[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

一种低温连接的耐高温封装连接材料及其封装连接工艺，属于微电子封装技术领域。连接材料由锡粉末和镍粉末均匀混合组成，锡粉含量原子百分比为36.7～57％，余量为镍粉；锡粉平均粒径5～30μm，镍粉平均粒径5～20μm；混合粉末与有机溶剂搅拌、混合成均匀糊状或膏状。本发明工艺是先将基板超生波振荡清洗，取出后冷风吹干；然后用丝网将连接材料印刷于基板焊接面上，将芯片与连接材料对齐、组装成芯片/连接材料/基板连接结构，固定后放入真空炉或气氛炉中；最后快速升温至300～340℃，并保温1h～5h，保温结束冷却、取出实现连接。本发明工艺可使芯片和基板实现低温、小压力封装，且封装后的接头热稳定性好，耐温能力强。

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TanimotoSatoshi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。