CN116352244B - 一种利用瞬态液相扩散焊预置金锡焊片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及焊接技术领域，具体涉及到一种利用瞬态液相扩散焊预置金锡焊片的制备方法。本申请的一种利用瞬态液相扩散焊预置金锡焊片的制备方法，通过S1、将金和锡按特定比例熔炼成金锡合金锭；S2、使用热轧工艺将所述金锡合金锭轧制成相应厚度的金锡焊料带；S3、在所述金锡焊料带的一面涂布一层厚度<0.5μm的锡层；S4、将带有锡层的所述金锡焊料带冲制成相应尺寸的金锡焊片；S5、运用瞬态液相焊扩散工艺将金锡焊片预置到相应的封装基板上，实现利用TLP瞬态液相扩散焊，使得金锡焊片与封装基板间形成紧密、连贯一体的接头，有效避免后续芯片粘接或者管壳气密性封装焊接时装配难度大，润湿不良，界面空洞等问题。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体涉及到一种利用瞬态液相扩散焊预置金锡焊片的制备方法。
背景技术
近年来，无铅钎料的发展受到越来越多的关注，金锡共晶合金钎料具有优异的抗疲劳性能、抗蠕变性能、耐腐蚀性能、高热导率、高电导率和免助焊剂等优点，是目前280～360℃温度范围内唯一可以替代高熔点铅基合金的无铅钎料，广泛应用于微电子器件和光电子器件封装、芯片粘接、气密性封装、光纤馈通联接等。
一般芯片粘接或者管壳气密性封装焊接时，都是采用上下待焊接面中间组装一个预成型金锡焊片的三明治结构，焊片和组件的定位都需要相应的夹具来保证，然后在真空或者氮氢混合保护气氛中进行共晶回流焊，最后在芯片和基板之间，或者盖板和管壳之间形成可靠的金锡共晶互连。但是随着封装密度的增加，预成型焊片的尺寸也越来越小，组装难度越来越大，为了提升封装效率，越来越多的应用需要在封装前就把金锡焊片预先组装在组件上，后续就可以减少装配的难度，实现自动化的装配，提高产能。
现阶段的金锡焊片预置工艺普遍采用电阻点焊，热压点焊或者激光点焊的方式把金锡焊片预置到组件上。这些点焊的方式都需要将金锡焊片局部加热到熔点以上的温度(>300℃)，使金锡熔化，与底层金属产生冶金结合，这样就无法避免焊料在点焊过程中的氧化，使焊点处在后续芯片粘接或者管壳气密性封装焊接时发生润湿不良，氧化发黑，界面空洞的问题，进而造成气密性失效。电阻点焊需要预置金锡的组件有足够的小的电阻，因此不能用于陶瓷盖板或陶瓷壳体，热压点焊和激光点焊都有能量过大，焊点氧化严重的问题。为此，针对现阶段金锡焊片预置工艺不可靠的问题，利用薄膜工艺或其他预置办法和瞬态液相焊(TLP)提出了一种预置金锡焊片的方法。
其中薄膜制备技术是利用磁控溅射或者蒸镀的方式在PCB，陶瓷，金属，玻璃等基材上沉积几百纳米至十几微米厚度的金属薄膜的方法，该方法具有尺寸精度高，膜厚可控，成分均匀，现广泛用于电子制造行业。
而TLP液相扩散焊方法也称瞬时液相扩散焊(Transient Liquid PhaseWelding)，是扩散焊接的一种，通常采用比母材熔点低的材料作中间夹层，在加热到连接温度时，中间层熔化，在结合面上形成瞬间液膜，在保温过程中，随着低熔点组元向母材的扩散，液膜厚度随之减小直至消失，再经一定时间的保温而使成分均匀化。具体的工艺步骤是1)将中间扩散夹层材料夹在被连接表面之间，施加一定的压力和超声。2)然后在无氧化或无污染的条件下加热，当加热到连接温度Tb(中间相熔点<Tb温度<母材熔点)时，形成共晶液相。3)等温凝固过程：液相形成并充满整个焊缝缝隙后，应立即开始保温，使液-固相之间进行充分的扩散，由于液相中使熔点降低的元素大量扩散至母材内，母材中某些元素向液相中溶解，使液相的熔点逐渐升高而凝固，凝固界面从两侧向中间推进。随着保温时间的延长，接头中的液相逐渐减少，最后形成固态接头。
瞬时液相连接能使低熔点中间层熔化并与高熔点母材形成连接，很好地契合了第三代半导体材料的封装需求，因此广受行业关注。瞬时液相连接是介于钎焊与固相扩散焊之间的一种连接方法，其原理是在待焊母材中间加入中间层，利用中间层熔化、中间层体系间或中间层与母材之间发生共晶反应形成的液相填充间隙，通过液相组元向固态母材中的扩散实现等温凝固和成分均匀化。TLP技术的中间层材料必须具有较低的熔点，常用的低熔点材料有Sn、Bi以及In等元素，能与这些元素形成高熔点金属间化合物的有Cu、Ni、Ag以及Au等元素。所以，TLP技术可以实现材料的低温连接和高温应用，是封装宽禁带半导体器件的可行技术，且该技术连接得到的接头性能优异，而且适合连接特殊材料，如单晶材料、先进陶瓷、金属基复合材料等。
但在高温焊接应用比如在芯片附着应用中，TLP连接使用非常薄的焊料层，比如具有小于3μm的厚度的焊料层。这些薄焊料层的使用，由于焊料的体积小，待连接的衬底表面必须具有非常低的粗糙度，这通常需要进一步加工成商业可得的衬底。此外，用薄焊料层，芯片和衬底必须置于高压下。薄焊料层的使用也频繁地对使用的衬底类型产生限制；通常，两个衬底必须是相同的材料，或者必须仔细地匹配。在这些应用中，由于IMC形成，增加焊料层的厚度产生不可用的脆性接头。
因此，本发明提出一种利用瞬态液相扩散焊预置金锡焊片的制备方法。
发明内容
本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种利用瞬态液相扩散焊预置金锡焊片的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种利用瞬态液相扩散焊预置金锡焊片的制备方法，包括以下方法：
S1、将金和锡按特定比例熔炼成金锡合金锭；
S2、使用热轧工艺将所述金锡合金锭轧制成相应厚度的金锡焊料带；
S3、在所述金锡焊料带的一面涂布一层厚度<0.5μm的锡层；
S4、将带有锡层的所述金锡焊料带冲制成相应尺寸的金锡焊片；
S5、运用瞬态液相焊扩散工艺将金锡焊片预置到相应的封装基板上。
进一步的，步骤S1包括将金和锡按重量比为4:1投入到真空炉中进行熔炼，其熔炼温度为320-350℃，保温15-20min；再倒出到冷石墨方形铸模中自然冷却，并重复熔炼3-4次。
进一步的，步骤S2中热轧工艺的温度为230-260℃；在金锡合金锭厚度为2mm以上时轧辊入料速度控制在0.5-2cm/s；在金锡合金锭厚度为2mm以下时，轧辊入料速度为3cm/s。
进一步的，步骤S3包括对所述金锡焊料带进行除油和活化表面预处理，除油使用不含硅酸钠的碱液，表面活化使用8％稀硫酸溶液浸泡1-2分钟；再通过蒸镀、溅射中的一种工艺涂布一层厚度<0.5μm的锡层。
进一步的，所述蒸镀工艺包括将金锡料带固定放置在上方不锈钢基板上，在底部钼坩埚中加入99.99％纯锡颗粒，关闭蒸镀机舱门，抽真空至1.3x10-4Mpa后，开启上方不锈钢基板预热功能，使得金锡焊料带更易于吸附锡原子颗粒，提高蒸镀速率；接着开启钼坩埚的加热电源，以2A/s的速率逐渐增大电流，使钼坩埚中的纯锡熔化至沸腾蒸发；最终反应电流控制在80A-110A，当膜厚监测仪上显示的膜厚为0.3-0.45μm时，关闭钼坩埚电流；待温度下降后逐渐释放真空，取出固定在基板上的金锡料带。
进一步的，步骤S5中瞬态液相焊扩散焊工艺包括调整焊接头温度和焊接时间；其中，所述瞬态液相扩散焊包括热压焊、回流焊、超声热压焊中的至少一种。
进一步的，超声热压焊中焊接头与金锡焊片接触面积为0.2mm2，所述焊接头温度为240℃～260℃，所述焊接时间为0.2-0.8s，超声频率为25000HZ,压力为0.5-3MPA。
进一步的，焊接头温度为243℃，焊接时间为5s，超声频率为25000HZ，压力为0.5-3MPA。
本发明的有益效果：由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明的一种利用瞬态液相扩散焊预置金锡焊片的制备方法，通过S1、将金和锡按特定比例熔炼成金锡合金锭；S2、使用热轧工艺将所述金锡合金锭轧制成相应厚度的金锡焊料带；S3、在所述金锡焊料带的一面涂布一层厚度<0.5μm的锡层；S4、将带有锡层的所述金锡焊料带冲制成相应尺寸的金锡焊片；S5、运用瞬态液相焊扩散工艺将金锡焊片预置到相应的封装基板上，实现利用TLP瞬态液相扩散焊，使得金锡焊片与封装基板间形成紧密、连贯一体的接头，有效避免后续芯片粘接或者管壳气密性封装焊接时发生润湿不良，氧化发黑，界面空洞等问题。
附图说明
图1为本发明优选实施例中一种利用瞬态液相扩散焊预置金锡焊片的制备方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照图1所示，本发明的优选实施例，一种利用瞬态液相扩散焊预置金锡焊片的制备方法，包括以下方法：
S1、将金和锡按特定比例熔炼成金锡合金锭；
即将金和锡按重量比为4:1投入到真空炉中进行熔炼，其熔炼温度为320-350℃，保温15-20min；再倒出到冷石墨方形铸模中自然冷却，并重复熔炼3-4次，保证成分混合均匀，无成分偏析产生。
S2、使用热轧工艺将所述金锡合金锭轧制成相应厚度的金锡焊料带；
即热轧工艺的温度为230-260℃；在金锡合金锭厚度为2mm以上时轧辊入料速度控制在0.5-2cm/s；在金锡合金锭厚度为2mm以下时，轧辊入料速度为3cm/s。
S3、在所述金锡焊料带的一面涂布一层厚度<0.5μm的锡层；
即通过蒸镀工艺涂布一层厚度<0.5μm的锡层。具体地，所述将金锡料带固定放置在上方不锈钢基板上，在底部钼坩埚中加入99.99％纯锡颗粒，纯锡的重量根据蒸镀机空间大小进行计算损耗率；关闭蒸镀机舱门，抽真空至1.3x10-4Mpa后，开启上方不锈钢基板预热功能，使得料带更易于吸附锡原子颗粒，提高蒸镀速率。开启钼坩埚的加热电源，以2A/s的速率逐渐增大电流，使钼坩埚中的纯锡熔化至沸腾蒸发；最终反应电流控制在80A-110A，如电流太小，反应速率太慢，电流过大，则锡液容易飞溅，造成物料损耗及蒸镀厚度不平均；当膜厚监测仪上显示的膜厚为0.3-0.45μm时，关闭钼坩埚电流；待温度下降后逐渐释放真空，取出固定在基板上的金锡料带.
S4、将带有锡层的所述金锡焊料带冲制成相应尺寸的金锡焊片；
S5、运用瞬态液相焊扩散工艺将金锡焊片预置到相应的封装基板上。
即运用瞬态液相扩散焊的原理进行金锡焊片预置，通过调整焊接时间和焊接温度，使接头充分扩散，在锡的液相线上保持足够的时间，最终形成完整的固相接头。其中，所述瞬态液相扩散焊包括热压焊、回流焊、超声热压焊中的至少一种，优选地为超声热压。
该超声热压焊中焊接头与金锡焊片接触面积为0.2mm2，所述焊接头温度为240℃～260℃，所述焊接时间为2-8s，超声频率为25000HZ，压力为0.5-3MPA。优选地为焊接头温度为243℃，焊接时间为5s，压力为1MPA。
本申请的在具体的实施方式中，瞬态液相扩散焊可通过热压、回流等方式中的一种实现。预置的组件材料可以是金属化的陶瓷，金属基板，管壳或者盖板等。
本发明通过利用TLP瞬态液相扩散焊的特点，在金锡焊片上沉积一层非常薄的Sn层(厚度<0.5um)作为中间层，然后再利用TLP瞬态液相扩散焊将金锡焊片预置到各类金锡组件上(金锡盖板，管壳，芯片组件)，焊接温度在240℃～260℃之间，Sn层液化并充分保温之后，锡层和上下表面的金或金锡之间充分扩散，形成了良好的接头。这样的接头的好处是：1)形成的接头整个面连接，接头有足够的强度，2)锡层非常薄，整个焊接时间需要的时间非常短，不会有过分的氧化，3)形成的接头是完全的金锡金属间化合物，这样不会影响后续的金锡焊片共晶回流焊接。
在不出现冲突的前提下，本领域技术人员可以将上述附加技术特征自由组合以及叠加使用。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。
Claims (6)
1.一种利用瞬态液相扩散焊预置金锡焊片的制备方法，其特征在于，包括以下方法：
S1、将金和锡熔炼成金锡合金锭；
S2、使用热轧工艺将所述金锡合金锭轧制成金锡焊料带；
S3、在所述金锡焊料带的一面涂布一层厚度<0.5μm的锡层；
对所述金锡焊料带进行除油和活化表面预处理，除油使用不含硅酸钠的碱液，表面活化使用8％稀硫酸溶液浸泡1-2分钟；再通过蒸镀工艺涂布一层厚度<5μm的锡层；
所述蒸镀工艺包括将金锡料带固定放置在上方不锈钢基板上，在底部钼坩埚中加入99.99％纯锡颗粒，关闭蒸镀机舱门，抽真空至1.3x10-4Mpa后，开启上方不锈钢基板预热功能，使得金锡焊料带更易于吸附锡原子颗粒，提高蒸镀速率；接着开启钼坩埚的加热电源，以2A/s的速率逐渐增大电流，使钼坩埚中的纯锡熔化至沸腾蒸发；最终反应电流控制在80A-110A，当膜厚监测仪上显示的膜厚为0.3-0.45μm时，关闭钼坩埚电流；待温度下降后逐渐释放真空，取出固定在基板上的金锡料带；
S4、将带有锡层的所述金锡焊料带冲制成金锡焊片；
S5、运用瞬态液相扩散焊工艺将金锡焊片预置到相应的封装基板上。
2.根据权利要求1所述的利用瞬态液相扩散焊预置金锡焊片的制备方法，其特征在于：所述步骤S1包括将金和锡按重量比为4:1投入到真空炉中进行熔炼，其熔炼温度为320-350℃，保温15-20min；再倒出到冷石墨方形铸模中自然冷却，并重复熔炼3-4次。
3.根据权利要求1所述的利用瞬态液相扩散焊预置金锡焊片的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中热轧工艺的温度为230-260℃；在金锡合金锭厚度为2mm以上时轧辊入料速度控制在0.5-2cm/s；在金锡合金锭厚度为2mm以下时，轧辊入料速度为3cm/s。
4.根据权利要求1所述的利用瞬态液相扩散焊预置金锡焊片的制备方法，其特征在于：所述步骤S5中瞬态液相焊扩散焊工艺包括调整焊接头温度和焊接时间；其中，所述瞬态液相扩散焊包括热压焊、回流焊、超声热压焊中的一种。
5.根据权利要求4所述的利用瞬态液相扩散焊预置金锡焊片的制备方法，其特征在于：所述超声热压焊中焊接头与金锡焊片接触面积为0.2mm2，所述焊接头温度为240℃～260℃，所述焊接时间为2-8s，超声频率为25000HZ，压力为0.5-3MPA。
6.根据权利要求5所述的利用瞬态液相扩散焊预置金锡焊片的制备方法，其特征在于：所述焊接头温度为243℃，焊接时间为5s，超声频率为25000HZ，压力为1MPA。
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