一种芯片烧结方法

技术领域

本发明涉及芯片封装技术领域，尤其涉及一种芯片烧结方法。

背景技术

在芯片封装互连领域，通常通过丝网印刷等技术在基板和芯片之间涂覆一层纳米铜膏体，然后对膏体在高温和一定压力下烧结，提高基板和芯片连接层的致密度和物理性能。在高温下，铜膏晶粒吸收能力长大，空隙(气孔)和晶界渐趋减少，通过物质的传递，其总体积收缩，密度增加，最后成为具有显微结构的致密多晶烧结体，形成在银颗粒之间形成网状互连结构。

现有的烧结炉通常利用液压加压或者机械加压，利用电阻生热。如公开号为CN114608311A，名称为“烧结设备及其气氛可控的压力烧结机构”的中国发明专利申请，以上下两个加压组件封堵伸缩管，使伸缩管内部形成密闭的烧结腔，两个加压组件均设置有电加热线圈或电加热片，对加热腔中的元件进行加热，采用丝杆螺母机构、齿轮齿条机构及气缸等驱动装置驱动上压头下压，直至上压头与产品接触加压。这种以电加热线圈或电加热片对加热腔进行加热的方式，存在加热腔升温速度慢的缺点，而且，机械加压的方式的下压速度控制精度较低，导致芯片加工速度慢和加工精度，容易破坏样品，且不能实现精准的加/减压操作，以及保压时间的精准控制。

发明内容

本发明的目的在于提出一种芯片烧结方法，具有加工速度快和加压更精准的特点。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种芯片烧结方法，以烧结炉对芯片进行烧结，所述烧结炉包括炉体、上工作台和下工作台，所述下工作台位于所述上工作台的正下方，所述上工作台可垂直移动，该方法包括以下步骤：

(1)将工件放置于夹具，将夹具固定于所述下工作台的顶面；

(2)向所述炉体内通入保护气体和调整烧炉体内的真空度；

(3)使所述下工作台内的磁场产生装置产生磁场，由磁性材料制成的上工作台在磁场作用下向所述下工作台移动，并对所述下工作台上的工件加压；

(4)缠绕在所述炉体的电磁加热线圈对炉体进行加热，使炉体内部升温，对工件进行烧结；

(5)烧结完成后，使所述炉体内泄压，取出工件，即得到烧结后的芯片。

进一步，所述上工作台与所述炉体内壁之间连接有拉力传感器，通过所述拉力传感器获得所述上工作台对工件加压的压力；

所述磁场产生装置连接有电磁控制装置，所述磁场控制装置根据所述拉力传感器的拉力信号控制所述磁场产生装置产生磁场的强度和形状。

进一步，所述电磁控制装置与所述电磁加热线圈连接，所述电磁控制装置控制所述电磁加热线圈的加热温度。

进一步，所述炉体内的顶壁安装有竖向导轨，所述竖向导轨呈空心柱形，所述竖向导轨的内壁设有多个导向槽；

所述上工作台的顶部设有滑柱，所述滑柱的外壁设有与所述导向槽匹配的凸起，所述滑柱插入所述导向槽内并与导向槽滑动配合。

进一步，所述炉体的内壁设有缓冲件，所述拉力传感器的一端连接于所述缓冲件，所述拉力传感器的另一端连接于所述滑柱的顶部；

所述拉力传感器和所述缓冲件位于所述竖向导轨内。

进一步，所述炉体连接有气体管道，所述气体管道连接有真空泵、气瓶和溢流阀；

所述步骤(2)中，首先真空泵使炉体内达到预设真空度，然后调节溢流阀的阀值，气瓶向所述炉体内充入保护气体并炉体内充入保护气体复2-4次。

进一步，所述步骤(4)中，当工件为铜片焊接结构时，所述炉体内的升温速率小于等于0.4℃/s；

烧结温度梯度如下：

所述炉体内温度上升至30-100℃，保温2-8min；

所述炉体内温度上升至110-120℃，保温7-13min；

所述炉体内温度上升至120-600℃，保温25-35min。

进一步，所述步骤(4)中，当工件为带微孔挠性覆铜板时，所述带微孔挠性覆铜板的微孔内填充焊料，所述炉体内的升温速率小于等于0.1℃/s，所述炉体内的最高温度不超过250℃。

进一步，所述炉体包括炉外壁和炉内壁，所述炉外壁和所述炉内壁之间填充有隔热材料，所述炉内壁的材料为磁性材料；

所述电磁加热圈缠绕于炉内壁的外侧。

进一步，所述下工作台的顶面开有安装孔；

所述夹具开设有与安装孔对应的通孔，定位杆穿过安装孔和通孔使所述夹具固定于所述下工作台。

本发明提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本发明的烧结方法中，以电磁加热方式对烧结炉内的工件进行烧结，以电磁驱动的方式使上工作台对工件进行加压，基于电磁加热的升温速度快、电磁驱动的下压速度控制更精准的特点，使得芯片烧结加工速度快和加工更精准，有效地减少加压过程对样品的伤害，同时实现控制保压时间，实现程序化加压和减压。

附图说明

图1是本发明一个实施例的烧结炉的结构示意图；

图2是图1所述烧结炉的炉体的结构示意图；

其中，炉体1、炉外壁12、炉内壁13、电磁加热线圈11、竖向导轨14、拉力传感器15、上工作台2、滑柱21、下工作台3、磁场产生装置31、电磁控制装置4、温度传感器5、气压指示器61、气瓶62、真空泵63、溢流阀64。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明提供一种芯片烧结方法，以烧结炉对芯片进行烧结，烧结炉包括炉体1、上工作台2和下工作台3，下工作台3位于上工作台2的正下方，上工作台2可垂直移动，该方法包括以下步骤：

(1)将工件放置于夹具，将夹具固定于下工作台3的顶面；

(2)向炉体1内通入保护气体和调整烧炉体1内的真空度；

(3)使下工作台3内的磁场产生装置31产生磁场，由磁性材料制成的上工作台2在磁场作用下朝向下工作台3移动，并对下工作台3上的工件加压；

(4)缠绕在炉体1的电磁加热线圈11对炉体1进行加热，使炉体1内部升温，对工件进行烧结；

(5)烧结完成后，使炉体1内泄压，取出工件，即得到烧结后的芯片。

本发明的烧结方法中，以电磁加热方式对烧结炉内的工件进行烧结，以电磁驱动的方式使上工作台2对工件进行加压，基于电磁加热的升温速度快、电磁驱动的下压速度控制更精准的特点，使得芯片烧结加工速度快和加工更精准。

具体的，电磁加热线圈11，利用电磁感应原理将电能转换为热能，使炉内壁13本身自行高速发热，从而达到快速加热目的。上工作台2由磁性材料构造，当处于磁场产生装置31产生的磁场内部，能在上工作台2内部产生感应磁场。磁场产生装置31能使上工作台2磁化，并产生和磁场产生装置31相反磁极的磁场。基于磁场产生装置31和上工作台2之间具有不同的磁极，上工作台2会受到磁场作用，向下移动，实现对放置于下工作台3的工件进行加压。因其磁力控制精度高，能够控制加压速度，有效地减少加压过程对样品的伤害，并提高加工精度。

需要说明的是，本发明这种以电磁加热和加压的方式，炉体1可设计成较大尺寸以具有大容量，能实现对多种尺寸芯片的加工，还能实现芯片的批量加工，在很大程度上提高了芯片的加工效率。

具体的，炉体1包括炉外壁12和炉内壁13，炉外壁12和炉内壁13之间填充有隔热材料，炉内壁13的材料为磁性材料；电磁加热圈缠绕于炉内壁13的外侧。炉外壁12和炉内壁13都呈现圆柱形。炉外壁12使用铁制品隔绝炉内对炉外的磁干扰；隔热材料可以为气凝胶隔热材料、碳质保温隔热材料或复合保温隔热材料，如二氧化硅气凝胶或碳硅板。炉内壁13使用磁性材料，其材质为如Fe，Co，Ni元素及其合金、稀土元素及其合金，或者采用含Mn的化合物。

为了方便将工件放进炉体1内，炉体1在整体上分为炉体1固定部分和活动部分，活动部分作为门体与固定部分转动连接。门体以磁力控制开关门。当烧结炉工作时，门体处于关闭状态；工作完毕，炉内需要降温时，门体处于打开状态。

芯片在烧结加工过程中需监控对工件施加的压力，以进行精密加工，提高产品质量，上工作台2与炉体1内壁之间连接有拉力传感器15，通过拉力传感器15获得上工作台2对工件加压的压力；磁场产生装置31连接有电磁控制装置4，磁场控制装置根据拉力传感器15的拉力信号控制磁场产生装置31产生磁场的强度和形状。

该拉力传感器15能在高温(600℃)下工作，且线性误差、滞后误差、蠕变误差较小。拉力传感器15能将上工作台2受到的拉力信号转变为可测量的电信号进行反馈，电磁控制装置4收到拉力传感器15的反馈信号后，可调节电流的频率和强度，进而控制磁场产生装置31产生的磁场的强度和形状，最终控制上工作台2受到的吸引力，达到精准控制上工作台2对工件加压。

基于芯片烧结加工的要求，需控制炉体1内的升温速率，以及在芯片烧结过程中的不同阶段需调整炉内温度，使电磁控制装置4与电磁加热线圈11连接，电磁控制装置4控制电磁加热线圈11的加热温度。

电磁控制装置4用于产生低频、中频、超音频或高频电流，具有温度设置和压力设置功能，通过温度感应器反馈的表征炉内温度的数字信号，正反馈调节炉内壁13产生的热能，形成热动态平衡。电磁控制装置4通过控制电流频率可控制线圈产生的交变磁场的强度，进而达到控制加热速率的目的。优选的，炉体1内的温度传感器5为红外温度传感器5，能灵敏地感应炉内温度的变化，并把温度的变化反馈给电磁控制装置4。

具体的，电磁控制装置4将220V/380V，50/60Hz的交流电经整流电路整流变成直流电，再通过内部的控制电路将直流电转换成不同频率的电压，当电流流过线圈会产生变化的交变磁场，当磁场内的交变磁力线通过炉内壁13时，会在炉内壁13产生无数的小涡流，使炉内壁13本身自行高速发热，从而达到快速加热目的。

为了进一步提高芯片烧结加工的精度，炉体1内的顶壁安装有竖向导轨14，竖向导轨14呈空心柱形，竖向导轨14的内壁设有多个导向槽；上工作台2的顶部设有滑柱21，滑柱21的外壁设有与导向槽匹配的凸起，滑柱21插入导向槽内并与导向槽滑动配合。竖向导轨14和滑柱21的配合能保证上工作台2在竖直方向上平稳移动。当导向槽数量较多且密集排列时，形成类似于内齿轮的结构，相应的，滑柱2121外壁也有较多数量的凸起，形成类似于齿轮的结构，两种结构相匹配达到精密导向的效果，以提高芯片的加工精度。

当芯片烧结加工完毕后，为了方便上工作台2复位，炉体1的内壁设有缓冲件，拉力传感器15的一端连接于缓冲件，拉力传感器15的另一端连接于滑柱21的顶部；拉力传感器15和缓冲件位于竖向导轨14内。缓冲件不仅能起到缓冲作用，而且便于在无磁场作用时或者磁场减弱时，使上工作台2回位。优选的，缓冲件为弹簧。

为了方便工件的固定和拆卸，下工作台3的顶面开有安装孔；夹具开设有与安装孔对应的通孔，定位杆穿过安装孔和通孔使夹具固定于下工作台3。夹具具有用于固定样品的样品台。样品台上可放置多个样品，且可根据样品的形状和大小选择相对应的样品台。

更进一步说明，炉体1连接有气体管道，气体管道连接有真空泵63、气瓶62和溢流阀64；步骤(2)中，首先真空泵63使炉体1内达到预设真空度，然后调节溢流阀64的阀值，气瓶62向炉体1内充入保护气体；重复2-4次。即气瓶62重复向炉体1内充入保护气体2-4次，确保排尽炉内的空气。优选的，溢流阀64的阀值范围为0-10个大气压，炉体1内的真空度的范围为-200kpa到-50kpa，以适应多种芯片产品加工。需要说明的是，气体管道还安装有气压指示器61，用于显示炉体内的气压。

以下通过实施例进一步阐述本发明。

实施例1

本实施例的芯片烧结方法，以烧结炉对芯片进行烧结，烧结炉包括炉体1、上工作台2、下工作台3和电磁控制装置4，下工作台3位于上工作台2的正下方，上工作台2可垂直移动。炉体1内的顶壁安装有竖向导轨14，竖向导轨14呈空心柱形，竖向导轨14的内壁设有多个导向槽；上工作台2的顶部设有滑柱21，滑柱21的外壁设有与导向槽匹配的凸起，滑柱21插入导向槽内并与导向槽滑动配合，滑柱21的顶部通过拉力传感器15和缓冲件连接于炉体1的顶部；拉力传感器15和缓冲件位于竖向导轨14内。体包括炉外壁12和炉内壁13，炉外壁12和炉内壁13之间填充有隔热材料，炉内壁13的材料为磁性材料；电磁加热圈缠绕于炉内壁13的外侧。炉体1连接有气体管道，气体管道连接有真空泵63、气瓶62和溢流阀64；

该方法包括以下步骤：

(1)在10mm*10mm的大铜板上涂覆一层铜膏，然后在铜膏上层放置一块3mm*3mm的小铜板，形成大铜板-铜膏-小铜板的三明治结构工件，将16个工件放置于夹具的样品台，定位杆(螺杆)穿过下工作台3的安装孔和夹具的通孔使夹具固定于下工作台3的顶面；

(2)打开真空泵63使炉体1内气压达到-75KPa，设置溢流阀64的阀值为1.5个大气压，装有氢气和氩气的气瓶62向炉体1内充入保护气体，并重复向炉体1内充入保护气体2次；

(3)使下工作台3内的磁场产生装置31产生磁场，由磁性材料制成的上工作台2在磁场作用下朝向下工作台3移动，并对下工作台3上的工件加压，加压压力设定为60Kg；通过拉力传感器15获得上工作台2对工件加压的压力，磁场控制装置根据拉力传感器15的拉力信号控制磁场产生装置31产生磁场的强度和形状；

(4)电磁控制装置4控制电磁加热线圈11的加热温度，使炉体1内部升温，对工件进行烧结，炉体1内的升温速率小于等于0.4℃/s；

烧结温度梯度如下：

炉体1内温度上升至30-100℃，保温2-8min；

炉体1内温度上升至110-120℃，保温7-13min；

炉体1内温度上升至120-600℃，保温25-35min；

(5)烧结完成后，使炉体1内泄压，打开门体，卸下夹具，取出工件，即得到烧结后的芯片。

实施例2

本实施例的的芯片烧结方法与实施例1基本相同，不同之处如下：

步骤(1)中，通过丝网印刷技术往带微孔的挠性覆铜板(FCCL)的微孔中填充填料，填料即焊料；其中FCCL的总厚度为66μm，中间介质层为30μm的聚酰亚胺(PI)，两面为18μm的铜箔。微孔深度约为50μm，微孔的直径约为35μm。

将挠性覆铜板定位于夹具的的样品台，定位杆(螺杆)穿过下工作台3的安装孔和夹具的通孔使夹具固定于下工作台3的顶面；

步骤(2)中，炉体1内气压为-100KPa，炉体1内充入保护气体为氮气，并重复向炉体1内充入保护气体4次；

步骤(3)中，加压压力设定为20Kg；

步骤(4)中，炉体1内的升温速率小于等于0.1℃/s，炉体1内的最高温度不超过250℃。

根据本发明实施例的一种芯片烧结方法的其他构成等以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。

在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。