CN112002770B - 一种电极预置焊料的光导开关及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电极预置焊料的光导开关，包括碳化硅衬底及两个电极，两个电极设置于碳化硅衬底的第一表面和或第二表面上，电极包括依次堆叠的Ni层、TiW层、Pt层、第一Au层、第二Au层及Sn层，且Ni层位于靠近碳化硅衬底一侧，其中第二Au层和Sn层形成共晶焊料层，传统的焊料片熔化焊接方式存在着放置精度差，焊料片较厚，焊接后易形成凸起导致电荷集中，通过在电极上预置焊料膜层的方式可精准控制焊料定位，同时可有效控制焊料厚度及形状，提高光导开关的电极连接可靠性，从而提升光导开关的耐压能力及可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件封装领域，尤其涉及一种电极预置焊料的光导开关及制作方法。
背景技术
光导开关(PCSS)是一种由光控制的开关，因其具有ps量级的响应速度以及功率容量大、体积小、使用光脉冲触发而不受电磁干扰等优点，在产生高功率脉冲、超快光电控制和太赫兹源等领域有极其广泛的应用。与Si、GaAs等晶体材料相比，SiC晶体材料具有击穿场强高、禁带宽度大、饱和电子速率快和热导率高等优势，是光导开关的理想衬底材料。
要使得SiC材料在高温、高频、大功率半导体器件领域的潜力得以发挥，与外部电路的电路信号的输入、输出以及各元件间的相连必不可少，SiC金属电极直接影响器件的效率、增益和开关速度等性能指标。光导开关的电极结构包括共面电极、异面正对电极和异面非正对电极。许多的专利与论文对SiC的欧姆接触膜层进行了分析研究，在电极与SiC的界面形成欧姆接触势垒以降低接触电阻，但同时SiC电极与外电路的连接还存在的低热阻、高导电等焊接要求，目前使用的焊料或银浆等焊接方式焊料形状不可控，微小的凸点都易形成电场放大导致晶片烧损或局部大电流发热，影响开关的耐压能力及可靠性。
发明内容
本发明的目的是提供一种电极预置焊料的光导开关及制作方法，可有效解决光导开关电极焊接焊料凸点导致的电荷集中问题；利用在光导开关电极上预置焊料的方式，精准控制焊料定位以及焊料形状与厚度。
为解决上述问题，本发明的技术方案为：
一种电极预置焊料的光导开关，包括：
碳化硅衬底，包括相对的第一表面和第二表面；
两个电极，设置于所述碳化硅衬底的第一表面和或第二表面上，所述电极包括依次堆叠的Ni层、TiW层、Pt层、第一Au层、第二Au层及Sn层，且所述Ni层位于靠近所述碳化硅衬底一侧，其中所述第二Au层和所述Sn层形成共晶焊料层。
优选地，所述Sn层的外侧还包括第三Au层。
优选地，两个所述电极位于所述碳化硅衬底的第一表面的两侧；或
两个所述电极对称分布于所述碳化硅衬底的第一表面及第二表面上；或
两个所述电极错开分布于所述碳化硅衬底的第一表面及第二表面上。
基于相同的发明构思，本发明还提供了一种电极预置焊料的光导开关的制备方法，包括如下步骤：
S1：提供碳化硅晶片；
S2：加工掩膜工装，所述掩膜工装包括上下堆叠的底座及掩膜钢板，于所述底座上开设若干与所述碳化硅晶片尺寸及厚度一致的晶片放置槽，根据电极的形状于所述掩膜钢板上与所述晶片放置槽对应的位置开设电极槽；
S3：将所述碳化硅晶片放置于所述晶片放置槽内，并于所述碳化硅晶片上依次溅射Ni层及TiW层；
S4：将所述碳化硅晶片取出进行高温退火处理；
S5：将所述碳化硅晶片放置于所述晶片放置槽内，并于所述碳化硅晶片上依次溅射Pt层及第一Au层；
S6：于所述碳化硅晶片上依次电镀第二Au层及Sn层，所述第二Au层及所述Sn层的质量比为8：2；
S7：将所述碳化硅晶片取出进行退火处理，所述第二Au层及所述Sn层形成Au80Sn20共晶焊料层。
优选地，所述步骤S6进一步包括：
S61：于所述碳化硅晶片上依次电镀所述第二Au层及所述Sn层，所述第二Au层及所述Sn层的质量比为8：2；
S62：于所述Sn层上溅射第三Au层。
优选地，所述步骤S4中高温退火温度为900～1100℃，高温退火时间为0.5～5min。
优选地，所述步骤S3进一步包括：
S31：使用RCA标准工艺对所述碳化硅晶片进行清洗；
S32：对所述碳化硅晶片进行低温烘干；
S33：将所述碳化硅晶片放置于所述晶片放置槽内，并于所述碳化硅晶片上依次溅射所述Ni层及所述TiW层；
优选地，所述步骤S6进一步包括：于所述碳化硅晶片上依次采用真空冲液电镀方式电镀所述第二Au层及所述Sn层。
本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
1)本发明提供了一种电极预置焊料的光导开关，包括碳化硅衬底及两个电极，两个电极设置于碳化硅衬底的第一表面和或第二表面上，电极包括依次堆叠的Ni层、TiW层、Pt层、第一Au层、第二Au层及Sn层，且Ni层位于靠近碳化硅衬底一侧，其中第二Au层和Sn层形成共晶焊料层，传统的焊料片熔化焊接方式存在着放置精度差，焊料片较厚，焊接后易形成凸起导致电荷集中，通过在电极上预置焊料膜层的方式可精准控制焊料定位，同时可有效控制焊料厚度及形状，提高光导开关的电极连接可靠性，从而提升光导开关的耐压能力及可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种电极预置焊料的光导开关的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的同面电极结构的光导开关的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的异面非正对电极结构的光导开关的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种电极预置焊料的光导开关的制作方法的流程图；
图5、图6、图7为本发明实施例提供的一种电极预置焊料的光导开关的制作方法的步骤S2所得结构的示意图；
图8为本发明实施例提供的一种电极预置焊料的光导开关的制作方法的步骤S3所得结构的示意图；
图9为本发明实施例提供的一种电极预置焊料的光导开关的制作方法的步骤S5所得结构的示意图；
图10为本发明实施例提供的一种电极预置焊料的光导开关的制作方法的步骤S6所得结构的示意图；
附图标记说明：
1：碳化硅衬底；2：电极；21：Ni层；22：TiW层；23：Pt层；24：第一Au层；25：第二Au层；26：Sn层；27：第三Au层；3：掩膜工装；31：底座；311：晶片放置槽；312：底座螺丝孔；313：定位销钉；32：掩膜钢板；321：电极槽；322：钢板螺丝孔；323：销钉孔。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种电极预置焊料的光导开关及制作方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。
金锡共晶焊料具有屈服强度高、无需助焊剂、具有良好的浸润性、低粘滞性、高耐腐蚀性、高抗蠕变性能及良好的导热和导电性，被广泛的应用于光电器件的焊接及封装，本发明将金锡共晶焊料应用于光导开关中，提高光导开关的性能。
实施例一
参看图1所示，本实施例提供了一种电极预置焊料的光导开关，包括碳化硅衬底1和两个电极2：
碳化硅衬底1包括相对的第一表面和第二表面，在本实施例中，碳化硅衬底1为掺杂载流子的半导体碳化硅晶片；
两个电极2设置于碳化硅衬底1的第一表面和或第二表面上，电极2包括依次堆叠的Ni层21、TiW层22、Pt层23、第一Au层24、第二Au层25及Sn层26，且Ni层21位于靠近碳化硅衬底1一侧，其中第二Au层25和Sn层26的质量比为8：2，因此第二Au层25和Sn层26通过热处理后形成Au80Sn20形成共晶焊料层；
在本实施例中，参看图1至图3所示，电极2的结构分为三种情况，第一种为异面正对电极结构，双面溅射膜层，正反面使用同一块掩模板，参看图1所示，两个电极2对称分布于碳化硅衬底1的第一表面及第二表面上；第二种为同面电极结构，单面进行溅射膜层，参看图2所示，两个电极2位于碳化硅衬底1的第一表面的两侧；第三种为异面非正对电极结构，双面溅射膜层，正反面根据图形使用不同的掩模板，参看图3所示，两个电极2错开分布于碳化硅衬底1的第一表面及第二表面上，一个电极2位于碳化硅衬底1的第一表面的左侧，另一个电极2位于碳化硅衬底1的第二表面的右侧
优选地，在本实施例中，Sn层26的外侧还包括第三Au层27，第三Au层27作为保护层，可以防止Sn层26氧化。
本实施例提供了一种电极预置焊料的光导开关，包括碳化硅衬底1及两个电极2，两个电极2设置于碳化硅衬底1的第一表面和或第二表面上，电极2包括依次堆叠的Ni层21、TiW层22、Pt层23、第一Au层24、第二Au层25及Sn层26，且Ni层21位于靠近碳化硅衬底1一侧，其中第二Au层25和Sn层26形成共晶焊料层，传统的焊料片熔化焊接方式存在着放置精度差，焊料片较厚，焊接后易形成凸起导致电荷集中，通过在电极上预置焊料膜层的方式可精准控制焊料定位，同时可有效控制焊料厚度及形状，提高光导开关的电极连接可靠性，从而提升光导开关的耐压能力及可靠性。
实施例二
参看图4至图10所示，基于相同的发明构思，本发明还提供了一种电极预置焊料的光导开关的制备方法，包括如下步骤：
S1：提供碳化硅晶片1，并将碳化硅晶片1加工至所需的尺寸；
S2：加工掩膜工装3，参看图5图6、图7所示，掩膜工装3包括上下堆叠的底座31及掩膜钢板32，于底座31上开设若干与碳化硅晶片1尺寸及厚度一致的晶片放置槽311，根据电极2的形状于掩膜钢板32上与晶片放置槽311对应的位置开设电极槽321；
在本实施例中，底座31及掩膜钢板32为正方形，底座31的四个角上各开设有一个底座螺丝孔312，底座31的中间两侧各设有一个定位销钉313，掩膜钢板32的四个角上均开设有与底座螺丝孔312相匹配的钢板螺丝孔322，掩膜钢板32的中间两侧开设有与定位销钉313相匹配的销钉孔323；
掩膜工装3使用不锈钢板，通过开设多个晶片放置槽311，可同时加工多个碳化硅晶片1；
S3：将碳化硅晶片1放置于晶片放置槽311内，并于碳化硅晶片1上依次溅射Ni层21及TiW层22；
具体地，首先使用RCA标准工艺对碳化硅晶片1进行清洗，然后再将碳化硅晶片1进行低温烘干，最后，将碳化硅晶片1放置于掩膜工装3的晶片放置槽311内，并于碳化硅晶片1上依次溅射Ni层21及TiW层22；
S4：将碳化硅晶片1取出进行高温退火处理，高温退火温度为900～1100℃，高温退火时间为0.5～5min；
S5：再次将碳化硅晶片1放置于晶片放置槽311内，并于碳化硅晶片1上依次溅射Pt层23及第一Au层24；
S6：将碳化硅晶片1取出，于碳化硅晶片1上依次电镀第二Au层25及Sn层26，第二Au层25及Sn层26的质量比为8：2，在本实施例中，采用真空冲液电镀方式于碳化硅晶片1上电镀第二Au层25及Sn层26；在本实施例中，为防止Sn层26氧化，将碳化硅晶片1放置回晶片放置槽311内，于Sn层26上溅射第三Au层27；
S7：将碳化硅晶片1取出进行退火处理，第二Au层25及Sn层26形成Au80Sn20共晶焊料层。
本实施例提供了一种电极预置焊料的光导开关的制作方法，通过在电极2上预置焊料膜层的方式可精准控制焊料定位，同时可有效控制焊料厚度及形状，在本发明中，焊料膜层采用溅射的方式形成，焊料膜层的精度由光刻机确定，光刻机的精度为纳米级，较传统的焊料片焊接方式，其精度由贴片机确定，贴片机的精度为微米级，故采用本发明提供的电极预置焊料的光导开关的制作方法制得的光导开关可提高光导开关的电极连接可靠性，从而提升光导开关的耐压能力及可靠性。使用掩膜工装替换掉传统的光刻胶掩膜，解决晶片较小无法甩胶以及光刻效率低的问题。
实施例三
本实施例为实施例二的一个具体应用，本实施例提供了一种电极预置焊料的光导开关的制备方法，且本实施例以异面正对电极结构为例进行举例说明，包括如下步骤：
1、选用掺杂载流子的半导体碳化硅晶片1，将其加工至所需尺寸，本实施例将碳化硅晶片1加工至10mm×10mm×1mm，碳化硅晶片1馈入激光的侧面需抛光；
2、加工掩膜工装3，先加工底座31，在底座31上开出与晶片尺寸及厚度一致的10mm×10mm×1mm大小的晶片放置槽311，底座31上可加工多个晶片放置槽311，这样可同批次加工多个晶片，相比光刻方式效率更高；底座31周边设置有定位销钉313以及底座螺丝孔312，以提供定位和紧固；
3、加工所需电极2的掩膜钢板32，掩膜钢板32上开设有与晶片放置槽311对应的电极槽321，掩膜钢板32的周边设置有与晶片对位的销钉孔323以及紧固用钢板螺丝孔322；
4、使用RCA标准工艺对碳化硅晶片1进行清洗，并使用5％氢氟酸漂洗去除表面氧化物，然后将碳化硅晶片1放置于掩膜工装2内，露出电极图案321，提供膜层溅射窗口；
5、先采用100～200℃的低温去除碳化硅晶片1表面的水汽，然后溅射Ni层21，厚度为50～200nm，再溅射TiW膜层22，厚度为30～100nm，碳化硅晶片1双面溅射完成后取出放置于快速退火炉中进行退火处理，退火温度为900～1100℃，退火时间为0.5～5min；
6、将碳化硅晶片1放置于溅射仪中，先反溅去除掉膜层表面的氧化物，然后溅射Pt层23，厚度为100～200nm，再溅射第一Au层24，厚度为100～200nm，完成后再溅射背面完成双面电极溅射；
7、将碳化硅晶片1电极电镀第二Au层25和Sn层26，第二Au层25和Sn层26的质量比为8:2；碳化硅晶片1放置回掩膜工装3内，溅射第三Au层27，防止Sn层26氧化。
8、将电极膜层进行退火处理，形成Au80Sn20共晶焊料，退火温度为150～250℃。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。
Claims (8)
1.一种电极预置焊料的光导开关，其特征在于，包括：
碳化硅衬底，包括相对的第一表面和第二表面；
两个电极，设置于所述碳化硅衬底的第一表面和或第二表面上，所述电极包括依次堆叠的Ni层、TiW层、Pt层、第一Au层、第二Au层及Sn层，且所述Ni层位于靠近所述碳化硅衬底一侧，其中所述第二Au层和所述Sn层形成共晶焊料层。
2.根据权利要求1所述的电极预置焊料的光导开关，其特征在于，所述Sn层的外侧还包括第三Au层。
3.根据权利要求1所述的电极预置焊料的光导开关，其特征在于，两个所述电极位于所述碳化硅衬底的第一表面的两侧；或
两个所述电极对称分布于所述碳化硅衬底的第一表面及第二表面上；或
两个所述电极错开分布于所述碳化硅衬底的第一表面及第二表面上。
4.一种电极预置焊料的光导开关的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：提供碳化硅晶片；
S2：加工掩膜工装，所述掩膜工装包括上下堆叠的底座及掩膜钢板，于所述底座上开设若干与所述碳化硅晶片尺寸及厚度一致的晶片放置槽，根据电极的形状于所述掩膜钢板上与所述晶片放置槽对应的位置开设电极槽；
S3：将所述碳化硅晶片放置于所述晶片放置槽内，并于所述碳化硅晶片上依次溅射Ni层及TiW层；
S4：将所述碳化硅晶片取出进行高温退火处理；
S5：将所述碳化硅晶片放置于所述晶片放置槽内，并于所述碳化硅晶片上依次溅射Pt层及第一Au层；
S6：于所述碳化硅晶片上依次电镀第二Au层及Sn层，所述第二Au层及所述Sn层的质量比为8：2；
S7：将所述碳化硅晶片取出进行退火处理，所述第二Au层及所述Sn层形成Au80Sn20共晶焊料层。
5.根据权利要求4所述的电极预置焊料的光导开关的制备方法，其特征在于，所述步骤S6进一步包括：
S61：于所述碳化硅晶片上依次电镀所述第二Au层及所述Sn层，所述第二Au层及所述Sn层的质量比为8：2；
S62：于所述Sn层上溅射第三Au层。
6.根据权利要求4所述的电极预置焊料的光导开关的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中高温退火温度为900～1100℃，高温退火时间为0.5～5min。
7.根据权利要求4所述的电极预置焊料的光导开关的制备方法，其特征在于，所述步骤S3进一步包括：
S31：使用RCA标准工艺对所述碳化硅晶片进行清洗；
S32：对所述碳化硅晶片进行低温烘干；
S33：将所述碳化硅晶片放置于所述晶片放置槽内，并于所述碳化硅晶片上依次溅射所述Ni层及所述TiW层。
8.根据权利要求4所述的电极预置焊料的光导开关的制备方法，其特征在于，所述步骤S6进一步包括：于所述碳化硅晶片上依次采用真空冲液电镀方式电镀所述第二Au层及所述Sn层。
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