一種納米銀焊膏連接裸銅襯底或敷銅基板的燒結方法與流程

文檔序號：11100838閱讀：1686來源：國知局

本發明涉及一種納米銀焊膏連接裸銅襯底或敷銅基板的燒結方法，屬于納米材料互連工藝及電子封裝制造領域。

背景技術：

作為有前景的熱界面材料，納米銀焊膏特別適用于高溫功率模塊在高溫極端惡劣環境條件下的應用。因其高的導熱率(240W/m K)，高的電導率(2.6×10⁵Ω·cm^-1)，低的楊氏模量(約9～20GPa)，高的熔點(961℃)，以及高溫環境條件下優異的力學可靠性。隨著電子焊接材料無鉛化制程的不斷推進，無鉛化是必然趨勢。納米銀焊膏有望成為高鉛高溫焊料的代替材料。

銅和金銀是電子工業領域應用最為廣泛的金屬材料，目前納米銀焊膏連接鍍銀和鍍金基板的燒結工藝已趨于成熟，燒結氣氛為空氣條件。在空氣氣氛燒結條件下，納米銀焊膏利用空氣中充足的氧會將燒掉納米銀焊膏中有機物，完成納米銀顆粒致密化的同時實現與金銀鍍層的擴散連接。而然，對于納米銀連接裸銅襯底或敷銅基板而言，空氣氣氛中過多的氧將嚴重氧化裸銅襯底或敷銅基板，最終不能實現很好的擴散連接。因此開發適合納米銀連接裸銅襯底或敷銅基板間的燒結方法極其重要。

技術實現要素：

為了解決現有技術的問題，本發明研究開發了一種納米銀焊膏連接裸銅襯底或敷銅基板的燒結方法；借助通用真空燒結/回流焊爐平臺，無需特制的燒結工藝設備，避免了襯底或基板材料表面金屬化后道處理工序，工藝簡單，適用于納米銀焊膏實現功率芯片與裸銅襯底或敷銅基板的燒結連接的批量化生產，特別適合于電力電子領域中各種集成半導體芯片模塊(例如硅基IGBT模塊和寬禁帶半導體器件模塊)的產業化生產。

本發明的技術方案如下：

一種納米銀焊膏連接裸銅襯底或敷銅基板的低溫燒結方法；包括預熱階段、干燥階段、燒結致密化階段和甲酸還氧燒結階段；其中在預熱階段和干燥階段采用非接觸熱傳導方式實現加熱板對加熱托盤的加熱，在燒結致密化階段采用接觸熱傳導方式實現加熱板對加熱托盤的加熱。

所述預熱階段，在氮氣保護氣氛下預熱貼片后的試樣，預熱溫度65-120℃，預熱時間1-30min。

所述干燥階段，將預熱好的試樣放入真空燒結/回流焊爐，溫升速率5-10℃/min，干燥溫度120-200℃，干燥時間5-30min。

所述燒結致密化階段，燒結溫度250-320℃，燒結時間5-30min，貧氧氣氛控制，兩次抽真空壓力值至5-500mbar，回填氮氣保護氣至1000mbar。

所述甲酸還氧燒結階段，抽真空至5mbar，注入甲酸至50-500mbar，回填氮氣至1000mbar，還氧溫度250-320℃，還氧時間5-30min。

本發明利用通用真空燒結/回流爐密閉腔體中輻射、傳導和對流的熱傳導原理，實現了可用于納米銀焊膏實現功率芯片與裸銅襯底或敷銅基板間燒結連接所需的溫度曲線。本燒結工藝包括預熱、干燥、燒結致密化和甲酸還氧四個階段。在燒結的預熱和干燥階段，利用輻射和對流熱傳導原理，通過加熱板和加熱托盤的非接觸式熱傳導方式，實現了燒結溫度曲線在該階段的緩慢升溫，避免了因傳統接觸式熱傳導方法帶來的快速升溫而導致的焊料連接層的嚴重空洞問題。在燒結致密化階段，利用加熱板和加熱托盤的接觸式熱傳導方式，實現了納米銀焊膏的燒結致密化和擴散連接所需的燒結溫度。在燒結氣氛的控制方面，在燒結致密化階段，利用該真空爐量化的抽真空和回填氮氣的能力，通過不同的抽真空壓力值稀釋密閉腔體中的氧含量，得到了可用于納米銀焊膏連接裸銅襯底或敷銅基板所需的貧氧氣氛條件，在甲酸還氧階段，利用甲酸還原基板，并進一步促進擴散連接。并回填氮氣至常壓狀態，得到了可用于納米銀焊膏連接裸銅襯底或敷銅基板所需的貧氧氣氛條件。本發明借助通用真空燒結/回流焊爐平臺，無需特制的燒結工藝設備，適合于電力電子領域中各種集成半導體芯片封裝模塊的產業化生產。

附圖說明

圖1：PINK-VADU300XL真空燒結/回流爐腔體構造描述；

圖2：燒結溫度曲線；

圖3：燒結氣氛控制示意圖；

圖4：第三腔甲酸還氧示意圖；

圖5：不同燒結氣氛條件下納米銀焊膏燒結后SEM微觀形貌；

圖6：預熱與未預熱處理燒結后的空洞X-ray圖；

圖7：不同燒結氣氛條件下的剪切強度；

圖8：納米銀焊膏連接裸銅DBC基板的高功率半導體電源模塊；

圖9：納米銀焊膏連接裸銅DBC基板的高功率半導體電源模塊開關性能。

具體實施方式

實施例1

(1)以PINK-VADU300XL真空燒結/回流爐為例，腔體構造如圖1所示，其中第一腔用做預熱和干燥，第二腔用于燒結致密化和甲酸還氧，第三腔用于產品冷卻。

(2)預熱階段，在氮氣保護氣氛下預熱貼片后的試樣，預熱溫度65℃，預熱時間1min。預熱階段見附圖2燒結溫度曲線，預熱和未預熱燒結后焊料層空洞見附圖6；

(3)干燥階段，將預熱好的試樣放入真空燒結/回流焊爐，溫升速率5℃/min，干燥溫度180℃，干燥時間10分鐘。干燥階段見附圖2燒結溫度曲線；

(4)燒結致密化，燒結溫度280℃，燒結時間15min，貧氧氣氛控制，兩次抽真空壓力值至5mbar護氣至1000mbar。在貧氧氣氛條件下的燒結后納米銀SEM微觀圖片和連接強度分別見附圖4、圖7，貧氧氣氛控制(不同抽真空壓力值和回填氮氣)見附圖3；

(5)甲酸還氧，抽真空至5mbar，注入甲酸至250mbar，回填氮氣至1000mbar，還氧溫度280℃，還氧時間10min。甲酸注入量見圖5；