一種使用微納米級金屬顆粒填充Sn基焊料實現電子組件高溫封裝的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于電子封裝微互連技術領域，涉及一種電子組件及模塊封裝和互連方法，具體涉及一種采用微納米級金屬顆粒填充Sn基焊料實現電子組件高溫封裝的方法。
【背景技術】
[0002]電子封裝微互連技術是各種電子元器件、模塊、組件封裝的核心技術之一。隨著電子行業對電子元器件、模塊、組件的高功率和高密度封裝需求和指標的不斷攀升，電子元器件、模塊、組件的服役溫度也隨之不斷提高，這將對微互連材料提出更為苛刻的要求，然而傳統的釬料合金和樹脂類粘接材料等已經不能勝任高功率、發熱量大電子器件及組件的高溫工作環境，因此，互連部位相對較差的高溫服役性能已經成為制約高密度封裝和高功率封裝發展的主要瓶頸之一。
[0003]對于傳統釬料合金制備的接頭，要求服役溫度必須低于連接溫度，例如Sn3.5wt.%Ag釬料熔點為221°C，其連接溫度需達到250?260°C以上，而其服役溫度僅在125°C以下。要想提高服役溫度須選擇熔點更高的Pb基焊料或Au基釬料，釬焊的溫度也將隨之升高，而過高的連接溫度會造成元器件的損傷。
[0004]為解決以上問題，出現了低溫連接高溫服役的鍵合方法。現在較常見的技術有納米銀焊膏低溫燒結、全金屬間化合物互連、金屬間化合物納米顆粒焊膏燒結等。根據納米銀顆粒的熱力學性質，可以在低于200°C條件下實現連接，形成接頭可在超過350°C條件下服役，但納米顆粒的連接所需時間較長、接頭為多孔結構、納米材料制備成本較高，制約了此類材料的應用；全金屬間化合物所形成接頭可以在高溫條件下應用，但一般制備時間較長，很難實現大規模工業應用；金屬間化合物納米顆粒焊膏燒結需使用高于或近似與金屬間化合物熔點的規范實現燒結，而金屬間化合物的熔點一般較高(超過400°C )，連接過程中容易造成器件的損傷。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供一種使用微納米級金屬顆粒填充Sn基焊料實現電子組件高溫封裝的方法，該方法應用微納米級金屬顆粒(Cu或Ag)填充Sn基焊料中，在與傳統再流焊兼容的工藝條件下可實現高功率器件或組件的連接及組裝，在器件高溫服役過程中，形成接頭內部的金屬顆粒，如Cu或Ag，具備優異的導電和導熱性能，會使電子組件的散熱和電氣性能指標顯著提升。此外，在服役過程中，接頭中的Sn會與微納米級金屬顆粒繼續緩慢的反應，生成Cu-Sn或Ag-Sn金屬間化合物，會使接頭的恪點逐步提升，耐高溫能力進一步增強。與此同時，焊點內部的微納米級金屬顆粒及其演變的金屬間化合物還會對焊點起到強化作用。
[0006]所述目的是通過如下技術方案實現的:
步驟一:制備直徑為10nm?50 μ m的微納米金屬顆粒，將其與用以均勻分散微米粒子的分散劑、可保持聚合物穩定的粘結劑、用于改善焊膏印刷性和流動性的稀釋劑以及用于改善潤濕性能和去除氧化膜的助焊劑適量混合，得到微納米金屬顆粒混合物；所述微納米金屬顆粒混合物中含有微納米金屬顆粒80?90wt.%、分散劑2?8wt.%、粘結劑2?8wt.%、稀釋劑2?8wt.%和助焊劑2?8wt.% ；
步驟二:將步驟一制備的微納米金屬顆粒混合物與純Sn或Sn基焊膏(作為基體)，如Sn3.5wt.%Ag等通過超聲波震蕩、手動攪拌或機械攪拌等方法等均勾混合制備出微納米級金屬顆粒填充Sn基焊料焊膏，微納金屬顆粒混合物在最終制備出焊膏內所占的質量百分比為5?80% ；
步驟三:采用絲網印刷或點膠方法將以上微納米級金屬顆粒填充Sn基焊膏放置于基板上，完成待焊部件對準過程，并施加l~20Mpa壓力；
步驟四:將以上體系放入回流爐中，經歷預熱階段、保溫階段、再流階段、冷卻階段，完成有機物的揮發、Sn基釬料合金與微納金屬顆粒和焊盤的潤濕和界面反應。
[0007]本發明步驟一中，通過機械粉碎法、氣相合成法或液相合成法制備直徑為10nm?50 μπι的金屬顆粒，如Cu或Ag金屬顆粒。
[0008]本發明步驟二中，Sn基焊膏為以Sn為基體添加一種或多種合金元素形成的合金粉末，添加分散劑、粘接劑、稀釋劑和助焊劑所形成的焊膏，例如Sn3.5wt.%Ag、Sn37wt.%Pb、Sn0.7wt.%Cu、Sn-Ag-Cu 系、Sn-Zn 系等。
[0009]本發明步驟四中，以1~5°C /s的速度加熱至120~160°C完成預熱階段，以1~3°C /s的加熱速率完成40~100s的保溫階段，以1~5°C /s的速率快速升溫到峰值溫度(基體Sn基焊膏熔點以上30~60°C)并保溫50~200s實現再流階段，最后以1~6°C /s的速率冷至100°C以下。
[0010]本發明使用微納米級金屬顆粒(Cu或Ag)填充Sn基焊料中，制備成焊膏，焊料的熔化溫度與Sn基焊料接近，釬焊可使用與Sn基焊料接近溫度工藝曲線，釬焊過程中，Sn會在微納米級金屬顆粒表面形成金屬間化合物，形成致密、高強度焊點，適合寬禁帶半導體、LED等高功率器件或組件的連接及組裝工藝，形成的接頭在后續的高溫服役過程中，由于微納米級金屬顆粒，如Cu或Ag具備優異的導電和導熱性能，會使電子組件的散熱和電氣性能指標顯著提升。此外，接頭中的Sn會與微納米級金屬顆粒緩慢地繼續反應，生成Cu-Sn或Ag-Sn金屬間化合物，包覆于金屬顆粒表面，會使接頭的熔點逐步提升，耐高溫性能力進一步增強。與此同時，焊點內部的微納米級金屬顆粒及其演變的金屬間化合物還會對焊點起到強化作用。以前的Sn基焊料在125度以上高溫服役時，會隨著服役的時間性能退化，而本發明的焊料在同樣的條件下卻會隨著時間性能增強，因此，可服役溫度顯著增加。使用微納米級金屬顆粒(Cu或Ag)填充Sn基焊料制備的接頭，其長效高溫服役的功能不僅可以解決高密度封裝、功率封裝帶來的高溫條件下的可靠問題，還可有助于常規器件在現有工作溫度下的壽命提高，此外，提高接頭的服役溫度還有助于減小散熱系統體積，降低封裝成本。
【附圖說明】
[0011]圖1為微納米級金屬顆粒填充Sn基焊料焊膏結構及互連接頭形成過程和結構示意圖，其中:(I)微納米級金屬顆粒填充Sn基焊料焊膏焊膏構成；(2)涂覆/裝配/焊接結構；(3)凝固后形成接頭的結構。
【具體實施方式】
[0012]下面結合附圖對本發明的技術方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發明技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發明的保護范圍中。
[0013]實施例1:
如圖1所示，微米級Cu金屬顆粒填充Sn基焊料焊膏互連接頭形成方法包括如下步驟: 步驟一:準備直徑為20 μ m左右的Cu顆粒；
步驟二:將以上微米級Cu顆粒與分散劑甲基戊醇、粘結劑α -松油醇、稀釋劑萜品醇、助焊劑松香適量混合，混合質量比例為80:4:6:4:6 ;
步驟三:將上述Cu顆粒混合物與Sn3.5wt.%Ag焊膏混合，Cu顆粒混合物占最終焊膏混合物總質量50% ；
步驟四:利用200W超聲波震蕩80min，使Cu顆粒在步驟三中配成混合物中均勻一致的分散，制成微米級金屬顆粒填充Sn基焊料焊膏；
步驟五:采用絲網印刷法將以上微米級金屬顆粒填充Sn基焊料焊膏放置于基板上，完成待焊部件焊盤與基板焊盤的對準，并施加8MPa壓力；
步驟六:將以上體系放入回流爐中，持續進行以