材料的表面并使该表面熔融，得到表面粗糙的预处理表面；
（S3）利用激光器发出的功率为15-20W，频率为30-50KHz的第二激光，按照步骤（S1）中的表面处理区域图层对步骤（S2）中的预处理表面进行二次处理，第二激光扫描该预处理表面，得到具有特定钩榫结构的胶接表面；
（S4）将步骤（S3）处理后的多层镀覆材料进行超声波水洗处理；
（S5）将步骤（S4）处理后的多层镀覆材料进行干燥处理。
进一步地，步骤（S1）中，按照所需进行胶接的区域进行软件绘制包括：先按照所需进行胶接的区域设计区域图层的形状和尺寸，再用填充线对区域图层进行填充；
填充线先从左向右进行填充，再从右向左进行填充，然后按照该方式循环填充，直至区域图层填充完毕；
填充线之间的线间距小于0.05mm。
进一步地，步骤（S2）中，所述预处理表面的表面粗糙度Ra为0.5-0.7。
进一步地，步骤（S4）中，超声波水洗处理包括：将多层镀覆材料置于超声波清洗机中，采用纯水进行超声波清洗，清洗时间为5-10分钟。
更进一步地，所述纯水的电阻率大于等于13MΩ•cm。
进一步地，步骤（S5）中，干燥处理包括：先采用热风刀将多层镀覆材料表面吹干，再进行烘烤干燥。
进一步地，步骤（S2）和步骤（S3）中，所述激光器为IPG光纤激光器，所述第一激光和所述第二激光为脉冲激光，脉冲激光的波长为1064nm，脉宽为200ns。
更进一步地，所述IPG光纤激光器上设有用于调节激光脉宽的主控振荡器的功率放大器，所述第一激光和所述第二激光的脉宽调节为120ns。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
采用本发明的表面处理方法对多层镀覆材料进行表面处理，能够任意去除所需的一层或多层镀层，改变多层镀覆材料的表面微观形貌，提高表面粗糙度，通过形成更立体、表面积更大的特定钩榫微观结构，提高胶层和基材的机械嵌合力，达到MSL3湿气等级和温度循环测试胶接处不断裂且胶接强度不下降，保持大于4Kg破坏性推力，满足胶接区域的强度要求，同时能够达到IPX8的密封效果，保证IR5氟油检测不漏气，满足封装的气密性要求。
附图说明
图1为表面处理区域图层的一个实施方案示意图。
图2为样品一和样品二的表面微观形貌图。
图3为样品一表面EDS检测采样图。
图4为EDS检测谱图。
图5为样品一和样品二的破坏性推力参数对比图。
图6为样品三和样品四的光学照片。
图7为样品一和样品五的光学照片。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明提出了一种提高多层镀覆材料胶接性能的表面处理方法，包括以下步骤：
（S1）设置表面处理区域图层：按照所需进行胶接的区域进行软件绘制，获取用于对多层镀覆材料进行表面处理的区域图层；
（S2）利用激光器发出的功率为5-10W，频率为50-70KHz的第一激光，按照步骤（S1）中的表面处理区域图层对多层镀覆材料的表面进行预处理，第一激光扫描该多层镀覆材料的表面并使该表面熔融，得到表面粗糙的预处理表面；
（S3）利用激光器发出的功率为15-20W，频率为30-50KHz的第二激光，按照步骤（S1）中的表面处理区域图层对步骤（S2）中的预处理表面进行二次处理，第二激光扫描该预处理表面，得到具有特定钩榫结构的胶接表面；
（S4）将步骤（S3）处理后的多层镀覆材料进行超声波水洗处理；
（S5）将步骤（S4）处理后的多层镀覆材料进行干燥处理。
进一步地，步骤（S1）中，按照所需进行胶接的区域进行软件绘制包括：先按照所需进行胶接的区域设计区域图层的形状和尺寸，再用填充线对区域图层进行填充；填充线先从左向右进行填充，再从右向左进行填充，然后按照该方式循环填充，直至区域图层填充完毕；填充线之间的线间距小于0.05mm。在本发明的一个具体实施方案中，如图1所示，多层镀覆材料上需要进行胶接的区域为T型区域，根据产品设计要求，在软件上绘制出表面处理区域图层的T型边界，在T型边界内用填充线进行填充，填充线从T型边界的底部起始，先从左向右进行填充，再从右向左进行填充（即双向填充），按照该双向填充方式在T型边界内循环填充，直至填充线在T型边界的顶部结束，表面处理区域图层的绘制完毕；其中，填充线之间的线间距小于0.05mm，作用在于保证所需进行胶接的区域均可被激光扫描，否则表面镀层未被处理，则有可能部分位置胶接性能薄弱，严重的甚至影响气密性。
进一步地，步骤（S2）中，预处理表面的表面粗糙度Ra为0.5-0.7。
进一步地，步骤（S4）中，超声波水洗处理包括：将多层镀覆材料置于超声波清洗机中，采用纯水进行超声波清洗，清洗时间为5-10分钟，能够去除激光过程中产生的粉尘，使多层镀覆材料表面清洁，不引入其他杂质。
更进一步地，纯水的电阻率大于等于13MΩ•cm。
进一步地，步骤（S5）中，干燥处理包括：先采用热风刀将多层镀覆材料表面吹干，再进行烘烤干燥，能够使多层镀覆材料保持自身干燥，利于延长储存寿命。
进一步地，步骤（S2）和步骤（S3）中，激光器为IPG光纤激光器，第一激光和第二激光为脉冲激光，脉冲激光的波长为1064nm，脉宽为200ns。
更进一步地，IPG光纤激光器上设有用于调节激光脉宽的主控振荡器的功率放大器，第一激光和第二激光的脉宽调节为120ns。
在本发明的一个具体实施方案中，步骤（S2）中，第一激光的功率为5W，频率为60KHz。
在本发明的一个具体实施方案中，步骤（S3）中，第二激光的功率为15W，频率为40KHz。
以上各具体实施方案可以任一单独实施，也可以任意组合实施。
下面结合具体实施例来对以上实施方式进行更详细的说明。
实施例一：
一、本实施例所涉及的加工设备及材料
（1）激光器采用IPG光纤激光器，其发出的脉冲激光的波长为1064nm，脉宽为200ns（固定不可调）。
（2）CPM材料是铜和钼铜、钨铜芯材的多层复合材料，热导率高，热膨胀系数（CTE）容易调节，易于和可伐合金、氧化铝陶瓷焊接匹配，是目前主流的大功率芯片散热衬底。CPC是CPM材料的一种，业界默认的CPC芯材是指Mo70Cu30材料，由于铜（Cu）在空气中极易被氧化，受到腐蚀，影响CPC芯材寿命，因此业界主流使用镍（Ni）、金（Au）对其表面进行镀覆，以延长CPC的使用寿命。在电子封装领域内，CPC与引线框架的连接，其可靠性和气密性是重中之重。本实施例中，CPC多层镀覆材料的镀覆层结构见表1。
表1 CPC多层镀覆材料的镀覆层结构
| 芯材 | 表面镀覆-次外层 | 表面镀覆-最外层 |
| Mo70Cu30 | Ni（3-6μm） | Au（0.1-0.2μm） |
二、实施方案1：
采用功率为5W，频率为60KHz的第一激光，功率为15W，频率为40KHz的第二激光，按照本发明的表面处理方法对CPC多层镀覆材料的表面进行处理，得到样品一。
采用功率为15W，频率为40KHz的激光，按照现有技术的表面处理方法对CPC多层镀覆材料的表面进行处理，得到样品二。
对样品一和样品二分别进行微观结构检测、胶接区域强度检测以及封装气密性检测：
（1）微观结构检测
参见图2-图4所示，其中，图2为样品一和样品二的表面微观形貌图；图3为样品一表面EDS检测采样图；图4为EDS检测谱图；表2为EDS检测定量结果表。
胶接过程中，提高表面粗糙度，有助于提高流动性好的胶粘剂形成的胶层和基材的机械嵌合力，从而增加胶层的粘接强度。激光束对材料表面照射后，材料表面吸收激光能量，使其产生变态、熔融、蒸发等现象，对于CPC多层镀覆材料来说，其最外层为Au，表面光亮平滑，易对光产生高反射率和低激光吸收率，因此本发明通过第一激光预处理和第二激光二次处理的方法，使多层镀覆材料获得合适的表面微观形貌和粗糙度。
具体的，采用功率为5-10W，频率为50-70KHz的第一激光扫描完成预处理，一方面能够去除CPC多层镀覆材料表面杂质，另一方面当低功率的第一激光照射到Au表面时，Au表面发生熔融，液态Au被推到边缘，实现去除最外层Au的同时，第一激光的部分能量用于使次外层Ni部分熔融，调整材料表面粗糙度Ra为0.5-0.7，使均一一致的表面形成凹凸不平类似“磨砂”质感，为第二激光的二次处理提供适宜的表面粗糙度；采用功率为15-20W，频率为30-50KHz的第二激光完成二次处理，由于去除了对激光产生高反射率和低激光吸收率的Au层，当高功率的第二激光扫描时，表面Ni层充分吸收能量，同时由于粗糙度差异导致对光吸收产生微观影响，以高能量执行雕刻，形成特定钩榫的微观结构。
如图2所示，通过比较发现，采用功率为15W，频率为40KHz的激光，按照现有技术的表面处理方法对CPC多层镀覆材料的表面进行处理，多层镀覆材料表面形成整齐均一的“鱼鳞式”微观结构。与具有“鱼鳞式”微观结构的样品二相比，形成有特定钩榫微观结构的样品一，通过更加立体、表面积更大的形态，可让胶接制程具备高可靠性（胶接强度高、气密性高）。
如图3所示，在样品一表面进行EDS检测采样，分别对图中EDS点1、EDS点2和选择区域1进行采样定量检测，EDS检测结果如图4和表2所示。从表2中可以得知，未经本发明技术处理区域的EDS点2和选择区域1检测到Au和Ni，表明CPC多层镀覆材料的最外层Au未被去除；本发明技术处理后区域的EDS点1检测到Ni和Cu，表明经过本发明处理后CPC多层镀覆材料的最外层Au已被去除。注：本发明技术处理后区域的EDS点1检测有少量Cu，是由于EDS打样会有一定探测深度（3-5μm）。
表2 EDS检测定量结果表
（2）胶接区域强度检测
对样品一进行胶接区域强度检测，检测结果满足胶接区域强度的要求，可满足pre-conditioning test（MSL3）和Temperature Cycling test（TC），胶接处不断裂且胶接强度不下降，保持大于4Kg破坏性推力。参见图5和表6所示，图5为样品一和样品二的破坏性推力参数对比图，从图中可以得知，样品一的破坏性推力最小值为4.48Kg，大于4Kg；样品二的破坏性推力最小值为2.68Kg，大于2.5Kg。与样品二相比，样品一具有更高的胶接强度。
表6 样品一和样品二检测结果对比表
（3）封装气密性检测
在集成电路封装技术领域，红外回流焊（简称IR）为各类表面组装贴片元器件的焊接设备，即封装完毕后的IC通过红外回流焊焊接到线路板上。封装完毕的IC在贴装期间，在过IR-Reflow的240-260℃高温区的过程中，由于各封装组成的材料受热后热膨胀系数不一致，胶接区域易发生裂缝，裂缝易使电子元件受潮损坏，因此业界对于MSL湿气敏感测定，封装的气密性要求需满足IR-Reflow3次（模拟IC上件，维修拆件，维修再上件）。样品一的气密性检测结果显示，可使胶接区域经过IR-Reflow5次（即IR5）仍可保证氟油检测不漏气，同时能达到IPX8的密封效果，封装后腔体氦检漏率小于5×10-10Pa•m3/s。
综上，将样品一和样品二的各项检测结果进行比较，具体对比情况见表3。
表3 样品一和样品二检测结果对比表
通过实施方案1试验表明，采用本发明的表面处理方法，能够任意去除所需的一层或多层镀层，改变多层镀覆材料的表面微观形貌，提高表面粗糙度，通过形成更立体、表面积更大的特定钩榫微观结构，提高胶层和基材的机械嵌合力，达到MSL3湿气等级和温度循环测试胶接处不断裂且胶接强度不下降，保持大于4Kg破坏性推力，满足胶接区域的强度要求，同时能够达到IPX8的密封效果，保证IR5氟油检测不漏气，满足封装的气密性要求。
三、实施方案2：
采用功率为5W，频率为60KHz的第一激光，功率为15W，频率为40KHz的第二激光，按照本发明的表面处理方法分别对两块CPC多层镀覆材料的表面进行处理，得到样品三和样品四，区别在于：样品三所按照的步骤（S1）中的区域图层，其中填充线之间的线间距为0.03mm（小于0.05mm）；样品四所按照的步骤（S1）中的区域图层，其中填充线之间的线间距为0.1mm（大于0.05mm）。
参照图6和表4所示，图6为样品三和样品四的光学照片，表4为样品三和样品四结果对照表。通过实施方案2表明，在本发明的步骤（S1）中，表面处理区域图层的填充线之间的线间距小于0.05mm，作用在于保证所需进行胶接的区域均可被激光扫描，若线间距大于0.05mm，则有可能造成表面镀层有部分未被处理，导致部分位置胶接性能薄弱，严重的甚至影响气密性。
表4 样品三和样品四结果对照表
实施例二：
一、本实施例所涉及的加工设备及材料
（1）激光器采用IPG光纤激光器，IPG光纤激光器上设有用于调节激光脉宽的主控振荡器的功率放大器（Mopa），其发出的脉冲激光的波长为1064nm，脉宽为120ns。
（2）本实施例中，CPC多层镀覆材料的镀覆层结构如上表1所示。
二、实施方案3：
采用功率为5W，频率为60KHz的第一激光，功率为15W，频率为40KHz的第二激光，按照本发明的表面处理方法对CPC多层镀覆材料的表面进行处理，得到样品五。样品一和样品五的区别在于：样品一是经脉宽为200ns的第一激光和第二激光处理得到；样品五是经脉宽为120ns的第一激光和第二激光处理得到。
参照图7和表5所示，图7为样品一和样品五的光学照片，表5为样品一和样品五结果对照表。市面上主流的IPG光纤激光器，其脉宽为200ns（固定不可调），但是由于激光束对材料表面照射后，材料表面吸收激光能量，使其产生变态、熔融、蒸发等现象，脉宽越长热向周边散发越多，因此，若需降低激光的热辐射带来的副作用，则需要搭配主控振荡器的功率放大器（Mopa），通过降低脉宽，减少热影响。实施方案3表明，通过实际调试，使脉宽调整至120ns，可将热影响降低至最佳水平，如图7所示，即目视不可见。
表5 样品一和样品五结果对照表
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种提高多层镀覆材料胶接性能的表面处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
（S1）设置表面处理区域图层：按照所需进行胶接的区域进行软件绘制，获取用于对多层镀覆材料进行表面处理的区域图层；
（S2）利用激光器发出的功率为5-10W，频率为50-70KHz的第一激光，按照步骤（S1）中的表面处理区域图层对多层镀覆材料的表面进行预处理，第一激光扫描该多层镀覆材料的表面并使该表面熔融，得到表面粗糙的预处理表面；
（S3）利用激光器发出的功率为15-20W，频率为30-50KHz的第二激光，按照步骤（S1）中的表面处理区域图层对步骤（S2）中的预处理表面进行二次处理，第二激光扫描该预处理表面，得到具有特定钩榫结构的胶接表面；
（S4）将步骤（S3）处理后的多层镀覆材料进行超声波水洗处理；
（S5）将步骤（S4）处理后的多层镀覆材料进行干燥处理。
2.根据权利要求1所述的提高多层镀覆材料胶接性能的表面处理方法，其特征在于，步骤（S1）中，按照所需进行胶接的区域进行软件绘制包括：先按照所需进行胶接的区域设计区域图层的形状和尺寸，再用填充线对区域图层进行填充；
填充线先从左向右进行填充，再从右向左进行填充，然后按照该方式循环填充，直至区域图层填充完毕；
填充线之间的线间距小于0.05mm。
3.根据权利要求1所述的提高多层镀覆材料胶接性能的表面处理方法，其特征在于，步骤（S2）中，所述预处理表面的表面粗糙度Ra为0.5-0.7。
4.根据权利要求1所述的提高多层镀覆材料胶接性能的表面处理方法，其特征在于，步骤（S4）中，超声波水洗处理包括：将多层镀覆材料置于超声波清洗机中，采用纯水进行超声波清洗，清洗时间为5-10分钟。
5.根据权利要求4所述的提高多层镀覆材料胶接性能的表面处理方法，其特征在于，所述纯水的电阻率大于等于13MΩ•cm。
6.根据权利要求1所述的提高多层镀覆材料胶接性能的表面处理方法，其特征在于，步骤（S5）中，干燥处理包括：先采用热风刀将多层镀覆材料表面吹干，再进行烘烤干燥。
7.根据权利要求1所述的提高多层镀覆材料胶接性能的表面处理方法，其特征在于，步骤（S2）和步骤（S3）中，所述激光器为IPG光纤激光器，所述第一激光和所述第二激光为脉冲激光，脉冲激光的波长为1064nm，脉宽为200ns。
8.根据权利要求7所述的提高多层镀覆材料胶接性能的表面处理方法，其特征在于，所述IPG光纤激光器上设有用于调节激光脉宽的主控振荡器的功率放大器，所述第一激光和所述第二激光的脉宽调节为120ns。
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