[发明专利]一种高温封装用Cu3

说明书

本发明涉及一种高温封装用Cu₃Sn/泡沫铜复合接头的制备方法。其特征是：将泡沫铜作为骨架，锡合金作为填充材料，按一定的比例制作复合焊片，通过焊接使其在产品（例如IGBT，LED，光伏组件）与基板之间形成可靠连接，快速获得由原位生成的IMC与反应后剩余的泡沫铜复合而成的微焊点。本发明中生成的复合接头与全化合物接头相比，具有更高的导电率、导热率，同时具有良好的力学性能、抗高温蠕变、抗电迁移的性能，成本低廉，可以满足大批量使用要求，可广泛应用于三代半导体封装。

技术领域

本发明涉及半导体器件封装互连，尤其涉及一种高温封装用Cu₃Sn/泡沫铜复合接头的制备方法。

背景技术

近年来随着新能源、轨道交通、工业控制等行业市场的高速发展，对第三代半导体器件提出了强烈的需求。然而目前我国在此领域受制于发达国家，开发具有自主知识产权、本土化的高性能的三代半导体产品迫在眉睫，而焊接是三代半导体器件封装的关键技术之一。由于芯片的功率密度不断提高，最高工作节温可达175℃，这对焊点的高温服役性能提出了更高的要求。目前研究用于三代半导体器件芯片与基板连接的主要方法有三类：分别是高温钎焊、纳米烧结、瞬时液相连接形成全化合物(TLP)。高温钎焊中，Au-Sn钎料应用较多，但是其接头的成本高，其次是高Pb钎料，高Pb钎料虽然存在对环境影响但对部分民用产品为降低成本仍然在用。纳米烧结技术虽然在一定程度上满足三代半导体器件封装需求，但是成本高、烧结组织中的大量空洞，电迁移问题是该方法迫切需要解决的关键问题。瞬时液相连接形成全化合物(TLP)原理是利用低熔点金属熔化形成液相与高熔点金属发生反应形成高熔点的连接层，实现冶金结合，从而实现功率器件的“低温连接、高温服役”，是一种理想的用于三代半导体封装的方法。

目前用于三代半导体封装的TLP技术以研究Cu-Sn全化合物接头为主。室温下Cu-Sn 化合物有Cu₆Sn₅和Cu₃Sn两种。其中Cu₆Sn₅电阻率为17.5μΩ·cm，热导率为34.1W/mcK，杨氏模量112.3GPa。Cu₃Sn电阻率为8.9μΩ·cm，热导率为70.4W/mcK，杨氏模量134.2GPa。Cu₃Sn的电阻率、热导率、杨氏模量都优于Cu₆Sn₅。因此，全Cu₃Sn化合物接头更适合用于三代半导体器件芯片与基板连接。但是Cu₃Sn与传统高温Pb基、Au基钎料相比脆性大，导电性、导热性能差，形成全Cu₃Sn接头需要高温下停留较长时间，这些都限制了其在第三代半导体封装互联中的应用。

本发明通过将泡沫铜作为骨架，锡合金作为填充材料，按一定的比例制作复合焊片，通过外加能场的作用，快速获得由原位生成的Cu₃Sn与反应后剩余的泡沫铜复合而成的微焊点。两者的复合会克服纯Cu₃Sn的脆性，提高微焊点的导电、导热和综合力学性能。

发明内容

本发明的目的是解决全Cu₃Sn化合物用于三代半导体器件芯片与基板连接时脆性大，导电性、导热性能差和力学性能差的问题，设计一种高温封装用Cu₃Sn/泡沫铜复合接头，获得的接头热导率高，电阻率低、力学性能良好、抗高温蠕变性能好、抗电迁移能力高，成本低廉，可以满足大批量使用要求，可广泛应用于三代半导体封装。

本发明解决问题方案是：将泡沫铜作为骨架，锡合金作为填充材料，按一定的比例制作复合焊片，通过外加能场的作用，快速获得由原位生成的Cu₃Sn与反应后剩余的三维网络 Cu复合而成的微焊点。