一種提高納米銀漿與化學(xué)鍍鎳金基板連接強(qiáng)度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種新式納米銀漿料(或稱焊膏)燒結(jié)技術(shù)，具體地說(shuō)，涉及在以往納米銀焊膏難以燒結(jié)連接的化學(xué)鍍鎳金(ENIG)基板上，采用新的燒結(jié)方法以實(shí)現(xiàn)納米銀焊膏的可靠連接，屬于工藝改善領(lǐng)域創(chuàng)新型技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，納米銀焊膏作為一種綠色無(wú)鉛的電子連接材料，由于具有優(yōu)秀的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，較低的燒結(jié)溫度和較高的使用溫度等優(yōu)點(diǎn)，在大功率電子電氣應(yīng)用中備受關(guān)注，尤其是在高溫應(yīng)用領(lǐng)域。但是在利用納米銀作為互連材料之前，被連接的印刷電路板(PCB) —般需要進(jìn)行表面處理?；瘜W(xué)鍍鎳金(ENIG)表面處理的焊盤，具有可焊性好、耐熱性好、平整度高和抗氧化能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，ENIG相比于電鍍Ni/Au成本較低，并且適用于非導(dǎo)通線路印制板鍍層工藝，使其在PCB表面處理中得以廣泛應(yīng)用。然而，我們?cè)诮^緣柵雙極性晶體管(IGBT)芯片與ENIG基板互連實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在燒結(jié)納米銀接頭靠近基板的連接界面處，會(huì)形成一個(gè)Au-Ag固溶層和銀致密化很差的缺陷層，造成燒結(jié)銀接頭的剪切強(qiáng)度非常低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于正常使用允許范圍，只有平均7.8MPa。本發(fā)明通過(guò)澄清其連接效果不佳的科學(xué)原因，提出采用在現(xiàn)有焊膏燒結(jié)工藝中增加預(yù)熱工序，隨后快速移至高溫?zé)Y(jié)環(huán)境的特殊方法，成功提高了納米銀焊膏與化學(xué)鍍鎳金基板的互連強(qiáng)度。這為大功率電子電力模塊的制造奠定了基礎(chǔ)(如IGBT模塊)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明主要解決納米銀漿在化學(xué)鍍鎳金基板的互連問(wèn)題，提供了一種簡(jiǎn)單可行的工藝改善方法。通過(guò)本發(fā)明改善燒結(jié)方法，利用加熱臺(tái)和絲網(wǎng)印刷設(shè)備，實(shí)現(xiàn)在化學(xué)鎳金基板上納米銀接頭的可靠連接。
[0004]本發(fā)明方法技術(shù)方案如下:
[0005]—種提高納米銀漿與化學(xué)鍍鎳金基板連接強(qiáng)度的方法，具體步驟如下:
[0006](1)在超聲清洗過(guò)的化學(xué)鎳金基板上，運(yùn)用絲網(wǎng)印刷機(jī)涂刷一層納米銀焊膏，然后貼裝芯片；
[0007](2)對(duì)接頭進(jìn)行預(yù)熱，以一定升溫速率加熱至預(yù)熱溫度，預(yù)熱溫度范圍為120-180°c，以便在低溫階段揮發(fā)去除納米銀焊膏內(nèi)的有機(jī)物；
[0008](3)預(yù)熱結(jié)束后，將接頭移至260_280°C進(jìn)行燒結(jié)保溫，在保證銀焊膏充分燒結(jié)的同時(shí)，防止了金、銀原子過(guò)度的相互擴(kuò)散以及固溶層和缺陷層的形成;然后隨爐冷卻或直接取下。
[0009]所述的焊膏涂刷厚度優(yōu)選為25-50μηι。預(yù)熱升溫速率優(yōu)選為4_6°C/min。預(yù)熱保溫時(shí)間優(yōu)選為5-30min。燒結(jié)保溫時(shí)間為20_30°C。
[0010]本發(fā)明在化學(xué)鎳金基板上涂刷一層納米銀焊膏，然后貼裝芯片。在現(xiàn)有的燒結(jié)工藝中創(chuàng)新性引入一道預(yù)熱工序，將貼裝接頭以一定升溫速率加熱至預(yù)熱溫度，保溫一段時(shí)間，保證在低溫段時(shí)納米銀焊膏內(nèi)的有機(jī)物能夠充分揮發(fā)去除;預(yù)熱結(jié)束后，將接頭移至較高溫度環(huán)境進(jìn)行保溫?zé)Y(jié)，省去中間升溫時(shí)間，從而在保證銀焊膏充分燒結(jié)的同時(shí)，防止了金、銀原子過(guò)度的相互擴(kuò)散以及固溶層和缺陷層的形成，保證接頭連接的可靠性。
[0011]本發(fā)明的效果:
[0012](1)本發(fā)明創(chuàng)新性地采用了在現(xiàn)有焊膏燒結(jié)工藝中增加一道預(yù)熱工序，隨后快速移至高溫環(huán)境燒結(jié)的特殊方法，減短了燒納米銀焊膏整體的燒結(jié)時(shí)間。
[0013](2)本發(fā)明通過(guò)改善工藝方法，避免了 IGBT芯片與化學(xué)鍍鎳金基板互連時(shí)，在燒結(jié)銀接頭界面處的缺陷層的形成，成功地將納米銀焊膏與化學(xué)鍍鎳金基板的互連平均剪切強(qiáng)度從7.8MPa提高至18.5MPa。
[0014](3)本發(fā)明使用的納米銀焊膏為綠色無(wú)鉛連接材料，整個(gè)過(guò)程不會(huì)造成污染。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1:現(xiàn)有技術(shù)和發(fā)明技術(shù)的燒結(jié)工藝方法曲線。由圖可見(jiàn)，整個(gè)燒結(jié)過(guò)程若采用本發(fā)明技術(shù)，比采用現(xiàn)有未改善的技術(shù)所需時(shí)間將減少。
[0016]圖2:使用發(fā)明技術(shù)方法前后所得的接頭剪切強(qiáng)度結(jié)果對(duì)比。由圖可知，采用本發(fā)明技術(shù)后，所得接頭的平均剪切強(qiáng)度從7.8MPa提高到18.5MPa，大大提高了接頭連接的可靠性。
【具體實(shí)施方式】
[0017]本發(fā)明提供了一種提高納米銀漿與化學(xué)鍍鎳金基板連接強(qiáng)度的方法。整個(gè)過(guò)程需一臺(tái)絲網(wǎng)印刷機(jī)及兩臺(tái)加熱臺(tái)。在現(xiàn)有焊膏燒結(jié)工藝中增加一道預(yù)熱工序，隨后快速移至高溫環(huán)境燒結(jié)，保證了應(yīng)用在ENIG基板上的納米銀接頭連接的可靠性。具體步驟如下:
[0018](1)涂刷:在超聲清洗過(guò)的化學(xué)鎳金基板上，運(yùn)用絲網(wǎng)印刷機(jī)涂刷一層納米銀焊膏，然后貼裝IGBT芯片。
[0019](2)預(yù)熱:對(duì)接頭進(jìn)行預(yù)熱，以一定升溫速率加熱至預(yù)熱溫度，保溫一段時(shí)間，保證納米銀焊膏內(nèi)的有機(jī)物揮發(fā)去除。
[0020](3)燒結(jié):預(yù)熱結(jié)束后，省去中間升溫時(shí)間，直接將接頭快速移至較高溫度環(huán)境進(jìn)行保溫?zé)Y(jié)，然后隨爐冷卻或直接取下。
[0021]實(shí)例1
[0022]涂刷焊膏厚度為50μπι，然后對(duì)貼裝完畢的接頭進(jìn)行預(yù)熱處理，升溫速率為5°C/min，預(yù)熱溫度為150°C，預(yù)熱保溫時(shí)間為lOmin，隨后快速將接頭移至275°C的燒結(jié)溫度，保溫30min后隨爐冷卻。工藝曲線如圖1所示，獲得的剪切強(qiáng)度如圖2所示。由圖2可知，在此實(shí)例中采用本發(fā)明技術(shù)后，接頭的平均剪切強(qiáng)度從7.8MPa提高到18.5MPa。
[0023]實(shí)例2
[0024]涂刷焊膏厚度為25μπι，然后對(duì)貼裝完畢的接頭進(jìn)行預(yù)熱處理，升溫速率為4°C/min，預(yù)熱溫度為120°C，預(yù)熱保溫時(shí)間為30min，隨后快速將接頭移至260°C的燒結(jié)溫度，保溫25min后直接取下。
[0025]實(shí)例3
[0026]涂刷焊膏厚度為40μπι，然后對(duì)貼裝完畢的接頭進(jìn)行預(yù)熱處理，升溫速率為6°C/min，預(yù)熱溫度為180°C，預(yù)熱保溫時(shí)間為5min，隨后快速將接頭移至280°C的燒結(jié)溫度，保溫20min后隨爐冷卻。
[0027]綜上所述，僅是本發(fā)明的較佳幾種實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明的技術(shù)范圍作任何限制，故凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何細(xì)微修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種提高納米銀漿與化學(xué)鍍鎳金基板連接強(qiáng)度的方法，其特征在于步驟如下: (1)在超聲清洗過(guò)的化學(xué)鎳金基板上，運(yùn)用絲網(wǎng)印刷機(jī)涂刷一層納米銀焊膏，然后貼裝芯片； (2)在現(xiàn)有工藝基礎(chǔ)上引入預(yù)熱工序，將接頭以一定升溫速率加熱至預(yù)熱溫度120-180°C，在低溫階段揮發(fā)去除納米銀焊膏內(nèi)的有機(jī)物； (3)預(yù)熱結(jié)束后，將接頭移至260-280°C進(jìn)行保溫?zé)Y(jié)，在保證銀焊膏充分燒結(jié)的同時(shí)，防止了金、銀原子過(guò)度的相互擴(kuò)散以及固溶層和缺陷層的形成;然后隨爐冷卻或直接取下。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述的焊膏涂刷厚度為25-50μπι。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述的升溫速率為4-6°C/min。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是預(yù)熱保溫時(shí)間為5-30min。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述的保溫?zé)Y(jié)時(shí)間為20-30°C。
【專利摘要】本發(fā)明開(kāi)發(fā)了一種提高納米銀漿與化學(xué)鍍鎳金基板連接強(qiáng)度的方法。在超聲清洗過(guò)的化學(xué)鎳金基板上，運(yùn)用絲網(wǎng)印刷機(jī)涂刷一層納米銀漿料，然后貼裝芯片。對(duì)接頭進(jìn)行預(yù)熱，以一定加熱速度加熱至預(yù)熱溫度，保溫一段時(shí)間。預(yù)熱結(jié)束后，省去中間升溫時(shí)間，直接將接頭快速移至較高溫度環(huán)境進(jìn)行燒結(jié)，保溫一段時(shí)間后隨爐冷卻或直接取下。本發(fā)明在縮短整個(gè)燒結(jié)時(shí)間的同時(shí)，成功地提高了在化學(xué)鍍鎳金基板上的納米銀接頭的連接可靠性，工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備要求低。
【IPC分類】B23K31/02
【公開(kāi)號(hào)】CN105479026
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510915295
【發(fā)明人】梅云輝, 徐乾燁, 陸國(guó)權(quán)
【申請(qǐng)人】天津大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年4月13日
【申請(qǐng)日】2015年12月9日