CN117548906A - 一种基于电磁压制成型和应力促进烧结制备而成的焊点及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电磁压制成型和应力促进烧结制备而成的焊点及其制备方法，涉及半导体互连材料技术领域，对比现有的技术，本发明制备方法不需要使用有机溶剂，电磁压制成型的预成型焊片可以直接用于烧结连接，并且满足了对连接层互连工艺简单、环保、高效的要求。同时，在材料方面，铜银(Cu@Ag)核壳粉末结合了异种材料优势，改善了单一材料属性，有效解决了银迁移和铜氧化等问题，同时还表现出耐高温的特性。制备而成的预成型焊片致密度良好，且有着内部应力，可促进后续与基板烧结互连的优点，对于电子行业具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及半导体互连材料技术领域，具体为一种基于电磁压制成型和应力促进烧结制备而成的焊点及其制备方法。
背景技术
随着新能源汽车、智能电网、航空航天等领域的迅速发展，功率电子器件的封装对于低温互连，高温服役的要求越来越高。传统锡基焊料无法耐受350℃以上的高温，而常见的高温焊料由于熔点过高容易造成电子元器件损坏。目前研究的新型低温连接工艺如瞬时液相烧结(TLPs)及纳米颗粒烧结(NPs)等方式存在连接层孔洞较多、烧结压力过大、生成脆硬性的金属间化合物(IMCs)影响连接强度等缺点，因此亟需一种新型连接工艺与材料。
电磁压制(Electromagnetic Compaction，简称EMC)工艺可以利用瞬时释放的巨大磁脉冲力对粉末进行压制，制得的预成型焊片具有高致密度的优点。且这一工艺不需要使用有机溶剂，压制成型的预成型焊片可以直接用于烧结连接，并且满足了对连接层互连工艺简单、环保、高效的要求。同时，在材料方面，铜银(Cu@Ag)核壳粉末结合了异种材料优势，改善了单一材料属性，有效解决了银迁移和铜氧化等问题，同时还表现出耐高温的特性，对于电子行业具有广泛的应用前景。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明提供一种基于电磁压制成型和应力促进烧结制备而成的焊点及其制备方法，该制备方法基于电磁压制成型和应力促进烧结，电磁压制得到的具有大量应力的预成型焊片，在后续烧结过程中能够促进焊片的烧结连接。
具体而言，本发明提供一种基于电磁压制成型和应力促进烧结制备而成的焊点，其特征在于，通过以下制备方法制备而成：将银为外壳、铜为内核的核壳粉末通过电磁压制工艺压制成预成型焊片，然后将预成型焊片置于上下基板中间，构成三明治结构，将三明治结构的复合焊片进行烧结，制备得基于电磁压制成型和应力促进烧结制备而成的焊点；
所述上下基板均为铜基板。
在本发明的一些具体实施方案中，基于电磁压制成型和应力促进烧结制备而成的焊点的制备包括如下步骤：
S1：对上基板、下基板进行打磨，所述的上、下基板均为铜基板；
S2：取适量的银为外壳、铜为内核的核壳粉末均匀的铺于电磁压制装置的模具型腔中，运用电磁压制工艺进行压制成型；电磁压制过程中放电电压为4000-4800V，放电次数为2-4次；
S3：对所述S1制备的基板和所述S2制备的预成型焊片进行清洗；
S4：将处理完的预成型焊片立即置于上下基板中间，构成三明治结构，将三明治结构复合焊片立即放置入热压模具中，然后立即烧结炉抽真空至-0.1MPa进行烧结，烧结参数为加热速率10℃/min、加热至300℃保温1h，最后随炉冷却。
本发明还提供了一种基于电磁压制成型和应力促进烧结制备而成的焊点具体制备方法包括如下步骤：
S1：对上基板、下基板进行打磨，所述的上、下基板均为铜基板；
S2：取适量的银为外壳、铜为内核的核壳粉末均匀的铺于电磁压制装置的模具型腔中，运用电磁压制工艺进行压制成型；电磁压制过程中放电电压为4000-4800V，放电次数为2-4次；
S3：对所述S1制备的基板和所述S2制备的预成型焊片进行清洗；
S4：将处理完的预成型焊片立即置于上下基板中间，构成三明治结构，将三明治结构复合焊片立即放置入热压模具中，然后立即烧结炉抽真空至-0.1MPa进行烧结，烧结参数为加热速率10℃/min、加热至300℃保温1h，最后随炉冷却。
在本发明的一些具体实施方案中，上述步骤S2中的电磁压制过程中放电电压为4000-4800V，放电次数为2-4次。
本发明还提供一种基于电磁压制成型和应力促进烧结制备而成的焊点的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将银为外壳、铜为内核的核壳粉末通过电磁压制工艺压制成预成型焊片，然后将预成型焊片置于上下基板中间，构成三明治结构，将三明治结构的复合焊片通过应力促进烧结的方式进行烧结，制备得基于电磁压制成型和应力促进烧结制备而成的焊片；
所述上下基板均为铜基板。
在本发明的一些具体实施方案中，所述S1中对上基板、下基板进行打磨的方法为采用不同粗糙度的砂纸依次进行打磨，其砂纸粗糙度分别为800、1200、2000目。
在本发明的一些具体实施方案中，所述S2中的电磁压制过程中放电电压为4400V，放电次数为2-3次。
在本发明的一些具体实施方案中，所述S3中的清洗为使用盐酸、酒精和去离子水进行清洗。
在本发明的一些具体实施方案中，所述S4中烧结的参数为抽真空至-0.1MPa进行烧结，加热速率10℃/min、加热至300℃保温1h。
在本发明的一些具体实施方案中，对所述S4制备的复合焊片进一步处理，分别用5％稀盐酸进行酸洗，再分别用酒精以及去离子水进行清洗，并将焊片表面水渍吹干。
在本发明的一些具体实施方案中，所述S2制备的预成型焊片φ16mm，厚度为80-120μm。
在本发明的一些具体实施方案中，所述S2制备的预成型焊片φ16mm，厚度为100μm。
对比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明通过电磁压制(Electromagnetic Compaction，简称EMC)工艺瞬时释放的巨大磁脉冲力对粉末进行压制，得到高致密度的预成型焊片；在后续的烧结连接中有效减低烧结层孔隙率，实现高效连接的作用。同时，在材料方面，铜银(Cu@Ag)核壳粉末结合了异种材料优势，改善了单一材料属性，有效解决了银迁移和铜氧化等问题，同时还表现出耐高温的特性，对于电子行业具有广泛的应用前景。本发明制备工艺简单，绿色环保，制成的预成型焊片致密度良好，且有着内部应力可促进后续与基板烧结互连的优点。
附图说明
附图1是Cu@Ag核壳粉末实物图和XRD分析图；
附图2是电磁压制模具及压片示意图；
附图3是预成型焊片实物图及其SEM图像；
附图4是同一压制条件下进行不同后处理的预成型焊片的纳米压痕图；
附图5是同一压制条件下进行不同后处理的预成型焊片烧结制备而成的焊点的剪切强度图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。
实施例1：基于电磁压制成型和应力促进烧结制备而成的焊点的制备
1)上下基板的制备
首先，对尺寸切割好的3×3mm2铜基板依次用800、1200、2000目的砂纸进行打磨，然后依次5％稀盐酸、酒精和去离子水分别对Cu基板表面进行清洗1分钟，去除表面杂质和油污，然后将基板表面水渍吹干。
2)电磁压制Cu@Ag预成型焊片的制备
对银为外壳、铜为内核的核壳粉末(以下简称“Cu@Ag核壳粉末”)进行XRD表征，表征结果如附图1所示，结果表明Cu@Ag核壳粉末在大气环境中长时间储存，也并未出现氧化物，证明镀银层具有良好的隔绝氧气的作用，Cu@Ag核壳粉末抗氧化性能良好。
用天平称量0.25-0.35g Cu@Ag核壳粉末，均匀的铺于模具型腔中，待模具放置完成后用螺栓紧固压实模具，然后将电磁充电柜的电压调至4.4kv，分别充放电两至三次，对模具型腔内的粉末进行电磁压制。待压制完成，会得到φ16mm，厚度为100μm左右的预成型焊片。将预成型焊片从型腔中取出后，用手术刀将预成型焊片切割成3×3mm2的尺寸，即得到中间的Cu@Ag预成型焊片。为去除表面的氧化物和油污，对预成型焊片分别用5％稀盐酸进行酸洗1min，再分别用酒精以及去离子水进行清洗各1min。电磁压制过程如图2所示。
3)Cu@Ag焊点的制备
将上述制备的Cu@Ag预成型焊片立即放在上下两个Cu基板之间，构成三明治焊点结构。将三明治焊点结构放置入热压模具中，再将热压模具送入水平坩埚烧结炉(VBF-1200X)中心位置，然后放入隔热棉密闭炉口并抽真空至-0.1MPa；最后设置烧结参数，其中加热速率10℃/min、加热至300℃保温1h，最后随炉冷却。
实施例2：基于电磁压制成型的Cu@Ag预成型焊片的实物图及SEM图像
将实施例1步骤2制备的Cu@Ag预成型焊片实物图拍照以及进行SEM扫描电镜测试，测试结果如附图3所示。
测试结果表明，在瞬时巨大的压力作用下粉末表面合金化成型，形成一个直径为16mm，厚度约为100μm的薄片，呈现出一定的金属光泽。同时也表明Cu@Ag焊片的内部高度致密化，用image pro测得致密度接近99％，仅存在些许直径均不足1μm的微孔。铜银核壳粉末之间的白色银层界线分布均匀，由此也可以证明每个铜颗粒表面均成功镀上一层银，化学镀效果良好。
实施例3：电磁压制后不同处理条件下制备焊点
由于在电磁压制下，焊片内会存在大量应力，为了进一步研究电磁压制带来的大量应力对焊片后续烧结的影响，按照实施例1的制备方案，对同一批次压制的焊片，分别对焊片进行长时间储存处理、150℃条件下保温10h和48h热处理、加上压制完成后不做处理的四种焊片测试应力并制备4种Cu@Ag焊点。其中，应力为零的标样材料通常选择低温长时间热处理的形式，实验中选择的处理条件为150℃保温48小时，以防止过高的温度影响焊片的表面形貌，保温时间过短导致应力未释放完全。
实施例4：实施例3制备的各种Cu@Ag预成型焊片的纳米压痕测试
四种焊片测试应力的结果如附图4所示，结果表明压制后Cu@Ag预成型焊片的平均应力接近0.7GPa，而室温(RT，Room temperature)大气环境放置3个月后应力仍有0.617GPa，下降并不明显，热处理后的焊片仅有0.182GPa，应力释放效果显著。同时，四种预成型焊片不同位置的平均应力值都接近焊料片整体平均水平，位置差异并不突出。
实施例5：实施例3制备的各种Cu@Ag焊点的剪切性能测试
对实施例3所得到的四种Cu@Ag焊点进行剪切强度测试，测试结果如图5所示，预成型焊片压制成型后立即在300℃烧结60分钟后形成焊点的平均剪切强度为38MPa左右，放置3个月后的焊料片形成的焊点强度接近35MPa，而随着焊片处理后内部应力逐渐减少至零，剪切强度也降至21.89MPa。焊片经过热处理后形成焊点的强度较前两者下降明显。
通过实施例4和5说明，通过对比存在不同应力条件的焊料片形成的剪切强度和应力的差异，焊片内存在的应力一定程度上会影响回复再结晶现象的发生，为该过程提供驱动力，有助于在烧结时使颗粒长大从而形成完整的互连层。由图4可知，压制后Cu@Ag预成型的平均应力接近0.7GPa，而室温大气环境放置3个月后应力仍有0.617GPa，下降并不明显，热处理后的焊片仅有0.182GPa，应力释放效果显著。热处理后焊片内应力水平降低，形成的连接层会出现较焊片本身更多的孔洞，剪切强度也由未处理的焊片形成微焊点的38.19MPa大幅下降至21.89MPa；而Cu@Ag预成型焊片压制成型后立即在300℃烧结60分钟后形成焊点的平均剪切强度为38MPa左右；放置3个月后的焊料片形成的焊点强度接近35MPa。综上，Cu@Ag预成型焊片经过热处理后，随着焊片内部内应力的释放，形成焊点的强度较后两者下降明显。
对比现有的技术，本发明不需要使用有机溶剂，压制成型的预成型焊片可以直接用于烧结连接，并且满足了对连接层互连工艺简单、环保、高效的要求。同时，在材料方面，铜银(Cu@Ag)核壳粉末结合了异种材料优势，改善了单一材料属性，有效解决了银迁移和铜氧化等问题，同时还表现出耐高温的特性。制成的预成型焊片致密度良好，且有着内部应力可促进后续与基板烧结互连的优点对于电子行业具有广泛的应用前景。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能。
Claims (10)
1.一种基于电磁压制成型和应力促进烧结制备而成的焊点，其特征在于，通过以下制备方法制备而成：将银为外壳、铜为内核的核壳粉末通过电磁压制工艺压制成预成型焊片，然后将预成型焊片置于上下基板中间，构成三明治结构，将三明治结构的复合焊片进行烧结，制备得基于电磁压制成型和应力促进烧结制备而成的焊点；
所述上下基板均为铜基板。
2.如权利要求1所述的基于电磁压制成型和应力促进烧结制备而成的焊点，其特征在于，所述焊点的制备包括如下步骤：
S1：对上基板、下基板进行打磨，所述的上、下基板均为铜基板；
S2：取适量的银为外壳、铜为内核的核壳粉末均匀的铺于电磁压制装置的模具型腔中，运用电磁压制工艺进行压制成型；电磁压制过程中放电电压为4000-4800V，放电次数为2-4次；
S3：对所述S1制备的基板和所述S2制备的预成型焊片进行清洗；
S4：将处理完的预成型焊片立即置于上下基板中间，构成三明治结构，将三明治结构复合焊片立即放置入热压模具中，然后立即烧结炉抽真空至-0.1MPa进行烧结，烧结参数为加热速率10℃/min、加热至300℃保温1h，最后随炉冷却。
3.一种基于电磁压制成型和应力促进烧结制备而成的焊点的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将银为外壳、铜为内核的核壳粉末通过电磁压制工艺压制成预成型焊片，然后将预成型焊片置于上下基板中间，构成三明治结构，将三明治结构的复合焊片通过应力促进烧结的方式进行烧结，制备得基于电磁压制成型和应力促进烧结制备而成的焊点；
所述上下基板均为铜基板。
4.如权利要求3所述的基于电磁压制成型和应力促进烧结制备而成的焊点的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
S1：对上基板、下基板进行打磨，所述的上、下基板均为铜基板；
S2：取适量的银为外壳、铜为内核的核壳粉末均匀的铺于电磁压制装置的模具型腔中，运用电磁压制工艺进行压制成型；
S3：对所述S1制备的基板和所述S2制备的预成型焊片进行清洗；
S4：将处理完的预成型焊片立即置于上下基板中间，构成三明治结构，将三明治结构复合焊片立即放置入热压模具中，然后立即烧结炉烧结，最后随炉冷却，制备得基于电磁压制成型和应力促进烧结制备而成的焊点。
5.如权利要求4所述的基于电磁压制成型和应力促进烧结制备而成的焊点的制备方法，其特征在于，所述S1中对上基板、下基板进行打磨的方法为采用不同粗糙度的砂纸依次进行打磨，其砂纸粗糙度分别为800、1200、2000目。
6.如权利要求4所述的基于电磁压制成型和应力促进烧结制备而成的焊点的制备方法，其特征在于，所述S2中的电磁压制过程中放电电压为4000-4800V，放电次数为2-4次。
7.如权利要求4所述的基于电磁压制成型和应力促进烧结制备而成的焊点的制备方法，其特征在于，所述S3中的清洗为使用盐酸、酒精和去离子水进行清洗。
8.如权利要求4所述的基于电磁压制成型和应力促进烧结制备而成的焊点的制备方法，其特征在于，所述S4中烧结的参数为抽真空至-0.1MPa进行烧结，加热速率10℃/min、加热至300℃保温1h。
9.如权利要求4所述的基于电磁压制成型和应力促进烧结制备而成的焊点的制备方法，其特征在于，对所述S4制备的复合焊片进一步处理，分别用5％稀盐酸进行酸洗，再分别用酒精以及去离子水进行清洗，并将焊片表面水渍吹干。
10.如权利要求4-9任一项所述的基于电磁压制成型和应力促进烧结制备而成的焊点的制备方法，其特征在于，所述S2制备的预成型焊片直径为16mm，厚度为80-120μm。
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| CN202311783326.1A CN117548906A (zh) | 2023-12-22 | 2023-12-22 | 一种基于电磁压制成型和应力促进烧结制备而成的焊点及其制备方法 |
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2023
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