[发明专利]一种功率芯片封装用耐高温接头的低温快速无压制造方法

说明书

本发明提出了一种功率芯片封装用耐高温接头的低温快速无压制造方法，利用温度梯度、超声波及平板热压耦合工艺制造泡沫铜/金属间化合物复合耐高温焊锡预制片，及利用上述焊锡预制片结构实现功率芯片低温快速无压连接并获得大尺寸耐高温焊接接头的制造工艺。本发明制造的复合耐高温焊接预制片及耐高温焊接接头，具有制备工艺简单、焊接时间短、材料成本低廉等优点，所形成的耐高温焊接接头具有极高的剪切强度、良好的导电及导热性能。

技术领域

本发明属于材料制备领域，具体涉及一种功率芯片封装用耐高温接头的低温快速无压制造方法。

背景技术

碳化硅、氮化镓等第三代功率半导体芯片比传统硅芯片具有更快的开关频率、更强的工作电压、更大的电流承载能力、更高的耐温性能，在5G通信、汽车电子、大数据网络、大功率照明等领域拥有广阔的应用前景。目前，由于功率芯片不断面向集成化与高性能化方向发展，芯片服役温度显著攀升，其平均工作温度已经超过200℃，而对于航空航天、石油勘探、通信基站等特殊应用场合，其峰值工作温度甚至达到300℃，极高的服役温度对芯片内部焊接接头的材料与可靠性提出了更高的要求。

现阶段锡基钎料(如Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Bi、Sn-Pb等合金钎料)是芯片的主要封装互连材料，其形成的焊接接头服役温度低(200℃)且力学性能较差，无法满足功率芯片长期高温使用需求。纳米银、纳米铜等新型纳米浆料具有低温互连与高温服役能力，然而其浆料制作成本高且形成的接头缺乏可靠性的校验。瞬时液相扩散焊技术可以在低温回流条件下形成耐高温的金属间化合物(Cu₆Sn₅、Cu₃Sn等)焊接接头，接头理论服役温度高达415℃。但是金属间化合物生长缓慢，在300℃下形成20微米厚度的金属间化合物焊接接头所需时间超过30℃，无法满足功率芯片的工业化生产需求；如果降低焊接接头高度则会造成接头结构力学性能劣化，显著降低芯片可靠性。因此，如何快速实现大尺寸金属间化合物焊接接头的低温无压制造是目前功率芯片面临的主要技术瓶颈。

发明内容

本申请的目的在于提供一种功率芯片封装用耐高温接头的低温快速无压制造方法，以解决目前功率芯片高温封装接头存在焊接温度高、焊接时间长、接头可靠性差等制造问题。

本发明提出了一种功率芯片封装用耐高温接头的低温快速无压制造方法，包括以下步骤：

步骤S1：将泡沫铜超声清洗后，使用等离子体清洗机对泡沫铜进行表面处理；

步骤S2：将锡基钎料融化并加入铜粉充分搅拌形成熔融钎料，将步骤S1得到的泡沫铜浸渍于熔融钎料中，浸渍时间保持5-10秒后取出形成预制片；

步骤S3：采用平板热成型机对预制片进行加工成形，当平板热成型机的高温侧加热板加热至高于钎料熔化温度20-100℃时，且平板热成型机的低温侧加热板的温度低于高温侧加热板0-100℃时放入预制片，利用平板加压装置施加载荷，压强范围为50-1000MPa，利用厚薄规测量并精准控制所述预制片的厚度，当厚度值达到预设值后保持压强值稳定，开启气动装置，将超声波探头插入高温侧加热板探头槽内，开启超声波，超声功率范围为200-1500W，超声压力为0.6MPa，超声时间为1-10分钟，平板热成型机持续保温0-30分钟后，开启循环水冷机，将平板热成型机快速冷却至室温，卸载压力并将预制片取出备用；

步骤S4：将步骤S3得到的预制片进行超声清洗和等离子体活化处理后，放入化学镀锡液中保持0.5-10分钟，即得到泡沫铜/金属间化合物复合耐高温焊接预制片；

步骤S5：根据功率芯片焊盘形状对泡沫铜/金属间化合物复合耐高温焊接预制片采用激光切割机进行图形化切割；

步骤S6：将步骤S5得到的泡沫铜/金属间化合物复合耐高温焊接预制片置于两个铜焊盘中堆叠成三明治结构，采用回流焊工艺处理所得即为耐高温焊接接头。