CN112185889B - 一种表面具有微纳结构的金属焊片连接芯片的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种表面具有微纳结构的金属焊片连接芯片的方法，金属焊片的上下表面具有三维双连续纳米尺度的韧带‑通道微纳结构中间为致密层，其中金属焊片的厚度30～100μm，上下表面的微纳结构层厚度为2～10μm。将其作为连接材料，在200℃～300℃的温度下烧结连接芯片和基板，实现芯片的低温烧结连接。与常规的金属焊片相比，所发明的金属焊片因表面具有微纳结构，可以降低连接温度，又可实现高温服役；与常规的金属焊膏相比，表面具有微纳结构的金属焊片不仅可减少常规焊膏必须采用的丝网印刷工艺，而且避免了有机物的残留，而且可以实现大尺寸芯片低温互连，对提高功率芯片接头封装具有重要意义。

Description

一种表面具有微纳结构的金属焊片连接芯片的方法
技术领域
本发明涉及芯片封装技术领域，特别涉及一种表面具有微纳结构的金属焊片连接芯片的方法。
背景技术
以SiC、GaN为代表的第三代宽禁带功率半导体凭借其高温、高压、高频率等条件下的优异性能，成为全球功率半导体技术研究的前沿和新的产业竞争点，是支撑新一代新能源汽车、轨道交通、航空航天等产业创新发展和转型升级的重点核心电子元器件。要提高器件的服役温度，不仅器件本身的服役温度要提高，其封装材料所能耐受的服役温度也要相应提高，这就迫切需要研发宽禁带功率半导体相适应的高可靠性、环境友好型的耐高温连接材料。
目前耐高温的无铅焊料和连接技术有高熔点金基焊料、过渡液相扩散连接、纳米金属颗粒烧结等。作为功率芯片的连接材料，良好的导电导热性是关键的考量指标。金基焊料互连层具有良好的导热导电性和低热膨胀系数，但高成本和高连接温度限制了其规模应用。过渡液相扩散连接是利用低熔点元素(如Sn、In)或者合金形成高熔点的金属间化合物实现芯片低温连接，同时又耐高温服役，但互连层的导热导电性有待提高。纳米金属颗粒烧结技术利用纳米尺寸效应在低于服役温度下烧结互连，连接后烧结体的熔点接近块材的熔点，可实现接头耐高温服役。相对合金焊料来说，烧结银互连层具有优异的导热导电性能。然而，随着研究的深入和应用的开展，发现烧结金属互连层孔隙率高、热膨胀系数不匹配导致热应力高、焊膏有机物残留等问题严重地影响着功率器件的高温可靠性。
因此，提供一种表面具有微纳结构的金属焊片以解决现有的焊膏烧结有机物残留、难以大尺寸芯片连接和连接层开裂、焊片难以耐高温服役的问题是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种表面具有微纳结构的金属焊片连接芯片的方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种表面具有微纳结构的金属焊片连接芯片的方法，包括以下步骤：
(1)制备金属焊片，所述金属焊片为上下表面具有三维双连续纳米尺度的韧带-通道的微纳结构层、中间层为致密金属层；
(2)裁剪步骤(1)中制得的金属焊片，使其尺寸与待连接的芯片尺寸一致；
(3)将剪裁好的金属焊片对应置于待连接芯片和基板之间，形成三明治的互连结构；
(4)在大气环境中将互连结构置于炉内整体加热烧结得到低温烧结连接芯片结构。
优选的，所述步骤(1)中的金属焊片的制备方法为去合金法、化学刻蚀、化学沉积、电化学刻蚀、电化学阳极氧化、电化学沉积和激光刻蚀中的一种。
优选的，所述步骤(1)中的金属焊片的厚度30μm～100μm，所述上下表面的微纳结构层厚度均为2μm～10μm。
优选的，所述步骤(1)中的金属焊片为Ag基、Cu基的二元合金。
优选的，所述步骤(2)和步骤(3)中的待连接芯片为SiC、GaN和Si的一种。
优选的，所述步骤(3)中的基板为金属基板或陶瓷基板。
优选的，所述陶瓷基板表面具有镀层，所述镀层为Au、Ag或Cu中的一种。
优选的，所述步骤(4)中加热烧结压力为1MPa～10MPa，烧结温度为200℃～300℃，烧结时间5min～15min。
经由上述技术方案，与现有技术相比，本发明提供了一种表面具有微纳结构的金属焊片用于低温连接芯片的方法，所提供的上下表面具有微纳结构的金属焊片在应用于芯片和陶瓷基板连接时，首先省去了常规焊膏必须采用的丝网印刷工艺，缩减了芯片连接流程，提高了效率，降低了成本；其次，该焊片本身不含有任何有机物，杜绝了焊膏烧结连接后有机物的残留问题，提高了连接接头的导热性和可靠性；另外该金属焊片可实现大尺寸芯片的连接，而且同时实现了功率芯片的连接温度高温服役。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图本发明中的上下表面具有微纳结构中间为致密层的金属焊片烧结连接芯片和陶瓷基板的结构示意图；
图2是实施例1中表面具有微纳结构的金属焊片1000倍形貌扫描电子显微照片；
图3是实施例1表面具有微纳结构的金属焊片20000倍形貌扫描电子显微照片；
图4是实施例2中表面具有微纳结构的金属焊片600倍形貌扫描电子显微照片；
图5是实施例2表面具有微纳结构的金属焊片20000倍形貌扫描电子显微照片。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的技术方案提供的一种表面具有微纳结构的金属焊片连接芯片的方法，具体步骤如下：
(1)制备金属焊片，金属焊片为上下表面具有三维双连续纳米尺度的韧带-通道的微纳结构层、中间层为致密金属层；
(2)裁剪步骤(1)中制得的金属焊片，使其尺寸与待连接的芯片尺寸一致；
(3)将剪裁好的金属焊片对应置于待连接芯片和基板之间，形成三明治的互连结构；
(4)在大气环境中将互连结构置于炉内整体加热烧结得到低温烧结连接芯片结构。
其中芯片与基板可以是功率电子领域内各种适合的材料，如SiC、GaN和Si芯片，基板可以是金属基板或陶瓷基板，如DBC，DBA，Si3N4等陶瓷基板，陶瓷基板表面具有镀层，镀层可以是Au，Ag，Cu中的一种。
下面采用具体的实施例对本发明的技术方案进行进一步说明。
实施例1
首先制备上下表面具有微纳结构中间层为致密金属层的金属焊片，包括以下步骤：
步骤一：按照质量百分比4:1的比例称取银和铝两种纯金属(纯度＞99.99％)，真空感应熔炼获得结构成分均匀的银铝二元合金，并制备成厚度100μm带状；
步骤二：选择超纯水配制质量浓度为5％的盐酸腐蚀液；
步骤三：在水浴条件下，95℃腐蚀银铝二元合金3h，得到上下表面具有微纳结构的金属焊片；
将上述得到的金属焊片应用于低温烧结连接芯片和陶瓷基板，具体包括以下步骤：
步骤一：剪切表面具有微纳结构的金属焊片使其尺寸与待连接的芯片尺寸相匹配，并且将基板置于丙酮中超声清洗1min，其中芯片选择3mm×3mm的SiC芯片，芯片背面的镀层结构为Ti/Ni/Ag，基板选择DBC陶瓷基板，表面覆铜，铜表面化学镀镍金浸金；
步骤二：将剪裁好的金属焊片对应置于待连接芯片和清洗后的基板之间，形成三明治的互连结构，如附图1所示；
步骤三：在大气环境中将互连结构置于炉内整体加热烧结，烧结压力为5MPa，烧结温度初始温度为100℃预热，然后以10℃/min的升温速率升温至烧结温度250℃烧结时间10min，之后自然冷却至室温，得到低温烧结连接芯片结构。
如附图2-3所示，具有微纳结构的银铝焊片与SiC和基板形成了良好的烧结界面，样品的剪切实验表明接头的剪切平均强度达到31.4MPa。
实施例2
首先制备上下表面具有微纳结构中间层为致密金属层的金属焊片，包括以下步骤：
步骤一：按照质量百分比3:1的比例称取银和铜两种纯金属(纯度＞99.99％)，真空感应熔炼获得结构成分均匀的银铜二元合金，并制备成厚度30μm带状；
步骤二：选择超纯水配制质量浓度为3％的磷酸腐蚀液；
步骤三：在油浴条件下，75℃腐蚀银铜二元合金4h，得到上下表面具有微纳结构的金属焊片；
将上述得到的金属焊片应用于低温烧结连接芯片和陶瓷基板，具体包括以下步骤：
步骤一：剪切表面具有微纳结构的金属焊片使其尺寸与待连接的芯片尺寸相匹配，并且将基板置于丙酮中超声清洗1min，其中芯片选择3mm×3mm的SiC芯片，芯片背面的镀层结构为Ti/Ni/Ag，基板选择DBC陶瓷基板，表面覆铜，铜表面化学镀镍金浸金；
步骤二：将剪裁好的金属焊片对应置于待连接芯片和清洗后的基板之间，形成三明治的互连结构，如附图1所示；
步骤三：在大气环境中将互连结构置于炉内整体加热烧结，烧结压力为5MPa，烧结温度初始温度为100℃预热，然后以10℃/min的升温速率升温至烧结温度270℃烧结时间8min，之后自然冷却至室温，得到低温烧结连接芯片结构。
如附图4-5所示，具有微纳结构的银铜焊片与SiC和基板形成了良好的烧结界面，样品的剪切实验表明接头的剪切平均强度达到35.1MPa。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种表面具有微纳结构的金属焊片连接芯片的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备金属焊片，所述金属焊片为上下表面具有三维双连续纳米尺度的韧带-通道的微纳结构层、中间层为致密金属层；
(2)裁剪步骤(1)中制得的金属焊片，使其尺寸与待连接的芯片尺寸一致；
(3)将剪裁好的金属焊片对应置于待连接芯片和基板之间，形成三明治的互连结构；
(4)在大气环境中将互连结构置于炉内整体加热烧结得到低温烧结连接芯片结构；
所述步骤(1)中的金属焊片的制备方法为化学刻蚀、电化学刻蚀、电化学阳极氧化和激光刻蚀中的一种。
2.根据权利要求1所述的一种表面具有微纳结构的金属焊片连接芯片的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的金属焊片的厚度30μm～100μm，所述上下表面的微纳结构层厚度均为2μm～10μm。
3.根据权利要求1所述的一种表面具有微纳结构的金属焊片连接芯片的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的金属焊片为Ag基、Cu基的二元合金。
4.根据权利要求1所述的一种表面具有微纳结构的金属焊片连接芯片的方法，其特征在于，所述步骤(2)和步骤(3)中的待连接芯片为SiC、GaN和Si的一种。
5.根据权利要求1所述的一种表面具有微纳结构的金属焊片连接芯片的方法，其特征在于，所述步骤(3)中的基板为金属基板或陶瓷基板。
6.根据权利要求5 所述的一种表面具有微纳结构的金属焊片连接芯片的方法，其特征在于，所述陶瓷基板表面具有镀层，所述镀层为Au、Ag或Cu中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种表面具有微纳结构的金属焊片连接芯片的方法，其特征在于，所述步骤(4)中加热烧结压力为1MPa～10MPa，烧结温度为200℃～300℃，烧结时间5min～15min。
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