一种共溅射制备金锡焊料薄膜的方法技术

本申请属于金属合金薄膜制备技术领域，公开了一种共溅射制备金锡焊料薄膜的方法，包括：将过渡金属层靶材、AuSn合金靶材和Sn单质靶材放置在溅射靶位上；在热沉基板上沉积过渡金属层；利用AuSn合金靶材和Sn单质靶材进行共溅射形成金锡混合层；在金锡混合层表面溅射Au保护层；对热沉基板进行共晶热处理得到金锡焊料薄膜。采用AuSn合金靶材和Sn单质靶材共溅射，补充了溅射过程中Sn的成分，形成Au原子、Sn原子、金锡金属间化合物分子均匀分布的金锡混合层，通过共晶热处理得到等轴状共晶组织，降低了金锡焊料薄膜的熔点，提高了金锡焊料薄膜的导热性能、力学性能、抗疲劳性能和蠕变性能。抗疲劳性能和蠕变性能。抗疲劳性能和蠕变性能。

【技术实现步骤摘要】
一种共溅射制备金锡焊料薄膜的方法


[0001]本专利技术涉及金属合金薄膜制备
，特别涉及一种制备金锡焊料薄膜的方法。

技术介绍

[0002]金锡焊料是一种常用的封装焊接材料，因其具有屈服强度高、导热性能好、熔点低等特性，广泛应用于激光二极管、LED器件封装和IC及功率半导体器件等领域。
[0003]现有技术中，金锡焊料薄膜的制备主要有叠层法和合金溅射法。叠层法采用电子束蒸镀、电镀、磁控溅射等技术分别沉积金层和锡层多层薄膜，然后进行共晶热处理来制备金锡焊料薄膜。该方法在沉积金层和锡层时各层薄膜厚度难以精确控制，在进行共晶热处理后，金锡焊料薄膜中的凝固组织是由初生相(ζ'
‑
Au5Sn相)和层状的共晶组织(ζ'
‑
Au5Sn+δ
‑
AuSn相)组成，这种层片状的组织结构存在的晶粒粗大的问题会导致金锡焊料薄膜导热性能、力学性能、抗疲劳性能和蠕变性能变差。合金溅射法是采用磁控溅射技术直接在基板上溅射AuSn合金，然后进行共晶热处理。但是由于AuSn合金靶中Au和Sn元素的溅射速率不同、在固体中扩散系数不同，在溅射过程中，靶材表面成分会出现变化，造成溅射出的Sn原子减少，进而导致溅射到基板上成膜的合金比例失衡，使得制备的金锡焊料薄膜的熔点升高，不利于焊接。

技术实现思路

[0004]为了解决上述问题，本专利技术提供一种共溅射制备金锡焊料薄膜的方法。
[0005]本专利技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种共溅射制备金锡焊料薄膜的方法，包括以下步骤：
[0006]S1：取热沉基板进行超声清洗；
[0007]S2：将过渡金属层靶材、AuSn合金靶材和Sn单质靶材放置在磁控溅射镀膜机溅射室的溅射靶位上，所述AuSn合金靶材和Sn单质靶材靶位相邻布置；将热沉基板置于磁控溅射镀膜机内，真空环境下对所述热沉基板进行等离子清洗；
[0008]S3：利用过渡金属层靶材进行溅射，在热沉基板上沉积过渡金属层，得到复合层：热沉基板/过渡金属层；
[0009]S4：利用AuSn合金靶材和Sn单质靶材进行共溅射，在过渡金属层上沉积由Au原子、Sn原子、金锡金属间化合物分子均匀分布形成的金锡混合层，得到复合层：热沉基板/过渡金属层/金锡混合层；
[0010]S5：在金锡混合层上表面溅射一层Au保护层，得到复合层：热沉基板/过渡金属层/金锡混合层/Au保护层；所述过渡金属层用于增强热沉基板与金锡混合层的结合力；
[0011]S6：在惰性气体保护环境下对热沉基板/过渡金属层/金锡混合层/Au保护层进行共晶热处理，得到复合层：热沉基板/过渡金属层/金锡焊料薄膜。
[0012]通过采用上述技术方案，采用AuSn合金靶材和Sn单质靶材进行共溅射的方法，在
热沉基板的过渡金属层上溅射形成Au原子、Sn原子、金锡金属间化合物分子均匀分布的金锡混合层，通过增加Sn单质靶材共溅射来补充金锡焊料薄膜中Sn的成分，解决了金锡焊料薄膜中Sn成分缺失造成熔点升高的问题；通过共晶热处理使金锡混合层中的Au原子、Sn原子、金锡金属间化合物分子以金锡金属间化合物分子为核心形成多个形核点，并以等轴状生长，最终形成等轴状共晶组织，解决了传统叠层法制备的金锡焊料薄膜容易生成层片状组织结构，导致导热性能、力学性能、抗疲劳性能和蠕变性能变差的问题。
[0013]进一步的过渡金属层由第一过渡金属层、第二过渡金属层、第三过渡金属层层叠而成；第一过渡金属层作为打底层，用于提高热沉基板的附着性能；第二过渡金属层作为扩散阻挡层，用于阻挡第一过渡金属层中的金属原子与第三过渡金属层中的金属原子相互扩散；第三过渡金属层作为匹配层，用于匹配金锡混合层。更为具体地：S2中所述过渡金属层靶材由Ti靶、Pt靶、Au靶组成；S3中依次利用过渡金属层靶材：Ti靶、Pt靶、Au靶进行溅射，得到复合层：热沉基板/Ti层/Pt层/Au层；S4中得到复合层：热沉基板/Ti层/Pt层/Au层/金锡混合层；S5中得到复合层：热沉基板/Ti层/Pt层/Au层/金锡混合层/Au保护层；S6中共晶热处理后得到复合层：热沉基板/Ti层/Pt层/金锡焊料薄膜；或：S2中所述过渡金属层靶材由Ni靶、Pt靶、Au靶组成；S3中依次利用过渡金属层靶材：Ni靶、Pt靶、Au靶进行溅射，得到复合层：热沉基板/Ni层/Pt层/Au层；S4中得到复合层：热沉基板/Ni层/Pt层/Au层/金锡混合层；S5中得到复合层：热沉基板/Ni层/Pt层/Au层/金锡混合层/Au保护层；S6中共晶热处理后得到复合层：热沉基板/Ni层/Pt层/金锡焊料薄膜。
[0014]进一步的，所述步骤S1中热沉基板的超声清洗步骤为：在振动频率为40kHz的条件下，先将热沉基板放入丙酮中浸润3min，再放入无水乙醇中浸润5min，用纯水冲洗后再放入纯水中超声清洗8min，然后将热沉基板离心甩干。
[0015]通过采用上述技术方案，对热沉基板进行超声清洗，可以清洗掉热沉基板上的杂质，避免其对后续溅射工序的影响。
[0016]进一步的，所述步骤S2中热沉基板的等离子清洗步骤为：在气压0.5～5Pa、氩气流量400～500sccm、温度150℃、偏压
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800～
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500V条件下，对超声清洗后的热沉基板进行等离子清洗处理20～30min。
[0017]通过采用上述技术方案，对热沉基板进行等离子清洗，可以避免其对后续溅射工序的影响。
[0018]进一步的，所述步骤S3包括：在真空度0.2～0.5Pa、偏压
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100～
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60V、热沉基板温度100～200℃、溅射功率5～8kW条件下，在热沉基板上通过磁控溅射技术溅射过渡金属层，溅射时间为30～40min，沉积过渡金属层厚度为300～350nm的过渡金属层。
[0019]进一步的，所述步骤S4包括以下步骤：
[0020]S4.1：在150～200℃温度下加热热沉基板；
[0021]S4.2：向溅射室内充入氩气，调整溅射室内压强范围为0.3～0.6Pa；
[0022]S4.3：设置AuSn合金靶溅射功率为6～8kW，Sn单质靶溅射功率为0.8～1kW，工作偏压为
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100～
‑
60V，磁控溅射2.5～4h，得到厚度为4～5μm的金锡混合层。
[0023]通过采用上述技术方案，通过共溅射技术溅射AuSn合金靶材和Sn单质靶材，可以有效地补充金锡焊料薄膜中Sn的成分。
[0024]进一步的，所述步骤S5包括：在真空度0.2～0.5Pa、偏压
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100～
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60V、溅射功率4～
6kW条件下，在金锡混合层上表面溅射一层Au，溅射时间10～15min，得到80～100nm厚的Au保护层。
[0025]通过采用上述技术方案，在金锡混合层上表面溅射一层Au，作为金锡混合层的上层保护膜，避本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种共溅射制备金锡焊料薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：取热沉基板进行超声清洗；S2：将过渡金属层靶材、AuSn合金靶材和Sn单质靶材放置在磁控溅射镀膜机溅射室的溅射靶位上，所述AuSn合金靶材和Sn单质靶材靶位相邻布置；将热沉基板置于磁控溅射镀膜机内，真空环境下对所述热沉基板进行等离子清洗；S3：利用过渡金属层靶材进行溅射，在热沉基板上沉积过渡金属层，得到复合层：热沉基板/过渡金属层；S4：利用AuSn合金靶材和Sn单质靶材进行共溅射，在过渡金属层上沉积由Au原子、Sn原子、金锡金属间化合物分子均匀分布形成的金锡混合层，得到复合层：热沉基板/过渡金属层/金锡混合层；S5：在金锡混合层上表面溅射一层Au保护层，得到复合层：热沉基板/过渡金属层/金锡混合层/Au保护层；S6：在惰性气体保护环境下对热沉基板/过渡金属层/金锡混合层/Au保护层进行共晶热处理，得到复合层：热沉基板/过渡金属层/金锡焊料薄膜。2.根据权利要求1所述的一种共溅射制备金锡焊料薄膜的方法，其特征在于，过渡金属层由第一过渡金属层、第二过渡金属层、第三过渡金属层层叠而成；第一过渡金属层作为打底层，用于提高热沉基板的附着性能；第二过渡金属层作为扩散阻挡层，用于阻挡第一过渡金属层中的金属原子与第三过渡金属层中的金属原子相互扩散；第三过渡金属层作为匹配层，用于匹配金锡混合层。3.根据权利要求1所述的一种共溅射制备金锡焊料薄膜的方法，其特征在于，S2中所述过渡金属层靶材由Ti靶、Pt靶、Au靶组成；S3中依次利用过渡金属层靶材：Ti靶、Pt靶、Au靶进行溅射，得到复合层：热沉基板/Ti层/Pt层/Au层；S4中得到复合层：热沉基板/Ti层/Pt层/Au层/金锡混合层；S5中得到复合层：热沉基板/Ti层/Pt层/Au层/金锡混合层/Au保护层；S6中共晶热处理后得到复合层：热沉基板/Ti层/Pt层/金锡焊料薄膜；或：S2中所述过渡金属层靶材由Ni靶、Pt靶、Au靶组成；S3中依次利用过渡金属层靶材：Ni靶、Pt靶、Au靶进行溅射，得到复合层：热沉基板/Ni层/Pt层/Au层；S4中得到复合层：热沉基板/Ni层/Pt层/Au层/金锡混合层；S5中得到复合层：热沉基板/Ni层/Pt层/Au层/金锡混合层/Au保护层；S6中共晶热处理后得到复合层：热沉基板/Ni层/Pt层/金锡焊料薄膜。4.根据权利要求1所述的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：靳世旭，潘远志，刘鑫，邓敏航，薛波，
申请(专利权)人：苏州博志金钻科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：