[發明專利]一種低溫連接的耐高溫封裝連接材料及其封裝連接工藝

在審

• 申請號: 201711066850.1
• 申請日: 2017-10-20
• 公開（公告）號: CN109698169A
• 公開（公告）日: 2019-04-30
• 發明（設計）人: 房慶紅
• 申請（專利權）人: 慈溪市一眾電器有限公司
• 主分類號: H01L23/29
• 分類號: H01L23/29;H05K3/34;H01L21/60
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一種低溫連接的耐高溫封裝連接材料及其封裝連接工藝，屬于微電子封裝技術領域。連接材料由錫粉末和鎳粉末均勻混合組成，錫粉含量原子百分比為36.7～57％，余量為鎳粉；錫粉平均粒徑5～30μm，鎳粉平均粒徑5～20μm；混合粉末與有機溶劑攪拌、混合成均勻糊狀或膏狀。本發明工藝是先將基板超生波振蕩清洗，取出后冷風吹干；然后用絲網將連接材料印刷于基板焊接面上，將芯片與連接材料對齊、組裝成芯片/連接材料/基板連接結構，固定后放入真空爐或氣氛爐中；最后快速升溫至300～340℃，并保溫1h～5h，保溫結束冷卻、取出實現連接。本發明工藝可使芯片和基板實現低溫、小壓力封裝，且封裝后的接頭熱穩定性好，耐溫能力強。

技術領域

本發明屬于微電子封裝技術領域，涉及一種低溫連接的耐高溫封裝連接材料及其封裝連接工藝。

背景技術

發展應用于高溫、高功率、高頻等極端環境中的電子器件是當前電力電子技術領域發展的重點方向。SiC、GaN和AlN等是自第一代元素半導體材料(Si)和第二代化合物半導體材料(GaAs、GaP、InP)之后發展起來的第三代寬帶隙(WBS)半導體材料。第一、二代傳統半導體集成電路與器件無法在200℃以上的高溫環境下持續工作，且輸出功率低，受高頻、高腐蝕等條件的影響嚴重。與之相比，SiC和GaN等第三代寬帶隙半導體材料具有帶隙寬、臨界擊穿電壓高、熱導率高、載流子飽和漂移速度大等特點，其半導體電路或器件在～500℃甚至更高溫度下仍具有良好的轉換特性和工作能力，能有效提高轉換效率和工作溫度，降低對冷卻系統的要求，在航空航天、混合動力裝置、高效光伏/風電系統、油氣鉆探、核電設備等領域300-500℃的高溫電路和器件中具有重要的應用價值。然而，SiC和GaN等寬帶隙半導體器件的最高允許工作溫度不僅取決于半導體材料的性質，還受封裝技術的限制，因此解決芯片與基板的耐高溫、低成本連接技術和可靠性問題已經成為當前微電子領域迫切需要解決的問題。

針對三代高溫功率芯片尤其是SiC功率芯片高溫封裝的需求，國內外最初的研究思路是開發高溫釬料。從替代高鉛釬料出發，發展了Zn-Al基、Bi-Ag基、Au-Sn基和Sn-Sb基釬料基等高溫釬料。日本FUPET研究機構的TanimotoSatoshi等人使用添加少量Ge的Zn-5Al合金成功連接了SiC功率芯片和DBC基板，但是連接溫度高達415℃，而接頭長期使用溫度并又不能超過250℃，無法充分發揮新一代功率芯片的耐高溫優勢。事實上，按照這種傳統思路——通過提高釬料本身的耐溫能力來提高釬焊接頭的耐溫能力，從而解決高溫功率器件封裝的耐溫問題是非常困難的。一般而言，傳統釬焊中釬焊溫度、釬料熔點和釬焊接頭允許的最高服役溫度之間的關系是：釬焊溫度高于釬料熔點30℃-50℃，而釬料熔點又高于最高服役溫度30℃-50℃，這意味著，釬焊接頭的允許服役溫度通常低于釬焊溫度50℃-100℃。在器件封裝中，高于芯片工作溫度進行釬焊顯然不被允許，而即便允許在芯片工作溫度下進行釬焊，釬焊接頭的耐溫較器件允許的工作溫度仍有較大差距，難以滿足新一代高溫功率器件的應用要求。