CN116705743A - 一种器件及其封装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于器件封装技术领域，具体涉及一种器件及其封装方法，本发明提供了一种器件，包括基板和芯片，所述基板和所述芯片之间通过焊层连接，所述焊层包括焊膏和金属添加物，所述金属添加物包括分散于所述焊膏内的金属颗粒或设置于基板上的金属颗粒，所述金属添加物的尺寸为1‑50μm，所述金属添加物的添加量为0.01‑5wt%，所述金属添加物的熔点高于所述焊膏的熔点。在本发明中，通过将熔点高于焊膏的金属添加物分散于焊膏内，使得芯片焊接后得到的器件的平整度提升，进而提高了芯片的可靠性。

Description

一种器件及其封装方法
技术领域
本发明属于器件封装技术领域，具体涉及一种器件及其封装方法。
背景技术
大功率电子器件广泛应用于汽车、井下油气钻井、风车、太阳能等行业，如何使得大功率电子器件具有更长的使用寿命和更高的功率密度是目前面临的主要挑战。其中，粘接材料的性能对器件的可靠性有着重要的影响，粘接材料的目的是将半导体粘接贴在衬底上，适用于电力器件的粘接材料，应具备以下性能:高导热性、高导电性、良好的抗疲劳性、芯片与基板之间的低热膨胀系数(CTE)、对芯片和基板的良好润湿性和附着力、良好的耐腐蚀性和良好的可靠性。
传统的高铅焊料是大功率电子器件中应用最广泛的粘接材料之一，对于大功率电子器件，特别是具有高电流密度和高工作温度的封装来说，获得均匀的焊料分布对于提供良好的导电性、优异的导热性和机械支撑非常重要，而在回流过程中，由于液态焊料引起的润湿力不平衡，芯片会移动和倾斜，并可能导致焊料分布不均匀，不均匀的焊点会造成非弹性应变集中在焊料较薄的一面，芯片尺寸越大，封装内的非弹性应变越高，对器件可靠性产生不利影响。此外，芯片的倾斜度较大对于后续的键合工艺也有较大的影响，例如有些车载模块会涉及到双面散热，此时芯片不平会造成封装过程中芯片破裂，或者长期可靠性不足。
一般来说，芯片的基本材料是硅或者碳化硅，芯片的重量几乎可以忽略不计。芯片背面金属化可以是Ti/Ni/Ag或Ni/Pd/Au，两者对普通钎料合金都有良好的润湿性。当焊料在回流过程中开始熔化时，熔化的焊料与芯片背面金属化之间会产生附着力，如果焊料在芯片的四个角熔化时存在时间差，则会受到不平衡的力，则会导致芯片在回流过程中移动和倾斜，而导致芯片偏移的另一个因素是回流过程中溶剂的蒸发，在各自的活化温度下，锡膏中的溶剂会蒸发并从锡膏中逸出。如果蒸发太快，气相的蒸发溶剂也会移动芯片，这两种情况会导致芯片和衬底之间的焊料厚度不均匀或芯片的倾斜度较大，不均匀的焊点会造成非弹性应变集中在焊料较薄的一面，芯片尺寸越大，封装内的非弹性应变越高，对器件可靠性产生不利影响，并且，芯片的倾斜度较大对于后续的键合工艺也有较大的影响。
现有技术方案中通常以增加保温时间以提高助焊剂的活性，降低抽真空时的抽气速率，以降低气体瞬间的逸出或者提高在焊料中加入活性剂提高其浸润能力，但是目前焊料的浸润能力，尤其是锡基焊料，浸润能力已经较好，可提升空间不大，而增加保温时间和降低抽气速率都延长了焊接时间，而且效果不明显，对锡膏的流动性没有进行限制，并没有从根本上解决问题，由此可见，而对与如何提高芯片焊接的平整性问题，目前还没有一个很好的解决办法。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术不足之处而提供一种器件及其封装方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种器件，包括基板和芯片，所述基板和所述芯片之间通过焊层连接；
所述焊层包括焊膏和金属添加物，所述金属添加物包括分散于所述焊膏内的金属颗粒或设置于基板上的金属颗粒；
所述金属添加物的尺寸为1-50μm；
所述金属添加物的添加量为0.01-5wt%；
所述金属添加物的熔点高于所述焊膏的熔点。
进一步地，所述焊膏包括锡基焊料或高铅焊料。
进一步地，所述金属添加物为包含金、银、铜或镍中的一种或多种的合金。
进一步地，设置于基板上的金属颗粒的高度和所述焊层的厚度比为1:4-1:100。
优选的，所述焊层的厚度为50-200μm。
优选的，所述焊层的厚度为80μm。
进一步地，设置于基板上的金属颗粒呈阵列分布。
进一步地，设置于基板上的金属颗粒为球形、棒形或锥形。
进一步地，设置于基板上的金属颗粒为球形时，金属颗粒的高度为1-20μm，截面直径为1-10μm，相邻球形金属颗粒之间的距离为10-500μm。
进一步地，设置于基板上的金属颗粒为棒形时，金属颗粒的高度为1-20μm，截面直径为0.1-50μm，相邻棒形金属颗粒之间的距离为5-500μm。
进一步地，设置于基板上的金属颗粒为锥形时，金属颗粒的高度为1-20μm，小直径端的截面直径为0-15μm，大直径端的截面直径为1-20μm，相邻锥形金属颗粒之间的距离为10-500μm。
进一步地，分散于所述焊膏内的金属颗粒的密度大于所述焊膏的密度。
本发明还提供了一种器件的封装方法，包括：
提供基板；
在所述基板上印刷第一焊料，得到焊层；
在所述焊层上贴装芯片，然后焊接。
进一步地，所述第一焊料包括焊膏和金属添加物。
进一步地，还包括：在所述基板上设置金属颗粒阵列。
进一步地，所述金属颗粒阵列为包含金、银、铜或镍中的一种或多种的合金。
本发明具有如下的有益效果：
本发明通过将熔点高于焊膏的金属颗粒分散于焊膏内，或者设置于基板上，并且设置于基板上的金属颗粒呈阵列分布，以降低焊膏的流动性，对焊膏的流动性进行限制，使得所制备的器件平整度更高，而且由于金属添加物具有较高的强度，可以提升器件整体的强度，进一步提高器件的可靠性；
本发明通过在焊膏中添加金属添加物，且分散于所述焊膏内的金属颗粒的密度及熔点均大于焊膏，可以使得所制备的器件焊层结合强度更高，提高了芯片焊接质量。
附图说明
图1为芯片倾斜器件结构示意图；
图2为芯片倾斜改善后器件结构示意图；
图3为在封装过程中未添加金属添加物得到的器件焊层厚度统计数据图；
图4为在封装过程中将添加量为0.5wt%铜金属颗粒分散于焊膏内得到的器件焊层厚度统计数据图；
图5为在基板上设置球形金属颗粒阵列的器件结构示意图；
图6为在基板上设置棒形金属颗粒阵列的器件结构示意图；
图7为在基板上设置锥形金属颗粒阵列的器件结构示意图。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
在本发明的一个实施例内，本发明提供的一种器件，包括基板和芯片，所述基板和所述芯片之间通过焊层连接；
所述焊层包括焊膏和金属添加物，所述金属添加物包括分散于所述焊膏内的金属颗粒和设置于基板上的金属颗粒。
在本发明的一个实施例内，本发明提供的一种器件，包括基板和芯片，所述基板和所述芯片之间通过焊层连接；
所述焊层包括焊膏和金属添加物，所述金属添加物包括分散于所述焊膏内的金属颗粒。
在本发明的一个实施例内，本发明提供的一种器件，包括基板和芯片，所述基板和所述芯片之间通过焊层连接；
所述焊层包括焊膏和金属添加物，所述金属添加物包括设置于基板上的金属颗粒。
在上述实施例内，金属添加物的尺寸为1-50μm，尺寸过小，金属颗粒之间会发生团聚并且无法限制焊膏的流动，而过大的尺寸会影响焊膏之间的结合，从而降低连接层的强度；
所述金属添加物的添加量为0.01-5wt%，添加量过少，同样无法限制焊膏的流动，添加量过多，则会影响焊膏之间的结合；
设置于基板上的金属颗粒的高度和所述焊层的厚度比为1:4-1:100；
所述分散于所述焊膏内的金属颗粒的密度大于所述焊膏的密度，在器件封装的过程中，分散于所述焊膏内的金属颗粒会发生沉降现象，使得焊层之间结合更强，进而提高焊接质量。
在本发明的一个实施例内，所使用的焊膏为锡基焊料或高铅焊料，熔点较低，为低熔点合金，以及具有良好的流动性，能够在相对较低的温度下迅速融化并形成可靠的焊点，使得焊接过程更容易，通过选用熔点较高或密度较高的金属颗粒，如包含金、银、铜或镍中的一种或多种的合金，并将其分散于焊膏内，可以降低焊膏的流动性，对焊膏的流动性进行限制，使得所制备的器件平整度更高，还可以使得所制备的器件焊层结合强度更高，提高了芯片焊接质量。
在本发明的一个实施例内，设置于基板上的金属颗粒的具体的生产方式为磁控溅射，包括以下步骤：
提供基板；
在基板上间隔设置遮挡层，然后在基板表面沉积金属层；
去除所述遮挡层，即得金属颗粒。
所述金属颗粒呈陈列分布，所述金属颗粒阵列为包含金、银、铜或镍中的一种或多种的合金；
设置于基板上的金属颗粒为球形、棒形或锥形；
设置于基板上的金属颗粒为球形时，金属颗粒的高度为1-20μm，截面直径为1-10μm，相邻球形金属颗粒之间的距离为10-500μm。
设置于基板上的金属颗粒为棒形时，金属颗粒的高度为1-20μm，截面直径为0.1-50μm，相邻棒形金属颗粒之间的距离为5-500μm。
设置于基板上的金属颗粒为锥形时，金属颗粒的高度为1-20μm，小直径端的截面直径为0-15μm，大直径端的截面直径为1-20μm，相邻锥形金属颗粒之间的距离为10-500μm。
在本发明的一个实施例内，一种器件的封装方法，包括：
提供基板；
在所述基板上印刷第一焊料，得到焊层；
在所述焊层上贴装芯片，然后焊接，其中，所述一个焊料包括焊膏和金属添加物。
在本发明的一个实施例内，一种器件的封装方法，包括：
提供基板；
在所述基板上印刷第一焊料，得到焊层；
在所述焊层上贴装芯片，然后焊接，其中，所述一个焊料包括焊膏，且所述基板上设置有金属颗粒阵列。
在本发明的一个实施例内，一种器件的封装方法，包括：
提供基板；
在所述基板上印刷第一焊料，得到焊层；
在所述焊层上贴装芯片，然后焊接，其中，所述一个焊料包括焊膏和金属添加物，且所述基板上设置有金属颗粒阵列。
在本发明的一个实施例内，如图1所示，在回流过程中，由于液态焊料引起的润湿力不平衡，芯片会移动和倾斜，导致焊料分布步均匀；
在本发明的一个实施例内，如图2所示，将金属颗粒分散于焊膏内，降低焊膏的流动性，对焊膏的流动性进行限制，使得所制备的器件平整度更高；
在本发明的一个实施例内，图3为封装过程中未添加金属添加物得到的器件焊层厚度统计数据图，在统计的80个数据中，厚度最大值为0.88μm，最小值为0.74μm，最大偏差量0.14μm，标准差为0.0359833，其中，统计的值分别为芯片左右两端的焊层厚度，总共统计40个芯片；
在本发明的一个实施例内，图4为在封装过程中将添加量为0.5wt%铜金属颗粒分散于焊膏内得到的器件焊层厚度统计数据图，在统计的80个数据中，厚度最大值为0.86μm，最小值为0.77μm，最大偏差量0.09μm，标准差为0.117393，其中，统计的值分别为芯片左右两端的焊层厚度，总共统计40个芯片，从图3-4可以看出，在封装过程中添加金属添加物得到的器件焊层的均匀度有明显改善。
实例1
在现有锡膏（贺利氏RM218）中添加0.5wt%的铜金属颗粒，铜金属颗粒的粒径为10μm，经搅拌机混合均匀后得到第一焊料，在DBC（陶瓷基板）上，第一焊料经钢网印刷后，得到长和宽为10×10mm，厚度为150μm的锡膏焊层，用AUTOTRONIK MIG399BT的贴片机将瑞萨长和宽为12×12mm的1200V 200A的IGBT芯片平整地贴装在上述焊层上，然后用诚联凯达的真空共晶炉按照锡膏（贺利氏RM218）推荐的炉温曲线进行芯片的焊接，最后得到封装好的器件。
实例2
在现有锡膏（贺利氏RM218）中添加0.01wt%的铜金属颗粒，铜金属颗粒的粒径为50μm，经搅拌机混合均匀后得到第一焊料，在DBC（陶瓷基板）上，第一焊料经钢网印刷后，得到厚度为150μm的锡膏焊层，用AUTOTRONIK MIG399BT的贴片机将瑞萨长和宽为9×9mm的1200V 100A的IGBT芯片平整地贴装在上述焊层上，然后用诚联凯达的真空共晶炉按照锡膏（贺利氏RM218）推荐的炉温曲线进行芯片的焊接，最后得到封装好的器件。
实例3
现有锡膏（贺利氏RM218）中添加5wt%的铜金属颗粒，铜金属颗粒的粒径为1μm，经搅拌机混合均匀后得到第一焊料，在DBC（陶瓷基板）上，第一焊料经钢网印刷后，得到厚度为200μm的锡膏焊层，用AUTOTRONIK MIG399BT的贴片机将瑞萨长和宽为12×12mm的1200V200A的IGBT芯片平整地贴装在上述焊层上，然后用诚联凯达的真空共晶炉按照锡膏（贺利氏RM218）推荐的炉温曲线进行芯片的焊接，最后得到封装好的器件。
实例4
在现有锡膏（晨日ES-650-4H）中添加1wt%的银金属颗粒，银金属颗粒的粒径为10μm，经搅拌机混合均匀后得到第一焊料，在DBC（陶瓷基板）上，第一焊料经钢网印刷后，得到厚度为160μm的锡膏焊层，用AUTOTRONIK MIG399BT的贴片机将菱芯长和宽为10.4×9.4mm的1200V 150A的IGBT芯片平整地贴装在上述焊层上，用诚联凯达的真空共晶炉按照锡膏（晨日ES-650-4H）推荐的炉温曲线进行芯片的焊接，最后得到封装好的器件。
实例5
如图6所示，在设置有铜棒形金属颗粒阵列分布的DBC上，其中，铜棒形金属颗粒的高度为10μm，截面直径为5μm，相邻棒形金属颗粒之间的距离为100μm，现有锡膏（晨日ES-650-4H）经钢网印刷，锡膏填充于铜棒形金属颗粒阵列分布的间隙内，得到厚度为150μm的锡膏焊层。用AUTOTRONIK MIG399BT的贴片机将菱芯长和宽为10.4×9.4mm的1200V 150A的IGBT芯片平整地贴装到上述焊层上，用诚联凯达的真空共晶炉按照锡膏（晨日ES-650-4H）推荐的炉温曲线进行芯片的焊接，最后得到封装好的器件。
实例6
在设置有镍棒形金属颗粒阵列分布的DBC上，其中，镍棒形金属颗粒的高度为20μm，截面直径为1μm，相邻棒形金属颗粒之间的距离为100μm，现有锡膏（晨日ES-650-4H）经钢网印刷，锡膏填充于镍棒形金属颗粒阵列分布的间隙内，得到厚度为180μm的锡膏焊层，用AUTOTRONIK MIG399BT的贴片机将菱芯长和宽为10.4×9.4mm的1200V 150A的IGBT芯片平整地贴装到上述焊层上，然后用诚联凯达的真空共晶炉按照锡膏（晨日ES-650-4H）推荐的炉温曲线进行芯片的焊接，最后得到封装好的器件。
实例7
如图5所示，在设置有金球形金属颗粒阵列分布的DBC上，其中，金球形金属颗粒的高度为10μm，截面直径为5μm，相邻球形金属颗粒之间的距离为200μm，现有锡膏（晨日ES-650-4H）经钢网印刷，锡膏填充于金球形金属颗粒阵列分布的间隙内，得到厚度为200μm的锡膏焊层，用AUTOTRONIK MIG399BT的贴片机将菱芯长和宽为10.4×9.4mm的1200V 150A的IGBT芯片平整地贴装到上述焊层上，然后用诚联凯达的真空共晶炉按照锡膏（晨日ES-650-4H）推荐的炉温曲线进行芯片的焊接，最后得到封装好的器件。
实例8
如图7所示，在设置有金锥形金属颗粒阵列分布的DBC上，其中，金锥形金属颗粒的高度为10μm，小直径端的截面直径为5μm，大直径端的截面直径为10μm，相邻金锥形金属颗粒之间的距离为60μm，现有锡膏（晨日ES-650-4H）经钢网印刷，锡膏填充于金锥形金属颗粒阵列分布的间隙内，得到厚度为150μm的锡膏焊层，用AUTOTRONIK MIG399BT的贴片机将菱芯长和宽为10.4×9.4mm的1200V 150A的IGBT芯片平整地贴装到上述焊层上，然后用诚联凯达的真空共晶炉按照锡膏（晨日ES-650-4H）推荐的炉温曲线进行芯片的焊接，最后得到封装好的器件。
实例9
在设置有金锥形金属颗粒阵列分布的DBC上，其中，金锥形金属颗粒的高度为15μm，小直径端的截面直径为1μm，大直径端的截面直径为20μm，相邻金锥形金属颗粒之间的距离为100μm，将添加量为3wt%的金金属颗粒分散于现有锡膏（晨日ES-650-4H）中，金金属颗粒的直径为1μm，经钢网印刷，得到厚度为200μm的锡膏焊层，用AUTOTRONIK MIG399BT的贴片机将菱芯长和宽为10.4×9.4mm的1200V 150A的IGBT芯片平整地贴装到上述焊层上，然后用诚联凯达的真空共晶炉按照锡膏（晨日ES-650-4H）推荐的炉温曲线进行芯片的焊接，最后得到封装好的器件。
实例10
在设置有银棒形金属颗粒阵列分布的DBC上，其中，银棒形金属颗粒的高度为15μm，截面直径为2μm，相邻棒形金属颗粒之间的距离为200μm，将添加量为1wt%的镍金属颗粒分散于现有锡膏（晨日ES-650-4H）中，镍金属颗粒的直径为50μm，经钢网印刷，得到厚度为120μm的锡膏焊层，用AUTOTRONIK MIG399BT的贴片机将菱芯长和宽为10.4×9.4mm的1200V150A的IGBT芯片平整地贴装到上述焊层上，然后用诚联凯达的真空共晶炉按照锡膏（晨日ES-650-4H）推荐的炉温曲线进行芯片的焊接，最后得到封装好的器件。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (14)

1.一种器件，其特征在于，包括基板和芯片，所述基板和所述芯片之间通过焊层连接；
所述焊层包括焊膏和金属添加物，所述金属添加物包括分散于所述焊膏内的金属颗粒或设置于基板上的金属颗粒；
所述金属添加物的尺寸为1-50μm；
所述金属添加物的添加量为0.01-5wt%；
所述金属添加物的熔点高于所述焊膏的熔点。
2.根据权利要求1所述的一种器件，其特征在于，所述焊膏包括锡基焊料或高铅焊料。
3.根据权利要求1所述的一种器件，其特征在于，所述金属添加物为包含金、银、铜或镍中的一种或多种的合金。
4.根据权利要求1所述的一种器件，其特征在于，设置于基板上的金属颗粒的高度和所述焊层的厚度比为1:4-1:100。
5.根据权利要求4所述的一种器件，其特征在于，设置于基板上的金属颗粒呈阵列分布。
6.根据权利要求5所述的一种器件，其特征在于，设置于基板上的金属颗粒为球形、棒形或锥形。
7.根据权利要求6所述的一种器件，其特征在于，设置于基板上的金属颗粒为球形时，金属颗粒的高度为1-20μm，截面直径为1-10μm，相邻球形金属颗粒之间的距离为10-500μm。
8.根据权利要求6所述的一种器件，其特征在于，设置于基板上的金属颗粒为棒形时，金属颗粒的高度为1-20μm，截面直径为0.1-50μm，相邻棒形金属颗粒之间的距离为5-500μm。
9.根据权利要求6所述的一种器件，其特征在于，设置于基板上的金属颗粒为锥形时，金属颗粒的高度为1-20μm，小直径端的截面直径为0-15μm，大直径端的截面直径为1-20μm，相邻锥形金属颗粒之间的距离为10-500μm。
10.根据权利要求1所述的一种器件，其特征在于，分散于所述焊膏内的金属颗粒的密度大于所述焊膏的密度。
11.一种器件的封装方法，其特征在于，包括：
提供基板；
在所述基板上印刷第一焊料，得到焊层；
在所述焊层上贴装芯片，然后焊接。
12.根据权利要求11所述的一种器件的封装方法，其特征在于，所述第一焊料包括焊膏和金属添加物。
13.根据权利要求11所述的一种器件的封装方法，其特征在于，还包括：在所述基板上设置金属颗粒阵列。
14.根据权利要求13所述的一种器件的封装方法，其特征在于，所述金属颗粒阵列为包含金、银、铜或镍中的一种或多种的合金。
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