一种引入铜薄层的银锡共晶薄膜焊料及制备方法技术

本发明专利技术属于电子封装焊接技术领域，且公开了一种引入铜薄层的银锡共晶薄膜焊料，包括有铜层、银层与锡层，该引入铜薄层的银锡共晶薄膜焊料按照质量百分比计算包括有60％～90％的银、5％～30％的锡以及1～10％的铜，铜层设置于银层与锡层之间且银层与锡层之间不相接触。本发明专利技术通过在银锡共晶薄膜焊料的基础上，通过在银层和锡层之间引入一定厚度的铜层，不仅能抑制溅射沉积过程中银锡的互扩散反应，还可以在高温焊接键合过程中通过铜锡金属间化合物的等温凝固体积膨胀，来填充银锡金属间化合物等温凝固收缩产生的孔隙，降低焊后焊接层内缺陷，从而提升焊点的可靠性及可焊性。从而提升焊点的可靠性及可焊性。从而提升焊点的可靠性及可焊性。

【技术实现步骤摘要】
一种引入铜薄层的银锡共晶薄膜焊料及制备方法


[0001]本专利技术属于电子封装焊接
，具体是一种引入铜薄层的银锡共晶薄膜焊料及制备方法。

技术介绍

[0002]封装互连技术为了给元器件提供机械支持、保护以及散热通路，需要通过焊接手段来实现，焊点可靠性的影响因素主要包含焊料种类、成分以及性能。传统焊料例如金
‑
硅系焊料和铅锡系焊料等具有出色的润湿性能、延展性和良好的可靠性，曾广泛应用于高温工艺连接。但金成本较高，铅具有毒性容易引起环境和健康问题，因此无铅化焊料的研究逐渐成为电子封装领域的一个研究热点。
[0003]对在封装中使用的温度敏感元件，高的键合温度可能会影响半导体器件的可靠性和使用寿命，因此需要采用低温瞬态液相键合技术。瞬态液相键合技术具有相对较低的键合温度和相对较短的键合时间。在键合温度的作用下高熔点和低熔点的金属材料发生互扩散，形成金属间化合物同时等温凝固，在低熔点焊料的选择问题上，通常选择锡(T
m
＝232℃)或铟(T
m
＝157℃)，金、银、铜由于可以和锡形成稳定的金属间化合物，且具有良好的延展性，高电导性和导热率。因金成本较高，且金锡焊料焊接时容易产生焊渣对电路和封装密封性产生危害，同时其服役过程中易产生过度蠕变以及应力松弛积累。
[0004]现有银锡焊料一般通过合金熔炼技术制备，熔炼法制备焊料的步骤如下：称量配料、炉中熔化锡、熔化微量元素或熔化得到中间合金、搅拌、保温、降温、浇注模具、冷却至得到块体共晶焊料。这种方法得到的焊点层厚度大，内部孔隙多，从而导致焊点可靠性差，且电学性能和热学性能难以适应封装技术的发展趋势。有研究通过磁控溅射技术制备了银锡共晶薄膜焊料，但由于其银锡之间互扩散严重，导致焊点可靠性的急剧下降。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是针对以上问题，本专利技术提供了一种引入铜薄层的银锡共晶薄膜焊料及制备方法，具有焊点稳定、可靠成本低的优点。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种引入铜薄层的银锡共晶薄膜焊料，包括有铜层、银层与锡层，该引入铜薄层的银锡共晶薄膜焊料按照质量百分比计算包括有60％～90％的银、5％～30％的锡以及1～10％的铜，铜层设置于银层与锡层之间且银层与锡层之间不相接触。
[0007]本专利技术使用磁控溅射技术制备的一种引入铜薄层的银锡共晶薄膜焊料，利用铜薄层抑制银锡之间的互扩散以及铜锡金属间化合物等温凝固过程膨胀的特性，显著提升了焊点的可靠性。
[0008]作为本专利技术的一种优选技术方案，银锡共晶薄膜焊料为薄膜状且厚度为3～10μm，其中铜层厚度为20nm～500nm。
[0009]本申请还提出了一种引入铜薄层的银锡共晶薄膜焊料制备方法，其特征在于，具
体操作步骤如下：
[0010]S1、对基板材料表面进行清洗；
[0011]S2、以铜靶、银靶以及锡靶为靶材，利用真空磁控溅射技术在经过清洗的基板表面沉积镀膜层。
[0012]作为本专利技术的一种优选技术方案，S1步骤中材料清洁具体为，将基板材料分别用无水乙醇、去离子水超声清洗，然后干燥。
[0013]作为本专利技术的一种优选技术方案，S2步骤中真空磁控溅射具体为，将各靶材放入磁控溅射室内进行预溅射，然后在基底加偏压条件下进行膜层的沉积。
[0014]作为本专利技术的一种优选技术方案，真空溅射室的本底真空为≤3
×
10
‑4Pa，溅射室内通入气流量为20～40sccm的Ar气，工作气压控制在0.1～0.5Pa。
[0015]作为本专利技术的一种优选技术方案，所述靶材中银靶、铜靶采用的溅射功率为100～200W、锡靶溅射功率为50～150W；预溅射时间为5～15min，偏压为
‑
50～
‑
90V。
[0016]作为本专利技术的一种优选技术方案，所述基板材料选自封装常用金属及陶瓷材料，铜靶、银靶、锡靶度均超过99.95％。
[0017]与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：
[0018]本专利技术通过在银锡共晶薄膜焊料的基础上，通过在银层和锡层之间引入一定厚度的铜层，不仅能抑制溅射沉积过程中银锡的互扩散反应，还可以在高温焊接键合过程中通过铜锡金属间化合物的等温凝固体积膨胀，来填充银锡金属间化合物等温凝固收缩产生的孔隙，降低焊后焊接层内缺陷，从而提升焊点的可靠性及可焊性；
[0019]通过引入铜薄层的银锡薄膜是通过磁控溅射方式制备，其工艺简单、成本低、节能环保，成分及厚度精确可控；
[0020]同时本专利技术对基材要求较低，常用金属材料和陶瓷材料均可使用，且可进行大规模处理；进一步的，本专利技术利用磁控溅射技术在不同直流溅射功率下沉积不同厚度的铜，有效提高了焊点的焊接性能与可靠性。
附图说明
[0021]图1为本专利技术引入铜薄层的银锡薄膜焊料结构示意图；
[0022]图2为本专利技术薄膜焊料截面背散射电子扫描电镜图；
[0023]图3为本专利技术图2所示银锡薄膜三种元素(Ag、Cu、Sn)的面扫描分布图。
具体实施方式
[0024]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。
[0025]实施例1
[0026]步骤1：基体清洗
[0027]对6061铝合金作为基板材料，首先在无水乙醇中以50Hz超声清洗10min，然后用去离子水冲洗并吹干，然后将其分成两组。
[0028]步骤2：真空磁控溅射沉积工艺
[0029]磁控溅射腔室内本底真空为3.0
×
10
‑4Pa，通入20sccm的Ar，控制工作气压为0.2Pa沉积前首先对靶材进行预溅射10min，然后取一组基板材料置入溅射腔体内，银靶、铜靶采用的直流溅射功率为100W，锡靶采用射频溅射功率为50W，基底加偏压
‑
50V，先后沉积约1μm银，20nm铜1μm锡，沉积完成后将基板材料取出并置入另一组基板材料，在相同的条件下沉积约1μm银；
[0030]将加工好的基板材料采用两个基板进行热压焊接，焊接条件：300℃下保温240min，键合压力约为0.5MPa，焊接效果良好；
[0031]对焊接好的样品进行了厚度测试，其厚度约为3μm，并进行剪切强度的测试，通过检测强度约为20.2MPa。
[0032]实施例2
[0033]步骤1：基体清洗
[0034]对6061铝合金作为基板材料，首先在无水乙醇中以50Hz超声清洗10min，然后用去离子水冲洗并吹干，然后将其分成两组。
[0035]步骤2：真空磁控溅射沉积工艺
[0036]磁控溅射腔室内本底真空为3.0
×...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种引入铜薄层的银锡共晶薄膜焊料，包括有铜层、银层与锡层，其特征在于：该引入铜薄层的银锡共晶薄膜焊料按照质量百分比计算包括有60％～90％的银、5％～30％的锡以及1～10％的铜，铜层设置于银层与锡层之间且银层与锡层之间不相接触。2.根据权利要求1的一种引入铜薄层的银锡共晶薄膜焊料，其特征在于：银锡共晶薄膜焊料为薄膜状且厚度为3～10μm，其中铜层厚度为20nm～500nm。3.一种引入铜薄层的银锡共晶薄膜焊料制备方法，其特征在于，具体操作步骤如下：S1、对基板材料表面进行清洗；S2、以铜靶、银靶以及锡靶为靶材，利用真空磁控溅射技术在经过清洗的基板表面沉积镀膜层。4.根据权利要求3的一种引入铜薄层的银锡共晶薄膜焊料制备方法，其特征在于：S1步骤中材料清洁具体为，将基板材料分别用无水乙醇、去离子水超声清洗，然后干燥。5.根据权利要求3的一种引入铜薄层的银锡共晶薄膜焊料制备方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋忠孝，杜运达，朱晓东，李雁淮，钱旦，王永静，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：