CN117334655A - 一种应用银烧结焊片的低孔隙率界面结构及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电子封装领域,公开了一种应用银烧结焊片的低孔隙率界面结构及制备方法。本发明涉及低孔隙率和高导热率焊接界面的制备,首先进行对焊片的溅射反应,使得到表面具有微纳结构的银焊片,将其连接覆铜陶瓷基板与芯片的中间产物,具有可靠性、贴合效果更好的特点,此外,本发明制备得到了纳米银浆,将其在因焊片表面进行涂覆,极大增强了焊接体系的可靠性,避免了传统焊膏焊接易脱落的问题产生,低温低压烧结的方式避免银粉颗粒聚合,提高了器件的稳定性和使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及电子封装技术领域,具体为一种应用银烧结焊片的低孔隙率界面结构及制备方法。
背景技术
随着科技水平的发展,IGBT大功率器件对功率的输出要求越来越高,由此,功率器件的散热显得尤为重要,焊层作为功率芯片与散热基板焊接核心,对于大功率器件热阻及可靠性要求较高,然而在使用传统焊膏焊接时虚焊结果较多,导致推拉力不足、焊接效率低、可靠性不足等问题,寻求更好的替代焊膏及银膜的焊接材料就显得特别重要,因此,本发明设计了一种应用银烧结焊片的低孔隙率界面结构及制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用银烧结焊片的低孔隙率界面结构及制备方法,以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题,本发明提供如下技术方案:
一种应用银烧结焊片的低孔隙率界面结构的制备方法步骤如下:
较为优化地,所述低孔隙率界面结构包括芯片、银焊片和覆铜陶瓷基板,所述芯片通过银焊片焊接在覆铜陶瓷基板上。
较为优化地,所述银焊片两侧表面涂覆纳米银浆料。
较为优化地,银浆料层涂覆厚度为5~10μm,银焊片厚度为15~60μm。
较为优化地,所述纳米银浆料的制备步骤为:取纳米银颗粒,将其加入二乙二醇***醋酸酯溶液中超声分散均匀后,与乙基纤维素、N-N-二甲基吡咯烷酮混合,超声分散均匀,得到纳米银浆料。
较为优化地,各成分用量为:按照重量份数计,1~5份纳米银颗粒、0.1~0.5份二乙二醇***醋酸酯、0.05~0.2份乙基纤维素、0.1~0.5份N-N-二甲基吡咯烷酮。
较为优化地,所述银焊片包括银片及两侧表面微纳米层,其中表面微纳米层的成分为Ag2CO3、Ag2O、AgO中的一种。
较为优化地,银片厚度为0.01~0.05mm,表面微纳米层厚度为2~10μm,表面微纳米层结构尺寸为10~800nm,表面微纳米层结构间隙距离为100~1500nm。
一种应用银烧结焊片的低孔隙率界面结构的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:
S1:取覆铜陶瓷基板,用乙醇超声处理表面,取出后干燥,取二乙二醇、丁醚醋酸酯混合均匀,将覆铜陶瓷基板置入浸润,取出干燥;
S2:将涂覆后的银焊片置于所需芯片、覆铜陶瓷基板之间,得到自上而下为芯片、银焊片、覆铜陶瓷基板的结构,预热体系,真空条件下保持热压压力为5~10MPa,恒定速率升温至120~160℃,将其进行热压,保持5~8min,继续升温至200~230℃,保温1~20min,冷却后得到高密度焊接封装芯片结构;
S3:将高密度焊接封装芯片结构进行固化切片处理:取环氧树脂、硼酸硅酯、硅酮按照体积比40:1:1,搅拌均匀后浇注高密度焊接封装芯片上,固化10~24min,得到低孔隙率界面结构的芯片。
较为优化地,所述银焊片两侧表面涂覆纳米银浆料,所述纳米银浆料的制备步骤为取纳米银颗粒,将其加入二乙二醇***醋酸酯溶液中超声分散均匀后,与乙基纤维素、N-N-二甲基吡咯烷酮混合,超声分散均匀,得到纳米银浆料;
较为优化地,银焊片的制备步骤如下:以银片为基材,抽真空至真空度为1~4×10-3pa,通入反应气体调控压力保持为2×10-1Pa,80-100℃下在银片表面磁控溅射,溅射时间为15-80min,靶材为高纯银靶。
较为优化地,反应气体为氩氧混合气体,控制氧氩比1:1~1:5。
较为优化地,银焊片的制备步骤如下:配制物质的量浓度为0.3~1.2mol/L的氢氧化钠溶液为电解液,将银片表面进行冲洗干燥,与电极阳极相连,保持电解液温度为25~35℃,电流密度为1.5~6A/dm,通电30s~5min后取出清洗烘干
与现有技术相比,本发明所达到的有益效果是:
(1)提供了一种表面处理后的新型银烧结焊片,覆铜陶瓷基板与芯片之间采取更为优异的银焊片焊接方式,避免了传统焊膏会产生的脱落现象,与此同时,提高了基板与芯片之间的焊接效率,提高推拉力,增强焊接体系的可靠性,充分发挥功率器件的性能;
(2)提供了一种低温低压高效率的银烧结工艺,芯片与基板之间的焊接通过熔化焊点实现,实际生产的后续过程中存在需要升温焊接的步骤,容易使得芯片与基板之间发生重熔现象,引起焊料脆性增大的问题导致焊片失效,本发明在低温低压下进行银烧结,且银料具有较高的导热系数,在不需要较厚银料的情况下就可以达到较好的散热效果,由于银具有较高的熔点,在后续步骤过程中大幅提升体系的耐温性能和高温可靠性,与此同时,低温条件下进行烧结形成一层均匀的导电层,相比传统的高温烧结银浆,可以避免因高温而导致的氧化、卷曲和变形;
(3)提供一种银烧结焊片表面纳米银连接芯片与基板界面的方法,避免了银粉颗粒出现聚合,当烧结温度超过210℃时,在氧气环境中银粉的有机添加剂因高温分解而挥发,不产生杂质相,纳米银烧结具有良好的热导性能,适用于高功率器件的封装,有利于提高器件的稳定性和寿命,且低温烧结过程降低了热应力,有利于提高封装的可靠性。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解,并且构成说明书的一部分,与本发明的实施例一起用于解释本发明,并不构成对本发明的限制。在附图中:
图1为芯片焊接平面结构图;
图2为芯片焊接立体结构图;
图3为实施例4中,S4步骤将银焊片涂覆银浆料后、热压焊接前焊层与芯片表面结构形貌图;
图4为实施例4中,S5步骤进行热压焊接后,焊层与芯片表面结构形貌图;
图5为实施例4中,S4步骤将银焊片涂覆银浆料后、热压焊接前焊层与下基板表面结构形貌图;
图6为实施例4中,S5步骤进行热压焊接后,焊层与下基板表面结构形貌图;
图7为实施例4中,S5步骤焊接后焊层与芯片扫描电镜(SEM)图。
图中:101-覆铜陶瓷基板、102-银焊片、103-芯片、104-铜金属层、105-陶瓷层。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例中采用以下化学品:
纳米银颗粒:中诺新材、50g装、粒径80nm;乙基纤维素:麦克林,E809013-500g;银片(自制):厚度10-60μm,尺寸:30~100mm×20~100mm;环氧树脂:货号:LY0108854,型号:树脂-084,廊坊创启环保科技有限公司。
说明书附图中的序号、结构位置关系为:芯片103焊接在银焊片102的一面上,将铜金属层104与陶瓷层105进行热压,银焊片102的另一面与热压后的陶瓷层105焊接。
以下份数为质量份:
实施例1:
S1:以银片为基材,高纯银靶为靶材,抽真空至真空度为3×10-3pa;
S2:通入氧气与氩气,氧氩比1:5,调控压力保持为2×10-1Pa;
S2:加热至100℃,在银片表面磁控溅射,溅射直流电源功率为400w,溅射时间为60min;
S4:溅射完成后关闭泵组,待压力平衡后取出,得到银焊片102。
实施例2:
S1:配制物质的量浓度为1.0mol/L的氢氧化钠溶液为电解液;
S2:使用纯水、乙醇对银片表面进行清洗,并于70℃条件下干燥;
S3:取干燥后的银片,与电极阳极相连,保持电解液温度为30℃,电流密度为6A/dm,通电3min后取出清洗烘干,得到银焊片102。
实施例3:
S1:取覆铜陶瓷基板101,用乙醇超声处理表面,取出后干燥,取二乙二醇、丁醚醋酸酯混合均匀,将覆铜陶瓷基板101置入浸润,取出干燥;
S2:将实施例1制备得到的银焊片102置于芯片103、覆铜陶瓷基板101之间,得到自上而下为芯片103、银焊片102、覆铜陶瓷基板101的结构,预热,真空条件下保持热压压力为5MPa,恒定速率升温至160℃,将其进行热压,保持8min,继续升温至220℃,保温15min,冷却后得到高密度焊接封装芯片结构;
S3:将高密度焊接封装芯片结构进行固化切片处理:取固化胶水A、B、C,搅拌均匀后浇注高密度焊接封装芯片上,固化20min,得到芯片103。
实施例4:
S1:取实施例1制备得到的银焊片102备用;
S2:取覆铜陶瓷基板101,用乙醇超声处理表面,取出后干燥,取二乙二醇、丁醚醋酸酯混合均匀,将覆铜陶瓷基板101置入浸润,取出干燥;
S3:取3份纳米银颗粒,将其加入0.3份二乙二醇***醋酸酯溶液中超声分散均匀后,与0.15份乙基纤维素、0.4份N-N-二甲基吡咯烷酮混合,超声分散均匀,得到纳米银浆料;
S4:将制备得到的纳米银浆料于银焊片102表面涂覆,得到涂覆银浆料银焊片102;
S5:将涂覆后的银焊片102置于所需芯片103、覆铜陶瓷基板101之间,得到自上而下为芯片103、银焊片102、覆铜陶瓷基板101的结构,预热,真空条件下保持热压压力为5MPa,恒定速率升温至160℃,将其进行热压,保持8min,继续升温至220℃,保温15min,冷却后得到高密度焊接封装芯片结构;
S6:将高密度焊接封装芯片结构进行固化切片处理:取固化胶水A、B、C,搅拌均匀后浇注高密度焊接封装芯片上,固化20min,得到低孔隙率界面结构的芯片103。
实施例5:
S1:取实施例2制备得到的银焊片102备用;
S2:取覆铜陶瓷基板101,用乙醇超声处理表面,取出后干燥,取二乙二醇、丁醚醋酸酯混合均匀,将覆铜陶瓷基板101置入浸润,取出干燥;
S3:取3份纳米银颗粒,将其加入0.3份二乙二醇***醋酸酯溶液中超声分散均匀后,与0.15份乙基纤维素、0.4份N-N-二甲基吡咯烷酮混合,超声分散均匀,得到纳米银浆料;
S4:将制备得到的纳米银浆料于银焊片102表面涂覆,得到涂覆银浆料银焊片102;
S5:将涂覆后的银焊片102置于所需芯片103、覆铜陶瓷基板101之间,得到自上而下为芯片103、银焊片102、覆铜陶瓷基板101的结构,预热,真空条件下保持热压压力为5MPa,恒定速率升温至160℃,将其进行热压,保持8min,继续升温至220℃,保温15min,冷却后得到高密度焊接封装芯片结构;
S6:将高密度焊接封装芯片结构进行固化切片处理:取固化胶水A、B、C,搅拌均匀后浇注高密度焊接封装芯片上,固化20min,得到低孔隙率界面结构的芯片103。
对比例1:在实施例4的基础上取消覆铜陶瓷基板101的浸润步骤:
S1:取实施例1制备得到的银焊片102备用;
S2:取覆铜陶瓷基板101,用乙醇超声处理表面,取出后干燥;
S3:取3份纳米银颗粒,将其加入0.3份二乙二醇***醋酸酯溶液中超声分散均匀后,与0.15份乙基纤维素、0.4份N-N-二甲基吡咯烷酮混合,超声分散均匀,得到纳米银浆料;
S4:将制备得到的纳米银浆料于银焊片102表面涂覆,得到涂覆银浆料银焊片102;
S5:将涂覆后的银焊片102置于所需芯片103、覆铜陶瓷基板101之间,得到自上而下为芯片103、银焊片102、覆铜陶瓷基板101的结构,预热体系,真空条件下保持热压压力为5MPa,恒定速率升温至160℃,将其进行热压,保持8min,继续升温至220℃,保温15min,冷却后得到高密度焊接封装芯片结构;
S6:将高密度焊接封装芯片结构进行固化切片处理:取固化胶水A、B、C,搅拌均匀后浇注高密度焊接封装芯片上,固化20min,得到低孔隙率界面结构的芯片103。
实验:将制备得到的低孔隙率界面结构的芯片进行切割研磨,从400目研磨至20000目,表面出现少量划痕后,使用离子研磨机研磨至表面无划痕,使用扫描电镜观察其界面形貌状态,包括但不限于孔隙率、结合层表面状态等。主要观察焊片表面的纳米或亚微米级别银层与芯片及下基板表面结合情况、孔隙率和密度情况。
孔隙率/% | |
实施例3 | ≈5 |
实施例4 | ≈4 |
实施例5 | ≈3 |
对比例1 | ≈8 |
结论:
实施案例与对比案例中银片表面涂覆颗粒与银片表面电解氧化的焊片结论相差不大,且满足当前焊接要求。
最后应说明的是:以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种应用银烧结焊片的低孔隙率界面结构,其特征在于:所述低孔隙率界面结构包括芯片(103)、银焊片(102)和覆铜陶瓷基板(101),所述芯片(103)通过银焊片(102)焊接在覆铜陶瓷基板(101)上。
2.根据权利要求1所述的一种应用银烧结焊片的低孔隙率界面结构,其特征在于:所述银焊片(102)两侧表面涂覆纳米银浆料,银浆料层涂覆厚度为5~10μm,银焊片(102)厚度为15~60μm。
3.根据权利要求1所述的一种应用银烧结焊片的低孔隙率界面结构,其特征在于:所述纳米银浆料的制备步骤为:取纳米银颗粒,将其加入二乙二醇***醋酸酯溶液中超声分散均匀后,与乙基纤维素、N-N-二甲基吡咯烷酮混合,超声分散均匀,得到纳米银浆料。
4.根据权利要求3所述的一种应用银烧结焊片的低孔隙率界面结构,其特征在于:各成分用量为:按照重量份数计,1~5份纳米银颗粒、0.1~0.5份二乙二醇***醋酸酯、0.05~0.2份乙基纤维素、0.1~0.5份N-N-二甲基吡咯烷酮。
5.根据权利要求1所述的一种应用银烧结焊片的低孔隙率表面结构,其特征在于:所述银焊片(102)包括银片及两侧表面微纳米层,其中表面微纳米层的成分为Ag2CO3、Ag2O、AgO中的一种。
6.根据权利要求5所述的一种应用银烧结焊片的低孔隙率表面结构,其特征在于:表面具有微纳结构的银焊片中,银片厚度为0.01~0.05mm,表面微纳米层厚度为2~10μm,表面微纳米层结构尺寸为10~800nm,表面微纳米层结构间隙距离为100~1500nm。
7.一种应用银烧结焊片的低孔隙率界面结构的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:
S1:取覆铜陶瓷基板(101),用乙醇超声处理表面,取出后干燥,取二乙二醇、丁醚醋酸酯混合均匀,将覆铜陶瓷基板(101)置入浸润,取出干燥;
S2:将涂覆后的银焊片(102)置于所需芯片(103)、覆铜陶瓷基板(101)之间,得到自上而下为芯片(103)、银焊片(102)、覆铜陶瓷基板(101)的结构,预热体系,真空条件下保持热压压力为5~10MPa,恒定速率升温至120~160℃,将其进行热压,保持5~8min,继续升温至200~230℃,保温1~20min,冷却后得到高密度焊接封装芯片结构;
S3:将高密度焊接封装芯片结构进行固化切片处理:取环氧树脂、硼酸硅酯、硅酮按照体积比40:1:1,搅拌均匀后浇注高密度焊接封装芯片(103)上,固化10~24min,得到低孔隙率界面结构的芯片(103)。
8.根据权利要求7所述的一种应用银烧结焊片的低孔隙率界面结构的制备方法,其特征在于:所述银焊片(102)两侧表面涂覆纳米银浆料,所述纳米银浆料的制备步骤为:取纳米银颗粒,将其加入二乙二醇***醋酸酯溶液中超声分散均匀后,与乙基纤维素、N-N-二甲基吡咯烷酮混合,超声分散均匀,得到纳米银浆料。
9.根据权利要求7所述的一种应用银烧结焊片的低孔隙率界面结构的制备方法,其特征在于:银焊片(102)的制备步骤如下:以银片为基材,高纯银靶为靶材,抽真空至真空度为1~4×10-3pa,通入氧氩比为1:1~1:5的氧氩混合气体,调控压力保持为2×10-1Pa,80-100℃下在银片表面磁控溅射,溅射时间为15-80min。
10.根据权利要求7所述的一种应用银烧结焊片的低孔隙率界面结构的制备方法,其特征在于:银焊片(102)的制备步骤如下:配制物质的量浓度为0.3~1.2mol/L的氢氧化钠溶液为电解液,将银片表面进行冲洗干燥,与电极阳极相连,保持电解液温度为25~35℃,电流密度为1.5~6A/dm,通电30s~5min后取出清洗烘干。
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