阅读说明：本技术 一种金锡合金薄膜的制备方法 (Preparation method of gold-tin alloy film ) 是由 杨曌 李保昌 李淑华 罗俊尧 沓世我 于 2020-07-28 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种可用于共晶焊接的多层金锡合金薄膜制备工艺,根据理论计算膜层厚度,结合磁控溅射方式加工形成多层结构单质薄膜再经快速后退火处理工艺,制备得到金锡合金化完全和成份均匀的金锡合金薄膜。本发明以单质金属为原料,制备出金锡合金薄膜,有效简化工艺过程；采用磁控溅射制备方法,避免了化学法、真空蒸镀法的缺点,可制备出成分、厚度可控、图形复杂、位置灵活的金锡叠层薄膜,工艺稳定性良好,适用大批量生产；通过层数调节和热退火处理,可以有效调节薄膜层合金化区域,获得合金化均匀的薄膜层；采用RTP快速热退火处理,大大缩短了退火时间,有效提高了生产效率；金锡合金比例可控制在80:20～70:30之间,适用于共晶焊接。(The invention relates to a preparation process of a multilayer gold-tin alloy film for eutectic welding, which is characterized in that the thickness of a film layer is calculated according to theory, a multilayer structure simple substance film is formed by combining a magnetron sputtering mode, and the gold-tin alloy film with complete gold-tin alloying and uniform components is prepared by a rapid post-annealing treatment process. The gold-tin alloy film is prepared by taking simple substance metal as a raw material, so that the process is effectively simplified; the preparation method of magnetron sputtering is adopted, the defects of a chemical method and a vacuum evaporation method are avoided, the gold-tin laminated film with controllable components and thickness, complex pattern and flexible position can be prepared, the process stability is good, and the method is suitable for mass production; the alloying area of the thin film layer can be effectively adjusted through layer number adjustment and thermal annealing treatment, and the thin film layer with uniform alloying is obtained; the RTP rapid thermal annealing treatment is adopted, so that the annealing time is greatly shortened, and the production efficiency is effectively improved; the ratio of the gold to the tin alloy can be controlled to be 80: 20-70: 30, and the method is suitable for eutectic welding.)

一种金锡合金薄膜的制备方法

技术领域

本发明涉及一种金锡合金薄膜的制备方法，具体涉及一种可用于共晶焊接的多层结构且成分可调金锡合金薄膜制备工艺，属于微电子技术及半导体封装技术领域，主要应用于薄膜电路、陶瓷热沉、单层电容等产品的高可靠性封装。

背景技术

相较于传统的焊接封装工艺，金锡共晶焊料以其优良的物理性能，如焊接头强度高、焊接温度适中、浸润性能良好、无需助焊剂、抗腐蚀等优点，被广泛应用于散热及可靠性要求高的半导体焊接工艺中。近年来，特别是在射频、光通讯、MEMS等领域中受到越来越多的关注。其中，在薄膜电路、陶瓷热沉、单层电容器等产品中，传统的预置金锡合金片的方式已经不再适用。一方面，预置用金锡合金片的厚度最薄≥25μm，远远超过了产品中焊接功能层(2-5μm)要求，加之自动化程度低，从而提高了成本；另一方面，这类产品焊接处的图形要求复杂、位置灵活、精度高，预置用金锡合金片也无法满足。因此，采用薄膜工艺制备出成分、厚度可控的金锡合金层是这类产品获得高可靠性焊接的重要工艺方法。

目前，制备金锡合金薄膜的方法主要有电镀和真空镀。其中，电镀的工艺过程复杂且参数控制要求极高，且成膜厚度及成分均匀性差，工艺可控性差，不利于工业化生产。真空镀膜法比电镀法具有更可控的工艺过程，成膜稳定性高、绿色环保，其主要包括蒸发法和磁控溅射法。前者由于蒸发料利用率不高，厚度控制精度低等缺点，在工业化生产中没有广泛使用。后者以其较高的控制精度、较好的重复性，适合量产。对于镀膜后的热处理工艺，则常规采用处理时间较长的管式炉。

综上，采用磁控溅射方法和不同于常规的快速退火(RTP)处理，可以有效提高合金薄膜的成分、厚度可控性和精度，保证膜层合金化均匀，同时工艺重复性好，性价比高，且适合于共晶焊接用金锡合金薄膜的制备及批量化生产。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种金锡合金薄膜的制备方法，该方法制备得到的金锡合金薄膜成分可调、附着力良好、厚度均匀且控制精确、满足共晶焊接要求。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种金锡合金薄膜的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

(1)单质金锡合金薄膜层的设计：根据质量密度公式M＝ρV，以及金锡合金薄膜的金锡比例，计算得到单质金层与锡层厚度的比例；根据金锡合金薄膜的厚度确定单质金层与锡层的总厚度，然后根据金锡合金薄膜的层数确定单质金层与锡层各层的厚度；

(2)对陶瓷基材进行处理；

(3)采用磁控直流溅射，在陶瓷基材上交替镀单质金层与锡层，得到叠层结构薄膜；

(4)采用快速退火对步骤(3)得到的叠层结构薄膜进行热退火处理，随炉冷却即得金锡合金薄膜。

本申请要解决的技术问题是金锡薄膜合金合金化均匀的技术问题，通过多层结构单质薄膜材料的设计，在不同基材上，采用磁控溅射设备制备多层结构金锡薄膜，制备获得不同组成的金锡薄膜，再采用热处理工艺进行退火处理，制备得到成分、厚度可控，且膜层合金化均匀，适用于批量生产的金锡合金薄膜。

本发明涉及一种可用于共晶焊接的多层金锡合金薄膜制备工艺，根据理论计算膜层厚度，结合磁控溅射方式加工形成多层结构单质(金，锡)薄膜再经快速后退火处理工艺，制备得到金锡合金化完全和成份均匀的金锡合金薄膜。

本次申请创新之处在于：1、采用多层结构单质金属薄膜，避免了合金靶溅射的成分偏析；2、采用高效，成膜稳定性高，绿色环保的磁控溅射工艺作为薄膜制备方法；3、采用快速热退火处理，能够有效提升后退火工艺时间；4、实际制备得到金锡重量比为80:20的合金薄膜，可用于金锡焊接。

作为本发明所述制备方法的优选实施方式，所述步骤(1)中，金锡合金薄膜的层数不小于5，单质金层为最外层且数量比单质锡层多一层。

根据膜层需要实现合金化的区域，可以均分各层厚度，也可以按照不同的疏密程度对膜层厚度进行拆分。

作为本发明所述制备方法的优选实施方式，所述步骤(2)中，陶瓷基材为氧化铝陶瓷片。

作为本发明所述制备方法的优选实施方式，所述步骤(2)中，处理操作为：对陶瓷基材依次采用丙酮、纯水、乙醇超声清洗10～30min后烘干，烘干温度不低于100℃，烘干时间不低于1h。

作为本发明所述制备方法的优选实施方式，所述步骤(3)中，镀膜前对不需覆盖薄膜的区域进行掩膜遮挡。

作为本发明所述制备方法的优选实施方式，所述掩膜遮挡为机械掩膜遮挡或光掩膜遮挡。

机械遮挡为直接将机械掩膜固定于氧化铝陶瓷基材上。

作为本发明所述制备方法的优选实施方式，所述步骤(3)中，叠层结构薄膜的最外层为单质金层。为了防止氧化，叠层结构薄膜的最外层，即远离基体的最外层应为单质金层。

作为本发明所述制备方法的优选实施方式，所述步骤(3)中，磁控直流溅射过程中，本底真空不高于10^-4Pa，工作压力为0.1～0.6Pa，常温，功率为50～150W，金层镀膜时间为10～150sec.，锡层镀膜时间为10～100sec.。磁控溅射法包括但不限于DC、RF、共溅射。

作为本发明所述制备方法的优选实施方式，所述步骤(4)中，在真空条件下退火，退火温度为260～320℃，升温时间为20～50sec.，保温时间不低于10min。

作为本发明所述制备方法的优选实施方式，所述步骤(4)中，金锡合金薄膜中金锡的重量比为80:20～70:30。

对均分单质膜层厚度的结构可以得到合金化均匀的金锡薄膜，当合金薄膜中金锡重量比控制在80:20～70:30之间时，可用于共晶焊接；对不同疏密程度拆分单质膜层厚度的结构，则能够获得局部合金化的金锡薄膜，局部合金化的区域可以在膜层的上方、中间、下方，或者任何指定位置。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明以单质金属为原料，制备出金锡合金薄膜，有效简化工艺过程；采用磁控溅射为制备方法，避免了化学法、真空蒸镀法的缺点，可制备出成分、厚度可控、图形复杂、位置灵活的金锡叠层薄膜，工艺稳定性良好，适用大批量生产；通过层数调节和热退火处理，可以有效调节薄膜层合金化区域，获得合金化均匀的薄膜层；采用RTP快速热退火处理，大大缩短了退火时间，有效提高了生产效率；金锡合金比例可控制在80:20～70:30之间，适用于共晶焊接。

附图说明

图1为本发明金锡合金薄膜的结构图。

图2为实施例1中金锡合金薄膜的扫描电子显微镜图。

图3为实施例1中快速退火后金锡合金薄膜的截面形貌及成分图。

图4为实施例2中快速退火后金锡合金薄膜的截面形貌及成分图。

具体实施方式

为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将附图和结合具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明金锡合金薄膜的结构图如图1所示。

实施例1

一种金锡合金薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)单质金锡合金薄膜层的设计：根据质量密度公式M＝ρV，已知ρ_Au＝19.32g/cm³，ρ_Sn＝7.28g/cm³，计算设计得到单质金层与锡层厚度的比例T_Au/T_Sn＝1.507；根据金锡合金薄膜的厚度2μm确定单质金层与锡层的总厚度T_Au＝1.2μm、T_Sn＝0.8μm，然后根据金锡合金薄膜的层数n＝41，确定单质金层与锡层各层的厚度t_Au＝T_Au/21＝0.06μm，t_Sn＝T_Sn/20＝0.04μm；

(2)对陶瓷基材进行处理：陶瓷基材为氧化铝陶瓷片，对陶瓷基材依次采用丙酮、纯水、乙醇超声清洗10min后烘干，烘干温度为120℃，烘干时间为1h；

(3)镀膜前对不需覆盖薄膜的区域进行掩膜遮挡，采用机械掩膜遮挡，即直接将机械掩膜固定于氧化铝陶瓷基材上；采用磁控直流溅射，在陶瓷基材上交替镀单质金层与锡层，得到叠层结构薄膜，叠层结构薄膜的最外层为单质金层；磁控直流溅射过程中，本底真空为6.3E^-4Pa，工作压力为0.4Pa，常温，功率为70W，金层镀膜时间为100sec.，锡层镀膜时间为80sec.；

(4)采用快速退火对步骤(3)得到的叠层结构薄膜进行热退火处理，随炉冷却即得金锡合金薄膜；在真空条件下退火，退火温度为260～320℃，升温时间为20sec.，保温时间为10min。

本实施例制备得到的金锡合金薄膜中金锡的重量比为80.1:19.9。

本实施例制备得到的金锡合金薄膜的扫描电子显微镜图如图2所示，快速退火后金锡合金薄膜的截面形貌及成分图如图3所示。由图2～3可知，制备得到的薄膜表面致密、平整，粗糙度小，薄膜截面均匀性好，Au与Sn之间合金化完全，使薄膜表面和横截面的合金比例在设计值范围内。分层磁控溅射法能制备致密、平整和合金化均匀的金锡合金薄膜焊料，为金锡合金薄膜焊料在半导体封装技术上提供一定的参考和指导。

实施例2

一种金锡合金薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)单质金锡合金薄膜层的设计：根据质量密度公式M＝ρV，已知ρ_Au＝19.32g/cm³，ρ_Sn＝7.28g/cm³，计算得到单质金层与锡层厚度的比例T_Au/T_Sn＝1.507；根据金锡合金薄膜的厚度1μm确定单质金层与锡层的总厚度T_Au＝0.60μm、T_Sn＝0.40μm，然后根据金锡合金薄膜的层数n＝21，确定单质金层与锡层各层的厚度t_Au＝T_Au/11＝0.05μm，t_Sn＝T_Sn/10＝0.04μm；

(2)对陶瓷基材进行处理：陶瓷基材为氧化铝陶瓷片，对陶瓷基材依次采用丙酮、纯水、乙醇超声清洗10min后烘干，烘干温度为120℃，烘干时间为1.5h；

(3)镀膜前对不需覆盖薄膜的区域进行掩膜遮挡，采用机械掩膜遮挡，即直接将机械掩膜固定于氧化铝陶瓷基材上；采用磁控直流溅射，在陶瓷基材上交替镀单质金层与锡层，得到叠层结构薄膜，叠层结构薄膜的最外层为单质金层；磁控直流溅射过程中，本底真空为6.0E^-4Pa，工作压力为0.4Pa，常温，功率为70W，金层镀膜时间为50sec.，锡层镀膜时间为40sec.；

(4)采用快速退火对步骤(3)得到的叠层结构薄膜进行热退火处理，随炉冷却即得金锡合金薄膜；在真空条件下退火，退火温度为320℃，升温时间为20sec.，保温时间为10min。

本实施例制备得到的金锡合金薄膜中金锡的重量比为77.8:22.2。

本实施例制备得到的金锡合金薄膜快速退火后金锡合金薄膜的截面形貌及成分图如图4所示。由图4可知，制备得到的薄膜致密，截面均匀性好，Au与Sn之间形成合金化薄膜，使薄膜表面和横截面的合金比例在设计值范围内。

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。