[發明專利]一種基于Ag@In核殼結構的高溫釬料及其制備方法

有效

• 申請號: 201710470959.5
• 申請日: 2017-06-20
• 公開（公告）號: CN107234367B
• 公開（公告）日: 2019-09-03
• 發明（設計）人: 陳宏濤;習聰;郭強
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學深圳研究生院
• 主分類號: B23K35/30
• 分類號: B23K35/30;B23K35/40
• 代理公司: 深圳市科吉華烽知識產權事務所(普通合伙) 44248
• 代理人: 覃迎峰

本發明提供了一種基于Ag@In核殼結構的高溫釬料及其制備方法，所述基于Ag@In核殼結構的高溫釬料包括Ag球，所述Ag球的表面包覆有In層，形成Ag@In核殼結構。本發明技術方案的釬料具有低溫連接、高溫服役的特點，具有很好的導電導熱性能，能夠極大地拓寬多級封裝的溫度工藝窗口；而且可以形成很厚的焊縫，從而有效地改善TLP方法焊縫過薄帶來的抗變形能力低的問題。與此同時，由于連接的反應時間取決于單一Ag球外In層的厚度，所以增大焊縫厚度并不需要延長連接時間，進而保證了生產效率；有效地克服現有技術連接溫度高、時間長及焊縫薄的缺點。

技術領域

本發明屬于材料技術領域，涉及一種釬料，尤其涉及一種基于Ag@In核殼結構的高溫釬料及其制備方法。

背景技術

功率器件廣泛應用于幾乎所有的電子制造業。從計算機領域的筆記本、服務器、顯示器及各種外設到網絡通信領域的手機、電話以及其它各類終端和局端設備，從消費電子領域的傳統的黑白家電和各種數碼產品到工業領域的各類儀器儀表和控制設備，功率器件都是重要的組成部分。

當前，功率器件正沿著大功率化、高頻化、集成化的方向發展。這一趨勢必將對器件及器件的連接材料的耐高溫性能提出嚴峻考驗。隨著寬帶隙半導體材料的研發取得進展，如碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)，取代硅(Si)可以在芯片層級上很容易實現大功率密度應用。Si芯片難以在超過175℃條件下工作，而SiC芯片可以在超過300℃的極端環境下正常工作。盡管SiC理論上是理想的芯片材料，適應高溫大功率器件的應用。但在器件連接材料方面，傳統的釬料熔點低，不適用于高溫工作條件。因此急需開發出一種能夠具有高熔點高可靠性的釬料。

目前常用的高溫合金互連釬料主要有高鉛和不含鉛兩類，其中不含鉛合金釬料又包括金基合金、鋅基合金、鉍基合金和銀基合金等。高鉛高溫釬料，如使用較為廣泛的95Pb5Sn，因為無鉛化的全面展開，被替代只是時間問題。其余各類無鉛高溫合金釬料在各自的特殊領域都有應用，但金基釬料成本高，鋅基釬料易氧化，鉍基的潤濕性差，銀基的存在銀遷移等，這些都是各自固有的問題。另外，合金高溫釬料的共有問題是高的工藝溫度——這些釬料通常具有較高的熔點，如AuSn的熔點為280℃，AuGe的為361℃。普遍地，回流溫度還要在熔點之上20℃～40℃。這樣的高溫工藝會加劇連接處的熱失配，帶來高的芯片貼裝應力，后續服役過程中極易發生失效。

目前，可以實現低溫下鍵合，高溫下服役的方法主要有納米銀燒結法以及瞬態液相連接(Transient Liquid Phase bonding,TLP)工藝等。這些工藝各有其特點，但也都有自身的應用局限性。

納米銀燒結法利用納米效應將燒結溫度降低到300℃以下，且能在不加壓的情況下完成芯片貼裝。但應用在大尺寸芯片上時，納米銀膏涂覆的一致性很難保證。由于這種不一致，后續燒結過程中化合物的揮發會帶來開裂等可靠性問題。同時，銀存在銀遷移問題，在需要經受高電壓、大電流的功率器件上，這一缺點會表現得更加明顯。

瞬態液相連接法(TLP)其原理是采用高熔點金屬和低熔點金屬組合作為連接材料，多制成多層復合結構，連接過程中低熔點金屬熔化成液相實現連接，同時與高熔點金屬固-液互擴散反應、致密化形成高熔點連接層(金屬間化合物)，從而實現功率芯片的低溫連接/耐高溫服役。這種焊接方法的優點是原材料來源廣泛、成本低廉，且與當前企業產線的機器有較高的加工兼容性；缺點是整個工藝流程中由于元素的擴散速度有限，就使得化合物形成和長大的速度比較慢，因此要得到全化合物焊點的組織所需時間也很長。所以TLP工藝目前僅適用于窄焊縫的焊接，由于熱膨脹系數的差異，焊縫處會產生應力集中問題，而對應較窄的焊縫這個問題則更加突出，外加化合物通常為硬脆相，這就大大增加了化合物服役過程中焊點開裂失效的可能性。而增大焊縫厚度雖然可以解決應力集中的問題，但回流時間或回流溫度也會因此而增大，更大的回流時間或更高的回流溫度都會對基板上的其他器件帶來不利影響。

發明內容