专利名称：基于纳米银焊膏连接芯片的dbc基板表面处理工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种直接敷铜(DBC)基板的表面处理工艺，具体的说，是涉及一种基于纳米银焊膏连接芯片的DBC基板表面处理工艺。
背景技术：
在大功率绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块中，DBC基板为芯片提供点连接、热扩散、机械支撑等功能。器件连接的传统工艺是通过导电胶或焊料，将芯片的终端与DBC基板连接，另一端用细铝线连接。但传统导电胶或焊料存在使用寿命短、熔点低、散热性差等缺点，从而导致大功率芯片与DBC基板连接点的工作温度不能超过150°C，使大功率IGBT模块在实际应用中受到了限制。新型低温烧结的纳米银焊膏，主要成份为金属银，银的众多优点如熔点高、良好的导电、导热性和钎焊性等，使得这种新型封装材料能够实现大功率、高温电子器件的连接。大功率IGBT模块使用纳米银焊膏作为芯片与DBC基板的连接材料时，需要先在 DBC基板表面镀一层银，并且要求银镀层足够致密，防止DBC的铜扩散到银镀层的表面，才能实现高强度的连接。能够实现该功能的传统镀银工艺采用氰化物，但是，氰化物对环境的危害很大；而采用无氰电镀银配方时，镀银层不够致密，DBC基板表面的金属铜会渗出镀银层表面，影响纳米银焊膏连接芯片与DBC基板的结合强度。因此，需要采取某种表面处理工艺，既可以防止DBC基板表面铜渗出镀银层表面，又可以保证使用纳米银焊膏连接芯片与 DBC基板之间的结合强度，而且不会对环境产生不良的影响。
发明内容
本发明要解决的是现有技术所存在的上述问题，提供一种基于纳米银焊膏连接芯片的DBC基板表面处理工艺，能够保证DBC基板使用纳米银焊膏在高温烧结时，DBC基板表面的金属铜不会扩散至银镀层表面；纳米银焊膏在烧结后，纳米银焊膏与DBC基板的结合强度好；此外，也不会对环境产生不良影响。为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现—种基于纳米银焊膏连接芯片的DBC基板表面处理工艺，该方法按照以下步骤进行a.对DBC基板表面进行清洗预处理；b.对预处理后的DBC基板采用电化学方法进行电镀镍处理，所述镍电镀液由以下配方组成硫酸镍250 350g/L、氯化镍40 50g/L、硼酸；35 45g/L，于50 60°C温度下保持15 25mA/cm2的阴极电流密度5 lOmin，阴极和阳极面积比为1 1，电镀过程中对镍电镀液进行搅拌；C.对电镀镍后的DBC基板表面采用磁控溅射法做镀银处理(1)对电镀镍后DBC基板使用流水清洗；(2)用无水乙醇进行超声波清洗DBC基板；
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(3)吹干；(4)将吹干后的DBC基板放入超高真空磁控与离子束清洗镀膜设备中，并对超高真空磁控与离子束清洗镀膜设备抽真空；(5)使用离子枪对吹干备用的DBC基板的表面进行离子清洗，束流为4 6ml，放电电压为40 60V，灯丝电流约为7 8A，加速电压约为80 120V，束流电压约为400 600V，清洗时间3 5min ；(6)对离子清洗后的DBC基板表面进行磁控溅射银，氩气流量为25 35ml，起辉时气压为1 3Pa，磁控溅射银时压强维持在0. 2 0. 4Pa，直流溅射功率为(0. 1 0. 2) AX (0. 1 0. 3)KV，溅射时间 15 20min。其中，所述步骤(a)的清洗预处理，按照如下步骤进行(1)对DBC基板使用10%氢氧化钠溶液清洗20 40s ；( 流水清洗干净；(3)使用稀硝酸溶液对DBC基板进行钝化处理；G)DBC基板表面露出铜晶粒后，流水清洗干净；(5)对DBC基板使用稀盐酸溶液清洗20 40s ；(6)流水清洗干净；(7)用去离子水清洗；(8)用滤纸吸去DBC基板表面的去离子水。本发明的有益效果是(—)本发明中的电镀镍处理形成比较致密的镍层，镍层作为银层和铜之间过渡层，能有效阻止在高温下铜向镍层的扩散，从而阻止了铜向银层的扩散，有效保护了银镀层，因此镍层主要起隔离作用，电镀镍后磁控溅射银的DBC基板使用纳米银焊膏在高温烧结时，DBC基板表面的金属铜不会发生氧化反应，即不会渗出银镀层表面。( 二)电镀镍层后，采用电镀方法镀银膜的结合强度低，无法满足高结合强度的要求。本发明采用磁控溅射方法镀银，可以在真空腔内使用离子枪对表面进行清洗，而后直接镀膜，有效阻止了表面污染，因此纳米银焊膏在烧结后，纳米银焊膏与电镀镍后磁控溅射银的DBC基板的结合强度好，结合力更高。(三)本发明的工艺步骤中避免了采用氰化物，因此不会对环境产生不良影响，绿色环保。
具体实施例方式本发明中工艺步骤的基本原理如下(一)为阻止铜原子的迁移在DBC基板表面电镀过渡层镍，电镀镍是借助外界直流电的作用，在溶液中进行电解反应，从而在基板表面沉积上一层镍金属的过程。采用NiSO4 作电解质溶液，DBC基板接电源阴极，纯镍板接电源阳极，通电后，金属镍以离子状态进入镀液，并不断向阴极迁移，最后在阴极上得到电子还原为金属镍，逐渐形成金属镍镀层。(二)因为镍与银不能互溶，电镀镍层后采用电镀方法镀银层的结合强度低。在真空腔内使用离子枪对电镀镍层表面进行离子清洗后磁控溅射银，不仅防止了镀镍层表面的污染，还使镍与银形成了共价键，从而提高了结合强度，形成良好的银镀层。
下面通过具体的实施例对本发明作进一步的详细描述实施例1DBC基板的清洗预处理。对DBC基板使用10%氢氧化钠溶液清洗30s，流水清洗干净；使用25%的稀硝酸溶液对DBC基板进行钝化处理，DBC基板表面露出铜晶粒后，流水清洗干净；对DBC基板使用10%稀盐酸溶液清洗30s，流水清洗干净，用去离子水清洗；用滤纸吸去DBC基板表面的去离子水。DBC基板的电镀镍工艺。镍电镀液配方为硫酸镍250g/L、氯化镍40g/L、硼酸35g/ L，于50°C温度下保持20mA/cm2的阴极电流密度7min，阴极和阳极面积比为1 1，电镀镍所用仪器为电化学工作站，电镀镍过程中使用加热磁力搅拌器进行加热及搅拌。DBC基板的磁控溅射银工艺，所使用设备为超高真空磁控与离子束清洗镀膜设备。 对镀镍后DBC基板使用流水清洗，无水乙醇超声波清洗，吹干后，放入超高真空磁控与离子束清洗镀膜设备中；设备抽真空后，使用离子枪对镀镍后DBC基板的表面进行离子清洗，具体工艺参数束流为5ml左右，放电电压为50V，灯丝电流约为7. 5A，加速电压约为100V，束流电压约为500V，清洗时间-in ；对镀镍后DBC基板的表面进行磁控溅射银，具体工艺参数氩气流量约为30ml，起辉时气压约为2Pa，磁控溅射银时压强维持在0. 3 左右，直流溅射功率为0. IAX0. 2KV，溅射时间15min。实施例2DBC基板的清洗预处理。对DBC基板使用10%氢氧化钠溶液清洗20s，流水清洗干净；使用25%的稀硝酸溶液对DBC基板进行钝化处理，DBC基板表面露出铜晶粒后，流水清洗干净；对DBC基板使用10%稀盐酸溶液清洗20s，流水清洗干净，用去离子水清洗；用滤纸吸去DBC基板表面的去离子水。DBC基板的电镀镍工艺。镍电镀液配方为硫酸镍300g/L、氯化镍45g/L、硼酸40g/ L，于56°C温度下保持15mA/cm2的阴极电流密度5min，阴极和阳极面积比为1 1，电镀镍所用仪器为电化学工作站，电镀镍过程中使用加热磁力搅拌器进行加热及搅拌。DBC基板的磁控溅射银工艺，所使用设备为超高真空磁控与离子束清洗镀膜设备。 对镀镍后DBC基板使用流水清洗，无水乙醇超声波清洗，吹干后，放入超高真空磁控与离子束清洗镀膜设备中；设备抽真空后，使用离子枪对镀镍后DBC基板的表面进行离子清洗，具体工艺参数束流为細1左右，放电电压为40V，灯丝电流约为7A，加速电压约为80V，束流电压约为400V，清洗时间;3min ；对镀镍后DBC基板的表面进行磁控溅射银，具体工艺参数 氩气流量约为25ml，起辉时气压约为lPa，磁控溅射银时压强维持在0. 2Pa左右，直流溅射功率为0. 2AX0. 1KV，溅射时间18min。实施例3DBC基板的清洗预处理。对DBC基板使用10%氢氧化钠溶液清洗40s，流水清洗干净；使用25%的稀硝酸溶液对DBC基板进行钝化处理，DBC基板表面露出铜晶粒后，流水清洗干净；对DBC基板使用10%稀盐酸溶液清洗40s，流水清洗干净，用去离子水清洗；用滤纸吸去DBC基板表面的去离子水。DBC基板的电镀镍工艺。镍电镀液配方为硫酸镍350g/L、氯化镍50g/L、硼酸45g/ L，于60°C温度下保持25mA/cm2的阴极电流密度lOmin，阴极和阳极面积比为1:1，电镀镍所用仪器为电化学工作站，电镀镍过程中使用加热磁力搅拌器进行加热及搅拌。
DBC基板的磁控溅射银工艺，所使用设备为超高真空磁控与离子束清洗镀膜设备。 对镀镍后DBC基板使用流水清洗，无水乙醇超声波清洗，吹干后，放入超高真空磁控与离子束清洗镀膜设备中；设备抽真空后，使用离子枪对镀镍后DBC基板的表面进行离子清洗，具体工艺参数束流为6ml左右，放电电压为60V，灯丝电流约为8A，加速电压约为120V，束流电压约为600V，清洗时间5min ；对镀镍后DBC基板的表面进行磁控溅射银，具体工艺参数 氩气流量约为35ml，起辉时气压约为3Pa，磁控溅射银时压强维持在0. 4Pa左右，直流溅射功率为0. 2AX0. 3KV，溅射时间20min。尽管上面结合对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式
，上述的具体实施方式
仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于纳米银焊膏连接芯片的DBC基板表面处理工艺，其特征在于，该工艺按照以下步骤进行a.对DBC基板表面进行清洗预处理；b.对预处理后的DBC基板采用电化学方法进行电镀镍处理，所述镍电镀液由以下配方组成硫酸镍250 350g/L、氯化镍40 50g/L、硼酸35 45g/L，于50 60°C温度下保持15 25mA/cm2的阴极电流密度5 lOmin，阴极和阳极面积比为1 1，电镀过程中对镍电镀液进行搅拌；c.对电镀镍后的DBC基板表面采用磁控溅射法做镀银处理(1)对电镀镍后DBC基板使用流水清洗；(2)用无水乙醇进行超声波清洗DBC基板；(3)吹干；(4)将吹干后的DBC基板放入超高真空磁控与离子束清洗镀膜设备中，并对超高真空磁控与离子束清洗镀膜设备抽真空；(5)使用离子枪对吹干备用的DBC基板的表面进行离子清洗，束流为4 6ml，放电电压为40 60V，灯丝电流约为7 8A，加速电压约为80 120V，束流电压约为400 600V， 清洗时间3 5min ；(6)对离子清洗后的DBC基板表面进行磁控溅射银，氩气流量为25 35ml，起辉时气压为1 3Pa，磁控溅射银时压强维持在0. 2 0. 4Pa,直流溅射功率为(0. 1 0. 2) AX (0. 1 0. 3)KV，溅射时间 15 20min。
2.根据权利要求1所述的一种基于纳米银焊膏连接芯片的DBC基板表面处理工艺，其特征在于，所述步骤(a)的清洗预处理，按照如下步骤进行(1)对DBC基板使用10%氢氧化钠溶液清洗20 40s；(2)流水清洗干净；(3)使用稀硝酸溶液对DBC基板进行钝化处理；(4)DBC基板表面露出铜晶粒后，流水清洗干净；(5)对DBC基板使用稀盐酸溶液清洗20 40s；(6)流水清洗干净；(7)用去离子水清洗；(8)用滤纸吸去DBC基板表面的去离子水。
全文摘要
本发明公开了一种基于纳米银焊膏连接芯片的DBC基板表面处理工艺，该工艺首先对DBC基板表面进行清洗预处理；然后对预处理后的DBC基板进行电镀镍处理；最后，彻底清洗后，在镀镍的DBC基板表面采用磁控溅射法做镀银处理。本发明具有如下有益效果(1)电镀镍后磁控溅射银的DBC基板使用纳米银焊膏在高温烧结时，DBC基板表面的金属铜不会发生氧化反应，即不会渗出银镀层表面；(2)纳米银焊膏在烧结后，纳米银焊膏与电镀镍后磁控溅射银的DBC基板结合强度好；(3)绿色环保，不会对环境产生不良影响。
文档编号C23C14/16GK102560488SQ20121002333
公开日2012年7月11日 申请日期2012年2月2日 优先权日2012年2月2日
发明者徐连勇, 荆洪阳, 陆国权, 陈露, 韩永典 申请人:天津大学