[发明专利]一种芯片和基板的连接方法及芯片结构

说明书

本发明公开了一种芯片和基板的连接方法及芯片结构，连接方法包括如下步骤：S1、提供基板和芯片；S2、分别在所述基板的第一表面和所述芯片的第二表面形成金属颗粒层；所述金属颗粒层包括至少两种金属依次交替重叠形成的若干层纳米金属颗粒；S3、将所述基板的第一表面和所述芯片的第二表面接触，再进行烧结处理，以使所述基板和所述芯片连接。本发明的连接方法无需将纳米金属粉末与有机溶剂混合制成焊膏，仅需在基板以及芯片表面生长不同种类多尺寸的金属颗粒，即可实现烧结，能够避免有机溶剂蒸发和分解的过程，加快烧结过程，节省50％以上的时间。

技术领域

本发明涉及一种芯片和基板的连接方法，还涉及一种由此连接方法得到的芯片结构。

背景技术

新发展起来的宽禁带半导体功率器件具有耐高压，高功率，高电流密度，低开关损耗且能够在高温下可靠工作等优点，这对封装材料及封装技术提出了新的要求，传统的芯片粘结材料由于其熔点低的特性已经无法适用于宽禁带半导体功率器件的封装。现有的耐高温芯片粘结技术中，纳米金属(纳米银/纳米铜)烧结技术被认为是最有潜力的芯片连接技术，但纳米金属焊膏包含一定比例的有机溶剂，在烧结过程中，有机溶剂不仅干扰纳米金属的烧结，而且纳米金属与有机溶剂中的氧发生反应，形成金属氧化物，降低烧结质量。另外，有机溶剂的蒸发和分解严重延缓烧结过程，要求更高的烧结温度，这些缺陷很大程度上提高了芯片封装过程的成本，进一步限制了纳米金属烧结技术的广泛应用。

发明内容

现有的芯片和基板的连接通常是利用液态焊膏，焊膏中的有机溶剂在受热时蒸发，此过程延长整个连接过程，且在高温下，蒸发分解出的氧原子易与金属发生氧化发应，形成的氧化层干扰金属颗粒的烧结，且金属氧化物的电热性能较差(相较于块状金属)，连接强度低，另外纳米金属焊膏由于其液态流动性在烧结过程中易受压不均匀、还原气体无法与纳米金属颗粒充分接触而降低金属烧结质量等问题。

本申请发明人发现，利用物理沉积法在芯片及基板的接触面表面生长两种及以上(多尺寸的)纳米金属层，例如，参差生长两层及以上纳米金属层，在特定的烧结气氛和温度下，并可施加一定的压力实现芯片与基板的连接。

基于此，本发明第一方面提供了一种芯片和基板的连接方法，其包括如下步骤：

S1、提供基板和芯片，所述基板具有第一表面，所述芯片具有第二表面；

S2、分别在所述基板的第一表面和所述芯片的第二表面形成金属颗粒层；所述金属颗粒层包括至少两种金属依次交替重叠形成的若干层纳米金属颗粒；

S3、将所述基板的第一表面和所述芯片的第二表面接触，再进行烧结处理，以使所述基板和所述芯片连接。

本发明中，基板的第一表面和芯片的第二表面即为基板和芯片的接触面。

本发明中，基板可为覆铜陶瓷基板(如直接键合铜基板(DBC))及金属框架等；芯片可为基于第三代半导体材料的功率器件，也可为第一代或第二代半导体芯片。但本领域技术人员可以理解的是，上述列举并无限定，本申请的连接方法也可适用到其他种类的基板和芯片。

本发明的连接方法适用于半导体功率芯片的连接，尤其适用于宽禁带功率芯片与基板的连接，所连接样品可在高温高压下可靠工作。

在本发明的一些实施方式中，所述连接方法，特别是步骤S1、步骤S2和/或步骤S3中不使用有机溶剂，以避免有机溶剂的干扰。

在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，所述金属颗粒层由铜、镍、银、锡和铟中的至少两种形成。

在本发明的一些实施方式中，可采用脉冲激光沉积法在基板和芯片的表面生长纳米金属颗粒层。但可以理解的是，也可使用其他能够达到相同效果的沉积方法形成金属颗粒层。

本发明中，使用脉冲激光沉积法的条件可为：沉积气氛为氩气(Ar)，引入少量的H₂更佳；沉积气压为500～2000Pa。