一种电子元件封装中Cu-Cu直接互连方法技术

本发明专利技术公开了一种电子元件封装中Cu‑Cu直接互连方法，应用于高温的电子封装方法，包括：一、冷喷涂参数确定；二、待焊工件的装配；三、工件的氧化还原烧结连接，焊机进行焊接，在焊接的过程中始终采用稳定的压力，同时分段加热被焊Cu工件，使得被焊Cu工件在焊机中空气气氛下氧化，氧化完成后，再通入还原性气体进行还原，原位生成纳米的铜颗粒，再热压烧结，在预定的还原时间内加热、加压，随炉冷却，完成焊接。该方法利用冷喷涂处理Cu基板，施加压力，采用氧化还原反应原位生成纳米Cu颗粒实现Cu‑Cu直接互连短流程焊接方法，得到全Cu接头。

A method of Cu Cu direct interconnection in electronic package

【技术实现步骤摘要】
一种电子元件封装中Cu-Cu直接互连方法
本专利技术涉及电子封装
，特别涉及一种电子元件封装中Cu-Cu直接互连方法。
技术介绍
电子产品正向多功能、高密度、高可靠性以及绿色封装等方向特别是小型化(甚至是纳米尺寸)方向迅速发展，很多工业上要求大功率电子元件能够在500-600℃高温下保持高可靠性，比如飞机，汽车，太空飞行器，深层油气钻探等等，同时，连接件性能的要求愈来愈苛刻，需要微连接和纳米连接制造的结构件或元器件数量迅猛增多，微连接和纳米连接制造的重要性也愈突显。钎焊广泛用于电子器件和基板的焊接，芯片和基板的封装。钎焊接头的耐热程度取决于钎料的熔点。然而，绿色无铅封装材料如Sn基钎料难以承受500-600℃，其电性能相对较差，使得钎焊技术不能够满足先进电子电子系统的要求。为了解决上述问题，有人专利技术了采用具有纳米尺度特征的材料作为中间层连接材料，利用纳米颗粒的极高的表面能，使得其烧结驱动力较高，致使在较低的烧结温度下形成可靠的互连接头。在这种方法中，纳米颗粒浆料相对价格昂贵，需要添加较高比例的分散剂，溶剂，和其他有机材料。而且，当采用这种浆料连接时，被加热去除后仍有部分有机材料容易残留在接头中，加热去除阶段通常需要5-10分钟，降低了生产效率，有机材料蒸发时会使接头产生很大的体积变化。而且，纳米颗粒浆料难于保存，需要即时使用。进而，被连接基体为固体，烧结活性极低，使得基体与纳米颗粒的界面处形成有效的冶金结合较为困难，成为接头的薄弱区域，接头容易在界面处断裂，使接头力学性能较差，难于满足电子封装行业对接头力学性能的要求。为提高接头的强度，多对基板进行镀Ag和镀Au处理，大幅提高了连接成本，电镀工艺污染严重，Ag存在严重的电迁移现象。而Cu-Cu互连接头耐高温，导电性能好，连接成本相对贵金属价格大幅降低，为电子封装行业首选的连接方式。有人利用了冷喷涂技术在硅晶圆表面冷喷涂铜粉制备太阳能电池的电极，表明了冷喷涂技术在电子封装行业的应用潜力。
技术实现思路
为了解决现有采用纳米颗粒浆料烧结连接方法中浆料的有机溶剂残留和纳米颗粒与基体难于形成有效冶金结合致使接头力学性能降低，有机物的去除降低了连接工艺的生产效率，浆料难于保存问题，本专利技术提供一种电子元件封装中Cu-Cu直接互连方法，该方法利用冷喷涂处理Cu基板，仍然保持粉末颗粒状形貌，表面面积较大，而且冷喷涂涂层与基体的接合强度远远高于电子行业对于优质Cu-Cu连接接头剪切强度的要求，不需要对喷涂涂层进行氧化膜清除工序，施加压力，采用氧化还原反应原位生成纳米Cu颗粒实现Cu-Cu直接互连短流程焊接方法，得到全Cu接头。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术手段：一种电子元件封装中Cu-Cu直接互连方法，包括以下步骤：步骤一、工件表面冷喷涂Cu涂层：采用冷喷涂的方法将Cu粉喷涂到两个Cu工件的焊接端面上；步骤二、工件的装配：将两个Cu工件的焊接端面对接，使其喷涂表面直接接触，再将组合好的两个Cu工件放到焊机的上下压力板中间，用于焊机通过压力板向工件施加压力；步骤三、工件的氧化还原烧结连接：焊机进行焊接，在焊接的过程中始终采用稳定的压力，同时分段加热被焊Cu工件，使得被焊Cu工件在焊机中空气气氛下氧化，氧化完成后，再通入还原性气体进行还原，原位生成纳米的铜颗粒，再热压烧结，在预定的还原时间内加热、加压，随炉冷却，完成焊接。作为本专利技术的进一步改进，步骤一中，冷喷涂工艺为：采用氮气为喷涂气体，Cu粉的颗粒直径为1-100μm,形状为片状或颗粒状，喷涂气体的温度为300-400℃，气体压力为2-3MPa，喷涂速度为50-100mm/s，喷涂距离为2-3mm，Cu工件的焊接端面粗糙度均应该保持在Ra25以下，RZ280以下；喷涂后再用机械加工方式降低表面粗糙度。作为本专利技术的进一步改进，步骤一中，Cu粉的颗粒直径为30-50μm,形状为片状，喷涂气体的温度为300℃，气体压力为2.5MPa，喷涂速度为50-100mm/s。作为本专利技术的进一步改进，步骤一中，Cu粉的颗粒直径为1-2μm，形状为球形，真空喷涂，气体压力为2.5MPa，喷涂速度为40-80mm/s，不需要后续的降低表面粗糙度的加工。作为本专利技术的进一步改进，机械加工方式为磨削、铣削、车削或抛光。作为本专利技术的进一步改进，步骤三中，氧化还原焊接的工艺为：焊接压力为3-20MPa，氧化的温度为200-300℃，氧化时间为5-60min，通入还原性气体，还原焊接的温度为200-350℃，还原焊接时间为5-90min。作为本专利技术的进一步改进，步骤三中，还原性气体为N2+甲酸或者N2+3％H2。作为本专利技术的进一步改进，步骤三中，氧化阶段不施加压力，氧化时间为10min,氧化温度为250℃。作为本专利技术的进一步改进，步骤三中还原焊接阶段采用压力为10MPa,还原焊接温度为300℃，焊接时间40min。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：本专利技术的Cu-Cu直接互连方法，Cu粉末在压力作用下与Cu基板产生强烈机械互锁的作用，使界面的结合强度能够达到60MPa以上，远高于电子封装行业对优质接头剪切强度须高于20MPa的要求。被喷涂粉末在压力的作用下被压扁，颗粒直径变大20％左右，仍然保持颗粒的形状，表面面积较大，有利于后续的氧化还原反应的进行。将两个被喷涂后的Cu基体组成搭接接头，施压，在加热状态氧化一段时间，通还原性气体一段时间后原位生成纳米的Cu颗粒，烧结连接形成可靠的互连接头。具体优点如下：一、采用冷喷涂微米Cu粉直接进行原位烧结连接，不添加其他中间材料，互连成显著本低，Cu-Cu直接互连使接头能够在高温下可靠服役，热稳定性好；二、Cu-Cu直接互连得到全Cu接头，使接头的导电率较高，无电迁移现象，接头可靠性好；三、冷喷涂提高了接头薄弱区域基板和Cu颗粒界面的强度，使得接头的力学强度有效提高；四、Cu-Cu直接互连避免了有机溶剂蒸发产生的空洞和较大体积收缩，缩短了连接流程，提高了生产效率；五、冷喷涂后致密度高，容易搬运，容易保存，焊接时也不需要进行清除氧化膜的处理。附图说明图1是本专利技术实施例3中第一被焊Cu工件和第二被焊Cu工件在焊接时的相对位置示意图；图2是互连过程中压力与时间的关系图；图3是互连过程中温度与时间的关系图；图4是接头剪切断裂后第一被焊Cu工件的形貌；图5是接头剪切断裂后第被焊Cu工件的形貌。其中，1为第一被焊Cu工件，2为第二被焊Cu工件，3为Cu喷涂层。具体实施方式本专利技术的方法是通过以下步骤实现的：步骤一、冷喷涂参数确定。采用冷喷涂的方法将Cu粉喷涂到第一被焊Cu工件和第二被焊Cu工件上，氮气为喷涂气体，Cu粉的颗粒直径为1-100μm,形状为片状或颗粒状，喷涂气体的温度为250-400℃，气体压力为2-3MPa，喷涂速度为50-100mm/s，喷涂距离为2-3mm，第一被焊Cu工件1与第二被焊Cu工件2的上端面粗糙度均应该保持在Ra25以下，RZ280以下；步骤二、待焊工件的装配：将第二被焊Cu工件置于第一被焊Cu工件之上，使其喷涂表面直接接触，再将组合好的工件放到上下的压力板中间，工件的未喷涂表面与压力板直接接触，焊机通过压力向工件施加压力；步骤三、工件的氧化还原烧结连接：在焊接的过程中始终采用稳定的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电子元件封装中Cu‑Cu直接互连方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、工件表面冷喷涂Cu涂层：采用冷喷涂的方法将Cu粉喷涂到两个Cu工件的焊接端面上；步骤二、工件的装配：将两个Cu工件的焊接端面对接，使其喷涂表面直接接触，再将组合好的两个Cu工件放到焊机的上下压力板中间，用于焊机通过压力板向工件施加压力；步骤三、工件的氧化还原烧结连接：焊机进行焊接，在焊接的过程中始终采用稳定的压力，同时分段加热被焊Cu工件，使得被焊Cu工件在焊机中空气气氛下氧化，氧化完成后，再通入还原性气体进行还原，原位生成纳米的铜颗粒，再热压烧结，在预定的还原时间内加热、加压，随炉冷却，完成焊接。

【技术特征摘要】
1.一种电子元件封装中Cu-Cu直接互连方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、工件表面冷喷涂Cu涂层：采用冷喷涂的方法将Cu粉喷涂到两个Cu工件的焊接端面上；步骤二、工件的装配：将两个Cu工件的焊接端面对接，使其喷涂表面直接接触，再将组合好的两个Cu工件放到焊机的上下压力板中间，用于焊机通过压力板向工件施加压力；步骤三、工件的氧化还原烧结连接：焊机进行焊接，在焊接的过程中始终采用稳定的压力，同时分段加热被焊Cu工件，使得被焊Cu工件在焊机中空气气氛下氧化，氧化完成后，再通入还原性气体进行还原，原位生成纳米的铜颗粒，再热压烧结，在预定的还原时间内加热、加压，随炉冷却，完成焊接。2.根据权利要求1所述的一种电子元件封装中Cu-Cu直接互连方法，其特征在于：步骤一中，冷喷涂工艺为：采用氮气为喷涂气体，Cu粉的颗粒直径为1-100μm,形状为片状或颗粒状，喷涂气体的温度为250-400℃，气体压力为2-3MPa，喷涂速度为50-100mm/s，喷涂距离为2-3mm，Cu工件的焊接端面粗糙度均应该保持在Ra25以下，RZ280以下；喷涂后再用机械加工方式或电解抛光法降低表面粗糙度。3.根据权利要求2所述的一种电子元件封装中Cu-Cu直接互连方法，其特征在于：步骤一中，Cu粉的颗粒直径为30-50μm,形状为片状，喷涂气体的温度为300℃，气体压力为2.5MPa，喷涂速度为50-100mm/s。4.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯军才，张秋美，
申请(专利权)人：陕西理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61