[发明专利]一种低温连接的耐高温封装连接材料及其封装连接工艺

说明书

技术领域：

本发明属于微电子封装技术领域，涉及一种低温连接的耐高温封装连接材料及其封装连接工艺。

背景技术

发展应用于高温、高功率、高频等极端环境中的电子器件是当前电力电子技术领域发展的重点方向。SiC、GaN和AlN等是自第一代元素半导体材料(Si)和第二代化合物半导体材料(GaAs、GaP、InP)之后发展起来的第三代宽带隙(WBS)半导体材料。第一、二代传统半导体集成电路与器件无法在200℃以上的高温环境下持续工作，且输出功率低，受高频、高腐蚀等条件的影响严重。与之相比，SiC和GaN等第三代宽带隙半导体材料具有带隙宽、临界击穿电压高、热导率高、载流子饱和漂移速度大等特点，其半导体电路或器件在～500℃甚至更高温度下仍具有良好的转换特性和工作能力，能有效提高转换效率和工作温度，降低对冷却系统的要求，在航空航天、混合动力装置、高效光伏/风电系统、油气钻探、核电设备等领域300-500℃的高温电路和器件中具有重要的应用价值。然而，SiC和GaN等宽带隙半导体器件的最高允许工作温度不仅取决于半导体材料的性质，还受封装技术的限制，因此解决芯片与基板的耐高温、低成本连接技术和可靠性问题已经成为当前微电子领域迫切需要解决的问题。

针对三代高温功率芯片尤其是SiC功率芯片高温封装的需求，国内外最初的研究思路是开发高温钎料。从替代高铅钎料出发，发展了Zn-Al基、Bi-Ag基、Au-Sn基和Sn-Sb基钎料基等高温钎料。日本FUPET研究机构的Tanimoto Satoshi等人使用添加少量Ge的Zn-5Al合金成功连接了SiC功率芯片和DBC基板，但是连接温度高达415℃，而接头长期使用温度并又不能超过250℃，无法充分发挥新一代功率芯片的耐高温优势。事实上，按照这种传统思路——通过提高钎料本身的耐温能力来提高钎焊接头的耐温能力，从而解决高温功率器件封装的耐温问题是非常困难的。一般而言，传统钎焊中钎焊温度、钎料熔点和钎焊接头允许的最高服役温度之间的关系是：钎焊温度高于钎料熔点30℃-50℃，而钎料熔点又高于最高服役温度30℃-50℃，这意味着，钎焊接头的允许服役温度通常低于钎焊温度50℃-100℃。在器件封装中，高于芯片工作温度进行钎焊显然不被允许，而即便允许在芯片工作温度下进行钎焊，钎焊接头的耐温较器件允许的工作温度仍有较大差距，难以满足新一代高温功率器件的应用要求。

近年来，国内外在新一代高温功率芯片连接方面最新的思路是发展“低温连接/高温服役”连接技术，其主要目的是尽可能降低封装温度，减小封装热应力，避免封装过程对器件的热损伤，而同时又能获得尽可能高的耐热温度。为此，发展了瞬时液相烧结连接技术。其原理是采用高熔点金属和低熔点金属的混合粉末作为连接材料，连接过程中利用低熔点金属粉末熔化形成液相实现连接，同时与高熔点金属粉末固-液互扩散反应、致密化形成高熔点连接层，从而实现功率芯片的低温连接/高温服役。目前国际上开展的研究主要集中在美、日等发达国家，已经开展研究的瞬时液相烧结反应体系有Sn-Bi-Ag系、Cu-In系和Sn-Cu系。研究表明，采用Sn-Bi-Ag系进行瞬时液相烧结连接，反应层耐温能力不高于250℃，耐温能力较低。采用Cu-In系300℃下实现芯片与基板的瞬时液相烧结连接，连接后常温接头剪切强度仅为8MPa；采用Cu-Sn系280℃下实现的Cu/Cu-Sn/Cu瞬时液相烧结连接，400℃下的平均接头剪切强度也仅为14.6MPa。Cu-In系和Cu-Sn系连接接头强度偏低的主要原因是混合粉末中作为固相组分的Cu含量过高，连接层液相量所占比例太小(Cu-In系中Cu的质量比在70％以上，Cu-Sn系中Cu的质量比在60％以上)，严重影响连接界面的结合强度。一般需施加较大的焊接压力才能获得较高力学性能的接头，工艺适用性较差。因此，开发新的瞬时液相烧结反应体系，提高液相量的相对含量、降低连接温度、减小封装压力，提升接头耐温能力，对解决微电子器件耐高温封装问题具有重大意义。

发明内容

本发明的目的是针对新一代高温功率芯片尤其是SiC功率芯片的封装技术需求，解决现有高温功率芯片封装技术中连接温度过高，焊接压力过大，耐热能力不足的问题。