CN115954286B - 一种无引线的全铜互连封装结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无引线的全铜互连封装结构及其制备方法；制备步骤为：在基板的特定位置上覆设含微纳米金属颗粒的膏体，形成贴片层；在贴片层上贴装芯片，采用烧结工艺，实现芯片与基板互连；在基板上制备围设芯片和贴片层外围的绝缘层；在芯片和绝缘层上端面、绝缘层的外围以及与绝缘层相邻的基板特定区域连续覆设含微纳米金属颗粒的膏体，采用烧结工艺对覆设的含微纳米金属颗粒的膏体进行烧结，形成与芯片和基板互连的互连层；通过无引线的全铜互连封装结构制备方法的提出以解决现有采用引线为铜线，铜线的线材硬度较大，键合时所需的键合压力较大导致芯片报废以及引线的安装弧度高，制备的器件的体积较大的技术问题。

Description

一种无引线的全铜互连封装结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及芯片封装结构技术领域，尤其是涉及一种无引线的全铜互连封装结构及其制备方法。

背景技术

半导体芯片的主要应用是将输入的直流或交流电能转化为所需电能形式并输出的技术，作为能量转换的重要部件，需要一个适宜的、无干扰的环境。因此，需要涉及合理的封装的结构来确保导体芯片的电源、信号分配、良好的散热通道以及可靠的机械支撑和环境保护。

芯片的电源、信号分配主要是通过引线键合工艺实现，也成称为打线工艺(Wi reBonding),是指在半导体器件封装和集成电路时，将芯片的电源、信号的输入/输出电极引出至导电基板或引线框架，实现电气连接。目前，随着电力电子技术在新能源汽车、高铁、通信等领域的发展，使得芯片向更高的功率密度、开关频率以及芯片体积减小的方向发展，这对封装技术提出了更高的要求。

对于芯片与基板的连接，金属铜具有较高的导电、导热以及良好的机械性能等优势，且相对于金、银等芯片互连材料，铜资源丰富，成本较低。因此，目前根据“尺寸效应”，通过微纳米铜进行芯片地位烧结互连被认为最优前景的芯片互连技术。对于芯片与引线框架间的连接，键合引线的过流能力是至关重要的，而采用铝线键合时，其过流能力相对较弱，会存在由于因过流而导致键合线熔断等风险。键合铜线相对于铝线而言，铜线导电能力强、硬度高，是一种理想的芯片键合材料。

然而，目前由于功率芯片表面一般采用镀铝层处理，因此，目前仍普遍采用铝线实现键合。由于铝线的线材硬度较大，键合时所需的键合压力较大，在芯片表面直接进行铜线键合时极易造成芯片的损坏而导致芯片报废以及引线的安装弧度高，由此制备的器件的体积较大。

因此，针对上述问题本发明急需提供一种无引线的全铜互连封装结构及其制备方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无引线的全铜互连封装结构及其制备方法，通过无引线的全铜互连封装结构制备方法的提出以解决现有采用引线为铜线，铜线的线材硬度较大，键合时所需的键合压力较大导致芯片报废以及引线的安装弧度高，制备的器件的体积较大的技术问题。

本发明提供的一种无引线的全铜互连封装结构制备方法，制备步骤为：

在基板的特定位置上覆设含微纳米金属颗粒的膏体，形成贴片层；

在贴片层上贴装芯片，采用烧结工艺，实现芯片与基板互连；

在基板上制备围设芯片和贴片层外围的绝缘层；

在芯片和绝缘层上端面、绝缘层的外围以及与绝缘层相邻的基板特定区域连续覆设含微纳米金属颗粒的膏体，采用烧结工艺对覆设的含微纳米金属颗粒的膏体进行烧结，形成与芯片和基板互连的互连层。

优选地，含微纳米金属颗粒的膏体为微纳米金属颗粒和有机载体混合物；有机载体包括树脂、醇类溶剂、分散剂和表面活性剂。

优选地，醇类溶剂为萜品醇、乙二醇、异丙醇、一缩二丙二醇或正丁醇中的至少一种。

优选地，微纳米金属颗粒的粒径D为1nm≤D≤100μm。

优选地，微纳米金属颗粒为铜、金、钯、银、铝、银钯合金、金钯合金、铜银合金、铜铟合金、铜银镍合金、铜银锡合金、铜银钛合金或铜铝合金、银包铜、锡包铜、有机物包覆铜或有机物包覆银颗粒中的至少一种。

优选地，微纳米金属颗粒为铜、铜银合金或银颗粒中的至少一种

优选地，微纳米金属颗粒为球形、类球形、片形、树枝形、线形、三角形或不规则形状中的至少一种。

优选地，含微纳米金属颗粒的膏体覆设在基板或芯片的方式包括丝网印刷、钢网印刷、涂覆、点胶或喷涂中的至少一种。

优选地，烧结工艺包括预烧结和正式烧结；

预烧结过程在真空或非真空状态下进行，温度为100-150℃，保温时间为30s-90min；非真空状态下，气体包括空气、氮气、氢氩混合气或甲酸气氛中的至少一种；正式烧结过程在真空或非真空状态下进行，温度为200℃-300℃，保温时间为30s-30mi n，辅助压力0MPa-30MPa；非真空状态下，气体包括空气、氮气、氩气、氢氩混合气或甲酸中的至少一种。

优选地，基板包括纯铜基板、直接覆铜陶瓷基板DBC、活性金属钎焊覆铜基板AMB、铜引线引线框架材料或绝缘金属基板中的一种。

优选地，绝缘层材质包括半固化片、环氧板(FR4材料)、BT树脂基材料或环氧树脂模封料(EMC材料)中的一种。

本发明还提供了一种基于如上述中任一所述的无引线的全铜互连封装结构制备方法的制备方法获得的芯片封装结构，包括基板，所述基板上设有贴片层，所述贴片层上设有芯片，基板上还设有将所述芯片和贴片层围设的绝缘层，芯片和绝缘层上方、绝缘层的外围以及紧靠绝缘层的基板特定区域设有连续的互连层；

其中，所述贴片层和所述互连层材质均为含微纳米金属颗粒的膏体。

本发明提供的一种无引线的全铜互连封装结构及其制备方法与现有技术相比具有以下进步：

1、本发明提供的无引线的全铜互连封装结构制备方法，通过含微纳米金属颗粒的膏体的烧结，实现芯片下端面和上端面与基板的互连，互连层的设置，替代了传统的引线键合，同时，无引线的互连结构，由于采用的含微纳米金属颗粒的膏体作为互连层，具有高的导热率、电导率，降低功耗；含微纳米金属颗粒的膏体烧结形成的“铜箔/铜带”，具有高的过流能力，提高产品的可靠性。

2、通过无引线的全铜互连封装结构制备方法，解决了现有的引线为铜线，铜线的线材硬度较大，键合时所需的键合压力较大导致芯片报废的问题。

3、发明提供的无引线的全铜互连封装结构制备方法，互连层替代传统的引线键合，不会存在引线安装方式的“线弧高度”，减小封装尺寸，可以缩小获得器件的尺寸。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述基板上设置贴片层的结构示意图；

图2为本发明所述贴片层上设置芯片的结构示意图；

图3为本发明所述基板上设置绝缘层的结构示意图；

图4为本发明所述芯片、绝缘层和基板上设置连续的互连层的结构示意图；

附图标记说明：

101、基板；102、贴片层；103、芯片；104、绝缘层；105、互连层。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1、图2、图3、图4所示，本实施例提供了一种无引线的全铜互连封装结构制备方法，制备步骤为：

S1)在基板101的特定位置上覆设含微纳米金属颗粒的膏体，形成贴片层102；

S2)在贴片层102上贴装芯片103，采用烧结工艺，实现芯片103与基板101互连；

S3)在基板101上制备围设芯片103和贴片层102外围的绝缘层104；

S4)在芯片103和绝缘层104上端面、绝缘层104的外围以及与绝缘层104相邻的基板101特定区域连续覆设含微纳米金属颗粒的膏体，采用烧结工艺对覆设的含微纳米金属颗粒的膏体进行烧结，形成与芯片103和基板101互连的互连层。

本发明通过无引线的互连封装结构制备方法的提出，通过含微纳米金属颗粒的膏体的烧结，实现芯片下端面和上端面与基板的互连，互连层的设置，替代了传统的引线键合，同时，无引线的互连结构，由于采用的含微纳米金属颗粒的膏体作为互连层，具有高的导热率、电导率，降低功耗；含微纳米金属颗粒的膏体烧结形成的“铜箔/铜带”，具有高的过流能力，提高产品的可靠性；再有，互连层替代传统的引线键合，不会存在引线安装方式的“线弧高度”，减小封装尺寸，可以缩小获得器件的尺寸。

本发明通过无引线的全铜互连封装结构制备方法，解决了现有的引线为铜线，铜线的线材硬度较大，键合时所需的键合压力较大导致芯片报废的问题。

本发明的含微纳米金属颗粒的膏体为微纳米金属颗粒和有机载体混合物；有机载体包括树脂、醇类溶剂、分散剂和表面活性剂。

具体地，醇类溶剂为萜品醇、乙二醇、异丙醇、一缩二丙二醇或正丁醇中的至少一种；树脂为乙基纤维素、甲基纤维素或环氧树脂中的至少一种；表面活性剂为柠檬酸或异丙醇中的至少一种；分散剂为阿拉伯胶。

在一些实施例中，有机载体具体包括溶剂(萜品醇15％、乙二醇3％，异丙醇1％和一缩二丙二醇2％)，树脂(甲基纤维素1.5％)，表面活性剂(柠檬酸0.3％和异丙醇0.2％)、分散剂(阿拉伯胶0.5％)(上述各百分含量为质量含量，且为占膏状材料的总质量的百分含量)。在一些实施例中，有机载体具体包括溶剂(萜品醇15％、乙二醇3％，异丙醇1％，一缩二丙二醇1％，正丁醇1％)，树脂(乙基纤维素1.5％)，表面活性剂(柠檬酸0.5％)、分散剂(阿拉伯胶0.5％)(上述各百分含量为质量含量，且为占膏状材料的总质量的百分含量)。

本发明的微纳米金属颗粒的粒径D为1nm≤D≤100μm；可以根据需要进行一定范围的选择。

本发明的微纳米金属颗粒为铜、金、钯、银、铝、银钯合金、金钯合金、铜银合金、铜铟合金、铜银镍合金、铜银锡合金、铜银钛合金或铜铝合金、银包铜、锡包铜、有机物包覆铜或有机物包覆银颗粒中的至少一种。

本发明进一步优选的微纳米金属颗粒为铜、铜银合金或银颗粒中的至少一种。

再进一步的，本发明优选微纳米金属颗粒为铜。

本发明的微纳米金属颗粒为球形、类球形、片形、树枝形、线形、三角形或不规则形状中的至少一种。

进一步地，本发明优选的微纳米金属颗粒为球形。

本发明含微纳米金属颗粒的膏体覆设在基板或芯片的方式包括丝网印刷、钢网印刷、涂覆、点胶或喷涂中的至少一种。

在一些事实例中，优选的覆设方式为丝网印刷。

本发明的烧结工艺包括预烧结和正式烧结；

预烧结过程在真空或非真空状态下进行，温度为100-150℃，保温时间为30s-90min；非真空状态下，气体包括空气、氮气、氢氩混合气或甲酸气氛中的至少一种；正式烧结过程在真空或非真空状态下进行，温度为200℃-300℃，保温时间为30s-30mi n，辅助压力0MPa-30MPa；非真空状态下，气体包括空气、氮气、氩气、氢氩混合气或甲酸中的至少一种。

在一些实施例中，预烧结过程在真空下进行，温度为120℃，保温时间为80mi n；正式烧结过程在真空下进行，温度为250℃，保温时间为20mi n，辅助压力15MPa。

在一些实施例中，预烧结过程在非真空状态下进行，温度为120℃，保温时间为80mi n，非真空状态下，气体包括空气、氮气、氢氩混合气或甲酸气氛中的至少一种；正式烧结过程在非真空状态下进行，温度为250℃，保温时间为20mi n，辅助压力15MPa，非真空状态下，气体包括空气、氮气、氩气、氢氩混合气或甲酸中的至少一种。

本发明的基板包括纯铜基板、直接覆铜陶瓷基板DBC、活性金属钎焊覆铜基板AMB、铜引线引线框架材料或绝缘金属基板中的一种。

本发明的绝缘层材质包括半固化片、环氧板(FR4材料)、BT树脂基材料或环氧树脂模封料(EMC材料)中的一种。

如图4所示，本发明还提供了一种基于如上述中任一所述的无引线的全铜互连封装结构制备方法的制备方法获得的芯片封装结构，包括基板101，所述基板101上设有贴片层102，所述贴片层102上设有芯片103，基板101上还设有将所述芯片103和贴片层102围设的绝缘层104，芯片103和绝缘层104上方、绝缘层104的外围以及紧靠绝缘层的基板特定区域设有连续的互连层105；

其中，所述贴片层102和所述互连层105材质均为含微纳米金属颗粒的膏体。

本发明的芯片为功率芯片，例如，芯片以硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、氮化镓(GaN)、碳化硅(Si C)、硒化锌(ZnSe)为原材料制备的不可控器件芯片功率整流二极管、肖特基二极管(SBD)、快速恢复二极管(FRD)和半控型器件芯片晶闸管(SCR)、双向晶闸管(TRIAC)；再例如全控型器件芯片，为绝缘栅双晶体管(I GBT)、功率场效应晶体管(MOSFET)、门极可关断晶闸管(GTO)、功率晶体管(GTR)或双极结型晶体管(BJT)。

本发明的无引线的全铜互连封装结构，在于整体的制备过程，针对基板、贴片层、芯片和互连层，可以根据具体的需要，在上述范围内进行选择，不局限于一种特定的材料的选择。

本发明是创新之处在于含金属纳米微纳米金属颗粒的膏体在覆设后，进行烧结，为芯片提供高强度连接、高导电和导热通路，可作为线路层为有源和无源器件互连；同时，贴片层和键合层均采用含金属纳米微纳米金属颗粒的膏体膨胀系数也相同，使得封装结构具有更加的稳定性。

再有，通过在芯片下面使用烧结铜材料、铜基板，同时在芯片上表面使用烧结铜材料，“全铜互连”设计，可以降低封装结构中的热膨胀系数失配程度，从而减小在芯片工作过程中的热胀冷缩和热应力，最终提升整体封装结构的可靠性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种无引线的全铜互连封装结构制备方法，其特征在于：制备步骤为：

在基板的特定位置上覆设含微纳米金属颗粒的膏体，形成贴片层；

在贴片层上贴装芯片，采用烧结工艺，实现芯片与基板互连；

在基板上制备围设芯片和贴片层外围的绝缘层；

在芯片和绝缘层上端面、绝缘层的外围以及与绝缘层相邻的基板特定区域连续覆设含微纳米金属颗粒的膏体，采用烧结工艺对覆设的含微纳米金属颗粒的膏体进行烧结，形成与芯片和基板互连的互连层。

2.根据权利要求1所述的无引线的全铜互连封装结构制备方法，其特征在于：

含微纳米金属颗粒的膏体为微纳米金属颗粒和有机载体混合物；有机载体包括树脂、醇类溶剂、分散剂和表面活性剂。

3.根据权利要求1所述的无引线的全铜互连封装结构制备方法，其特征在于：醇类溶剂为萜品醇、乙二醇、异丙醇、一缩二丙二醇或正丁醇中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的无引线的全铜互连封装结构制备方法，其特征在于：微纳米金属颗粒的粒径D为1nm≤D≤100μm。

5.根据权利要求1所述的无引线的全铜互连封装结构制备方法，其特征在于：微纳米金属颗粒为铜、金、钯、银、铝、银钯合金、金钯合金、铜银合金、铜铟合金、铜银镍合金、铜银锡合金、铜银钛合金或铜铝合金、银包铜、锡包铜、有机物包覆铜或有机物包覆银颗粒中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的无引线的全铜互连封装结构制备方法，其特征在于：微纳米金属颗粒为铜、铜银合金或银颗粒中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的无引线的全铜互连封装结构制备方法，其特征在于：微纳米金属颗粒为球形、类球形、片形、树枝形、线形、三角形或不规则形状中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的无引线的全铜互连封装结构制备方法，其特征在于：含微纳米金属颗粒的膏体覆设在基板或芯片的方式包括丝网印刷、钢网印刷、涂覆、点胶或喷涂中的至少一种。

9.根据权利要求1所述的无引线的全铜互连封装结构制备方法，其特征在于：烧结工艺包括预烧结和正式烧结；

预烧结过程在真空或非真空状态下进行，温度为100-150℃，保温时间为30s-90min；非真空状态下，气体包括空气、氮气、氢氩混合气或甲酸气氛中的至少一种；

正式烧结过程在真空或非真空状态下进行，温度为200℃-300℃，保温时间为30s-30min，辅助压力0MPa-30MPa；非真空状态下，气体包括空气、氮气、氩气、氢氩混合气或甲酸中的至少一种；

基板包括纯铜基板、直接覆铜陶瓷基板DBC、活性金属钎焊覆铜基板AMB、铜引线引线框架材料或绝缘金属基板中的一种；

绝缘层材质包括半固化片、环氧板（FR4材料）、BT树脂基材料或环氧树脂模封料（EMC材料）中的一种。

10.一种基于如权利要求1-9中任一所述的无引线的全铜互连封装结构制备方法的制备方法获得的芯片封装结构，其特征在于：包括基板，所述基板上设有贴片层，所述贴片层上设有芯片，基板上还设有将所述芯片和贴片层围设的绝缘层，芯片和绝缘层上方、绝缘层的外围以及紧靠绝缘层的基板特定区域设有连续的互连层；

其中，所述贴片层和所述互连层材质均为含微纳米金属颗粒的膏体。