一種多層銅片鍵合方法與流程
2024-04-12 19:58:05
1.本發明屬於銅片鍵合技術領域，具體涉及一種多層銅片鍵合方法。
背景技術：
2.銅銅鍵合具有優越的功率處理能力，熱穩定性，比傳統焊料相比，具有更加優秀的可靠性、小電阻和載流能力，並且與目前半導體封裝工藝可兼容。因此，銅銅鍵合同時滿足成本和性能要求，受到業界和學術界的積極追捧，被視作半導體工業下一個互連節點。
3.目前銅片與銅片的鍵合工藝，一般包括釺焊、熔焊、電阻焊、超聲波焊接等。釺焊同時加熱銅和熔點低於銅的纖料，熔化後的液態纖料填充在銅與銅連接的縫隙中，等到液態纖料凝固之後即完成焊接；熔焊加熱銅與銅的接觸處，讓其達到融化狀態，待其緊密接觸，停止加熱，溫度降低後，熔化接觸部分則會發生凝結，即完成焊接；電阻焊通過電極壓住，通以大電流，實現銅片之間的熔化焊接，電流和壓力是關鍵參數；超聲波焊接主要利用兩個銅片表面相互摩擦而形成分子層之間的融合。
4.然而，銅的熱導率較高，導熱係數為401w/(m
·
k)，熱量傳遞太快，焊接時容易形成未焊接未融合部位的情況；電阻焊及超聲波焊接則對焊接的尺寸，焊接面積以及焊接銅片厚度都存在限制，不利於其推廣應用。
技術實現要素：
5.本發明針對現有銅銅焊接工藝存在的缺陷，提供了一種全新的多層銅片鍵合方法，銅片表面進行雜質清潔處理後，先進行梯度幹法氧化或溼法氧化，然後將其置於兩塊多孔承燒板之間，氬氣保護條件下進行梯度燒結，完成鍵合。
6.為了實現上述目的，本發明採用的技術方案如下：
7.a、表面處理
8.選取表面粗糙度小於0.5μm，表面平整度小於5％的銅片，將銅片置於質量分數為10-18％的鹽酸中浸泡3-10min，再放入無水乙醇中超聲清洗3-10min，最後使用純水衝洗並烘乾水分，完成銅片表面雜質的清洗。
9.b、銅片氧化
10.採用幹法氧化或溼法氧化任一種氧化方式。
11.其中，幹法氧化步驟如下：表面處理後的銅片在混入一定體積(2％～10％)氧氣的氬氣保護條件下，以梯度加熱方式完成氧化：10℃/min速率加熱至500-510℃，保溫4min；5℃/min速率加熱至690-700℃，保溫4min；5℃/min速率加熱至790-800℃，保溫4min；5℃/min速率加熱至800-900℃，保溫20min；10℃/min速率降溫至室溫，
12.溼法氧化的步驟如下：將表面處理後的銅片放入koh和k2s2o8的混合水溶液中，溶液溫度保持在40-50℃，氧化時間為10-15min；完成氧化後純水清洗，置於180℃烘箱烘乾2h完成乾燥。其中，koh的濃度為0.55～0.75mol/l，k2s2o8的濃度為0.3～0.35mol/l。
13.c、銅片燒結
14.氧化完成的銅片平放在兩塊多孔承燒板之間，利用承燒板自身重量提供向下的壓力，保證燒結過程銅氧共晶液面緊密接觸，防止空隙產生；利用承燒板多孔結構使用圓柱銷對待燒結氧化銅片進行卡位，防止燒結過程銅片錯位。在氬氣保護條件下，燒結條件如下：20℃/min速率加熱至980-1000℃，保溫15min；5℃/min速率加熱至1065-1083℃，保溫40min；20℃/min速率降溫至室溫，完成鍵合。
15.其中，多孔碳化矽承燒板的厚度為8mm；進行卡位時，利用承燒板多孔結構使用圓柱銷對待燒結氧化銅片四條邊進行卡位。
16.本發明具有如下有益效果：
17.本發明針對銅熱導率高，熱量傳遞快的特點，先進行銅片表面氧化，在銅表面形成一定厚度的cu2o層，然後平放在兩塊多孔承燒板之間在氬氣保護條件下進行燒結。本發明鍵合方法，由於對氧化亞銅表面進行燒結，避免了焊接時容易形成未焊接未融合部位的情況，同時不存在銅片厚度限制，適合任何厚度銅片之間的鍵合，克服了電阻焊及超聲波焊接則對焊接的尺寸，焊接面積以及焊接銅片厚度都存在限制的缺陷。
附圖說明
18.圖1為承燒板燒結裝置的結構示意圖；
19.圖2為承燒板內部銅片安置的結構示意圖。
具體實施方式
20.現結合實施例和附圖，對本發明作詳細描述，但應當理解，下面所具體描述的內容是說明性的而非限制性的，不應以此限制本發明的保護範圍。
21.實施例1銅片幹法氧化和燒結
22.a、銅片清潔
23.取厚度為0.4mm、表面粗糙度《0.5μm，表面平整《5％的銅片置於質量分數為10％的鹽酸中浸泡3min，再放入無水乙醇中超聲清洗3min，最後使用純水衝洗並烘乾水分。
24.b、銅片表面幹法氧化
25.將步驟a處理後的銅片放入管式爐中，通氬氣，且混入4％體積比的氧氣，加熱參數如下：
26.10℃/min速率加熱至510℃，保溫4min；
27.5℃/min速率加熱至690℃，保溫4min；
28.5℃/min速率加熱至790℃，保溫4min；
29.5℃/min速率加熱至800℃，保溫20min；
30.10℃/min速率降溫至室溫。
31.c、銅片燒結
32.如圖1和圖2所示，將氧化完成的銅片1疊加放置在兩塊8mm厚度的多孔碳化矽承燒板2之間，利用承燒板2自身重量提供向下的壓力，保證燒結過程銅氧共晶液面緊密接觸，防止空隙產生，並利用承燒板2多孔結構使用圓柱銷3對待燒結氧化銅片1進行卡位，防止燒結過程銅片1錯位。
33.將承燒板2放入爐中在氬氣保護條件下，燒結條件如下：
34.20℃/min速率加熱至980-1000℃，保溫15min；
35.5℃/min速率加熱至1065-1083℃，保溫40min；
36.20℃/min速率降溫至室溫，完成鍵合。
37.實施例2銅片溼法氧化和燒結
38.a、銅片清潔
39.取厚度為0.4mm、表面粗糙度《0.5μm，表面平整度《5％的銅片置於質量分數為10％的鹽酸中浸泡3min，再放入無水乙醇中超聲清洗3min，最後使用純水衝洗並烘乾水分。
40.b、銅片表面溼法氧化
41.將表面處理的銅片放入0.6mol/lkoh、0.3mol/lk2s2o8混合水溶液中，溶液溫度保持在50℃，浸泡時間為10min；完成氧化後純水清洗，置於180℃烘箱2h完成乾燥。
42.c、銅片燒結
43.如圖1和圖2所示，將氧化完成的銅片1疊加放置在兩塊8mm厚度的多孔碳化矽承燒板2之間，利用承燒板2自身重量提供向下的壓力，保證燒結過程銅氧共晶液面緊密接觸，防止空隙產生，並利用承燒板2多孔結構使用圓柱銷3對待燒結氧化銅片1進行卡位，防止燒結過程銅片1錯位。
44.將承燒板2放入爐中在氬氣保護條件下，燒結條件如下：
45.20℃/min速率加熱至980-1000℃，保溫15min；
46.5℃/min速率加熱至1065-1083℃，保溫40min；
47.20℃/min速率降溫至室溫，完成鍵合。
48.以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特徵和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等同物界定。