CN118098991A - 一种覆阵列式金属复合纳米线封装基板的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种覆阵列式金属复合纳米线封装基板的制备方法，属于电子制造技术领域。本发明的覆阵列式金属复合纳米线的封装基板的制备方法包括以下步骤：在陶瓷基片的一测覆盖铜箔，得到陶瓷覆铜板；取含有阵列式纳米级贯穿孔的掩模版，制备含金属层的掩模版；将所述含金属层的掩模版的含金属层的一侧与所述陶瓷覆铜板的含铜箔的一侧对准，进行热压焊接，获得覆掩模版的陶瓷基板；在所述覆掩模版的陶瓷基板上电镀阵列式金属纳米线和外部金属；进行贴膜、光刻显影和线路刻蚀。本发明通过在覆掩模版的陶瓷基板上预制阵列式金属复合纳米线来取代焊膏涂敷工艺，可实现功率器件的低成本、高可靠封装互连。
Description
技术领域
本发明涉及电子制造技术领域，特别是涉及一种覆阵列式金属复合纳米线封装基板的制备方法。
背景技术
功率半导体器件作为电力电子变换器的核心元件，是目前的研究热点。随着第三代半导体材料的兴起和发展，以碳化硅为代表的宽禁带半导体器件因其高频、高压、耐高温等优势，在航空航天、光伏、风电和新能源汽车等领域具有广阔应用前景。碳化硅器件由芯片经封装而成，封装是实现各部分元件集成、电热输运和机械保护的关键性技术。
目前，碳化硅器件封装技术仍沿用硅基器件的封装体系，但碳化硅芯片理论上可耐受600℃高温，现有芯片互连材料难以承受如此高温从而限制了碳化硅芯片的性能发挥。传统锡基无铅焊料的耐热性和导热性较差(锡熔点232℃，热导率～65W·m-1·K-1)，且长期使用后焊层会产生柯肯达尔孔洞和裂纹等缺陷，严重损害器件寿命并影响电力系统稳定性。纳米金属焊膏基于小尺寸效应，可实现低温烧结互连并形成耐高温金属块体，具有良好的导电、导热性能和力学性能，满足碳化硅器件高效散热和高可靠服役需求。然而，纳米银焊膏价格昂贵，而且碳化硅器件中包括铜板和散热器等连接过程涉及纳米银的大面积烧结工艺，更是提高了器件封装的成本。此外，纳米银在长期电热冲击下易电迁移，会引起界面孔洞聚集甚至造成开裂现象。纳米铜焊膏在价格和抗电迁移性能上比纳米银产品有优势，但是纳米铜易发生自发氧化，从而增加了制备、存储和使用过程的操作难度和防护成本。近年来，研究者通常是通过制备纳米复合焊膏或采用表面改性手段来解决纳米银和纳米铜的上述问题，但仍需进一步改进。
而且研究者在研究过程中发现，纳米焊膏长期服役可靠性还依赖于其制备工艺。将纳米焊膏印刷在基板焊盘上时，其印刷均匀性难以控制，导致预烘干后出现台阶和斜面，并在后续的压力焊接中引起应力集中致使芯片破碎，且较大的烧结压力会提高互连界面的残余应力，从而引起基板变形和开裂问题。此外，烧结过程中有机溶剂难以完全挥发，容易导致焊层存在溶剂残留，降低界面导热性能和力学可靠性。
因此，如何在不使用纳米金属焊膏的情况下设计一款碳化硅半导体的封装技术，对于半导体器件的进一步发展尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种覆阵列式金属复合纳米线封装基板的制备方法。本发明通过在覆掩模版的陶瓷基板上预制阵列式金属复合纳米线来取代焊膏涂敷工艺，该方法可极大程度的降低纳米互连材料的制备成本，避免焊膏涂敷和点胶过程带来的印刷质量问题，防止溶剂残留引入杂质的风险，从而实现功率器件的低成本、高可靠封装互连。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
本发明技术方案之一：提供一种覆阵列式金属复合纳米线的封装基板的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备覆掩模版的陶瓷基板：
在陶瓷基片的一测覆盖铜箔，得到陶瓷覆铜板；
取含有阵列式纳米级贯穿孔的掩模版，在所述掩模版的一侧依次沉积金属铜层和金属锡层，得到含金属层的掩模版；
将所述含金属层的掩模版的含金属层的一侧与所述陶瓷覆铜板的含铜箔的一侧对准，进行热压焊接，获得覆掩模版的陶瓷基板；
(2)制备覆阵列式金属复合纳米线的陶瓷基板：
使用法1或者法2在所述覆掩模版的陶瓷基板上电镀阵列式金属纳米线和外部金属，得到覆阵列式金属复合纳米线的陶瓷基板；
所述法1包括以下步骤：将所述覆掩模版的陶瓷基板置于电解液中，通过电化学沉积在掩模版的纳米级贯穿孔中电镀阵列式金属纳米线，获得覆阵列式金属纳米线的陶瓷基板；
将所述覆阵列式金属纳米线的陶瓷基板置于电解液中，通过电化学沉积过程在阵列式金属纳米线层表面电镀外部金属，随后去除掩模版，获得覆阵列式金属复合纳米线的陶瓷基板；
所述法2包括以下步骤：将所述覆掩模版的陶瓷基板置于电解液中，通过电化学沉积在掩模版的纳米级贯穿孔中电镀阵列式金属纳米线，随后去除掩模版，获得覆阵列式金属纳米线的陶瓷基板；
将所述覆阵列式金属纳米线的陶瓷基板置于电解液中，通过电化学沉积过程在阵列式金属纳米线层表面电镀外部金属，获得覆阵列式金属复合纳米线的陶瓷基板；
(3)通过贴膜、光刻显影和线路刻蚀工艺在所述覆阵列式金属复合纳米线的陶瓷基板上的阵列式金属复合纳米线层和铜箔上形成图形，最终得到覆阵列式金属复合纳米线的封装基板。
优选地，所述陶瓷基片的材质为氧化铝、氮化铝、氮化硅、碳化硅和氧化锆中的一种或多种。
优选地，所述覆盖铜箔的方式为磁控溅射、高温烧结金属浆料、高温共晶烧结、活性焊料焊接或电镀。
优选地，所述去除掩模版的方法为溶剂腐蚀，所述溶剂为盐酸、硫酸、硝酸和甲酸中的一种或多种。
优选地，所述陶瓷基片的厚度为0.25～1mm；所述铜箔的厚度为0.1～1mm。
优选地，所述含有阵列式纳米级贯穿孔的掩模版的材质为氧化铝，厚度为20～200μm，所述阵列式纳米级贯穿孔的穿孔形状为圆形，直径为20～300nm，贯穿孔密度为50～85％。
优选地，所述金属铜层和金属锡层的沉积方法为真空镀膜，沉积层厚度为1～5μm，金属铜层和金属锡层的厚度比为3:2。
优选地，所述热压焊接的工艺温度为250℃，压力为＜5MPa。
通过此热压焊接工艺，可实现金属锡层与上下表面铜层的扩散焊接(铜锡焊层)。
优选地，所述阵列式金属纳米线的材质为熔点≥500℃的高熔点金属。
更优选地，所述高熔点金属为铜、银和金中的一种或多种。
优选地，所述外部金属的材质为熔点150～300℃的低熔点金属。
更优选地，所述低熔点金属为锡或铟。
本发明限定了其外部金属为低熔点金属，分布在阵列式金属纳米线顶部或包覆在阵列式金属纳米线表面。
本发明技术方案之二：提供一种根据上述制备方法得到的覆阵列式金属复合纳米线的封装基板。
本发明技术方案之三：提供一种上述覆阵列式金属复合纳米线的封装基板在与碳化硅芯片封装互连中的应用，其特征在于，所述封装互连在200～300的温度下进行。
本发明的有益技术效果如下：
本发明通过直接在覆掩模版的陶瓷基板上预制阵列式金属复合纳米线作为互连材料，可实现基板和碳化硅芯片的无压互连，且互连后生成高熔点合金，能满足碳化硅芯片高温使用需求。该方法可极大程度降低纳米互连材料的制备成本，避免焊膏涂敷和点胶过程带来的印刷质量问题，防止溶剂残留引入杂质的风险，从而实现功率器件的低成本、高品质封装互连。
本发明针对现有纳米银焊膏成本高、纳米铜易氧化及焊膏印刷工艺难控制带来的涂敷质量差、有机溶剂残留和热应力较大的问题，提出了一种覆阵列式金属复合纳米线的封装基板的制备方法，采用预制阵列式金属复合纳米线来取代纳米焊膏互连材料，该互连方案可免去焊膏印刷过程，避免涂敷质量不佳引起的可靠性缺陷，同时阵列式金属复合纳米线材料与现有纳米金属焊膏相比，制备工艺简单、成本大幅下降，能够满足功率器件低成本、高可靠的封装应用需求。
本发明通过制备内部高熔点金属纳米线和外部低熔点金属的复合纳米线结构，可在互连过程中通过固液扩散反应生成高熔点合金，从而满足碳化硅芯片高温服役的使用需求。
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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例2中覆阵列式金属复合纳米线的封装基板的制备示意图。
图2为实施例2中覆阵列式金属复合纳米线的封装基板的工艺流程图。
图3为实施例1中覆阵列式金属复合纳米线的封装基板的结构示意图。
图4为实施例2中覆阵列式金属复合纳米线的封装基板的结构示意图。
图5为实施例2产物无压互连前后的阵列式金属复合纳米线的XRD图谱。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：10为陶瓷基片，11为铜箔，12为氧化铝掩模版，13为金属铜层，14为金属锡层，15为铜锡焊层，16为金属纳米线，17为外部金属，18为光刻胶，19为银纳米线，20为顶部锡层，21为铜纳米线，22为外部锡层。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。
另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值，以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。
关于本发明中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明以下各实施例及对比例中所用各原料均为市售产品。
实施例1
覆阵列式金属复合纳米线的封装基板的制备：
S1在厚度为0.5mm的氧化铝陶瓷基片上通过活性焊料焊接0.2mm厚的铜箔，得到陶瓷覆铜板；
S2取厚度为40μm的含有阵列式纳米级贯穿孔的氧化铝掩模版，其孔径为40nm，贯穿孔密度为70％，采用磁控溅射的方法在掩模版的一侧依次沉积3μm厚的金属铜层和2μm厚的金属锡层，得到含金属层的掩模版；
将含金属层的掩模版的含金属层的一侧与陶瓷覆铜板的含铜箔的一侧对准，并放置在真空炉中进行热压焊接，温度为250℃，压力为1MPa，时间为30min，获得覆掩模版的陶瓷基板；
S4将覆掩模版的陶瓷基板置于电解液1(成分为硫代硫酸钠、硫酸银、硫氰酸钾和柠檬酸氢二铵)中，通过电化学沉积(条件为电流密度0.2A/dm2，时间3min)过程在掩模版中的纳米级贯穿孔中电镀阵列式银纳米线，获得覆阵列式银纳米线的陶瓷基板；
S5将所得覆阵列式银纳米线的陶瓷基板置于电解液2(成分为硫酸、硫酸亚锡和明胶)中，通过电化学沉积(条件为0.1A/dm2，时间1min)过程在阵列式银纳米线的顶部电镀金属锡层，随后采用盐酸试剂去除掩模版，获得覆阵列式银-锡复合纳米线的陶瓷基板；
S6依照现有文献《Low-Temperature Fabrication ofThree-DimensionalCeramic Substrate by Molding InorganicAluminosilicate Paste》的记载进行贴膜、光刻显影和线路刻蚀，在所得覆阵列式银-锡复合纳米线的陶瓷基板上的阵列式银-锡复合纳米线层和铜箔上形成图形，最终得到覆阵列式金属复合纳米线的封装基板。
图3为实施例1中覆阵列式金属复合纳米线的封装基板的结构示意图。
实施例2
覆阵列式金属复合纳米线的封装基板的制备：
S1在厚度为0.5mm的氮化铝陶瓷基片上通过高温共晶烧结制作0.1mm厚的铜箔，得到陶瓷覆铜板；
S2取厚度为100μm的含有阵列式纳米级贯穿孔的氮化铝掩模版，其孔径为200nm，贯穿孔密度为80％，采用磁控溅射的方法在掩模版的一侧依次沉积2.4μm厚的金属铜层和1.6μm厚的金属锡层，得到含金属层的掩模版；
将含金属层的掩模版的含金属层的一侧与陶瓷覆铜板的含铜箔的一侧对准，并放置在真空炉中进行热压焊接，温度为250℃，压力为0.5MPa，时间为20min，获得覆掩模版的陶瓷基板；
S4将覆掩模版的陶瓷基板置于电解液1(成分为五水硫酸铜、硫酸、聚乙二醇8000和3-巯基-1-丙烷磺酸钠)中，通过电化学沉积(条件为0.4A/dm2，时间2min)过程在掩模版中的纳米级贯穿孔中电镀阵列式铜纳米线，随后采用硫酸试剂去除掩模版，获得覆阵列式铜纳米线的陶瓷基板；
S5将所得覆阵列式铜纳米线的陶瓷基板置于电解液2(成分为硫酸、硫酸亚锡和明胶)中，通过电化学沉积(条件为0.05A/dm2，时间1min)过程在阵列式铜纳米线的顶部电镀金属锡层，获得覆阵列式铜-锡复合纳米线的陶瓷基板；
S6依照现有文献《Low-Temperature Fabrication ofThree-DimensionalCeramic Substrate by Molding InorganicAluminosilicate Paste》的记载进行贴膜、光刻显影和线路刻蚀，在所得覆阵列式银-锡复合纳米线的陶瓷基板上的阵列式银-锡复合纳米线层和铜箔上形成图形，最终得到覆阵列式金属复合纳米线的封装基板。
图1为实施例2中覆阵列式金属复合纳米线的封装基板的制备示意图。
图2为实施例2中覆阵列式金属复合纳米线的封装基板的工艺流程图。
图4为实施例2中覆阵列式金属复合纳米线的封装基板的结构示意图。
效果验证
(1)将实施例2制得的封装基板与碳化硅芯片进行无压互连，具体工艺为：将碳化硅芯片在封装基板的复合纳米线上方对准放置，并整体置于回流炉中进行封装互连，互连温度为280℃，时间为30min，完成无压互连。测试结果如图5所示。
图5为实施例2产物无压互连前后的阵列式金属复合纳米线的XRD图谱。其中，回流前代表的是无压互连前的阵列式金属复合纳米线，回流后代表的是无压互连后的阵列式金属复合纳米线。从图中可以看到，回流前的纳米线主要由铜元素和锡元素组成，而回流后金属锡完全消耗，并与纳米铜线反应生成铜锡化合物(Cu3Sn)，其熔点为676℃，可满足碳化硅芯片的高温使用需求。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种覆阵列式金属复合纳米线的封装基板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备覆掩模版的陶瓷基板：
在陶瓷基片的一测覆盖铜箔，得到陶瓷覆铜板；
取含有阵列式纳米级贯穿孔的掩模版，在所述掩模版的一侧依次沉积金属铜层和金属锡层，得到含金属层的掩模版；
将所述含金属层的掩模版的含金属层的一侧与所述陶瓷覆铜板的含铜箔的一侧对准，进行热压焊接，获得覆掩模版的陶瓷基板；
(2)制备覆阵列式金属复合纳米线的陶瓷基板：
使用法1或者法2在所述覆掩模版的陶瓷基板上电镀阵列式金属纳米线和外部金属，得到覆阵列式金属复合纳米线的陶瓷基板；
所述法1包括以下步骤：将所述覆掩模版的陶瓷基板置于电解液中，通过电化学沉积在掩模版的纳米级贯穿孔中电镀阵列式金属纳米线，获得覆阵列式金属纳米线的陶瓷基板；
将所述覆阵列式金属纳米线的陶瓷基板置于电解液中，通过电化学沉积过程在阵列式金属纳米线层表面电镀外部金属，随后去除掩模版，获得覆阵列式金属复合纳米线的陶瓷基板；
所述法2包括以下步骤：将所述覆掩模版的陶瓷基板置于电解液中，通过电化学沉积在掩模版的纳米级贯穿孔中电镀阵列式金属纳米线，随后去除掩模版，获得覆阵列式金属纳米线的陶瓷基板；
将所述覆阵列式金属纳米线的陶瓷基板置于电解液中，通过电化学沉积过程在阵列式金属纳米线层表面电镀外部金属，获得覆阵列式金属复合纳米线的陶瓷基板；
(3)通过贴膜、光刻显影和线路刻蚀工艺在所述覆阵列式金属复合纳米线的陶瓷基板上的阵列式金属复合纳米线层和铜箔上形成图形，最终得到覆阵列式金属复合纳米线的封装基板。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述陶瓷基片的厚度为0.25～1mm；所述铜箔的厚度为0.1～1mm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述含有阵列式纳米级贯穿孔的掩模版的材质为氧化铝，厚度为20～200μm，所述阵列式纳米级贯穿孔的穿孔形状为圆形，直径为20～300nm，贯穿孔密度为50～85％。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属铜层和金属锡层的沉积方法为真空镀膜，沉积层厚度为1～5μm，金属铜层和金属锡层的厚度比为3:2。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述热压焊接的工艺温度为250℃，压力为＜5MPa。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述阵列式金属纳米线的材质为熔点≥500℃的高熔点金属。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述外部金属的材质为熔点150～300℃的低熔点金属。
8.一种根据权利要求1-7任一项所述制备方法得到的覆阵列式金属复合纳米线的封装基板。
9.一种权利要求8所述的覆阵列式金属复合纳米线的封装基板在与碳化硅芯片封装互连中的应用，其特征在于，所述封装互连在200～300的温度下进行。
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