一种单向性耐高温焊接接头的低温快速制造方法

摘要

本发明提出了一种单向性耐高温焊接接头的低温快速制造方法，通过双面直流电解沉积工艺，可以获得具有高密度单向性的双面纳米孪晶铜箔，且铜箔表面取向为(111)晶面；将(111)纳米孪晶铜箔在还原性气氛且300‑500℃下低温时效，在0.5‑4h内快速形成双面单晶铜箔，且单晶铜箔表面取向为(111)晶面；将单晶铜箔、锡箔堆叠后与覆铜碳化硅芯片焊接，利用平板热压与温度梯度回流工艺，在5‑10分钟内快速形成单向性Cu6Sn5金属间化合物焊接接头，且Cu6Sn5晶粒的[0001]晶向与单晶铜箔的表面平行。由于Cu6Sn5金属间化合物的熔点高达415℃，且其[0001]晶向具有高剪切强度，所以形成的单向性Cu6Sn5金属间化合物焊接接头将具有极佳的耐高温性能，满足碳化硅等功率芯片长期高温与高可靠性的服役需求。

说明书

技术领域

本发明属于材料制备领域，具体涉及一种单向性耐高温焊接接头的低温快速制造方法。

背景技术

随着我国集成电路产业的快速发展，芯片制造技术作为集成电路产业的基石受到持续关注。现阶段，芯片趋于小型化、集成化和高功率化，由此产生的高温、高频和高功率等问题迅速成为业界关注的焦点。传统硅基、砷化镓等半导体芯片由于材料所限，在200℃以上服役时易发生结构失效，其耐高温性能无法满足大功率器件的服役要求。以碳化硅和氮化镓为代表的第三代功率半导体材料拥有优越的物理力学性能、快速的开关频率、可达300℃以上的工作温度，成为高端功率半导体集成电路产业的研究热点。

用于高温功率半导体芯片的焊接接头材料的匮乏逐渐成为制约第三代半导体芯片发展的主要瓶颈。目前，高温无铅钎料焊接接头通过提高钎料本身的熔点来提高接头的耐温能力，使用较为广泛的高温无铅钎料体系主要有金基、锌基、银基等，但其成本高昂或存在润湿性或可靠性差的问题，且使用温度普遍低于300℃，与第三代功率芯片所要求的高温、高可靠性服役需求存在较大差距。铜、银等金属纳米颗粒可以实现低温互连并且制得的焊接接头可以在高温下服役，然而纳米颗粒制备工艺复杂，成本较高，且烧结接头的力学性能相比传统回流焊工艺制得的接头存在差距。瞬时液相扩散焊技术可以在低温回流条件下形成耐高温的金属间化合物(如 Cu

随着功率芯片内部焊接接头数量的不断攀升以及三维高密度立体式封 装结构的大量应用，焊接接头尺寸不断减小，接头组织的各向异性的物理 力学行为将对接头性能与可靠性产生剧烈影响，功率芯片内数以千计的焊 接接头将可能由于单个接头损毁而导致芯片完全失效，芯片寿命难以准确 预测，因此实现取向完全一致的耐高温焊接接头是目前功率芯片制造领域 亟待攻克的技术难题。2012年中国台湾交通大学陈智教授发表了通过制造 单向性(111)纳米孪晶铜实现三维封装接头内Cu

发明内容

本申请的目的在于提供一种单向性耐高温焊接接头的低温快速制造方法，以解决功率芯片耐高温焊接接头制造时间长、接头物理力学性能差且个体差异明显等问题。

本发明提出了一种单向性耐高温焊接接头的低温快速制造方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：将多晶铜箔置于装有抛光液的电解槽中进行双面电解抛光处理，电解抛光后，通过磁控溅射工艺在多晶铜箔的表面形成厚度为200-300 nm的铜种籽层；

步骤S2：将步骤S1得到的多晶铜箔进行电沉积，电沉积的温度被设置为10-40℃，电极间距为50-100mm，阴极与阳极的面积比为0.02-0.1:1、电流密度为10-100mA/cm

步骤S3：将纳米孪晶铜置于装有还原性气体的还原炉内，还原炉的温度为300-500℃下低温时效，保温时间为2-4h；

步骤S4：将步骤S3得到的纳米孪晶铜置于化学镀锡液中进行镀锡，镀锡的时间为0.5-1分钟，所得即为表面有锡镀层的单晶铜箔；

步骤S5：根据铜焊盘形状，将单晶铜箔和锡箔进行图形化切割；

步骤S6：将单晶铜箔、锡箔以及铜焊盘依次堆叠成单晶铜箔/Cu

在一个优选的实施例中，铜箔抛光液包括320-400ml无机酸或有机酸、 8-15g表面活性剂以及120-180ml溶剂，有机酸为有机多膦酸、羟基亚乙基二膦酸以及柠檬酸中的至少一种，无机酸为磷酸、硫酸以及盐酸中的至少一种，溶剂为去离子水、酒精、乙二醇以及丙三醇中的至少一种，表面活性剂为十二烷基硫酸钠。

在一个优选的实施例中，电沉积液包括硫酸铜50-100g/L、硫酸20-50 ml/L、氯化铜5-20ppm、聚乙二醇10-20ppm、明胶5-20ppm以及去离子水。

在一个优选的实施例中，还原性气体包括氢气和氮气，氢气和氮气按体积分数比分别为5％和95％。还原性气体可以防止单向性纳米孪晶铜在空气中氧化。纳米孪晶铜电镀完成后由于纳米结构活性较高，且存在大量纳米孪晶晶界结构，很容易吸收氧原子，使铜结构氧化。孪晶界处形成的高熔点氧化铜会阻碍单晶转变，因此在300-400℃的等温时效过程中需要添加还原氛围以防止氧化铜的形成。

在一个优选的实施例中，步骤S1中的多晶铜箔设置为阳极，将两个阴极设置于阳极两侧，阴极包括铜片、钛片以及镍片中的一种。

在一个优选的实施例中，步骤S1中多晶铜箔电解抛光后进行超声清洗和等离子处理，超声清洗包括用去离子水超声清洗1分钟，并用氮气吹干，等离子处理包括用频率为13.56MHz的氩气等离子体清洗10-30分钟，功率为50-150W，以除去多晶铜箔表面残留的有机物。

在一个优选的实施例中，铜焊盘/Cu

在一个优选的实施例中，电解槽放置于磁力搅拌加热平台上，磁力搅拌速率为300-1000r/min，可通过磁子搅拌提高电解液的流动性。提高电解液的流动性的最主要目的是为了让电解液中溶质分布均匀，如果溶质分布不均匀，会造成铜箔表面缺陷增多，表面粗糙度增加。

在一个优选的实施例中，由于铜是面心立方晶格，其通过磁控溅射方式获得的种籽层一般具有铜的(111)密排结构，且微观上为纳米微晶。(111) 纳米孪晶铜即为依附于上述纳米微晶种籽层，并垂直种籽层表面快速生长而获得的结构。种籽层生长过厚比较费时，且微晶层可能会混乱掉；太薄可能会导致种籽层形成不完整。

在一个优选的实施例中，将步骤S1得到的多晶铜箔设为阳极，阴极为分布于阳极两侧的两个铜片，且将阳极和阴极置于装有电沉积液的电解槽中进行电沉积。

在一个优选的实施例中，电解抛光处理的温度被设置为20-80℃，电极间距为50-100mm，阴极与阳极的面积比为5-10：1，电流密度为10-100 mA/cm

在一个优选的实施例中，步骤S6中的平板热成型机的高温侧加热板的温度被设置为240-300℃，低温侧加热板的温度低于高温侧加热板 10-100℃，保温时间为5-10分钟。

本发明的一种单向性耐高温焊接接头的低温快速制造方法，首先通过电解沉积工艺制备出具有单向性的(111)晶面的纳米孪晶铜箔，随后在氢气和氮气的混合还原性气体氛围下通过低温时效，将纳米孪晶结构通过低温退火工艺快速消除，进而形成具有(111)晶面的大块单晶铜箔，随后利用平板热压与温度梯度回流工艺，利用铜元素在液体锡中趋向于低温侧迁移的扩散行为，及Cu

本发明的纳米孪晶铜箔与单晶铜箔的制造工艺流程简单、制造过程节能环保、所需原料成本低廉、获得的箔材品质高、适于大面积且批量化生产；单向性耐高温焊接接头的制造工艺与软钎焊工艺兼容、接头制备所需时间短且温度低、接头可靠性高且每个接头具有完全一致的物理力学性能。本发明可以有效解决功率芯片耐高温焊接接头制造时间长、接头物理力学性能差且个体差异明显等制造或可靠性问题。

附图说明

包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。附图的元件不一定是相互按照比例的。同样的附图标记指代对应的类似部件。

图1是根据本发明的一个实施例的一种单向性耐高温焊接接头的低温快速制造方法的流程图；

图2是根据本发明的一个实施例的电解槽的示意图；

图3是根据本发明的一个实施例的纳米孪晶铜结构图(a)和单晶铜结构图(b)；

图4是根据本发明的一个实施例的单晶铜、镀锡单晶铜和锡箔与镀锡单晶铜热压后XRD图；

图5是根据本发明的一个实施例的单晶铜箔/Cu

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将结合附图1和图2对本发明作详细的介绍，本发明的一种单向性耐高温焊接接头的低温快速制造方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：取99.99％的商用多晶铜箔，夹持在如图2所示的口字型中空聚四氟乙烯夹具2中，多晶铜箔经表面清洗去油后，放入装有抛光液的电解槽5中备用；将多晶铜箔设置为阳极，将两片99.99％的铜片(或钛片、镍片等)插入电解槽5两侧的口字形中空聚四氟乙烯夹具2中并设置其为阴极，抛光温度设置为20-80℃、电极间距为50-100mm、阴阳极面积比为 5-10：1、磁力搅拌速率为300-1000r/min、电流密度为10-100mA/cm

步骤S2：将步骤S1得到的多晶铜箔连同夹具2放置于装有沉积液的电解槽5中并设置为阴极，将两片99.99％的铜片插入电解槽5两侧的夹具中并设置为阳极；设置电解槽5的电解温度为10-40℃，电极间距为50-100 mm、阴阳极面积比为0.02-0.1:1、磁力搅拌速率为300-1000r/min、电流密度为10-100mA/cm

步骤S3：取口字型中空不锈钢夹具2(尺寸与电沉积过程中使用的夹具一致)，将纳米孪晶铜箔夹持，防止其在时效过程中变形；将其放置于还原炉内，先用真空泵将加热室抽至真空，随后通入氮氢混合气体，氮氢混合气体中的氢气和氮气按体积分数比分别为5％和95％，还原炉升温至 300-500℃下低温时效，保温时间为2-4h。

步骤S4：将夹持有铜箔的不锈钢夹具放置于商用化学镀锡液中0.5-1 分钟，取出后用去离子水超声波清洗30秒，随后氮气吹干，将铜箔从夹具中取出，所得即为表面有锡镀层的单晶铜箔。

步骤S5：利用商用大功率激光切割机，根据覆铜碳化硅芯片的焊盘形状，对商用锡箔(厚度为20μm)及步骤S4得到的单晶铜箔进行图形化切割，激光切割机的功率为100-500W，定位精度±0.05mm；将图形化后的锡箔及单晶铜箔收存备用。

步骤S6：将单晶铜箔、锡箔以及覆铜碳化硅芯片的铜焊盘从上到下依次堆叠成单晶铜箔/锡箔/铜焊盘三明治结构，利用双侧可单独控温的平板热成型机进行低温快速成形，其中覆铜碳化硅芯片的铜焊盘处于高温侧而单晶铜箔处于低温侧，高温侧加热板加热温度为240-300℃，低温侧加热板加热温度低于高温10-100℃；保持加热板与上述三明治结构紧密贴合无缝隙，温度稳定后保温5-10分钟，随后开启循环水冷机，将双侧加热板快速冷却至室温，成形后锡箔转化为单向性Cu

电沉积的机理为：明胶的分子结构上含有氨基与羧基官能团。在本体系中，明胶的氨基官能团与阴极通过静电力相互吸附并形成络合物，络合物将阻碍铜离子在阴极表面的还原反应，甚至造成还原反应停滞；而明胶中的羧基会使得阴极电位比理论值低，即形成过电位；由于体系为恒电流过程，电极电势会逐渐增大，明胶中的羧基会在电势差的作用下远离阴极，即明胶从阴极表面解吸附，而铜的电沉积过程将因此重新启动。在解吸附过程中，由于电极电势降低，吸附过程重启。因此，阴极表面上，明胶的“吸附-解吸附”过程将不断重复。电极电势的改变将导致还原的铜层具有较大压应力，而压应力又会在明胶的“吸附-解吸附”的过程中不断弛豫。由于铜是面心立方结构，其(111)为密排面且能量最低，在实验初始状态时也在阴极表面沉积了一层(111)纳米晶层，因此，在电沉积过程中阴极表面将形成以(111)面的外延铜层；电沉积产生的能量波动将以增加沉积铜的表面能的形式耗散，因为晶面取向固定，能量将转化成孪晶界，即形成高密度的孪晶片层，而横向铜晶粒将彼此竞争生长，最终形成的铜晶粒其内部为高密度的孪晶片层，而电沉积铜层中铜晶粒将保持柱状晶结构。

图2为电解槽的示意图，如图2所示，电解槽5为开口向上的长方体结构，电解槽5的长边平行设置有两个滑动轨道6，滑动轨道6上设置有可移动的卡槽架3，夹具2可拆卸安装于卡槽架3上，夹具2形状为口字型中空，夹具2可用于夹持电极1，通过更换夹具2可调整口字型开口面积。夹具2底部距离槽底约3cm，电解槽5底部放置有磁子4，可通过磁子4搅拌提高电解液的流动性，电解槽5选用玻璃或聚四氟乙烯材质，放置于磁力搅拌加热平台上。

在具体的实施例中，铜箔抛光液包括320-400ml无机酸或有机酸、8-15 g表面活性剂以及120-180ml溶剂，有机酸为有机多膦酸、羟基亚乙基二膦酸以及柠檬酸中的至少一种，无机酸为磷酸、硫酸以及盐酸中的至少一种，溶剂为去离子水、酒精、乙二醇以及丙三醇中的至少一种，表面活性剂为十二烷基硫酸钠。

在具体的实施例中，配置纳米孪晶铜电沉积液，电沉积液包括硫酸铜 50-100g/L、硫酸20-50ml/L、氯化铜5-20ppm、聚乙二醇10-20ppm、明胶5-20ppm以及去离子水。

实例1

取99.99％的商用多晶铜箔，夹持在口字型中空聚四氟乙烯夹具2中，多晶铜箔经表面清洗去油后，放入如图2所示的电解槽5中备用，其中电解槽5容器选用玻璃材质，放置于磁力搅拌加热平台上，夹具2底部距离槽底3cm，可通过磁子4搅拌提高电解液的流动性。将多晶铜箔设置为阳极，将两片99.99％的铜片插入电解槽5任意一侧的口字形中空聚四氟乙烯夹具2中并设置其为阴极，电极间距为100mm，阴阳极面积比为5：1，电压为2V，电流密度为60mA/cm

将预处理后的多晶铜箔连同夹具2放置于如图2所示的电解槽中并设置为阴极，将两片99.99％的铜片插入装有电沉积液的电解槽两侧的夹具2 中并设置为阳极。配置纳米孪晶铜电沉积液，电沉积液由硫酸铜50g/L、硫酸20ml/L、氯化铜5ppm、聚乙二醇10ppm、明胶10ppm和去离子水组成。电解槽5设置的电解温度为30℃，电极间距为100mm、阴阳极面积比为0.1:1、磁力搅拌速率为800r/min、电流密度为80mA/cm

取口字型中空不锈钢夹具2，将纳米孪晶铜箔夹持。将其放置于还原炉内，用真空泵将加热室抽至真空，随后通入氮氢混合气体，氮氢混合气体中的氢气和氮气按体积分数比分别为5％和95％，还原炉升温至为350℃，保温时间为2h。如图3(b)所示，此时获得的铜箔无晶界结构；进一步对其取向结构进行XRD分析，如图4中的A曲线所示，发现唯一衍射峰证明其为(111)单晶铜。将上述夹持有(111)单晶铜箔的不锈钢夹具2放置于商用化学镀锡液中1分钟，取出后用去离子水超声清洗30秒，氮气吹干，将铜箔从夹具中取出，所得即为表面有锡镀层的(111)单晶铜箔。对上述镀锡(111)单晶铜箔进行XRD分析，如图4中的B曲线所示，发现大量锡的衍射峰，证明已经镀锡成功。

利用商用大功率激光切割机，铜焊盘为覆铜碳化硅芯片的焊盘，根据铜焊盘形状对商用锡箔(厚度20μm)及已制备的单晶铜箔进行图形化切割，激光功率400W，将图形化后的锡箔及单晶铜箔收存备用。

将单晶铜箔、锡箔、铜焊盘三者从上到下依次堆叠成单晶铜箔/Cu

在单晶铜箔/Cu

虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。