CN102832147A - 晶片低温接合的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是关于一种晶片低温接合的方法，其包括：将一第一金属层形成于一晶片的一表面；将一第二金属层形成于一基板的一侧面，该第二金属层的材质是不同于该第一金属层；对该晶片相对于该第一金属层的另一表面以及该基板相对于该第二金属层的另一侧面施予一预接合压力，以使该第一金属层与该第二金属层之间进行预接合而相接；以及于100℃至300℃的温度下，以一扩散反应时间对该经预接合的晶片及该基板进行加热，以使该第一金属层与该第二金属层在二者之间的界面处进行扩散反应，以形成一熔点高于200℃的扩散合金层。
Description
技术领域
本发明是有关于一种聚光型太阳能晶片、功率晶体管及场效晶体管的晶片低温接合的方法，尤指一种利用不同金属之间的界面具有扩散反应的物理特性，而可在低温下进行接合形成可耐高温的扩散合金层的晶片低温接合的方法。
背景技术
一般而言，现有技术的聚光型太阳能晶片、功率晶体管及场效晶体管晶片等，经常有面积较大、不易接合的缺失，且在晶片运作过程中易产生大量的热，因此相关产业领域对于具有高散热、高耐温性及易于完全接合等特性的晶片接合材料有迫切的需求。
目前用来对晶体进行固晶的材质主要以锡膏焊接材料为主，因此现有技术的聚光型太阳能晶片、功率晶体管晶片及场效晶体管晶片的晶片接合方法，是先使用含助焊剂的锡膏焊接材料(例如锡铅锡膏、锡银锡膏)将晶片粘着于基板上，并以260℃至320℃的温度进行回焊接合。此方式虽然较为简便，但由于在回焊接合过程中，容易发生助焊剂挥发不完全的情形，而导致助焊剂残留于接合层中，并于接合层中形成孔洞，大幅降低接合层的接合面积与导热能力，且因晶片的性能及效率随操作温度上升而下降，故助焊剂残留导致孔洞的形成，使得接合层导热不佳，进而造成晶片散热不良、温度升高，以及性能及效率的下降。另外，在高温的回焊环境下，由于晶片的性能及效率对温度相当敏感，易因高回焊温度而导致晶片的损伤。另外，高温锡膏大多为含铅锡膏，无法满足未来欧盟RoHS的需求，因此寻求无含铅的晶片接合材料。
发明内容
有鉴于现有技术的聚光型太阳能晶片、功率晶体管及场效晶体管在进行晶片接合工艺上所存在的缺失，本发明是提供一种晶片低温接合的方法，其是利用不同金属间扩散反应的物理特性，来达成低温接合且使扩散合金层具有耐高温的特性，其是使用无铅接合材料于低温下即可完成晶片的接合，且使经接合后的晶片具有高接合强度、高散热性、元件操作时不易软(劣)化等优点。
为达上述目的，本发明是提供一种聚光型太阳能晶片、功率晶体管及场效晶体管的晶片低温接合的方法，其包括以下步骤：
将一第一金属层形成于一晶片的一表面；
将一第二金属层形成于一基板的一侧面，该第二金属层的材质是不同于该第一金属层；
对该晶片相对于该第一金属层以及该基板施加一压力、加热或加压加热，以使该第一金属层与该第二金属层之间进行预接合而相接；以及
于100℃至300℃的温度下，以一扩散反应时间对该经预接合的晶片及该基板进行加热，以使该第一金属层与该第二金属层在二者之间的界面处进行扩散反应，以形成一熔点高于200℃的扩散合金层。
较佳的，该压力为10克力至200克力。
较佳的，该扩散反应时间为30分钟至3小时。
较佳的，该第一金属层是为选自于由金、银及铜所组成的群组中至少一种材料所构成，该第二金属层是为选自于由金、银及铜所组成的群组中至少一种材料所构成。
较佳的，该扩散合金层是为选自于由金/银、金/铜及银/铜所组成的群组中至少一种材质所构成。
本发明另提供一种晶片低温接合的方法，其包括以下步骤：
将一第一金属层形成于一晶片的一表面；
将一第二金属层形成于一基板的一侧面，该第二金属层的材质是不同于该第一金属层；
以一预接合时间对该晶片以及该基板进行加热，使得该第一金属层与该第二金属层进行预接合而相接，并使该第一金属层与该第二金属层在二者之间的界面处产生扩散反应以形成一预扩散介金层；以及
于40℃至300℃的温度下，以一扩散反应时间对该经预接合的晶片及该基板进行加热，以使该第一金属层与该第二金属层在界面处进行扩散反应，以形成一熔点高于200℃的扩散介金层。
较佳的，该预扩散反应与该扩散反应为固-固扩散反应或液-固扩散反应。
较佳的，该固-固扩散反应温度是低于该第一金属层的熔点。
较佳的，该液-固扩散反应温度是高于该第一金属层的熔点。
较佳的，以该扩散反应温度加热经预接合的晶片及该基板以进行该扩散反应的步骤是包括：以该扩散反应温度加热该经预接合的晶片以及基板以进行该扩散反应，直到该第一金属层与该第二金层的扩散反应完毕。
较佳的，以一预接合时间对该晶片以及该基板进行加热的步骤中，预接合温度为25℃至150℃，以及预接合时间为0.1秒至2.0秒。
较佳的，该扩散反应时间为10分钟至3小时。
较佳的，该第一金属层的材料是选自于由铋铟、铋锡、铋铟锡、铋铟锡锌、铋铟锌及铟锡合金所构成的群组的至少一种合金材料，该第二金属层的材料是选自于由金、银、铜及镍所构成的群组的至少一种材料。
较佳的，该预扩散介金层与扩散介金层的材料是选自于由铜铟锌介金属、镍铟锌介金属、镍铋介金属、金铟介金属、银铟介金属、银锌介金属、金铋介金属所构成的群组的至少一种材料。
基于以上所述，本发明是利用金/银界面具有快速扩散的物理特性，以及利用低熔点合金材料与金、银、铜及镍等金属间扩散反应后形成耐高温合金的特性，来达成低温晶片接合工艺的、扩散合金层可耐高温及高散热性的目标。
附图说明
图1为本发明的一实施例的流程示意图；
图2本发明的一具体实施例的横截面示意图；
图3为本发明的扩散银金合金层的原子比例图；
图4为本发明一具体实施例的横截面示意图；
图5为本发明的一实施例中的第一金属层铋铟锡层与第二金属层银层接合的合金分析图。
附图标记说明：21-银层；21A-银层；22-晶片；23-金层；23A-金层；24-基板；25-助焊剂；26-扩散银金合金层；41-铋铟锡层；42-晶片；43-银层；43A-银层；44-基板；45-铋铟锡/银预扩散合金层；45A-铋铟锡/银扩散合金层。
具体实施方式
有关于本发明的技术特征与实际操作方式，现配合图示及实施例说明如下。
首先，请参阅图1所示，其为依据本发明的聚光型太阳能晶片、功率晶体管及场效晶体管的晶片接合的方法一较佳实施例的流程示意图。
本发明的一较佳实施例为利用金(Au)/银(Ag)界面具有快速扩散反应的特性，来达成低温晶片接合的目标。由于金/银接合层主要键结为金属键，扩散反应形成的合金的熔点高达900℃以上，且此接合结构将具有高接合强度、高散热性及可耐操作高温等特性。
本发明的另一较佳实施例为利用低熔点的合金材料与金、银、铜及镍等金属之间产生扩散反应后形成耐高温的合金的特性，来达成低温晶片接合以及扩散合金层可耐高温及高散热性的目标。由于低熔点合金材料与金、银、铜及镍等金属间会形成耐高温的扩散合金层，扩散反应形成的合金的熔点大于230℃，且此接合结构将具有高接合强度、高散热性及可耐操作高温等特性。
在本发明的一具体实施例中，将以Ag/Au材料系统为例，而不以其为限，来达到晶片低温接合的效果。请参阅图2所示，其为本发明一具体实施例的横截面示意图。首先，以电镀、蒸镀、溅镀或其他金属形成方式将一银层21形成于一晶片22的一表面。在一具体实施例中，银层21的厚度约为0.5毫米(mm)至1.5毫米(mm)。在一具体实施例中，该晶片22为一聚光型太阳能晶片、功率晶体管及场效晶体管晶片等晶片。
同时，以电镀、蒸镀、溅镀或其他金属形成方式将一金层23形成于一基板24上。在一具体实施例中，金层23厚度约0.2毫米至0.8毫米。该基板24可以是导线架、印刷电路板或陶瓷基板。基板24的材质可以是铜(Cu)、铝(Al)、铁(Fe)、镍(Ni)的纯元素或添加少量其它元素的合金。基板24的材质亦可以是硅(Si)、氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)、低温共烧多层陶瓷(Low-TemperatureCofired Ceramics，LTCC)或覆铜陶瓷(Direct Bonded Copper，DBC)。
接着，以一预接合压力及一助焊剂25将该晶片22加压固定在该基板24上，以增加预接合的效果。并于加热后，该助焊剂得以挥发，利于银层21与金层24在界面处进行扩散反应。在一实施例中，施加压力或加压加热于晶片22与基板24上即可使银层21与金层23在界面处产生塑性变形或扩散而预接合在一起，然而，在另一具体实施例中，可以使用助焊剂25来增加预接合的效果，但助焊剂25并非一定要使用。在一具体实施例中，预接合方式可为单纯施压法、热压法或超声波辅助热压法，其中所施加的预接合压力可以是10克力(gf)至200克力(gf)，预接合温度可以是但不限于25℃至200℃，施予压力所需的时间可以是但不限于0.2秒至3秒。
接着，将以一扩散反应温度及一扩散反应时间加热预接合该晶片22与基板24，以使该助焊剂25挥发，而且该银层21与该金层23在银与金接合面处进行固固扩散反应以形成扩散银金合金层26，以形成如图2所示的结构。在一具体实施例中，加热方式可为热风式、红外线加热或热板加热，其中扩散反应温度可以是但不限于100℃至300℃。前述扩散反应时间可以依扩散反应温度而调整。例如，当扩散反应温度较高时，扩散反应时间可以较短。当扩散反应温度较低时，扩散反应时间可以较长。扩散反应可以是30分钟至3小时。
在图2中，原来的银层21与金层23因为进行扩散反应作用，而产生扩散银金合金层26以及残余的银层21A与金层23A，三者皆具高导热极高耐温性的特性满足晶片操作时所需，减少晶片因热所导致性能及效率的衰退。
请参阅图3所示，为本发明的晶片低温接合结构的方法所形成的扩散银金合金层26的原子比例图。从图中可得知，本发明的晶片低温接合结构的方法确实可行。
另外，本实施例中，为增进银层21与晶片22之间的粘着效果，可使用一辅助粘着金属层(图中未示)包夹于该银层21与晶片22之间，该辅助粘着金属层可包含镍(Ni)、铬(Cr)、铂(Pt)、钛(Ti)或其它可增进粘着的纯金属或合金。类似地，本实施例中，为增进金层23与基板24之间的粘着效果，可使用一辅助粘着金属层(图中未示)包夹于该金层23与基板24之间，该辅助粘着金属层可包含镍(Ni)、铬(Cr)、铂(Pt)、钛(Ti)或其它可增进粘着的纯金属或合金。
本实施例虽以上述银层21与金层23作为说明，但本发明所属技术领域中具有通常知识者，当明了任何达到等同功能的变化均属本发明的范围。举例来说，该银层21可以用金(Au)取代，而该金层23可以用银取代。或者，该银层21可以用金取代，而该金层23可以用铜(Cu)取代。或者，该银层21可以用铜取代，而该金层23则不更动。
在本发明的另一具体实施例中，将以铋铟锡/银材料系统为例，而不以其为限，来达到晶片低温接合的效果。图4为本发明一具体实施例的横截面示意图。从图中可以知悉，晶片42低温接合方法包含下列步骤：：
首先，以电镀、蒸镀、溅镀或其他金属形成方式将一铋铟锡层41形成于一晶片42的一表面。在一具体实施例中，铋铟锡层41的厚度可以是但不限于0.2毫米至5.0毫米。较佳的厚度为1.0毫米至4.0毫米。在一具体实施例中，该晶片42为一聚光型太阳能晶片、功率晶体管及场效晶体管晶片等晶片。
同时，以电镀、蒸镀、溅镀或其他金属形成方式将一银层43形成于一基板44上。在一具体实施例中，银层43厚度可以是但不限于0.2毫米至2.0毫米。较佳的厚度为0.5毫米至1.0毫米。前述该基板44可以是导线架、印刷电路板、或陶瓷基板。基板44的材质可以是铜(Cu)、铝(Al)、铁(Fe)、镍(Ni)的纯元素或添加少量其它元素的合金。基板44的材质亦可以是硅(Si)、氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)、低温共烧多层陶瓷(Low-Temperature Cofired Ceramics，LTCC)或覆铜陶瓷基板(Direct Bonded Copper，DBC)。
接着，将该晶片42以一预接合时间及一预接合温度加热固定于该基板44上，进行预接合，使铋铟锡层41及银层43之间经预扩散反应形成一预扩散合金层45，以增加预接合的效果。加热的方式可以采用激光加热、热风加热、红外线加热、热压接合、或超声波辅助热压接合，其中所施加的预接合温度可以是但不限于25℃至150℃，预接合压力可以是10克力至200克力，预接合时间可以是但不限于0.1秒到2秒，较佳的是0.1秒到1秒。此加热的时间可视预扩散反应情形而适当调整。较佳的加热时间是当铋铟锡层41及银层43之间形成了非常薄的预扩散合金层45时所花的时间。其中预扩散反应可为固固扩散反应或液固扩散反应。当然，若在工艺中，增加预接合时间，使更多的预扩散合金层45被形成，亦属可实施的方式。
接着，将以一扩散反应温度及一扩散反应时间加热预接合的该晶片42与基板44，使该铋铟锡层41与该银层43在两者接合面处进行扩散反应，以形成扩散合金层45A，以形成图3示的结构。在一具体实施例中，加热方式可为热风式、烤箱、红外线加热或热板加热，其中扩散反应温度可以是但不限于40℃至300℃。前述扩散反应时间可以依扩散反应温度而调整。例如，当扩散反应温度较高时，扩散反应时间可以较短。当扩散反应温度较低时，扩散反应时间可以较长。其扩散反应时间可以是10分钟至3小时。扩散反应的目的在于让铋铟锡层41的合金元素与银层43的元素相互扩散。较佳的扩散反应时间则是让大部分的铋铟锡层41中的合金元素完成扩散所需的时间。其中，扩散反应可为固固扩散反应或液固扩散反应。该铋铟锡层41可以用铋铟(Bi-In)、铋锡(Bi-Sn)、铋铟锡(Bi-In-Sn)、铋铟锡锌(Bi-In-Sn-Zn)、铋铟锌(Bi-In-Zn)以及铟锡(In-Sn)合金材料所组成的群组中至少一种合金材料所取代。其中，Bi-In的熔点约为110℃，Bi-Sn的熔点约为138℃，Bi-25In-18Sn的熔点约为82℃，Bi-20In-30Sn-3Zn的熔点约为90℃，Bi-33In-0.5Zn的熔点约为110℃，In-Sn的熔点约为121℃。其中银层43可以用选自于金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)及镍(Ni)所构成的群组中至少一种所取代。
经扩散反应后所形成的晶片接合结构，有以下几种可能的态样。请参阅图4所示，其中一种晶片接合结构。从图中可以知悉，晶片接合结构包含依序叠置的晶片42、扩散合金层45A、残余银层43A以及基板44。前述的扩散合金层45A的材质是可包含铜铟锡(Cu-In-Sn)介金属(熔点至少400℃以上)、镍铟锡(Ni-In-Sn)介金属(熔点约700℃以上)、镍铋(Ni-Bi)介金属(熔点至少400℃以上)、金铟(Au-In)介金属(熔点至少400℃以上)、银铟(Ag-In)介金属(熔点至少250℃以上)、金锡(Ag-Sn)介金属(熔点至少450℃以上)、金铋(Au-Bi)介金属(熔点至少350℃以上)与铋金属及其合金(熔点至少250℃以上)。
请参阅图5所示，其为依据本发明的一较佳实施例中的铋铟锡层41与银层43接合的合金分析图，由图5可知关于铋铟锡与银的结合状态。将镀有Bi-25In-18Sn的铋铟锡合金的晶片设置于镀银导线架上，在90℃下施予压力进行预接合，以及在150℃下进行扩散反应一段时间后，再进行合金分析所得到的合金分析图。图中可以看出，铋铟锡层与银层间形成了Bi及Ag-In-Sn介金属的扩散合金层45A，以及残余的银层43A。由此可以得知，本发明所使用的铋铟锡层41可与银在低温形成接合层。
另外，本实施例中，为缩短铋铟锡层41的扩散反应时间，可使用一辅助扩散反应金属层(图中未示)包夹于该铋铟锡层41与晶片42之间，该辅助扩散反应金属层的材料是选自于金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)及镍(Ni)所构成群组。此外，为增进辅助扩散反应金属层与晶片42之间的粘着效果，可使用一辅助粘着金属层(图中未示)包夹于该辅助扩散反应金属层与晶片42之间，该辅助粘着金属层可包含镍(Ni)、铬(Cr)、铂(Pt)、钛(Ti)或其它可增进粘着的纯金属或合金。同样地，本实施例中，为增进银层43与基板44之间的粘着效果，可使用一辅助粘着金属层(图中未示)包夹于该银层43与基板44之间，该辅助粘着金属层可包含镍(Ni)、铬(Cr)、铂(Pt)、钛(Ti)或其它可增进粘着的纯金属或合金。
综上所述，当知本发明提供一种晶片低温接合结构的方法，其利用金/银界面具有快速扩散的物理特性，以及利用低熔点合金材料与金、银、铜及镍等金属间扩散反应后形成耐高温合金的特性，来达成低温晶片接合、扩散合金层可耐高温及高散热性的目标。
以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，即凡依本发明申请专利范围所述的形状、构造、特征、精神及方法所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的申请专利范围内。
Claims (15)
1.一种晶片低温接合的方法，其特征在于，其包括以下步骤：
将一第一金属层形成于一晶片的一表面；
将一第二金属层形成于一基板的一侧面，该第二金属层的材质是不同于该第一金属层；
对该晶片相对于该第一金属层以及该基板施加一压力、加热或加压加热，以使该第一金属层与该第二金属层之间进行预接合而相接；以及
于100℃至300℃的温度下，以一扩散反应时间对该经预接合的晶片及该基板进行加热，以使该第一金属层与该第二金属层在二者之间的界面处进行扩散反应，以形成一熔点高于200℃的扩散合金层。
2.根据权利要求1所述的晶片低温接合的方法，其特征在于，该压力为10克力至200克力。
3.根据权利要求1所述的晶片低温接合的方法，其特征在于，扩散反应时间为30分钟至3小时。
4.根据权利要求1所述的晶片低温接合的方法，其特征在于，该第一金属层是选自于由金、银及铜所组成的群组中至少一种材料所构成，该第二金属层是选自于由金、银及铜所组成的群组中至少一种材料所构成。
5.根据权利要求1所述的晶片低温接合的方法，其特征在于，该扩散合金层是选自于由金/银、金/铜及银/铜所组成的群组中至少一种材质所构成。
6.一种晶片低温接合的方法，其特征在于，其包括以下步骤：
将一第一金属层形成于一晶片的一表面；
将一第二金属层形成于一基板的一侧面，该第二金属层的材质是不同于该第一金属层；
以一预接合时间对该晶片以及该基板进行加热，使得该第一金属层与该第二金属层进行预接合而相接，并使该第一金属层与该第二金属层在二者之间的界面处产生扩散反应以形成一预扩散介金层；以及
将以一扩散反应时间及一扩散反应温度加热该经预接合的晶片及该基板，以使该第一金属层与该第二金属层在界面处进行扩散反应，以形成一熔点高于200℃的扩散介金层。
7.根据权利要求6所述的晶片低温接合的方法，其特征在于，该预扩散反应与该扩散反应为固-固扩散反应或液-固扩散反应。
8.根据权利要求7所述的晶片低温接合的方法，其特征在于，该固-固扩散反应温度是低于该第一金属层的熔点。
9.根据权利要求7所述的晶片低温接合的方法，其特征在于，该液-固扩散反应温度是高于该第一金属层的熔点。
10.根据权利要求6所述的晶片低温接合的方法，其特征在于，以该扩散反应温度加热经预接合的晶片及该基板以进行该扩散反应的步骤是包括：以该扩散反应温度加热该经预接合的晶片以及基板以进行该扩散反应，直到该第一金属层与该第二金层的扩散反应完毕。
11.根据权利要求6所述的晶片低温接合的方法，其特征在于，以一预接合时间对该晶片以及该基板进行加热的步骤中，预接合温度为25℃至150℃，预接合时间为0.1秒至2.0秒。
12.根据权利要求6所述的晶片低温接合的方法，其特征在于，该扩散反应温度为40℃至300℃。
13.根据权利要求6所述的晶片低温接合的方法，其特征在于，该扩散反应时间为10分钟至3小时。
14.根据权利要求6所述的晶片低温接合的方法，其特征在于，该第一金属层的材料是选自于由铋铟、铋锡、铋铟锡、铋铟锡锌、铋铟锌及铟锡合金所构成的群组的至少一种合金材料，该第二金属层的材料是选自于由金、银、铜及镍所构成的群组的至少一种材料。
15.根据权利要求6所述的晶片低温接合的方法，其特征在于，该预扩散介金层与扩散介金层的材料是选自于由铜铟锌介金属、镍铟锌介金属、镍铋介金属、金铟介金属、银铟介金属、银锌介金属、金铋介金属所构成的群组的至少一种材料。
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