CN116613074A - 一种利用脉冲热压焊制备覆铜氮化铝金锡热沉的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电子封装材料生产技术领域，具体涉及到一种利用脉冲热压焊制备覆铜氮化铝金锡热沉的方法。本申请的一种利用脉冲热压焊制备覆铜氮化铝金锡热沉的方法，通过S1、往氮化铝陶瓷基板上溅射钛，形成钛导电层；S2、将镀有钛导电层的所述氮化铝陶瓷基板图形化，并电镀铜、镍、金；S3、制作相应比例的金锡焊片；S4、制备用于定位陶瓷基板的夹具和热压头能覆盖所述金锡焊片图形的热压咀，所述热压咀端面磨至镜面；S5、调平并进行脉冲热压预置；S6、切割，获得氮化铝金锡热沉，从而减少了金锡热沉的成本，简化操作。
Description
技术领域
本发明涉及电子封装材料生产技术领域，具体涉及到一种利用脉冲热压焊制备覆铜氮化铝金锡热沉的方法。
背景技术
电子封装是将一个具有一定功能的集成电路芯片(包括半导体集成电路芯片、薄膜集成电路基片、混合集成电路芯片)放置在一个与之相适应的外壳容器中，为芯片提供一个稳定可靠的工作环境，保护芯片不受或少受外部环境影响，使集成电路具有稳定正常的功能。同时封装也是芯片输出、输入端向外过渡的连接手段，与芯片共同形成一个完整的整体。电子封装材料要求具有一定的机械强度、良好的电气性能、散热性能和化学稳定性，并根据集成电路类别和使用场所的不同，选用不同的封装结构和材料。在功率电子器件和电路中散热是一个不可避免的影响器件可靠性的关键因素。热沉材料有助于消散芯片热量，将其传输到周围的空气中，让芯片工作在一个可接受的温度环境中。
钼铜、钨铜、CMC、CPC、氮化铝陶瓷、氮化铝覆铜陶瓷等热沉可有效释放电子器件的热量，有助于冷却IGBT模块、RF功率放大器、大功率LED芯片等各种产品，可用于大规模集成电路和大功率微波器件中作为绝缘金属基片、热控板和散热元件(热沉材料)和引线框架。
而陶瓷基板在电力电子器件、汽车工业、大功率紫外LED灯、光通信激光器、微波真空器件等领域有着重要应用。如果用于承载光电芯片的封装基板，无法解决芯片热量有效传导的问题，必然导致产品使用寿命缩短，甚至烧毁芯片。传统的光电封装基板一般是采用氧化铝陶瓷，热导率只有16～17W/m·K，对于大功率器件的高导热要求已经不能满足，而热传导率达到150～300W/m·K的氮化铝材料，具有优良的热传导性，可靠的电绝缘性，低的介电常数和介电损耗，热膨胀系数与硅半导体元件相匹配，高电阻率，良好的机械性能和耐腐蚀性能等优点，已经逐步代替了传统封装材料氧化铝和氧化铍陶瓷。
然而高导热要求的陶瓷基板除了选用AlN材料外，还要结合其材料特性以及大功率、大电流的特点对芯片和封装基板进行整体结构设计，包括镀层结构，线路设计和孔互联等方面，这样才能满足要求。因此，在镀层结构设计方面，由于氮化铝陶瓷较难实现与电子芯片的直接连接，需将其表面金属化，也就是上面所说的覆铜氮化铝陶瓷基板。
目前，覆铜氮化铝陶瓷板金属化基本都是在直接覆铜法的基础上加以改进。现有技术中也有通过钛和铜结合实现其表面金属化，通过真空磁控溅射镀在氮化铝陶瓷板表面形成设定厚度的钛导电层和铜种子层，然后再将其置于硫酸铜电镀液中进行电镀铜增厚，形成的钛层和铜层经过多段热处理便可进行后续金属材料的电镀。
而金属化的金锡合金的制备一般采用先电镀金锡焊料层，然后利用光刻形成金锡图案的方法。如发明专利申请号CN202110814247.7公开了在基材上电沉积金锡合金层后，用干法刻蚀的办法形成金图案层，该方法在用于较厚的膜(>2μm)时，这会导致钻蚀和降低分辨力的问题。也有使用薄膜工艺沉积Ti/Pt/Au或者Ti/Ni/Au电极和金锡合金的，如发明专利申请号CN104294218A公开了采用真空蒸发法在载体表面镀覆金层和锡层混合的方式形成金锡合金层，其实施方法如下：为制备一定厚度和比例的金锡合金，预先确定好蒸镀的Au层和Sn层的层数，再根据金锡合金的总厚度及Au和Sn的比例，计算出Au层和Sn层的厚度；根据Au层和Sn层的总厚度计算出蒸镀的Au球和Sn球的质量，再根据Au球Sn球的数量与其层数相同，可计算出Au球和Sn球的直径，再将计算出来的金球和锡球放入真空设备进行蒸镀。但蒸镀金锡的缺点是1)工艺较复杂；2)由于Au和Sn在特定温度下的饱和蒸气压不一致会导致金锡比例难控制；3)蒸镀工艺对材料的利用率低，容易造成贵金属Au的浪费，在贵金属的回收过程中会产生额外的成本，尤其是金锡焊料层，使氮化铝金锡热沉成本居高不下。
为此，本发明针对常规薄膜工艺制备金锡薄膜的成本高，以及光刻工艺分辨力低的问题，提出了一种新颖的利用脉冲热压焊制备覆铜氮化铝金锡热沉的方法，先使用常规熔炼，热压的方式制备金锡焊片，再利用脉冲热压焊这种瞬时加热的方法将金锡焊片熔覆到覆铜氮化铝基板上，可以避免焊料的氧化，使焊片不会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。
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，提供一种利用脉冲热压焊制备覆铜氮化铝金锡热沉的方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种利用脉冲热压焊制备覆铜氮化铝金锡热沉的方法，包括以下方法：
S1、往氮化铝陶瓷基板上溅射钛及铜种子，形成钛铜导电层；
S2、将镀有钛导电层的所述氮化铝陶瓷基板图形化，并电镀增厚铜层、接着电镀镍、金金属层；
S3、制作相应比例的金锡焊片；
S4、制备用于定位陶瓷基板的夹具和热压头能覆盖所述金锡焊片图形的热压咀，所述热压咀端面磨至镜面；
S5、调平并进行脉冲热压预置，使金锡焊片牢牢贴合在陶瓷基板上；
S6、切割，获得覆铜氮化铝金锡热沉。
进一步的，步骤S1还包括等离子清洗氮化铝陶瓷基板；通过真空磁控溅射镀在所述氮化铝陶瓷板表面形成设定厚度为0.1μm的钛导电层和500nm的铜种子层。
进一步的，步骤S2中将镀有钛导电层的所述氮化铝陶瓷基板图形化包括：
S201、在基板上旋涂光刻胶，控制旋转速度为2000-2500rpm，使得光刻胶厚度在0.7-3μm之间；
S202、将旋涂好的基板放入85-120℃的真空热板中软烘30-60秒；
S203、利用掩模板进行曝光；
S204、湿法刻蚀形成光刻图案。
进一步的，步骤S203中曝光方法为使用接近式曝光方法，其中掩模板与光刻胶层的间距为10-50μm，对预计非钛部分进行曝光，再去除无需钛的光刻胶部分。
进一步的，步骤S2中电镀增厚铜层、接着电镀镍、金金属层的工艺包括：
将氮化铝陶瓷板作为阴极，并置于盛有酸性硫酸铜镀液的电解槽中，精铜为阳极，控制阴极电流密度和电镀时间获得厚度为60μm的铜镀层；
再将表面先后镀覆了钛导电层和铜镀层的氮化铝陶瓷板置于热处理炉中，向热处理炉中充满氩气，然后加热升温，当温度达到300～400℃时保温25～30min，钛导电层向氮化铝渗透形成TiN冶金过渡层和单质铝；继续加热升温，当温度达到600～700℃时保温10～15min，同时通过超声波发生装置向氮化铝陶瓷板发出超声波，并持续10～15min，使液态的单质铝振动流出，稳固TiN冶金过渡层；进一步加热升温到800～900℃，并保温30～60min，钛导电层向铜镀层渗透形成TiCu冶金过渡层；
最后电镀上3-8μm厚的镍和1-3μm厚的金。
进一步的，步骤S3包括根据所需金锡比例熔炼成锭，再用热压方式压延出3-20μm的金锡焊料，并利用冲裁制作需要形状的金锡焊片。
进一步的，步骤S5包括将陶瓷基板放置在夹具上，并置于热压咀下方，通过感压纸调平热压咀压面与陶瓷基板待熔覆面；再将金锡焊片放置在待预置区，并使金锡焊片对准热压头中心，设置参数；最后利用伺服电机进行传动压置。
进一步的，参数包括压力、温度，其中所述压力可调范围为100gf-400gf，每阶段的温度精度5℃。
进一步的，当所述压力为100gf时，第一阶段升温时间为200ms，温度为255℃；第二阶段保温时间为300ms，温度为265℃；第三阶段软化时间为1000ms，温度为275℃。
进一步的，当所述压力为400gf时，第一阶段升温时间为200ms，温度为250℃；第二阶段保温时间为300ms，温度为260℃；第三阶段软化时间为1000ms，温度为270℃。
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，本发明的一种利用脉冲热压焊制备覆铜氮化铝金锡热沉的方法，通过S1、往氮化铝陶瓷基板上溅射钛及铜种子，形成钛铜导电层；S2、将镀有钛导电层的所述氮化铝陶瓷基板图形化，并电镀增厚铜层、接着电镀镍、金金属层；S3、制作相应比例的金锡焊片；S4、制备用于定位陶瓷基板的夹具和热压头能覆盖所述金锡焊片图形的热压咀，所述热压咀端面磨至镜面；S5、调平并进行脉冲热压预置；S6、切割，获得氮化铝金锡热沉，从而减少了金锡热沉的成本，简化操作。
同时本申请利用脉冲热压多段升温的特点，对焊片进行升温，保温，软化三个阶段的热压，利用脉冲热压焊这种瞬时加热的方法将金锡焊片熔覆到覆铜氮化铝基板上，可以避免焊料的氧化，使焊片不会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。
附图说明
图1为本发明优选实施例中一种利用脉冲热压焊制备覆铜氮化铝金锡热沉的方法的流程图；
图2为本发明优选实施例中压力为100gf的脉冲热压压力与温度的曲线图；
图3为本发明优选实施例中压力为400gf的脉冲热压压力与温度的曲线图。
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，一种利用脉冲热压焊制备覆铜氮化铝金锡热沉的方法，包括以下方法：
S1、往氮化铝陶瓷基板上溅射钛及铜种子，形成钛铜导电层；
即等离子清洗氮化铝陶瓷基板；并通过真空磁控溅射镀在所述氮化铝陶瓷板表面形成设定厚度为0.1μm的钛导电层和500nm的铜种子层；
S2、将镀有钛导电层的所述氮化铝陶瓷基板图形化，并电镀增厚铜层、接着电镀镍、金金属层；
其中，所述氮化铝陶瓷基板图形化包括：
S201、在基板上旋涂光刻胶，控制旋转速度为2000-2500rpm，使得光刻胶厚度在0.7-3μm之间；
S202、将旋涂好的基板放入85-120℃的真空热板中软烘30-60秒；
S203、利用掩模板进行曝光，该曝光方法为使用接近式曝光方法，其中掩模板与光刻胶层的间距为10-50μm，对预计非钛部分进行曝光，再去除无需钛的光刻胶部分；
S204、湿法刻蚀形成光刻图案。
所述，电镀增厚铜层、镍、金的工艺包括：
将氮化铝陶瓷板作为阴极，并置于盛有酸性硫酸铜镀液的电解槽中，精铜为阳极，控制阴极电流密度和电镀时间获得厚度为60μm的铜镀层；
再将表面先后镀覆了钛导电层和铜镀层的氮化铝陶瓷板置于热处理炉中，向热处理炉中充满氩气，然后加热升温，当温度达到300～400℃时保温25～30min，钛导电层向氮化铝渗透形成TiN冶金过渡层和单质铝；继续加热升温，当温度达到600～700℃时保温10～15min，同时通过超声波发生装置向氮化铝陶瓷板发出超声波，并持续10～15min，使液态的单质铝振动流出，稳固TiN冶金过渡层；进一步加热升温到800～900℃，并保温30～60min，钛导电层向铜镀层渗透形成TiCu冶金过渡层。
最后电镀上5μm厚的镍和1.5μm厚的金。
S3、制作相应比例的金锡焊片；
即根据所需金锡比例熔炼成锭，再用热压方式压延出5μm的金锡焊料，并利用冲裁制作需要形状的金锡焊片，该金锡焊片为Au80Sn20；
S4、制备用于定位陶瓷基板的夹具和热压头能覆盖所述金锡焊片图形的热压咀，所述热压咀端面磨至镜面；
S5、调平并进行脉冲热压预置，使金锡焊片牢牢贴合在陶瓷基板上；
即将陶瓷基板放置在夹具上，并置于热压咀下方，通过感压纸调平热压咀压面与陶瓷基板待熔覆面；再将金锡焊片放置在待预置区，并使金锡焊片对准热压头中心，设置参数，该参数包括压力、温度，其中所述压力可调范围为100gf-400gf，每阶段的温度精度为5℃；
具体地，如图2所示，当所述压力为100gf时，第一阶段升温时间为200ms，温度为255℃；第二阶段保温时间为300ms，温度为265℃；第三阶段软化时间为1000ms，温度为275℃；
如图3所示，当所述压力为400gf时，第一阶段升温时间为200ms，温度为250℃；第二阶段保温时间为300ms，温度为260℃；第三阶段软化时间为1000ms，温度为270℃；
最后利用伺服电机进行传动压置，使金锡焊片牢牢贴合在陶瓷基板上。
S6、切割，获得覆铜氮化铝金锡热沉。
本发明为了减少金锡热沉的成本，简化操作以及提高金锡图形的工艺分辨力，通过在氧化铝陶瓷基板镀好金层后，并通过制作跟图形化一致的金锡焊片，厚度为5μm，将其用脉冲热压的方式预置在金层上，实现热沉效果。利用脉冲热压多段升温的特点，对焊片进行升温，保温，软化三个阶段的热压，利用脉冲热压焊这种瞬时加热的方法将金锡焊片熔覆到覆铜氮化铝基板上，可以避免焊料的氧化，使焊片不会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。
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 (10)
1.一种利用脉冲热压焊制备覆铜氮化铝金锡热沉的方法，其特征在于，包括以下方法：
S1、往氮化铝陶瓷基板上溅射钛及铜种子，形成钛铜导电层；
S2、将镀有钛导电层的所述氮化铝陶瓷基板图形化，并电镀增厚铜，接着电镀镍、金金属层；
S3、制作相应比例的金锡焊片；
S4、制备用于定位陶瓷基板的夹具和热压头能覆盖所述金锡焊片图形的热压咀，所述热压咀端面磨至镜面；
S5、调平并进行脉冲热压预置，使金锡焊片牢牢贴合在覆铜陶瓷基板上；
S6、切割，获得覆铜氮化铝金锡热沉。
2.根据权利要求1所述的利用脉冲热压焊制备覆铜氮化铝金锡热沉的方法，其特征在于：所述步骤S1还包括等离子清洗氮化铝陶瓷基板；通过真空磁控溅射镀在所述氮化铝陶瓷板表面形成设定厚度为0.1μm的钛导电层及500nm的铜种子层。
3.根据权利要求1所述的利用脉冲热压焊制备覆铜氮化铝金锡热沉的方法，其特征在于：所述步骤S2中将镀有钛导电层的所述氮化铝陶瓷基板图形化包括：
S201、在基板上旋涂光刻胶，控制旋转速度为2000-2500rpm，使得光刻胶厚度在0.7-3μm之间；
S202、将旋涂好的基板放入85-120℃的真空热板中软烘30-60秒；
S203、利用掩模板进行曝光；
S204、湿法刻蚀形成光刻图案。
4.根据权利要求3所述的利用脉冲热压焊制备覆铜氮化铝金锡热沉的方法，其特征在于：所述步骤S203中曝光方法为使用接近式曝光方法，其中掩模板与光刻胶层的间距为10-50μm，对预计非钛部分进行曝光，再去除无需钛的光刻胶部分。
5.根据权利要求1所述的利用脉冲热压焊制备覆铜氮化铝金锡热沉的方法，其特征在于：所述步骤S2中电镀增厚铜层、镍、金金属层的工艺包括：
将氮化铝陶瓷板作为阴极，并置于盛有酸性硫酸铜镀液的电解槽中，精铜为阳极，控制阴极电流密度和电镀时间获得厚度为60μm的铜镀层；
再将表面先后镀覆了钛导电层和铜镀层的氮化铝陶瓷板置于热处理炉中，向热处理炉中充满氩气，然后加热升温，当温度达到300～400℃时保温25～30min，钛导电层向氮化铝渗透形成TiN冶金过渡层和单质铝；继续加热升温，当温度达到600～700℃时保温10～15min，同时通过超声波发生装置向氮化铝陶瓷板发出超声波，并持续10～15min，使液态的单质铝振动流出，稳固TiN冶金过渡层；进一步加热升温到800～900℃，并保温30～60min，钛导电层向铜镀层渗透形成TiCu冶金过渡层；
最后电镀上3-8μm厚的镍和1-3μm厚的金。
6.根据权利要求1所述的利用脉冲热压焊制备覆铜氮化铝金锡热沉的方法，其特征在于：所述步骤S3包括根据所需金锡比例熔炼成锭，再用热压方式压延出3-20μm的金锡焊料，并利用冲裁制作需要形状的金锡焊片。
7.根据权利要求1所述的利用脉冲热压焊制备覆铜氮化铝金锡热沉的方法，其特征在于：所述步骤S5包括将陶瓷基板放置在夹具上，并置于热压咀下方，通过感压纸调平热压咀压面与陶瓷基板待熔覆面；再将金锡焊片放置在待预置区，并使金锡焊片对准热压头中心，设置参数；最后利用伺服电机进行传动压置。
8.根据权利要求7所述的利用脉冲热压焊制备覆铜氮化铝金锡热沉的方法，其特征在于：所述参数包括压力、温度，其中所述压力可调范围为100gf-400gf，每阶段的温度精度为5℃。
9.根据权利要求8所述的利用脉冲热压焊制备覆铜氮化铝金锡热沉的方法，其特征在于：当所述压力为100gf时，第一阶段升温时间为200ms，温度为255℃；第二阶段保温时间为300ms，温度为265℃；第三阶段软化时间为1000ms，温度为275℃。
10.根据权利要求8所述的利用脉冲热压焊制备覆铜氮化铝金锡热沉的方法，其特征在于：当所述压力为400gf时，第一阶段升温时间为200ms，温度为250℃；第二阶段保温时间为300ms，温度为260℃；第三阶段软化时间为1000ms，温度为270℃。
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|---|---|---|---|---|
| CN117650053A (zh) * | 2024-01-30 | 2024-03-05 | 天津正新光电科技有限公司 | 一种碳化硅封装热沉的制备方法 |
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| CN117650053A (zh) * | 2024-01-30 | 2024-03-05 | 天津正新光电科技有限公司 | 一种碳化硅封装热沉的制备方法 |
| CN117650053B (zh) * | 2024-01-30 | 2024-05-17 | 天津正新光电科技有限公司 | 一种碳化硅封装热沉的制备方法 |
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