[发明专利]一种基于自蔓延薄膜的纳米铜烧结方法

说明书

本申请提供了一种基于自蔓延薄膜的纳米铜烧结方法，通过对镍铝薄膜按照预设间距进行挖孔，然后使用点胶机在所挖的各个孔中注入纳米铜焊膏，以得到单块的纳米铜焊膏和镍铝薄膜的组合体，对自蔓延纳米铜烧结结构先进行预热和保温，然后继续进行二次加热和二次保温，最后冷却至室温，完成烧结。本申请的技术方案能够大幅的加快烧结时间，大幅节约时间成本，大幅节约设备成本。

技术领域

本申请涉及电子封装技术领域，尤其涉及一种基于自蔓延薄膜的纳米铜烧结方法。

背景技术

近年来，随着第三代半导体材料碳化硅以及氮化镓的出现，功率器件的功率等级大幅度上升，更高的功率等级带来的是更大的开关损耗以及导通损耗，原有的普通焊料熔点低于碳化硅材料，并且热导率低，已经不能完全发挥第三代功率芯片的性能，因此需要新的焊料。纳米铜烧结技术应运而生，但是目前的纳米铜烧结普遍在300℃的烧结温度下，至少需要3个小时，而且300℃实际上远远没有达到铜的熔点，是通过铜的扩散来起到连接基板和芯片的目的。并且为了保证连接强度，通常是加压烧结，并且所需压强很大，所以当芯片的尺寸超过5mm*5mm时，连接强度就会迅速下降。

现有纳米铜的烧结技术，通常采用回流焊的方式，首先将炉温加热到200摄氏度，对纳米铜焊膏进行预热，通入氮氢混合气，防止烧结过程中铜的氧化。然后再加热到300℃，保温至少3个小时。在现有技术中，现有纳米铜烧结技术需要的时间都在3小时以上，成本高、效率低，不适合大规模工业生产。现有纳米铜烧结技术对于芯片的尺寸有要求，最大尺寸不能超过5mm*5mm，否则连接强度无法达到应用要求。现有纳米铜焊料对于纳米铜粒径要求很严格，所需的纳米铜的粒径最大不能超过300nm。纳米铜颗粒极易被氧化，而且烧结时间一般都在3小时以上，所以烧结氛围必须在氢气之中，这对烧结设备提出了更高的要求同时也增加了烧结成本。目前纳米铜烧结技术所需的压力的都普遍较大，加压不均匀很容易损坏芯片，而且过高的压力也需要专门夹具，既增加了工艺的复杂度也增加了成本。此外，传统的纳米薄膜“三明治”烧结结构因为其中间为薄膜燃烧后产物，而上下层为焊膏，所以连接强度较小，长期可靠性差。

发明内容

本申请提供了一种基于自蔓延薄膜的纳米铜烧结方法。该方法通过采用纳米铜、镍铝薄膜、纳米铜的多层镶嵌结构，所需要的烧结时间缩短为原来的20至30分之一，极大地节约了时间成本。本申请采用如下技术方案：

一种基于自蔓延薄膜的纳米铜烧结方法，该方法包括如下步骤：

步骤1、对镍铝薄膜按照预设间距进行挖孔，然后使用点胶机在所挖的各个孔中注入纳米铜焊膏，以得到单块的纳米铜焊膏和镍铝薄膜的组合体；

步骤2、在基板上印刷与单块的所述纳米铜焊膏和镍铝薄膜的组合体的形状和尺寸相同的第一纳米铜焊膏；将所述组合体设置在第一纳米铜焊膏上；在所述组合体远离第一纳米铜焊膏的一侧印刷与单块的所述纳米铜焊膏和镍铝薄膜的组合体的形状和尺寸相同的第二纳米铜焊膏；使用夹具将芯片覆盖在第二纳米铜焊膏上，并对芯片施加0.6MPa到1MPa的压力，以得到自蔓延纳米铜烧结结构；

步骤3、对自蔓延纳米铜烧结结构进行第一次加热和第一次保温，并确保所述夹具和所述自蔓延纳米铜烧结结构的温度一致；继续进行第二次加热和第二次保温，在冷却至室温后完成烧结。

进一步的，在步骤1中，对镍铝薄膜进行挖孔，包括：使用激光对镍铝薄膜进行挖孔，孔的直径在0.4mm至0.6mm之间，所述组合体中的纳米铜焊膏为圆形；在步骤2中，所述第二纳米铜焊膏的面积为所述芯片面积的80%至90%，其厚度为10μm-20μm。

进一步的，在步骤3中，所述对自蔓延纳米铜烧结结构进行第一次加热和第一次保温，包括：将自蔓延纳米铜烧结结构加热到100℃-120℃，加热时间为60s-90s，然后进行保温，保温时间为120s-180s。

进一步的，所述第一次加热和第一次保温激发第一纳米铜焊膏和第二纳米铜焊膏的活化，并去除纳米铜焊膏中的助焊剂。