CN107658220B - 一种功率半导体芯片正面铝层金属化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种功率半导体芯片正面铝层金属化方法；首先对功率半导体芯片正面等离子清洗；然后对功率半导体芯片正面镀Ti；再进行对功率半导体芯片正面镀Ag。本发明采用磁控溅射镀膜机。设计一个夹具托盘，该夹具托盘上有数个承载芯片的小槽，能够完成多个芯片镀膜。通过以上步骤使用真空磁控溅射镀膜完成功率半导体芯片的正面可焊金属化，Ti中间层的存在，使得Al和Ag之间存在热膨胀系数，密度的过渡，Ag层不容易脱落，最终达到双面烧结的要求。完成功率半导体芯片正面可焊金属化。正面金属化的结果使芯片能够实行双面烧结，提高散热效率和模块封装功率密度。
Description
技术领域
本发明涉及一种功率半导体芯片正面铝层金属化的方法，该方法适用于电力电子模块高密度双面封装领域。
背景技术
高温影响功率电子产品的可靠性，寿命等行为，同时电子封装技术越来越追求高功率、高封装密度、高可靠性，为解决功率半导体高密度双面互连封装问题，提出一种双面金属化的方法。传统功率半导体芯片都是只有单面可焊结构，本发明中对功率半导体芯片进行正面金属化，使其能够实现双面焊接，达到双面互连及封装散热的效果。芯片与基板连接的金属层为Ag，芯片正面材料为Al，其与基板不能通过焊料烧结完成有效的连接。完成芯片双面焊接需要解决一个问题：芯片正面Al膜与基板的焊接。参考芯片与基板焊接面为Ag，为我们芯片的双面金属化提供了思路，有望完成芯片的双面金属化，提高散热效率。
发明内容
本发明的目的是完成功率半导体芯片正面可焊金属化。正面金属化的结果使芯片能够实行双面烧结，提高散热效率和模块封装功率密度。
为实现上述目的，本发明采用超真空磁控溅射镀膜方法对芯片表面进行镀膜，其中镀膜靶材为Ti、Ag。
本发明采用的工艺经过大量实验验证下得到的优化的工艺，该工艺可以对功率半导体芯片进行镀膜，具有一定的优点。镀膜靶材为Ti、Ag，由于Al和Ag热膨胀系数相差大，且晶格系数差距较大，采用Ti做中间层。
本发明的具体技术方案如下：
一种功率半导体芯片正面铝层金属化的方法，包括如下步骤：
1)功率半导体芯片正面等离子清洗：
2)功率半导体芯片正面镀Ti：镀Ti时溅射流量为24～26sscm，气压大小设置为0.1～10Pa，功率为100～180W，时间为10～15min；
3)功率半导体芯片正面镀Ag：镀Ag时溅射流量为24～26sscm，气压大小为0.1～10Pa，功率为100～180W，时间为8～12min。
所述步骤1)中等离子清洗设定参数如下：放电电压为60～70V；灯丝电流7～8A，放电电流刚产生且电流大小小于0.1A；加速电压调至100～200V；束流电压调至500V，使束流大小为12.8～13.2；调节好以上参数后进行清洗，清洗时间为1～3min；等离子清洗时气压大小在7.5×10-2Pa。
所述步骤1)中等离子清洗之前磁控溅射镀膜设备需要进行抽真空，真空度不高于5.0×10-4Pa。
本发明采用磁控溅射镀膜机。设计夹具托盘承载多个芯片，实现多个芯片同时镀膜。
本发明夹具托盘上设置有数个承载芯片的小槽，能够完成多个芯片镀膜；小槽满足以下要求：
(1)待金属化芯片应锲合在所述托盘的槽中，取放芯片不应与边缘发生摩擦：Si/SiC/GaN基二极管芯片应以内部绝缘层边缘基准，长宽向内减少0.2～0.5mm；栅控型芯片应以栅极内部边缘为基准向内减少0.2～0.5mm；
(2)承载芯片的小槽内的托台厚度为0.2～1mm；
(3)每个小槽之间相距优选为2～3mm；最外层小槽与夹具托盘边缘距离优选为4～5mm。夹具托盘厚度最优为2～3mm。
通过以上步骤使用真空磁控溅射镀膜完成功率半导体芯片的正面可焊金属化，Ti中间层的存在，使得Al和Ag之间存在热膨胀系数，密度的过渡，Ag层不容易脱落，最终达到双面烧结的要求。
本发明采用真空磁控溅射镀膜的方法实现功率半导体芯片的正面金属化，使其能够进行双面烧结，使得芯片具有双面散热结构提高了芯片的散热效率，为大功率电子封装提供了散热良好的芯片和功率模块。
采用上述磁控溅射芯片镀膜，为了更好的提高靶材利用率，解决现有夹具只能夹持少个样品的问题，实现多个芯片同时镀膜，需要设计夹具托盘承载多个芯片，托盘大小要适应磁控溅射设备中托盘槽的尺寸。因为本发明中使用的超真空磁控溅射镀膜和等离子清洗设备其原有夹具不能完成芯片镀膜，并且每次只能使用固定夹持少个样品进行镀膜。因此本发明中设计一个夹具托盘，该夹具托盘上有数个承载芯片的小槽，能够完成多个芯片镀膜。
待金属化芯片应锲合在所述托盘的槽中，取放芯片不应与边缘发生摩擦，但也不能过宽松，避免在镀膜过程中因轻微震动导致镀膜位置发生变化；小槽间距较窄会影响夹具的平整度，容易引起变形，使得镀膜层不均匀。因此对每个小槽之间相距和最外层小槽与夹具托盘边缘距离做了优化设计。
以上设计均为避免在绝缘层以及栅极处镀膜，影响功率半导体芯片功能。栅控型芯片(如IGBT和MOSFET)放置要要注意方向，不能使栅极露出。
本发明的效果补充说明：
(1)本发明所得芯片镀膜层稳定。采用本发明完成溅射镀膜的芯片置于加热台，300℃下保温1h，观察到芯片正面镀Ag层没有发生脱落；
(2)本发明所得的芯片能够实现双面烧结，并具有一定的强度。采用本发明完成溅射镀膜的芯片在加热台上进行无压双面烧结，其中基板使用镀银铜基板，焊膏为纳米银焊膏。工艺流程：5℃/min升温至280℃，保温30min，随炉冷却。烧结后的试样进行剪切实验，强度均可达30MPa。
附图说明
图1a：实例1芯片实物图；
图1b：实例1镀膜面积设计图；
其中：1为绝缘层内部边缘；2为栅极内部边缘；3为镀膜面积；4为芯片边缘。芯片尺寸：6.5mm×4.2mm，栅极尺寸：4.2mm×1.38mm，绝缘层宽0.3mm。3阴影面积所表示的镀膜面积。由权利要求书3中提到的栅控型芯片(如IGBT和MOSFET)等应以栅极内部边缘为基准向内减少0.3～1mm，所以本实例中镀膜面积长宽分别为：6.5-1.38-R1-R1-0.3mm，4.2-0.3-R2-R2-0.3mm。R1范围为0.2～1mm，R2范围为0.2～1mm。
该实例中R1＝0.25mm，R2＝0.3mm。
图2a：实例1夹具托盘背面(未放置芯片)；
图2b：实例1夹具托盘正面(未放置芯片)；
其中：5为放置芯片的小槽；6为靠近IGBT栅极的镀膜区域的边缘。本实例中放置芯片需要注意栅极放置位置，不能使栅极在镀膜面积中露出。
图3a为实例1夹具托盘背面(放置芯片后)；
图3b为实例1夹具托盘正面(放置芯片后)；
其中：夹具托盘厚度为5mm，直径60mm。
图4：实例2中Si基二极管芯片(9.2mm×9.2mm)镀膜后实物图；
图5：实例3中Si基二极管芯片(5mm×5mm)镀膜后实物图。
具体实施方式
本发明实现的多个芯片同时完成正面铝层金属化，实现双面烧结。进行镀膜之前需要根据芯片类型尺寸设计夹具托盘，使用设计好的夹具托盘进行芯片镀膜。具体镀膜步骤如下：
(1)夹具托盘用无水乙醇进行清洗；
(2)将芯片置于芯片槽中(其中栅控型芯片(如IGBT和MOSFET)注意门极位置，不要在镀膜面积中露出)；
(3)将装好芯片的夹具托盘放入磁控溅射设备中，关闭磁控溅射设备上盖后抽真空，真空度至少为5×10-4Pa；
(4)真空度达到5×10-4Pa后进行等离子清洗，；
(5)等离子清洗完毕进行溅射镀Ti；
(6)溅射镀Ti完成后进行镀Ag，；
(7)溅射完成后关闭仪器取出夹具托盘，将芯片取出。
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明：
实例1
如图2、3所示，由于栅控型芯片(如IGBT和MOSFET)等应以栅极内部边缘为基准向内减少0.2～0.5mm，所以本实例中夹具托盘设计如下：镀膜面积长宽分别为：6.5-1.38-R1-R1-0.3mm，4.2-0.3-R2-R2-0.3mm。R1范围为0.2～0.5mm，R2范围为0.2～0.5mm。该实例中R1＝0.25mm，R2＝0.3mm。承载每个芯片小槽之间相距2mm，本实例中夹具托盘上共有43个承载芯片的小槽。
使用真空磁控溅射芯片镀膜，详细步骤如下：
(1)夹具托盘用无水乙醇进行清洗；
(2)将芯片置于芯片槽中(其中栅控型芯片(如IGBT和MOSFET)注意门极位置，不要在镀膜面积中露出)；
(3)将装好芯片的夹具托盘放入磁控溅射设备中，关闭磁控溅射设备上盖后抽真空，真空度至少为5×10-4Pa；
(4)真空度达到5×10-4Pa后进行等离子清洗，流量为14sscm，放电电压60V，灯丝电流7A，待看到刚产生放电电流(电流值很小)时即停，加速电压为200V，束流电压为500V，束流大小为13.2；设定好以上参数后，打开清洗挡板，清洗时间为1min；
(5)等离子清洗完毕进行溅射镀Ti，流量设置为24sscm，气压调整为0.1Pa，溅射功率为180W，溅射时间为10min；
(6)溅射镀Ti完成后进行镀Ag，流量设置为24sscm，气压设为0.1Pa，溅射功率为180W，溅射时间为8min；
(7)溅射完成后关闭仪器取出夹具托盘，将芯片取出。
实例2
本发明以Si基二极管芯片镀膜为例进行详细说明(芯片尺寸为9.2mm×9.2mm；绝缘层宽度为0.3mm)，本实例中镀膜面积长宽分别为：9.2-R1-R1-0.3mm，9.2-R2-R2-0.3mm。R1范围为0.2～0.5mm，R2范围为0.2～0.5mm。该实例中R1＝0.2mm，R2＝0.2mm。承载每个芯片小槽之间相距2mm。
使用真空磁控溅射芯片镀膜，详细步骤如下：
(1)夹具托盘用无水乙醇进行清洗；
(2)将芯片置于芯片槽中；
(3)将装好芯片的夹具托盘放入磁控溅射设备中，关闭磁控溅射设备上盖后抽真空，真空度至少为5×10-4Pa；
(4)真空度达到5×10-4Pa后进行等离子清洗，流量为13sscm，放电电压65V，灯丝电流7.5A，放电电流为0.05A，加速电压为180V，束流电压为500V，束流大小为13；打开清洗挡板，清洗时间为2min；
(5)等离子清洗完毕进行溅射镀Ti，流量设置为25sscm，气压调整为1Pa，溅射功率为100W，溅射时间为15min；
(6)溅射镀Ti完成后进行镀Ag，流量设置为25sscm，气压设为1Pa，溅射功率为100W，溅射时间为12min；
(7)溅射完成后关闭仪器取出夹具托盘，将芯片取出。
以上步骤完成Si基二极管芯片磁控溅射镀膜。
实例3
本发明以Si基二极管芯片镀膜为例进行详细说明(芯片尺寸为5mm×5mm；绝缘层宽度为0.3mm)。本实例中镀膜面积长宽分别为：5-R1-R1-0.3mm，5-R2-R2-0.3mm。R1范围为0.2～0.5mm，R2范围为0.2～0.5mm。该实例中R1＝0.5mm，R2＝0.5mm。承载每个芯片小槽之间相距3mm。
使用真空磁控溅射芯片镀膜，详细步骤如下：
(1)夹具托盘用无水乙醇进行清洗；
(2)将芯片置于芯片槽中；
(3)将装好芯片的夹具托盘放入磁控溅射设备中，关闭磁控溅射设备上盖后抽真空，真空度至少为5×10-4Pa；
(4)真空度达到5×10-4Pa后进行等离子清洗，清洗时间为3min，流量为12.8sscm，放电电压70V，灯丝电流8A，待看到放电电流为0.1A时即停，加速电压为100V，束流电压为500V，束流大小为12.8；打开清洗挡板，清洗时间为3min；
(5)等离子清洗完毕进行溅射镀Ti，流量设置为26sscm，气压调整为10Pa，溅射功率为150W，溅射时间为10min；
(6)溅射镀Ti完成后进行镀Ag，流量设置为26sscm，气压设为10Pa，溅射功率为150W，溅射时间为8min；
(7)溅射完成后关闭仪器取出夹具托盘，将芯片取出。
以上步骤完成Si基二极管芯片磁控溅射镀膜。
本发明公开了一种采用真空磁控溅射镀膜的方法实现功率半导体芯片双面可焊金属化。实现功率半导体芯片双面烧结最终解决功率半导体芯片的高密度封装及双面散热问题。传统芯片均为单面可焊结构，在高功率设备应用领域，即便使用高导热材料，采用单面散热的封装结构无法满足高温高功率密度应用要求。芯片正面完成可焊金属化，在实现电路连接的情况下，能实现双面烧结/焊接连接，大幅提高散热效率。为实现芯片与上、下基板进行良好的连接，需在芯片正面镀Ag，由于Al和Ag热膨胀系数相差较大，且界面连接为非共晶方式，本专利通过在其中间引入Ti或TiW中间过渡层，可有效解决这一问题。该方法实现了功率半导体芯片双面可焊金属化，为双面封装互连提供兼容表面，最终提高功率半导体芯片的散热效率和功率密度。
Claims (5)
1.一种功率半导体芯片正面铝层金属化的方法，其特征是包括如下步骤：
1)功率半导体芯片正面等离子清洗：
2)功率半导体芯片正面镀Ti：镀Ti时溅射流量为24～26sscm，气压大小设置为0.1～10Pa，功率为100～180W，时间为10～15min；
3)功率半导体芯片正面镀Ag：镀Ag时溅射流量为24～26sscm，气压大小为0.1～10Pa，功率为100～180W，时间为8～12min；
镀膜机设计夹具托盘承载多个芯片；夹具托盘上设置有数个承载芯片的小槽，能够完成多个芯片镀膜；小槽满足以下要求：
(1)待金属化芯片应锲合在所述托盘的槽中，取放芯片不应与边缘发生摩擦：Si/SiC/GaN基二极管芯片应以内部绝缘层边缘基准，长宽向内减少0.2～1mm；栅控型芯片应以栅极内部边缘为基准向内减少0.2～1mm；
(2)承载芯片小槽内的托台厚度为0.2～1mm；
(3)夹具托盘中每个小槽之间相距≥2mm，最外层小槽与夹具托盘边缘距离≥4mm。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是步骤1)中等离子清洗设定参数如下：放电电压为60～70V；灯丝电流7～8A，放电电流刚产生且电流大小小于0.1A；加速电压调至100～200V；束流电压调至500V，使束流大小为12.8～13.2；调节好以上参数后进行清洗，清洗时间为1～3min；等离子清洗时气压大小在7.5×10-2Pa。
3.如权利要求1所述的方法，其特征是所述步骤1)中等离子清洗之前磁控溅射设备需要进行抽真空，真空度不高于5.0×10-4Pa。
4.如权利要求1所述的方法，其特征是每个小槽之间相距为2～3mm；最外层小槽与夹具托盘边缘距离为4～5mm；夹具托盘厚度为2～3mm。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于采用磁控溅射镀膜机实现该方法。
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