CN114918572B

CN114918572B - 一种铝-铝的瞬态液相连接方法

Info

Publication number: CN114918572B
Application number: CN202210845568.8A
Authority: CN
Inventors: 马兆龙; 范梦卓; 张惠哲; 程兴旺
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2022-07-19
Filing date: 2022-07-19
Publication date: 2022-11-04
Anticipated expiration: 2042-07-19
Also published as: CN114918572A

Abstract

本发明涉及一种铝‑铝的瞬态液相连接方法，属于焊接技术领域。该瞬态液相连接方法采用Ga或含Ga合金作为焊料用于单晶或少晶的纯Al或含Al合金基板之间的瞬态液相连接，具体操作如下：对基板进行加热使位于两个基板之间的焊料熔化且使熔化的焊料铺满基板的待焊接表面，对基板持续加热同时确保熔化的焊料与基板表面紧密接触的条件下，焊接不少于30 s使焊料原子充分固溶至基板内部，之后停止加热并冷却，则完成铝‑铝的瞬态液相连接。本发明所述瞬态液相连接方法，工艺过程简单，易于操作，对环境要求低，而且获得的固溶体焊接接头具有高强度和优良塑性，在铝‑铝金属材料互连领域具有良好的应用前景。

Description

一种铝-铝的瞬态液相连接方法

技术领域

本发明涉及一种铝-铝的瞬态液相连接方法，属于焊接技术领域。

背景技术

随着电子器件向小型化、耐高温、高服役可靠性、高功率密度方向发展，新一代宽禁带半导体器件成为发展趋势，传统高铅焊料已无法满足宽禁带半导体器件更高的服役温度要求，并且RoHS等禁令也使高铅焊料无法继续使用，亟需发展新的耐高温焊接技术。瞬态液相连接技术是替代高铅焊料焊接的潜在技术之一，采用该技术焊接时，将低熔点焊料（如Ga、Sn、In及其合金）加热到熔化温度之上后，液态焊料会与两侧的高熔点基板（如Al、Cu、Ag及其合金）发生扩散反应，在相对较低的温度下形成高温相，实现两侧基板的永久互连。瞬态液相连接的这一工艺特点使其具有“低温制备，高温服役”的特殊优势。然而，瞬态液相连接反应后的高温相通常为金属间化合物，常见金属间化合物（如Cu₆Sn₅、Ag₃Sn、Ag₃In等）多为脆性相且存在严重的各向异性，某些相（如Cu₆Sn₅）在高温服役过程中还会存在相变，这都会导致严重的可靠性问题。与金属间化合物相比，固溶体具有更好的塑性、抗蠕变和抗冲击性、导电性和导热性、高温稳定性，以及物理性质的各向同性，因此，在瞬态液相连接接头中引入固溶体相对于大幅提高接头的服役可靠性具有重要意义。

Al作为电子封装中最早使用的互连金属材料，具有密度较低、热导率较高，容易加工且成本低，在室温下的电阻率较低，与硅的附着性好，易于沉积与刻蚀等多种优点。虽然目前基于瞬态液相连接技术在Al-Al互连中实现了固溶体焊接接头的制备，但在焊接过程中所用焊料（如Mg及其合金等）均会与Al形成硬而脆的金属间化合物（如Al₃Mg₂等），而继续形成Al基固溶体则需要长时间的扩散反应，反应速率极其缓慢，且并不能保证形成全固溶体焊接接头，难以实现实际应用。

发明内容

为了解决宽禁带半导体器件的耐高温互连问题，本发明提供一种铝-铝的瞬态液相连接方法，该方法用于单晶或少晶的纯Al或含Al合金基板之间的瞬态液相连接时，采用Ga或含Ga合金作为焊料，Al和Ga之间不形成任何金属间化合物，而是直接、快速地形成Al基固溶体，从而形成具有高强度和优良塑性的固溶体接头，对于缓解焊接接头由于热膨胀失配而产生的应力集中、提高接头力学性能、改善焊接接头可靠性具有重要意义。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种铝-铝的瞬态液相连接方法，具体包括以下步骤：

对基板进行加热使位于两个基板之间的焊料熔化且使熔化的焊料铺满基板的待焊接表面，在对基板持续加热同时确保熔化的焊料与基板表面紧密接触的条件下，焊接不少于30 s使焊料原子充分固溶至基板内部，之后停止加热并冷却，则完成铝-铝的瞬态液相连接，相应地得到固溶体焊接接头成品。

其中，基板为单晶或少晶的纯Al，或者单晶或少晶含Al的合金，且合金中Al的质量百分数不小于60%，单晶Al或者单晶含Al合金可以是任意晶向，少晶Al或者少晶含Al合金是指单位面积晶粒数不大于10个/mm²的材料；焊料为纯Ga或Ga质量百分数不小于60%的合金。

优选地，对基板进行加热使其温度维持在30~300 ℃范围内。

优选地，持续加热同时对基板施加0.1~10 MPa的压力，确保熔化的焊料与基板表面紧密接触。

优选地，在焊接时间为30 s~24 h。

优选地，熔化的焊料在基板的待焊接表面铺覆的厚度为5~500 μm。

更优选地，对基板进行加热使其温度维持在30~300 ℃范围内，持续加热同时对基板施加0.1~10 MPa的压力，在加热加压条件下焊接时间为30 s~24 h，熔化的焊料在基板的待焊接表面铺覆的厚度为5~500 μm。

优选地，焊料可以采用物理气相沉积法（如真空蒸镀法、溅射镀膜法、电弧等离子体镀法、离子镀膜法以及分子束外延法等）或者化学气相沉积法（常压化学气相沉积法、等离子体辅助化学沉积法、激光辅助化学沉积法、金属有机化合物沉积法）或者原子层沉积法预先沉积在基板的待焊接表面形成焊料膜层，之后进行加热使其熔化；也可以直接将焊料粉体或块体置于基板的待焊接表面，之后进行加热使其熔化。

进一步地，在大气环境中进行铝-铝的瞬态液相连接过程中，还可以在基板和焊料之间滴加焊铝助焊剂，去除基板及焊料表面的氧化膜，降低焊接界面的表面张力；在真空或者惰性气体保护气氛下进行铝-铝的瞬态液相连接过程中，能够避免氧化膜的生成，则不需要滴加焊铝助焊剂。

有益效果：

（1）本发明所述瞬态液相连接方法，采用Ga或含Ga合金作为焊料，在较低的温度下能够获得单晶或少晶的纯Al及其合金之间的固溶体焊接接头，从而形成具有高强度和优良塑性的固溶体接头，对于缓解焊接接头由于热膨胀失配而产生的应力集中、提高接头力学性能、改善焊接接头可靠性具有重要意义。

（2）本发明所述瞬态液相连接方法，采用单晶或少晶的纯Al及其合金作为基板，一方面可以避免Ga扩散至多晶Al晶界产生脆性而危害焊接接头的可靠性，另一方面相对于多晶Al可大幅减少晶界，有益于降低电阻和信号衰减，提高信号传输的清晰度和保真性。

（3）本发明所述瞬态液相连接方法，基板合金中Al的质量百分数不小于60%，同时焊料合金中Ga质量百分数不小于60%，一方面可确保焊接接头中主要成分为(Al-Ga)固溶体，保证焊接接头的服役可靠性，另一方面少量合金元素的加入对焊接接头成分起到调控作用，有利于提升固溶体焊接接头的强塑性。

（4）本发明所述瞬态液相连接方法，设置焊接时间为30 s~24 h，一方面可确保等温凝固过程的完成，获得和基板性能接近的焊接接头，另一方面可避免保温时间过长而造成焊接接头脆化和生产成本的提高；设置焊接温度为30~300 ℃，既可以保证焊料的熔化，又可以使焊料原子在基板内充分扩散，使焊接接头成分分布更加均匀，避免焊接温度过高而使焊接接头性能不稳定；设置熔化的焊料铺覆层厚度为5~500 μm，既可以保证在基板之间形成全固溶体焊接接头，又可以保证焊接接头具有足够的可靠性；焊接过程中优选对基板施加压力，能够有效确保基板和焊料紧密接触，避免焊接过程中形成孔洞，进而确保焊接质量，同时避免压力过大而降低焊接接头的可靠性。

（5）本发明所述瞬态液相连接方法，预先在基板沉积焊料膜层有利于精准控制焊料薄膜层厚度，提高基板上焊料的致密度，使基板和焊料充分接触，提升固溶体焊接接头质量。

（6）本发明所述瞬态液相连接方法，工艺过程简单，易于操作，对环境要求低，在应用中具有实用性、安全性和经济性等优点，在铝-铝金属材料互连领域具有良好的应用前景。

附图说明

图1为实施例1所制备的焊接接头成品纵向截面的扫描电子显微镜（SEM）图。

图2为实施例1所制备的焊接接头成品纵向截面的Al、Ga元素EDS线扫原子比变化曲线。

图3为实施例1所制备的焊接接头成品纵向截面的电子背散射衍射（EBSD）图。

图4为对实施例1所制备的焊接接头成品不同位置进行横向纳米压痕测试得到的载荷-位移曲线对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步阐述，其中，所述方法如无特别说明均为常规方法，所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。

实施例1

选用5 mm×5 mm×1 mm (100)方向单晶纯Al片（纯度99.99%，产自中科言诺（北京）科技有限公司）作为基板，选用纯Ga块体（纯度99.99%，产自中诺新材（北京）科技有限公司）作为焊料，则基于瞬态液相连接方法实现两个单晶纯Al片互连的具体步骤如下：

（1）用砂纸打磨去除基板待焊接表面和Ga块体表面的氧化层，再将基板待焊接表面抛光至表面平整光洁，之后对基板和纯Ga块体进行超声清洗，去除表面杂质；

（2）选用外部加热源热板传热方式对一片基板进行加热并设置加热温度为200℃，在该基板上滴加少量焊铝助焊剂（型号为LXZ921089，产自深圳鹿仙子科技有限公司），并将纯Ga块体置于该基板上，然后进行加热使纯Ga块体熔化后铺满基板表面且Ga熔体铺覆厚度约为150 μm，再将另一片基板覆盖在Ga熔体上方，形成Al/Ga/Al “三明治”结构焊接组件，再在焊接组件垂直方向上施加0.39 MPa压力，在加热加压条件下焊接12 h使Ga原子充分固溶至基板内部，之后冷却即完成两个单晶纯Al片之间的瞬态液相连接，相应地得到固溶体焊接接头成品。

对所制备的焊接接头成品分别进行相应的微观组织表征以及性能测试。从图1的SEM图中可以看出，中间为Al-Ga固溶体相焊接层，两侧为Al单晶相基板，且Al-Ga固溶体相与Al单晶相紧密连接。从图2的EDS线扫描Al、Ga原子比变化曲线中可以看出，中间焊接层Ga所占原子比~20%且成分分布较为均匀，两侧基板含有少量Ga，表明Ga充分固溶至Al晶体内部。根据图3的EBSD表征图像可知，中间焊接层形成面心立方结构的Al-Ga单相固溶体，其纵向截面为（001）晶面。在室温（约24℃）下采用压入深度控制法，设定最大压入深度为1000nm对焊接接头成品的基板以及中间焊接层区域分别进行横向纳米压痕测试（测试结果详见图4），测得基板和中间焊接层的硬度分别为0.94 GPa和0.71 GPa，弹性模量分别为68.8GPa和68.2 GPa，即中间焊接层具有与基板材料相当的优良强塑性。

实施例2

选用10 mm×10 mm×1 mm少晶纯Al片（纯度99.99%，产自中科言诺（北京）科技有限公司，单位面积晶粒数为8个/mm²）作为基板，选用纯Ga块体（纯度99.99%，产自中诺新材（北京）科技有限公司）作为焊料，则基于瞬态液相连接方法实现两个少晶纯Al片互连的具体步骤如下：

（2）选用外部加热源热板传热方式对一片基板进行加热并设置加热温度为100℃，在该基板上滴加少量焊铝助焊剂（型号为LXZ921089，产自深圳鹿仙子科技有限公司），并将纯Ga块体置于该基板上，然后进行加热使纯Ga块体熔融后铺满基板表面且Ga熔体铺覆厚度约为50μm，再将另一片基板覆盖在Ga熔体上方，形成Al/Ga/Al “三明治”结构焊接组件，再在焊接组件垂直方向上施加0.36 MPa压力，在加热加压条件下焊接3 h使Ga原子充分固溶至基板内部，之后冷却即完成两个少晶纯Al片之间的瞬态液相连接，相应地得到固溶体焊接接头成品。

对所制备的焊接接头成品分别进行相应的微观组织表征以及性能测试。根据SEM的表征结果可知，中间的Al-Ga固溶体相焊接层与两侧的Al单晶相基板紧密连接。根据EDS线扫描Al、Ga原子比变化曲线的表征结果可知，中间焊接层Ga所占原子比~13%且成分分布较为均匀，两侧基板含有少量Ga，表明Ga充分固溶至Al晶体内部。根据EBSD的表征结果可知，中间焊接层形成面心立方结构的Al-Ga单相固溶体。在室温（约24℃）下采用压入深度控制法，设定最大压入深度为1000 nm对焊接接头成品的基板以及中间焊接层区域分别进行横向纳米压痕测试，测得基板和中间焊接层的硬度分别为0.66 GPa和0.69 GPa，弹性模量分别为64 GPa和67.3 GPa，则中间焊接层具有与基板材料相当的优良强塑性。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种铝-铝的瞬态液相连接方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

对基板进行加热使位于两个基板之间的焊料熔化且使熔化的焊料铺满基板的待焊接表面，在对基板持续加热同时确保熔化的焊料与基板表面紧密接触的条件下，焊接不少于30 s使焊料原子充分固溶至基板内部，之后停止加热并冷却，则完成铝-铝的瞬态液相连接，相应地得到固溶体焊接接头成品；

其中，基板为单晶或少晶的纯Al，或者单晶或少晶含Al的合金，且合金中Al的质量百分数不小于60%，少晶Al或者少晶含Al合金是指单位面积晶粒数不大于10个/mm²的材料；焊料为纯Ga或Ga质量百分数不小于60%的合金；其中，对基板进行加热使其温度维持在30~300℃范围内，持续加热同时对基板施加0.1~10 MPa的压力，在加热加压条件下焊接时间为30s~24 h，熔化的焊料在基板的待焊接表面铺覆的厚度为5~500 μm，以使得Al和Ga之间不形成任何金属间化合物，而是直接、快速地形成面心立方结构的单相Al基固溶体，从而形成具有高强度和优良塑性的固溶体接头。

2.根据权利要求1所述的一种铝-铝的瞬态液相连接方法，其特征在于：焊料采用真空蒸镀法、溅射镀膜法、电弧等离子体镀法、离子镀膜法、分子束外延法、常压化学气相沉积法、等离子体辅助化学沉积法、激光辅助化学沉积法、金属有机化合物沉积法或者原子层沉积法预先沉积在基板的待焊接表面形成焊料膜层，之后进行加热使其熔化；或者，直接将焊料粉体或焊料块体置于基板的待焊接表面，之后进行加热使其熔化。

3.根据权利要求1所述的一种铝-铝的瞬态液相连接方法，其特征在于：在大气环境中进行铝-铝的瞬态液相连接过程中，在基板和焊料之间滴加焊铝助焊剂。