本发明属于电力电子器件封装领域，具体涉及大功率用高可靠性的大面积半导体器件连接方法。
背景技术：
近年来中国通讯技术发展迅速，5g网络技术进展快速，通讯速率大大提高，同时芯片集成度进一步提高，芯片面积不断增大。因此，芯片的功率大幅上升，芯片产热严重增加，越来越多的厂商认识到封装散热的重要性。集成电路领域目前采用的芯片连接材料主要是熔点在130-200℃的低温sn基焊料，例如snpb、snbi、snin等。但是传统的低温sn基焊料热导率差，焊接成型后连接层空洞较多，散热性能较差，且低温sn基焊料抗疲劳性能一般，其可靠性也较差。
新型纳米银焊膏可实现低温烧结，成型后的烧结银热导率高，成为一种较好的可替代传统低温sn基焊料的集成电路芯片封装连接材料。然而，现有技术使用纳米银焊膏烧结连接芯片时，烧结温度较高，通常需在250-300℃烧结温度下保温较长时间，集成电路中的pcb板和封装芯片的外壳并不能长时间承受如此高的温度。另外，现有技术连接的功率芯片面积通常小于150mm2，而集成电路中的cpu芯片一般面积在200-1000mm2，连接面积更大，对烧结均匀性的要求更高。现有技术方法不能实现在较低温度下烧结纳米银焊膏连接面积在200-1000mm2的大面积芯片。因此，这就需要一种方法解决此问题，实现纳米银焊膏低温大面积均匀烧结。
技术实现要素：
本发明提供一种纳米银焊膏低温大面积均匀烧结方法，实现在低温180℃下，均匀烧结纳米银焊膏连接面积在200-1000mm2的大面积芯片。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种纳米银焊膏低温大面积均匀烧结方法；具体步骤如下：
(1)将大面积芯片和金属基板在无水乙醇中超声清洗1-2min，去除金属基板表面粘附的油渍污垢，然后使用热风机，进行50-100℃干燥1-2min，使基板和芯片表面的无水乙醇和水分充分挥发。
(2)在步骤(1)中清洁过的基板和芯片连接表面上印刷纳米银焊膏，厚度50-150μm，将印刷好焊膏的基板和芯片置于加热台上加热到110-130℃干燥20-40min，使焊膏中的低温溶剂和粘接剂充分分解挥发，干燥完成后取下基板和芯片快速冷却到室温。
(3)在步骤(2)中干燥后基板和芯片表面的纳米银焊膏上滴加有机溶剂，溶剂为松油醇或乙二醇的一种或两者混合物，滴加溶剂与印刷纳米银焊膏的质量比为1∶5-1∶2，滴加有机溶剂后轻微转动基板和芯片，使有机溶剂均匀铺展，然后将芯片和基板连接面贴合。
(4)将步骤(3)中润湿贴片的基板和芯片置于烧结炉中，加热到50-60℃预热10-20min，使焊膏中低温溶剂挥发，然后加压1-2mpa加热到110-130℃干燥20-40min，使焊膏中低温粘接剂挥发，然后加压2-5mpa升温到180-200℃烧结1-2h，烧结结束后随炉冷却至室温。
步骤(1)所述大面积芯片的面积为200-1000mm2，所述金属基板面积大于或等于芯片。
步骤(2)所述基板连接面表面电镀银，厚度5-20μm。
步骤(4)所述加热升温速率为2-5℃/min。
现有技术中，纳米银焊膏烧结温度主要集中在250-300℃，集成电路中的pcb板和封装芯片的外壳并不能长时间承受如此高的温度。本发明采用低温180-200℃烧结纳米银焊膏，避免了高温可能对电路板和芯片外壳造成的破坏，同时低温烧结接头的残余应力更小，使得接头不易产生裂纹，耐热-机械循环能力提高。芯片面积越大，焊膏中有机物越难向四周挥发逸出，伴随加热不均匀极易造成气道、分层等烧结缺陷，严重影响烧结银层导热性能和可靠性。本发明采用在基板和芯片两侧都印刷焊膏并敞开干燥的方法，可使焊膏中的有机物充分挥发，大幅减少了气道和分层缺陷，提高了烧结均匀性。并且采用溶剂润湿的方法，提高干燥后焊膏表面的润湿能力，保证干燥后的基板和芯片两侧焊膏可良好的接触润湿，避免了没有润湿的焊膏易在焊膏接触界面产生分层和连接强度低的问题。烧结工艺设置多个保温平台，控制升温速率，保证大面积芯片均匀受热，有机物均匀挥发逸出。首先在50-60℃预热10-20min，使焊膏中低温溶剂充分挥发，然后加热到110-130℃干燥20-40min，使焊膏中的粘接剂成分充分挥发，此阶段焊膏润湿性快速下降。同时加压1-2mpa，在焊膏润湿性还未完全消失前通过压力促进焊膏和基板、芯片界面间的粘接。然后加压2-5mpa升温到180-200℃烧结1-2h，保证在低温下烧结的接头获得良好的连接强度和可靠性。
本发明相对现有技术方法，具有以下优点及有益的效果：
本发明提供一种纳米银焊膏低温大面积均匀烧结方法，可实现在低温180-200℃均匀烧结纳米银焊膏连接面积在200-1000mm2的大面积芯片。烧结温度低，避免了高温可能对电路板和芯片外壳造成的破坏，同时烧结接头的残余应力更小，耐热-机械循环能力提高。烧结后的连接层均匀，无气道分层缺陷，提高了大面积烧结银层导热性能和可靠性。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图；
图2是本发明的烧结接头结构示意图；
图3是本发明的烧结工艺曲线；
图4是本发明的烧结接头连接层超声波扫描图；
图中：1-镀银基板、2-芯片、3-加热台、4-基板侧焊膏、5-芯片侧焊膏、6-润湿溶剂、7-烧结炉。
具体实施方式
现在结合附图对本发明方法做进一步的说明。
一种纳米银焊膏低温大面积均匀烧结方法；具体步骤如下：
步骤1.将大面积芯片和金属基板在无水乙醇中超声清洗1-min，然后使用热风机，进行50-100℃干燥1-2min，去除金属基板表面粘附的油渍污垢并使基板和芯片表面的无水乙醇和水分充分挥发。
步骤2.在步骤1中清洁过的基板和芯片连接表面上印刷纳米银焊膏，厚度50-150μm，将印刷好焊膏的基板和芯片置于加热台上加热到110-130℃干燥20-40min，使焊膏中的低温溶剂和粘接剂充分分解挥发，干燥完成后取下基板和芯片快速冷却到室温。
步骤3.在步骤2中干燥后基板和芯片表面的纳米银焊膏上滴加有机溶剂，溶剂为松油醇或乙二醇的一种或两者混合物，滴加溶剂与印刷纳米银焊膏的质量比为1∶5-1∶2，滴加有机溶剂后轻微转动基板和芯片，使有机溶剂均匀铺展，然后将芯片和基板连接面贴合。
步骤4.将步骤3中润湿贴片的基板和芯片置于烧结炉中，加热到50-60℃预热10-20min，使焊膏中低温溶剂挥发，然后加压1-2mpa加热到110-130℃干燥20-40min，使焊膏中低温粘接剂挥发，然后加压2-5mpa升温到180-200℃烧结1-2h，烧结结束后随炉冷却至室温。
步骤1所述所述大面积芯片的面积为200-1000mm2，所述金属基板面积大于或等于芯片。
步骤2所述基板连接面表面电镀银，厚度5-20μm。
步骤4所述加热升温速率为2-5℃/min。
如图1所示，本发明提供一种纳米银焊膏低温大面积均匀烧结方法，包括以下具体步骤：
(1)清洗基板、芯片：清洗基板1和芯片2，将大面积芯片2(200-1000mm2)和金属基板1在无水乙醇中超声清洗1-2min，目的是去除基板1表面粘附的油渍污垢，防止油渍污垢影响纳米银焊膏和基板1或芯片2的界面连接。然后使用热风机，对清洗后的基板1进行干燥处理，温度控制在50-100℃，时间1-2min，使基板1和芯片2表面的无水乙醇和水分充分挥发，防止残留水分进入焊膏影响烧结。
(2)印刷干燥：在步骤(1)中清洁过的基板1表面印刷纳米银焊膏，为基板侧焊膏4，所述基板表面电镀银，厚度5-20μm，在步骤(1)中清洁过的芯片2表面印刷纳米银焊膏，为芯片侧焊膏5，均采用钢网印刷方法，印刷厚度为50-150μm，将印刷好焊膏的基板1和芯片2置于加热台3上加热到110-130℃干燥20-40min，目的是在不贴片，即焊膏是敞开的的情况下，使焊膏中的低温溶剂和粘接剂充分分解挥发，干燥完成后取下基板1和芯片2快速冷却到室温。
(3)润湿贴片：在步骤(2)中干燥后的基板侧焊膏4和芯片侧焊膏5上滴加润湿溶剂6，润湿溶剂6为松油醇或乙二醇的一种或两者混合物，滴加润湿溶剂6与印刷纳米银焊膏的质量比为1∶5-1∶2，滴加润湿溶剂6后轻微转动基板1和芯片2，使润湿溶剂6均匀铺展，然后将芯片2和基板1连接面贴合。采用溶剂润湿的方法，可提高干燥后焊膏表面的润湿能力，保证干燥后的基板侧焊膏4和芯片侧焊膏5可良好的接触润湿。
(4)烧结：将步骤(3)中润湿贴片的基板1和芯片2置于烧结炉7中，控制加热升温速率2-5℃/min，首先加热到50-60℃预热10-20min，使焊膏中低温溶剂挥发，预热结束后加压1-2mpa，在焊膏润湿性还未完全消失前通过压力促进焊膏和基板1、芯片2界面间的粘接，然后加热到110-130℃干燥20-40min，使焊膏中低温粘接剂挥发，干燥结束后加压2-5mpa并升温到180-200℃烧结1-2h，获得强度可靠，孔隙率良好的烧结接头，烧结结束后随炉冷却至室温，烧结工艺曲线如图2所示。
烧结接头的结构如图3所示，自下而上依次包括基板1、基板侧焊膏4、芯片侧焊膏5和芯片2。如图4所示，按照本发明方法烧结的接头连接层均匀，无气道分层缺陷。
具体实施例如下：
实施例1
本实例中用于纳米银焊膏低温大面积均匀烧结的工艺方法如下：
(1)将面积为400mm2的芯片和金属基板在无水乙醇中超声清洗1min，去除金属基板表面粘附的油渍污垢，然后使用热风机，进行50℃干燥1min，使基板和芯片表面的无水乙醇和水分充分挥发。
(2)在步骤(1)中清洁过的基板和芯片连接表面上印刷50μm厚纳米银焊膏，将印刷好焊膏的基板和芯片置于加热台上加热到110℃干燥20min，使焊膏中的低温溶剂和粘接剂充分分解挥发，干燥完成后取下基板和芯片快速冷却到室温。
(3)在步骤(2)中干燥后基板和芯片表面的纳米银焊膏上滴加有机溶剂，滴加溶剂与印刷纳米银焊膏的质量比为1∶5，滴加有机溶剂后轻微转动基板和芯片，使有机溶剂均匀铺展，然后将芯片和基板连接面贴合。
(4)将步骤(3)中润湿贴片的基板和芯片置于烧结炉中，加热到50℃预热10min，使焊膏中低温溶剂挥发，然后加压1mpa加热到110℃干燥20min，使焊膏中低温粘接剂挥发，然后加压2mpa升温到180℃烧结1h，烧结结束后随炉冷却至室温，获得烧结接头。
实施例2
本实例中用于纳米银焊膏低温大面积均匀烧结的工艺方法如下：
(1)将面积为400mm2的芯片和金属基板在无水乙醇中超声清洗1.5min，去除金属基板表面粘附的油渍污垢，然后使用热风机，进行75℃干燥1.5min，使基板和芯片表面的无水乙醇和水分充分挥发。
(2)在步骤(1)中清洁过的基板和芯片连接表面上印刷100μm厚纳米银焊膏，将印刷好焊膏的基板和芯片置于加热台上加热到120℃干燥30min，使焊膏中的低温溶剂和粘接剂充分分解挥发，干燥完成后取下基板和芯片快速冷却到室温。
(3)在步骤(2)中干燥后基板和芯片表面的纳米银焊膏上滴加有机溶剂，滴加溶剂与印刷纳米银焊膏的质量比为1∶3，滴加有机溶剂后轻微转动基板和芯片，使有机溶剂均匀铺展，然后将芯片和基板连接面贴合。
(4)将步骤(3)中润湿贴片的基板和芯片置于烧结炉中，加热到55℃预热15min，使焊膏中低温溶剂挥发，然后加压1.5mpa加热到120℃干燥30min，使焊膏中低温粘接剂挥发，然后加压3mpa升温到190℃烧结1.5h，烧结结束后随炉冷却至室温，获得烧结接头。
实施例3
本实例中用于纳米银焊膏低温大面积均匀烧结的工艺方法如下：
(1)将面积为400mm2的芯片和金属基板在无水乙醇中超声清洗2min，去除金属基板表面粘附的油渍污垢，然后使用热风机，进行100℃干燥2min，使基板和芯片表面的无水乙醇和水分充分挥发。
(2)在步骤(1)中清洁过的基板和芯片连接表面上印刷150μm厚纳米银焊膏，将印刷好焊膏的基板和芯片置于加热台上加热到130℃干燥40min，使焊膏中的低温溶剂和粘接剂充分分解挥发，干燥完成后取下基板和芯片快速冷却到室温。
(3)在步骤(2)中干燥后基板和芯片表面的纳米银焊膏上滴加有机溶剂，滴加溶剂与印刷纳米银焊膏的质量比为1∶2，滴加有机溶剂后轻微转动基板和芯片，使有机溶剂均匀铺展，然后将芯片和基板连接面贴合。
(4)将步骤(3)中润湿贴片的基板和芯片置于烧结炉中，加热到60℃预热20min，使焊膏中低温溶剂挥发，然后加压2mpa加热到130℃干燥40min，使焊膏中低温粘接剂挥发，然后加压5mpa升温到200℃烧结2h，烧结结束后随炉冷却至室温，获得烧结接头。
实施例4
本实例中用于纳米银焊膏低温大面积均匀烧结的工艺方法如下：
(1)将面积为900mm2的芯片和金属基板在无水乙醇中超声清洗1min，去除金属基板表面粘附的油渍污垢，然后使用热风机，进行50℃干燥1min，使基板和芯片表面的无水乙醇和水分充分挥发。
(2)在步骤(1)中清洁过的基板和芯片连接表面上印刷50μm厚纳米银焊膏，将印刷好焊膏的基板和芯片置于加热台上加热到110℃干燥20min，使焊膏中的低温溶剂和粘接剂充分分解挥发，干燥完成后取下基板和芯片快速冷却到室温。
(3)在步骤(2)中干燥后基板和芯片表面的纳米银焊膏上滴加有机溶剂，滴加溶剂与印刷纳米银焊膏的质量比为1∶5，滴加有机溶剂后轻微转动基板和芯片，使有机溶剂均匀铺展，然后将芯片和基板连接面贴合。
(4)将步骤(3)中润湿贴片的基板和芯片置于烧结炉中，加热到50℃预热10min，使焊膏中低温溶剂挥发，然后加压1mpa加热到110℃干燥20min，使焊膏中低温粘接剂挥发，然后加压2mpa升温到180℃烧结1h，烧结结束后随炉冷却至室温，获得烧结接头。
实施例5
本实例中用于纳米银焊膏低温大面积均匀烧结的工艺方法如下：
(1)将面积为900mm2的芯片和金属基板在无水乙醇中超声清洗1.5min，去除金属基板表面粘附的油渍污垢，然后使用热风机，进行75℃干燥1.5min，使基板和芯片表面的无水乙醇和水分充分挥发。
(2)在步骤(1)中清洁过的基板和芯片连接表面上印刷100μm厚纳米银焊膏，将印刷好焊膏的基板和芯片置于加热台上加热到120℃干燥30min，使焊膏中的低温溶剂和粘接剂充分分解挥发，干燥完成后取下基板和芯片快速冷却到室温。
(3)在步骤(2)中干燥后基板和芯片表面的纳米银焊膏上滴加有机溶剂，滴加溶剂与印刷纳米银焊膏的质量比为1∶3，滴加有机溶剂后轻微转动基板和芯片，使有机溶剂均匀铺展，然后将芯片和基板连接面贴合。
(4)将步骤(3)中润湿贴片的基板和芯片置于烧结炉中，加热到55℃预热15min，使焊膏中低温溶剂挥发，然后加压1.5mpa加热到120℃干燥30min，使焊膏中低温粘接剂挥发，然后加压3mpa升温到190℃烧结1.5h，烧结结束后随炉冷却至室温，获得烧结接头。
实施例6
本实例中用于纳米银焊膏低温大面积均匀烧结的工艺方法如下：
(1)将面积为900mm2的芯片和金属基板在无水乙醇中超声清洗2min，去除金属基板表面粘附的油渍污垢，然后使用热风机，进行100℃干燥2min，使基板和芯片表面的无水乙醇和水分充分挥发。
(2)在步骤(1)中清洁过的基板和芯片连接表面上印刷150μm厚纳米银焊膏，将印刷好焊膏的基板和芯片置于加热台上加热到130℃干燥40min，使焊膏中的低温溶剂和粘接剂充分分解挥发，干燥完成后取下基板和芯片快速冷却到室温。
(3)在步骤(2)中干燥后基板和芯片表面的纳米银焊膏上滴加有机溶剂，滴加溶剂与印刷纳米银焊膏的质量比为1∶2，滴加有机溶剂后轻微转动基板和芯片，使有机溶剂均匀铺展，然后将芯片和基板连接面贴合。
(4)将步骤(3)中润湿贴片的基板和芯片置于烧结炉中，加热到60℃预热20min，使焊膏中低温溶剂挥发，然后加压2mpa加热到130℃干燥40min，使焊膏中低温粘接剂挥发，然后加压5mpa升温到200℃烧结2h，烧结结束后随炉冷却至室温，获得烧结接头。
按照上述方法得到的大面积烧结接头，在400kgf的剪切力作用下，接头不会断裂，连接层均匀，无气道分层缺陷，在-40-125℃之间循环1000次后无明显分层。
1.一种纳米银焊膏低温大面积均匀烧结方法；其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
步骤1.将大面积芯片和金属基板在无水乙醇中超声清洗1-2min，然后使用热风机，进行50-100℃干燥1-2min，去除金属基板表面粘附的油渍污垢并使基板和芯片表面的无水乙醇和水分充分挥发；
步骤2.在步骤1中清洁过的基板和芯片连接表面上印刷纳米银焊膏，厚度50-150μm，将印刷好焊膏的基板和芯片置于加热台上加热到110-130℃干燥20-40min，使焊膏中的低温溶剂和粘接剂充分分解挥发，干燥完成后取下基板和芯片快速冷却到室温；
步骤3.在步骤2中干燥后基板和芯片表面的纳米银焊膏上滴加有机溶剂，溶剂为松油醇或乙二醇的一种或两者混合物，滴加溶剂与印刷纳米银焊膏的质量比为1∶5-1∶2，滴加有机溶剂后轻微转动基板和芯片，使有机溶剂均匀铺展，然后将芯片和基板连接面贴合；
步骤4.将步骤3中润湿贴片的基板和芯片置于烧结炉中，加热到50-60℃预热10-20min，使焊膏中低温溶剂挥发，然后加压1-2mpa加热到110-130℃干燥20-40min，使焊膏中低温粘接剂挥发，然后加压2-5mpa升温到180-200℃烧结1-2h，烧结结束后随炉冷却至室温。
2.如权利要求1所述的封装方法；其特征在于，所述步骤1中的大面积芯片的面积为200-1000mm2，所述金属基板面积大于或等于芯片。
3.如权利要求1所述的封装方法；其特征在于，所述步骤2中的基板连接面表面电镀银，厚度5-20μm。
4.如权利要求1所述的封装方法；其特征在于，所述步骤4中的加热升温速率为2-5℃/min。
技术总结