專利名稱：電流燒結(jié)技術(shù)實(shí)現(xiàn)銅-銅粘接的方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用電流燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行電子器件中銅與銅粘接的方法，如匯流條同基板的粘接，通過施加壓力及導(dǎo)通大電流實(shí)現(xiàn)燒結(jié)納米銀焊膏粘接電子器件，屬于功率電子封裝中的燒結(jié)新技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前國內(nèi)外利用燒結(jié)納米銀焊膏粘接電子器件采用的主要方法是加壓燒結(jié)，通過幾段一定溫度的保溫過程和燒結(jié)過程中施加壓力完成納米銀焊膏的燒結(jié)行為，需要加熱臺和熱壓機(jī)兩種設(shè)備。但是這種方法存在很多問題，首先必須設(shè)定不同階段的加熱溫度，每一個加熱溫度都對應(yīng)一臺設(shè)備，完成燒結(jié)需要的設(shè)備很多，另外加壓階段無法保證同時壓許多電子器件時，使每個電子器件都能夠均勻受力，因此產(chǎn)品質(zhì)量的分散性較大，最后每一加熱階段的時間較長，完成全部燒結(jié)需要時間很長，比較耗時。因此，這種方法的效率并不高， 其適用性有限，不利于普及推廣。為此，有必要研究新的燒結(jié)方法，實(shí)現(xiàn)快速高效的燒結(jié)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足提出的一種新的電流燒結(jié)技術(shù)燒結(jié)納米銀焊膏實(shí)現(xiàn)銅-銅粘接的方法及實(shí)現(xiàn)該燒結(jié)方法的裝置。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種電流燒結(jié)技術(shù)實(shí)現(xiàn)銅-銅粘接的方法，利用試驗(yàn)機(jī)控制器施加壓力P，調(diào)節(jié)導(dǎo)通電流I和通電時間T來實(shí)現(xiàn)燒結(jié)1)將試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行預(yù)設(shè)、測控和自動記錄；2)試驗(yàn)機(jī)經(jīng)過承壓導(dǎo)電模具對粘接器件施加壓力和導(dǎo)通大電流；3)脈沖直流或高頻交流電流同時通過模具和試樣；將制好的納米銀焊膏粘接器件放入承壓導(dǎo)電模具中間，試驗(yàn)機(jī)按照設(shè)定好的參數(shù)進(jìn)行運(yùn)行后，通過承壓導(dǎo)電模具對試樣施加的壓力和電流完成納米銀焊膏的燒結(jié)，實(shí)現(xiàn)銅-銅的粘接。所述的電流燒結(jié)技術(shù)實(shí)現(xiàn)銅-銅粘接的方法中導(dǎo)通的脈沖直流或高頻交流大電流I使納米銀晶粒表面容易活化，通過表面擴(kuò)散的物質(zhì)傳遞過程得到促進(jìn)。所述的電流燒結(jié)技術(shù)實(shí)現(xiàn)銅-銅粘接的方法，燒結(jié)過程中導(dǎo)通的大電流會產(chǎn)生極高的溫度，這引起晶粒表面熔化并在晶粒接觸點(diǎn)處形成頸部，促進(jìn)材料的燒結(jié)。實(shí)現(xiàn)燒結(jié)納米銀焊膏粘接銅器件的裝置，由試驗(yàn)機(jī)控制器和承壓導(dǎo)電模具組成； 承壓導(dǎo)電模具由上加載板和下托盤構(gòu)成，下托盤用來放置試樣，上加載板為上下移動裝置， 下移對試樣施加壓力，同時能在模具上加可控的脈沖電流，脈沖電流既通過模具也通過試樣本身；完成燒結(jié)后上移，取出試樣。具體步驟是將涂有納米銀焊膏的銅器件預(yù)熱后放入下托盤5上，打開試驗(yàn)機(jī)控制器調(diào)節(jié)參數(shù)，使上加載板1向下移動并在接觸到器件2施加壓力的同時導(dǎo)通電流，加壓通電完成后，上加載板1向上移動離開器件2，此時壓力和電流消失，即完成納米銀焊膏的燒結(jié)。在一個銅器件上平整的刮一層焊膏，焊膏的面積為大于粘接器件，保證能將粘接器件完全放在焊膏上。所述的上加載板1對器件2施加壓力并導(dǎo)通電流的時間為1 2s。所述的銅器件預(yù)熱在加熱塊上預(yù)熱。所述的試驗(yàn)機(jī)對粘接器件施加壓力和導(dǎo)通大電流是通過一個承壓導(dǎo)電模具實(shí)現(xiàn)的。所述的模具由銅或不銹鋼等導(dǎo)電金屬制成，為平整的方板形如附圖中的1和5。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，完成納米銀焊膏的燒結(jié)實(shí)現(xiàn)銅-銅粘接是瞬間的，能夠大大提高生產(chǎn)中的效率，節(jié)約了能源和時間，一臺試驗(yàn)機(jī)可以提供多種條件下的燒結(jié)，只需一個加熱塊和一臺加壓通電試驗(yàn)機(jī)即可完成燒結(jié)，提高了設(shè)備的效率，這大大降低了生產(chǎn)中的成本。且該方法簡單易操作。此外，此方法完成的納米銀焊膏燒結(jié)提供的界面粘接強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)燒結(jié)技術(shù)，致密度高，力學(xué)性能好，能夠大大提高器件的使用壽命。


圖1為所述試驗(yàn)裝置的示意圖；圖2為所述實(shí)驗(yàn)裝置在實(shí)驗(yàn)中的示意圖；圖中1上加載板、2粘接器件、3納米銀焊膏、4被粘接器件、5下托盤 6、試驗(yàn)機(jī)控制器
具體實(shí)施例方式本發(fā)明是通過對涂有焊膏的器件預(yù)熱后進(jìn)行加壓通電完成的納米銀焊膏的燒結(jié)， 完成此燒結(jié)只需一個加熱塊和一臺加壓通電試驗(yàn)機(jī)。采用如圖1所示的裝置，由試驗(yàn)機(jī)控制器和承壓導(dǎo)電模具組成；承壓導(dǎo)電模具由上加載板和下托盤構(gòu)成，下托盤用來放置試樣，上加載板為上下移動裝置，下移對試樣施加壓力，同時能在模具上加可控的脈沖電流，脈沖電流既通過模具也通過試樣本身；完成燒結(jié)后上移，取出試樣。具體步驟采用如圖2所示，是將涂有納米銀焊膏的銅器件預(yù)熱后放入下托盤5上， 打開試驗(yàn)機(jī)控制器調(diào)節(jié)參數(shù)，使上加載板1向下移動并在接觸到器件2施加壓力的同時導(dǎo)通電流，加壓通電完成后，上加載板1向上移動離開器件2，此時壓力和電流消失，即完成納米銀焊膏的燒結(jié)。在一個銅器件上平整的刮一層焊膏，焊膏的面積為大于粘接器件，保證能將粘接器件完全放在焊膏上。首先，在一個銅器件上平整的刮一層焊膏，焊膏的面積為大于粘接器件，保證能將粘接器件完全放在焊膏上。然后，將涂有焊膏的被粘接器件放在70°C的加熱塊上保溫lOmin，IOmin后從加熱塊上拿下放置于空氣中，立即在焊膏上放置粘接器件，保證焊膏和粘接器件完全接觸。打開試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)由試驗(yàn)機(jī)控制器和承壓導(dǎo)電模具組成。調(diào)好附圖中6試驗(yàn)機(jī)控制器的壓力P、電流大小I和通電時間T的參數(shù)，如該實(shí)驗(yàn)所用的參數(shù)為工作壓力 ^igf、電流1萬安培、通電時間500ms。通過試驗(yàn)機(jī)的承壓導(dǎo)電模具對粘接器件施加壓力和導(dǎo)通大電流。承壓導(dǎo)電模具由上加載板和下托盤構(gòu)成，下托盤用來放置試樣，上加載板為上下移動裝置，下移對試樣施加壓力，同時能在模具上加可控的脈沖電流，脈沖電流既通過模具也通過試樣本身；完成燒結(jié)后上移，取出試樣。將粘接試樣放在試驗(yàn)機(jī)模具的下托盤5上，開始實(shí)驗(yàn)后通過上加載板1向下移動并在接觸到器件2施加壓力的同時導(dǎo)通電流，加壓通電完成后，上加載板1向上移動離開器件2，取出試樣。對粘接試樣施加的壓力和導(dǎo)通的大電流產(chǎn)生的熱量使納米銀焊膏完成燒結(jié)，將兩個電子器件粘接在一起。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為兩個裸銅的電子器件粘接在一起后，其界面處得粘接強(qiáng)度能達(dá)到 102MPao按照傳統(tǒng)的燒結(jié)方式粘接相同的銅器件，在被粘接器件上涂相同厚度的焊膏，將其放在70°C的加熱塊上保溫lOmin，IOmin后從加熱塊上拿下放置于空氣中，立即在焊膏上放置粘接器件，將做好的試樣放在熱壓機(jī)上加壓5MPa加熱溫度為225°C保持lOmin，之后從熱壓機(jī)上拿下直接放到275°C的加熱塊上保溫IOmin完成納米銀焊膏的燒結(jié)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為，粘接界面的粘接強(qiáng)度為60MPa左右?？煽闯鲂碌臒Y(jié)方式比原有的加壓燒結(jié)能獲得更高的粘接強(qiáng)度，且整個燒結(jié)時間明顯縮短。
權(quán)利要求
1.一種電流燒結(jié)技術(shù)實(shí)現(xiàn)銅-銅粘接的方法，其特征是利用試驗(yàn)機(jī)控制器施加壓力P， 調(diào)節(jié)導(dǎo)通電流I和通電時間T來實(shí)現(xiàn)燒結(jié)1)將試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行預(yù)設(shè)、測控和自動記錄；2)試驗(yàn)機(jī)經(jīng)過承壓導(dǎo)電模具對粘接器件施加壓力和導(dǎo)通大電流；3)脈沖直流或高頻交流電流既通過模具和試樣；將制好的納米銀焊膏粘接器件放入承壓導(dǎo)電模具中間，試驗(yàn)機(jī)按照設(shè)定好的參數(shù)進(jìn)行運(yùn)行后，通過承壓導(dǎo)電模具對試樣施加的壓力和電流完成納米銀焊膏的燒結(jié)，實(shí)現(xiàn)銅-銅的粘接。
2.權(quán)利要求1所述的電流燒結(jié)技術(shù)實(shí)現(xiàn)銅-銅粘接的方法，其特征是導(dǎo)通的脈沖直流或高頻交流大電流I使納米銀晶粒表面容易活化，通過表面擴(kuò)散的物質(zhì)傳遞過程得到促進(jìn)。
3.權(quán)利要求1所述的電流燒結(jié)技術(shù)實(shí)現(xiàn)銅-銅粘接的方法，其特征是燒結(jié)過程中導(dǎo)通的大電流會產(chǎn)生極高的溫度，這引起晶粒表面熔化并在晶粒接觸點(diǎn)處形成頸部，促進(jìn)材料的燒結(jié)。
4.實(shí)現(xiàn)燒結(jié)納米銀焊膏粘接銅器件的裝置，其特征是由試驗(yàn)機(jī)控制器和承壓導(dǎo)電模具組成；承壓導(dǎo)電模具由上加載板和下托盤構(gòu)成，下托盤用來放置試樣，上加載板為上下移動裝置，下移對試樣施加壓力，同時能在模具上加可控的脈沖電流，脈沖電流既通過模具也通過試樣本身；完成燒結(jié)后上移，取出試樣。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征是將涂有納米銀焊膏的銅器件預(yù)熱后放入下托盤 (5)上，打開試驗(yàn)機(jī)控制器調(diào)節(jié)參數(shù)，使上加載板(1)向下移動并在接觸到器件( 施加壓力的同時導(dǎo)通電流，加壓通電完成后，上加載板(1)向上移動離開器件O)，此時壓力和電流消失，即完成納米銀焊膏的燒結(jié)，實(shí)現(xiàn)銅-銅粘接。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征是在一個銅器件上平整的刮一層焊膏，焊膏的面積為大于粘接器件，保證能將粘接器件完全放在焊膏上。
7.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征是所述的上加載板(1)對器件( 施加壓力并導(dǎo)通電流的時間為1 2s。
8.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征是所述的銅器件預(yù)熱是在加熱塊上預(yù)熱。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種電流燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行電子器件中銅與銅粘接的方法及完成該燒結(jié)方法的裝置，屬于功率電子封裝中的燒結(jié)新技術(shù)領(lǐng)域。該方法由加熱臺和加壓通電試驗(yàn)機(jī)兩臺設(shè)備完成，其中加壓通電試驗(yàn)機(jī)能夠調(diào)節(jié)試驗(yàn)中的壓力、電流大小和通電時間，通過承壓導(dǎo)電模具對粘接器件施加壓力和導(dǎo)通電流。承壓導(dǎo)電模具由上加載板和下托盤組成。將預(yù)熱好的涂有納米銀焊膏的粘接銅器件放置于下托盤上，當(dāng)上加載板施加壓力時導(dǎo)通電流，實(shí)現(xiàn)納米銀焊膏的燒結(jié)。該方法具有效率高，成本低，操作方便，粘接強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)方法做出的裸銅與裸銅的粘接，其界面的粘接強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到了102MPa，大大超出了傳統(tǒng)的燒結(jié)方法得到的粘接強(qiáng)度。
文檔編號B23K3/00GK102554383SQ20121001082
公開日2012年7月11日 申請日期2012年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月19日
發(fā)明者曹云嬌, 梅云輝, 陸國權(quán), 陳剛 申請人:Nbe科技發(fā)展有限公司, 天津大學(xué)