CN113964050A - 一种无压力、低温的烧结方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的是一种无压力、低温的烧结方法及其应用，属于电子封装技术领域。本发明主要包括如下步骤：S1预处理：将焊盘和引线的表面清洗后，并将烧结材料进行活化处理，将其涂覆在焊盘和引线的粘结面，进行固定后，将焊盘固定在烧结板上；S2预固化处理：将(1)中烧结板放置于烘箱中，在氮气气氛保护下，升温至30～100℃，保持30～60min后，冷却至室温；S3烧结处理：将(2)中经过预固化处理的烧结板放置于高温炉内，在惰性气体气氛保护下，升温至100～150℃，保持30～60min后，再升温至150～250℃，持续60～120min后，冷却至室温。采用该烧结工艺，能够提高烧结效率，提高烧结质量。
Description
技术领域
本发明涉及电子封装技术领域，特别是涉及一种无压力、低温的烧结方法及其应用。
背景技术
电子封装的主要目的是：(1)保护IC芯片；(2)提供IC芯片与其他电子元器件的互联以实现电信号的传输。一般大规模和超大规模集成电路可分为四个封装等级，芯片级互连技术属于一级封装，广泛应用于电子封装领域中。选择合适的芯片功能性和结构性粘接材料对于电子器件封装非常重要，它不仅关系到芯片与基板间的有效结合，对整个封装器件的热适配性也至关重要。
已知锡铅焊接和引线键合广泛应用于IC封装和电气有效互连，操作可控已投入大规模的自动化生产。该互连和组装方式局部温度较高，需要达到焊料或焊丝的熔融温度，容易导致元器件表面的氧化或者高温损坏脱落。当电子元器件经历升降温热冲击时，焊料连接的器件抗大幅度温度循环的能力有限，尤其时在高于200℃的使用环境时，器件失效率陡增，与此同时，含铅焊料环境毒性较大目前已停止相关的应用。
引线键合方式能一定程度上替代焊接引线，但是由于应用场景存在高温(>200℃)、高机械振动和高湿度环境，极大的削减了引线焊接的寿命。为满足高温温度测量的需求，需要寻找适配高温温度环境的互连解决方案。
作为含铅焊料的替代物，烧结材料具备优于锡铅焊料的弹性模量，能在低温下烧结成型实现高温环境的应用，通过烧结材料连接的组件耐高温热冲击和经受机械应变的能力更高，疲劳耐受性更好，能满足高温和高机械振动环境的应用要求。
目前常用的烧结工艺为有压烧结和无压烧结，有压烧结即烧结材料在～20MPa的高压环境烧结成型，相较于无压烧结，有压烧结的烧结粘结层更致密，烧结基体出现裂纹和分层的概率更低，组件粘结强度更高。但有压辅助烧结对设备要求较高，不仅增加了装备成本，而且容易引起器件损坏。为确保烧结引线组件在恶劣工业环境中的高粘接强度，降低烧结工艺的设备成本和操作难度，通过优化无压烧结的工艺实现有效的互连。
因此，为了解决上述问题，有必要对无压、低温烧结工艺进行进一步深入研究。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种无压力、低温的烧结方法；本发明的目的之二在于提供一种无压力、低温的烧结方法在组合器件上的应用。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种无压力、低温的烧结方法，所述方法包括如下步骤：
(1)预处理：清洗焊盘和引线的表面，并将烧结材料进行活化处理后，将其涂覆在焊盘和引线的粘结面，并进行固定后，将焊盘固定在烧结板上；
(2)预固化处理：将步骤(1)中的烧结板放置于烘箱中，在氮气气氛保护下，升温至30～100℃，保持30～60min后，冷却至室温；
(3)烧结处理处理：将步骤(2)中经过预固化处理的烧结板放置于高温炉内，在惰性气体气氛保护下，升温至100～150℃，保持30～60min后，再升温至150～250℃，持续60～120min后，冷却至室温。
优选的，步骤(1)中，所述清洗为无水乙醇和丙酮溶液交替超声清洗、等离子溶液清洗、酸碱溶液清洗或去离子水润洗中的任意一种。
优选的，步骤(1)中，所述活化处理的时间为30～200min。
优选的，步骤(1)中，所述烧结材料包括金属纳米颗粒、聚合物胶黏剂和稳定剂。
优选的，所述烧结材料的粘度小于15000mPa.s。
优选的，所述金属纳米颗粒为银、金或铂中的任意一种或几种。
优选的，所述金属纳米颗粒的平均粒径为7.5～10μm。
优选的，所述金属纳米颗粒的质量百分数为85～99％。
上述所述方法在制备组合器件上的应用。
优选的，所述组合器件由焊盘和引线组成；所述焊盘与所述引线通过烧结材料固定连接。
本发明的有益效果在于：本发明提供了一种无压力、低温的烧结方法及其应用，该方法包括预处理、预固化处理和烧结处理，能够实现面面、面线等不同形状的组件粘接，采用低温，可以减少器件失效率，且无需外加压力即可获得致密的烧结粘结层，极大的简化了操作难度和降低成本，与有压烧结相比，该方法能够实现大规模的工业应用。选择烧结材料中的金属纳米颗粒性质相近的材料，在烧结过程中能在粘接界面实现金属间扩散连接，提高粘接强度，通过该方法烧结的组合器件能抗高温疲劳应变和机械振动。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为实施例1中无压力、低温的烧结方法的流程图；
图2为实施例1中焊盘、引线、烧结材料和烧结板组合的结构示意图；
图3为实施例1中烧结材料烧结完后的SEM图；
附图标记：1为焊盘，2为烧结板，3为引线，4为烧结材料。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
无压力、低温的烧结方法，流程如图1所示，具体包括如下步骤：
S1预处理：将焊盘1和引线3经过无水乙醇和丙酮溶液交替超声清洗后，最后使用去离子水浸泡清洗，将烧结材料4进行活化处理115min，将其涂覆在焊盘1和引线3的粘结面，并进行固定后，将焊盘固定在烧结板2上(其结构示意图如图2所示)；
S2预固化处理：将步骤S1中的烧结板2放置于烘箱中，在氮气气氛保护下，升温至65℃，保持45min后，冷却至室温；
S3烧结处理：将步骤S2中经过预固化处理的烧结板2放置于高温炉内，在惰性气体气氛保护下，升温至125℃，保持45min后，再升温至200℃，持续90min后，冷却至室温。
实施例2
无压力、低温的烧结方法，具体包括如下步骤：
(1)预处理：将焊盘1和引线3经过无水乙醇和丙酮溶液交替超声清洗后，最后使用去离子水浸泡清洗。将烧结材料4进行活化处理30min，将其涂覆在焊盘1和引线3的粘结面，并进行固定后，将焊盘固定在烧结板2上；
(2)预固化处理：将步骤(1)中的烧结板2放置于烘箱中，在氮气气氛保护下，升温至30℃，保持30min后，冷却至室温；
(3)烧结处理：将步骤(2)中经过预固化处理的烧结板2放置于高温炉内，在惰性气体气氛保护下，升温至100℃，保持30min后，再升温至150℃，持续60min后，冷却至室温。
实施例3
无压力、低温的烧结方法，具体包括如下步骤：
S1预处理：将焊盘1和引线3经过无水乙醇和丙酮溶液交替超声清洗后，最后使用去离子水浸泡清洗。将烧结材料4进行活化处理200min，将其涂覆在焊盘1和引线3的粘结面，并进行固定后，将焊盘固定在烧结板2上；
S2预固化处理：将步骤S1中的烧结板2放置于烘箱中，在氮气气氛保护下，升温至100℃，保持60min后，冷却至室温；
S3烧结处理：将步骤S2中经过预固化处理的烧结板2放置于高温炉内，在惰性气体气氛保护下，升温至150℃，保持60min后，再升温至250℃，持续120min后，冷却至室温。
性能测试
图3为实施例1中烧结材料烧结完后的SEM图，结果显示，烧结材料致密且无明显孔洞，证明烧结材料与焊盘粘结面有紧密的烧结过渡层，能保证焊盘和引线的有效连接。
同样的，经过测试按照其他条件烧结后也同样具有实施例1中烧结材料的性能，具有良好的应用前景。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。
Claims (10)
1.一种无压力、低温的烧结方法，所述方法包括如下步骤：
S1预处理：清洗焊盘和引线的表面，并将烧结材料进行活化处理后，将其涂覆在焊盘和引线的粘结面，并进行预固定后，将焊盘固定在烧结板上；
S2预固化处理：将步骤S1中的烧结板放置于烘箱中，在氮气气氛保护下，升温至30～100℃，保持30～60min后，冷却至室温；
S3烧结处理：将步骤S2中经过预固化处理的烧结板放置于高温炉内，在惰性气体气氛保护下，升温至100～150℃，保持30～60min后，再升温至150～250℃，持续60～120min后，冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，所述清洗为无水乙醇和丙酮溶液交替超声清洗、等离子溶液清洗、酸碱溶液清洗或去离子水润洗中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，所述活化处理的时间为30～200min。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，所述烧结材料包括金属纳米颗粒、聚合物胶黏剂和稳定剂。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述烧结材料的粘度小于15000mPa.s。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述金属纳米颗粒为银、金或铂中的任意一种或几种。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述金属纳米颗粒的平均粒径为7.5～10μm。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述金属纳米颗粒的质量百分数为85～99％。
9.权利要求1～8任一项所述方法在制备组合器件上的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述组合器件由焊盘和引线组成；所述焊盘与所述引线通过烧结材料固定连接。
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