CN116275058A - 一种微纳米合金接头的多场耦合快速制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微纳米合金接头的多场耦合快速制备方法，所述方法将微纳米金属粉末与分散剂、粘结剂、稀释剂以及助焊剂混合，得到混合焊膏；用常规的方法印刷或滴涂于待焊部位；用加热平台对基板预热去除部分水和有机物；采用电磁或激光与加热平台耦合、或激光、电磁感应与传统热场三场耦合加热焊接，形成接头。该方法将激光、电磁场与传统的热场耦合，三维立体烧结微纳混合颗粒，实现其瞬态、芯片区域的局部键合，攻克微纳米颗粒键合需要整体加热、键合效率低下的问题。多场耦合快速加热条件下，混合颗粒的原子和缺陷运动、扩散行为、填充行为，能够降低孔隙率，对接头微观组织结构和力学行为产生巨大影响。
Description
技术领域
本发明属于电子封装微互连技术领域，涉及一种合金接头的制备方法，具体涉及一种用于高温封装、立体封装、系统封装、多模块封装的多场耦合连接接头的制备方法。
背景技术
电子封装微互连技术是各种电子元器件、模块、组件封装的核心技术之一。以SiC、GaN和ZnO为代表的第三代宽带隙半导体材料和器件，是未来大功率、高频高温、抗强辐射等技术的核心。其中的典型代表—SiC器件具备高导热率、高电子饱和速度和大的临界击穿电场特点，是电力电子领域Si材料的首选替代，特别适合在极端条件和恶劣条件下应用。SiC高功率器件工作环境将包含极高温条件，传统的高铅、金锡、金锗等高温钎料将不再适用。
微纳互连技术的出现，为微电子器件封装的低温连接、高温服役提供了一种极具前景的方案。但目前微纳米金属的烧结仍需要较高的温度和较长的时间，存在键合效率低下的问题。在需要SiC芯片与其它微元件或无源器件使用传统钎料进行混合组装，或SiC芯片与温度敏感元件混合组装的情况下，存在键合、组装工艺难于匹配的问题，如高温、长时间加热，将导致温度敏感器件损伤、传统钎料表面氧化严重、元件或基板焊盘金属溶蚀、金属间化合物(IMC)快速生长等。
发明内容
针对现有微纳米颗粒增强焊料存在的上述问题，本发明提供了一种微纳米合金接头的多场耦合快速制备方法。该方法将激光、电磁场与传统的热场耦合，三维立体烧结微纳混合颗粒，实现其瞬态、芯片区域的局部键合，攻克微纳米颗粒键合需要整体加热、键合效率低下的问题。多场耦合快速加热条件下，混合颗粒的原子和缺陷运动、扩散行为、填充行为，能够降低孔隙率，对接头微观组织结构和力学行为产生巨大影响。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种微纳米合金接头的多场耦合快速制备方法，将微纳米金属粉末与分散剂、粘结剂、稀释剂以及助焊剂混合，得到混合焊膏；用常规的方法印刷或滴涂于待焊部位；用加热平台对基板预热去除部分水和有机物；采用电磁或激光与加热平台耦合、或激光、电磁感应与传统热场三场耦合加热焊接，形成接头，具体包括如下三种技术方案：
技术方案一、
步骤一：称取微纳米金属粉末与分散剂、粘结剂、稀释剂以及助焊剂混合，搅拌均匀，得到微纳米复合合金焊膏，其中：所述微纳米复合合金焊膏中含有80～96wt.％的微纳米金属粉末，1～5wt.％的分散剂，1～5wt.％的粘结剂，1～5wt.％的稀释剂，1～5wt.％的助焊剂；所述微纳米金属粉末由微米金属粉末和纳米金属粉末按照1:3～3:1的质量比混合而成，所述微米金属粉末为微米铜银核壳颗粒、微米银颗粒、微米锡基粉末、微米金等中的一种或几种；所述纳米金属粉末为纳米铜银核壳颗粒、纳米银颗粒、纳米银铜固溶体颗粒、纳米锡基粉末、纳米金等中的一种或几种；所述分散剂为甲基戊醇或聚乙二醇400；所述粘结剂为α-松油醇或聚异丁烯；所述稀释剂为萜品醇、乙二醇或酒精；所述助焊剂为松香、柠檬酸或丁二酸；
步骤二：用常规的方法将微纳米复合合金焊膏印刷或滴涂于待焊部位；
步骤三：将印刷或滴涂有微纳米复合合金焊膏的基板置于石墨加热平台上、激光器下，设置石墨加热平台的温度为70～90℃，预热3～10min除去部分有机物和水，将芯片放置在基板中间位置，在烧结试样上覆盖一层石英玻璃片，在石英玻璃片上施加压力，控制压力大小为1～5MPa；
步骤四：将石墨加热平台的温度升至150～200℃，将激光光斑聚焦到芯片中心位置，设置离焦量为1～5cm，激光功率为60～100W，加热时间为1～15s，即可实现烧结形成接头。
技术方案二：
一种微纳米合金接头的多场耦合快速制备方法，包括如下步骤：
步骤一：称取微纳米金属粉末与分散剂、粘结剂、稀释剂以及助焊剂混合，搅拌均匀，得到微纳米复合合金焊膏，其中：所述微纳米复合合金焊膏中含有80～96wt.％的微纳米金属粉末，1～5wt.％的分散剂，1～5wt.％的粘结剂，1～5wt.％的稀释剂，1～5wt.％的助焊剂；所述微纳米金属粉末由微米金属粉末和纳米金属粉末按照1:3～3:1的质量比混合而成，所述微米金属粉末为微米铜银核壳颗粒、微米银颗粒、微米锡基粉末、微米金等中的一种或几种；所述纳米金属粉末为纳米铜银核壳颗粒、纳米银颗粒、纳米银铜固溶体颗粒、纳米锡基粉末、纳米金等中的一种或几种；所述分散剂为甲基戊醇或聚乙二醇400；所述粘结剂为α-松油醇或聚异丁烯；所述稀释剂为萜品醇、乙二醇或酒精；所述助焊剂为松香、柠檬酸或丁二酸；
步骤二：用常规的方法将微纳米复合合金焊膏印刷或滴涂于待焊部位；
步骤三：将印刷或滴涂有微纳米复合合金焊膏的基板置于石墨加热平台上、电磁感应加热线圈下，设置石墨加热平台的温度为70～90℃，预热3～10min除去部分有机物和水，将芯片放置在基板中间位置，在烧结试样上覆盖一层石英玻璃片，在石英玻璃片上施加压力，控制压力大小为1～5MPa；
步骤四：将石墨加热平台的温度升至150～200℃，将芯片中心与感应线圈中心位置对准，设置电磁功率为1～26kW，脉冲加热时间为1～15s，即可实现烧结形成接头。
技术方案三：
一种微纳米合金接头的多场耦合快速制备方法，包括如下步骤：
称取微纳米金属粉末与分散剂、粘结剂、稀释剂以及助焊剂混合，搅拌均匀，得到微纳米复合合金焊膏，其中：所述微纳米复合合金焊膏中含有80～96wt.％的微纳米金属粉末，1～5wt.％的分散剂，1～5wt.％的粘结剂，1～5wt.％的稀释剂，1～5wt.％的助焊剂；所述微纳米金属粉末由微米金属粉末和纳米金属粉末按照1:3～3:1的质量比混合而成，所述微米金属粉末为微米铜银核壳颗粒、微米银颗粒、微米锡基粉末、微米金等中的一种或几种；所述纳米金属粉末为纳米铜银核壳颗粒、纳米银颗粒、纳米银铜固溶体颗粒、纳米锡基粉末、纳米金等中的一种或几种；所述分散剂为甲基戊醇或聚乙二醇400；所述粘结剂为α-松油醇或聚异丁烯；所述稀释剂为萜品醇、乙二醇或酒精；所述助焊剂为松香、柠檬酸或丁二酸；
步骤二：用常规的方法将微纳米复合合金焊膏印刷或滴涂于待焊部位；
步骤三：将印刷或滴涂有微纳米复合合金焊膏的基板置于石墨加热平台上、电磁感应加热线圈及激光器下，设置石墨加热平台的温度为70～90℃，预热3～10min除去部分有机物和水，将芯片放置在基板中间位置，在烧结试样上覆盖一层石英玻璃片，在石英玻璃片上施加压力，控制压力大小为1～5MPa；
步骤四：将石墨加热平台的温度升至150～200℃，将激光光斑聚焦到芯片中心位置，并保证芯片中心与感应线圈中心位置对准，设置离焦量为1～5cm，激光功率为60～100W，电磁功率为1～26kW，三场耦合加热时间为1～15s，即可实现烧结形成接头。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1、本发明中微纳米合金焊料与现有的焊料中加入单一的微、纳米颗粒的焊料相比，纳米颗粒可填充微米颗粒间的缝隙，实现微、纳米颗粒的均匀混合，由此有效降低孔隙率，保证获得均匀的组织、高的强度。
2、本发明采用激光、电磁与传统热场可实现多场耦合快速连接，对芯片瞬态、局部区域的精确键合，键合时间短，热影响区小，攻克纳米颗粒键合整体加热和键合效率低下的问题，多场耦合条件下，进一步降低孔隙率，并获得均匀的组织、高的钎料合金强度。
3、本发明适用于高温封装、立体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为微纳米合金接头的多场耦合快速制备原理图；
图2为实施例6和实施例7所用20～50nm的银铜固溶体颗粒SEM图；
图3为实施例6和实施例7所用微米铜银核壳颗粒SEM图；
图4为实施例7所得接头的SEM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：
本实施例中，按照如下步骤制备微纳米银铜合金接头：
步骤一：称取微米铜银核壳颗粒和纳米银铜固溶体粉末，与分散剂聚乙二醇400、粘结剂α-松油醇、稀释剂酒精以及助焊剂丁二酸混合，搅拌均匀，得到微纳米银铜合金焊膏，所述微纳米银铜合金焊膏中微米铜银核壳颗粒、纳米银铜固溶体粉末、分散剂聚乙二醇400、粘结剂α-松油醇、稀释剂酒精以及助焊剂丁二酸的质量比为72：24：1：1：1：1；
步骤二：用常规的方法将微纳米复合合金焊膏印刷或滴涂于待焊部位；
步骤三：将印刷或滴涂有微纳米复合合金焊膏的基板置于石墨加热平台上、激光器下，设置石墨加热平台的温度为90℃，预热5min除去部分有机物和水，将芯片放置在基板中间位置，在烧结试样上覆盖一层石英玻璃片，通过石英玻璃片加载上砝码施加压力5MPa；
步骤四：将石墨加热平台的温度升至200℃，将激光光斑聚焦到芯片中心位置，设置离焦量为2cm，激光功率为80W，加热时间为10s，即可加热焊接形成微纳米银铜合金接头。
实施例2：
本实施例与实施例1不同的是：步骤四中，设置激光离焦量为2cm，激光功率为120W，加热时间为5s。
实施例3：
本实施例与实施例1-2不同的是：步骤一中，所用微纳米金属粉末为微米铜银核壳颗粒与纳米铜银核壳颗粒的混合物。
实施例4：
本实施例与实施例1-2不同的是：步骤一中，所用微纳米金属粉末为微米银粉与纳米银铜固溶体粉末的混合物，微米银粉、纳米银铜固溶体粉末、分散剂甲基戊醇、粘结剂α-松油醇、稀释剂乙二醇、助焊剂松香的质量比为68:23:3:1:3:2。
实施例5：
本实施例与实施例1-4不同的是：步骤三中，设置石墨加热平台的温度为150℃，预热5min，通过石英玻璃片加载上砝码施加压力3MPa。
实施例6：
本实施例与实施例1-5不同的是：步骤四中，所用热源为电磁感应与传统热场耦合，设置电磁功率为22kW，脉冲加热为12s，烧结形成微纳米银铜合金接头。
实施例7：
本实施例与实施例6不同的是：步骤四中，将石墨加热平台的温度升至220℃，设置电磁功率为26kW，脉冲加热为8s。
实施例8：
本实施例与实施例1-5不同的是：步骤四中，所用热源为热板、激光、电磁感应三场耦合，将石墨加热平台的温度升至200℃，设置激光器的离焦量为2cm，激光功率为80W，电磁功率为22kW，加热时间为1s。
Claims (9)
1.一种微纳米合金接头的多场耦合快速制备方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤一：称取微纳米金属粉末与分散剂、粘结剂、稀释剂以及助焊剂混合，搅拌均匀，得到微纳米复合合金焊膏，其中：所述微纳米复合合金焊膏中含有80～96wt.％的微纳米金属粉末，1～5wt.％的分散剂，1～5wt.％的粘结剂，1～5wt.％的稀释剂，1～5wt.％的助焊剂；
步骤二：将微纳米复合合金焊膏印刷或滴涂于待焊部位；
步骤三：将印刷或滴涂有微纳米复合合金焊膏的基板置于石墨加热平台上、激光器下，设置石墨加热平台的温度为70～90℃，预热3～10min除去部分有机物和水，将芯片放置在基板中间位置，在烧结试样上覆盖一层石英玻璃片，在石英玻璃片上施加压力，控制压力大小为1～5MPa；
步骤四：将石墨加热平台的温度升至150～200℃，将激光光斑聚焦到芯片中心位置，设置离焦量为1～5cm，激光功率为60～100W，加热时间为1～15s，即可实现烧结形成接头。
2.根据权利要求1所述的微纳米合金接头的多场耦合快速制备方法，其特征在于所述微纳米金属粉末由微米金属粉末和纳米金属粉末按照1:3～3:1的质量比混合而成，其中：所述微米金属粉末为微米铜银核壳颗粒、微米银颗粒、微米锡基粉末、微米金中的一种或几种；所述纳米金属粉末为纳米铜银核壳颗粒、纳米银颗粒、纳米银铜固溶体颗粒、纳米锡基粉末、纳米金中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的微纳米合金接头的多场耦合快速制备方法，其特征在于所述分散剂为甲基戊醇或聚乙二醇400；所述粘结剂为α-松油醇或聚异丁烯；所述稀释剂为萜品醇、乙二醇或酒精；所述助焊剂为松香、柠檬酸或丁二酸。
4.一种微纳米合金接头的多场耦合快速制备方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤一：称取微纳米金属粉末与分散剂、粘结剂、稀释剂以及助焊剂混合，搅拌均匀，得到微纳米复合合金焊膏，其中：所述微纳米复合合金焊膏中含有80～96wt.％的微纳米金属粉末，1～5wt.％的分散剂，1～5wt.％的粘结剂，1～5wt.％的稀释剂，1～5wt.％的助焊剂；
步骤二：将微纳米复合合金焊膏印刷或滴涂于待焊部位；
步骤三：将印刷或滴涂有微纳米复合合金焊膏的基板置于石墨加热平台上、电磁感应加热线圈下，设置石墨加热平台的温度为70～90℃，预热3～10min除去部分有机物和水，将芯片放置在基板中间位置，在烧结试样上覆盖一层石英玻璃片，在石英玻璃片上施加压力，控制压力大小为1～5MPa；
步骤四：将石墨加热平台的温度升至150～200℃，将芯片中心与感应线圈中心位置对准，设置电磁功率为1～26kW，脉冲加热时间为1～15s，即可实现烧结形成接头。
5.根据权利要求4所述的微纳米合金接头的多场耦合快速制备方法，其特征在于所述微纳米金属粉末由微米金属粉末和纳米金属粉末按照1:3～3:1的质量比混合而成，其中：所述微米金属粉末为微米铜银核壳颗粒、微米银颗粒、微米锡基粉末、微米金中的一种或几种；所述纳米金属粉末为纳米铜银核壳颗粒、纳米银颗粒、纳米银铜固溶体颗粒、纳米锡基粉末、纳米金中的一种或几种。
6.根据权利要求4所述的微纳米合金接头的多场耦合快速制备方法，其特征在于所述分散剂为甲基戊醇或聚乙二醇400；所述粘结剂为α-松油醇或聚异丁烯；所述稀释剂为萜品醇、乙二醇或酒精；所述助焊剂为松香、柠檬酸或丁二酸。
7.一种微纳米合金接头的多场耦合快速制备方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤一、称取微纳米金属粉末与分散剂、粘结剂、稀释剂以及助焊剂混合，搅拌均匀，得到微纳米复合合金焊膏，其中：所述微纳米复合合金焊膏中含有80～96wt.％的微纳米金属粉末，1～5wt.％的分散剂，1～5wt.％的粘结剂，1～5wt.％的稀释剂，1～5wt.％的助焊剂；
步骤二：将微纳米复合合金焊膏印刷或滴涂于待焊部位；
步骤三：将印刷或滴涂有微纳米复合合金焊膏的基板置于石墨加热平台上、电磁感应加热线圈及激光器下，设置石墨加热平台的温度为70～90℃，预热3～10min除去部分有机物和水，将芯片放置在基板中间位置，在烧结试样上覆盖一层石英玻璃片，在石英玻璃片上施加压力，控制压力大小为1～5MPa；
步骤四：将石墨加热平台的温度升至150～200℃，将激光光斑聚焦到芯片中心位置，并保证芯片中心与感应线圈中心位置对准，设置离焦量为1～5cm，激光功率为60～100W，电磁功率为1～26kW，三场耦合加热时间为1～15s，即可实现烧结形成接头。
8.根据权利要求7所述的微纳米合金接头的多场耦合快速制备方法，其特征在于所述微纳米金属粉末由微米金属粉末和纳米金属粉末按照1:3～3:1的质量比混合而成，其中：所述微米金属粉末为微米铜银核壳颗粒、微米银颗粒、微米锡基粉末、微米金中的一种或几种；所述纳米金属粉末为纳米铜银核壳颗粒、纳米银颗粒、纳米银铜固溶体颗粒、纳米锡基粉末、纳米金中的一种或几种。
9.根据权利要求7所述的微纳米合金接头的多场耦合快速制备方法，其特征在于所述分散剂为甲基戊醇或聚乙二醇400；所述粘结剂为α-松油醇或聚异丁烯；所述稀释剂为萜品醇、乙二醇或酒精；所述助焊剂为松香、柠檬酸或丁二酸。
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