[发明专利]用于电子器件的双面微纳复合预成型焊片及低温互连方法

说明书

本发明提供了一种用于电子器件的双面微纳复合预成型焊片及低温互连方法。该双面微纳复合预成型焊片包括中间层和位于中间层两侧的多孔微纳薄膜；多孔微纳薄膜为金属薄膜或合金薄膜。本发明还提供了一种低温互连方法，其是通过上述双面微纳复合预成型焊片实现待连接件的低温互连。本发明能够解决LT‑TLPB技术存在的连接时间过长，接头无法满足高性能功率器件使用温度的问题。多孔微纳薄膜不需要引入有机组分，从源头上解决了金属微纳颗粒焊膏中的有机组分引发的一系列问题。

技术领域

本发明涉及一种用于电子器件的双面微纳复合预成型焊片及低温互连方法，属于电子材料技术领域。

背景技术

为适应当前电力电子行业对器件性能及服役环境的承受能力的严苛要求，以碳化硅基功率器件为代表的新一代高性能电力电子器件普遍具有能够在300℃及以上高温环境下工作的特点。一般而言，此类高性能功率电子器件常被制造为矩形贴片的样式，因而将这些器件与电子模块基板连接起来的材料一般也会被要求制作为薄膜或在一定的工艺过程后形成薄膜。

在传统的电子封装领域，锡基焊料是广泛采用的一类贴片互连材料，然而，绝大部分锡基焊料的熔点均低于300℃，这使得采用传统焊料焊接技术连接前述的新一代高性能功率电子器件面临巨大的挑战。目前，实现前述高性能电力电子器件的贴片互连的方法大致分为三类：采用高温焊料、过渡液相连接技术、烧结金属纳米颗粒。

低温过渡液相连接技术(Low Temperature Transient Liquid Phase Bonding，简称LT-TLPB)最早可以追溯至1966年Leonard Bernstein的成果。如图1所示，该方法通过加热使低熔点的中间层(通常为Sn、In或In-Sn合金In-Bi合金等)熔化，并使之与被连接的高熔点基体金属如Cu、Ag、Au、Ni等反应生成包含高熔点的金属间化合物的连接接头。由于LT-TLPB技术获得的金属间化合物普遍拥有较高的熔点，因此接头承受热载荷的能力相对较好。

以Cu-Sn体系为例，可通过文献(C.Hang,Y.Tian,R.Zhang,and D.Yang,Phasetransformation and grain orientation of Cu-Sn intermetallic compounds duringlow temperature bonding process,Journal of Materials Science:Materials inElectronics,vol.24,no.10,pp.3905-3913,2013)给出的过程详细说明LT-TLPB技术的基本特点。如图2所示，加热开始时Sn中间层与上下Cu母材的界面处为Cu/Sn原子的固-固扩散，其速率相对较慢，参照Cu-Sn二元相图可知，界面处应当有少量的Cu₆Sn₅形成。当加热温度达到Sn的熔点后，中间层开始熔化，Cu与Sn之间通过速率相对较快的固-液扩散形成更多的Cu₆Sn₅，如图2中的(a)所示。随着时间的延长，如图2中的(b)所示，液态Sn逐渐被消耗，Cu₆Sn₅向接头内部生长直到上下两侧彼此接触，合并成为更大的晶。进行到图2中的(c)这一阶段时，根据2.3.2所述的界面反应过程，在Cu-Cu₆Sn₅界面处将产生Cu与Cu₆Sn₅反应生成Cu₃Sn的过程，此时Cu₆Sn₅将被消耗，而Cu₃Sn则垂直于Cu-Cu₆Sn₅界面以细小柱状晶形式不断向接头内部生长。经过足够长的保温时间，接头内的Cu₆Sn₅将全部转化为Cu₃Sn，接头组织均匀化为图2中的(d)的形式。

目前，LT-TLPB技术尽管已经在部分高温电子器件中获得应用，但是其连接工艺仍然存在如下问题：