[發(fā)明專利]一種快速制備低溫連接高溫服役接頭的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010968181.2
• 申請日: 2020-09-15
• 公開（公告）號: CN112103198B
• 公開（公告）日: 2021-07-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王春青;郭龍軍;劉威
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: H01L21/603
• 分類號: H01L21/603;B23K35/362;B23K35/02
• 代理公司: 哈爾濱華夏松花江知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 23213
• 代理人: 侯靜

一種采用珊瑚狀預(yù)燒結(jié)銅錫納米金屬間化合物焊膏快速制備低溫連接高溫服役接頭的方法，本發(fā)明涉及連接材料制備領(lǐng)域。本發(fā)明要解決現(xiàn)有制備工藝生產(chǎn)的接頭服役溫度低及生產(chǎn)效率低的技術(shù)問題。方法：制備珊瑚狀預(yù)燒結(jié)銅錫納米金屬間化合物；制備珊瑚狀預(yù)燒結(jié)銅錫納米金屬間化合物焊膏；涂敷在基板上，然后放置待連接電子元器件；燒結(jié)。本發(fā)明利用了珊瑚狀預(yù)燒結(jié)銅錫納米金屬間化合物的特殊結(jié)構(gòu)，可以減少后續(xù)燒結(jié)時間，珊瑚狀結(jié)構(gòu)的末梢還保留了納米材料的燒結(jié)驅(qū)動力，實現(xiàn)低溫連接，具有低溫連接高溫服役、工藝簡單、效率高、成本低的優(yōu)勢。本發(fā)明制備的低溫連接高溫服役接頭用于大功率電子元器件的封裝和組裝互連。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及連接材料制備領(lǐng)域。

背景技術(shù)

微電子封裝連接技術(shù)是電子元器件封裝、大功率組件封裝的核心技術(shù)之一。第三代半導(dǎo)體如碳化硅和氮化鎵等器件，相較于傳統(tǒng)的硅基器件具有更大的禁帶寬度和擊穿場強，更高的熱導(dǎo)率、熔點和電子流速，已廣泛應(yīng)用在高電壓、高頻率和高溫領(lǐng)域。為了滿足第三代半導(dǎo)體器件在高壓、高頻和高溫下的可靠應(yīng)用，需要有與之相應(yīng)的熱、電、力性能良好的封裝材料。常用的芯片-基板互連材料（Sn基釬料合金或?qū)щ娔z）由于具有較低服役溫度，不能滿足高溫服役的封裝要求。

納米銅燒結(jié)溫度相對較低，導(dǎo)熱導(dǎo)電性能良好，燒結(jié)接頭可以在較高的溫度下工作，然而其制備工藝嚴(yán)苛，往往需要采取一些保護(hù)措施來防止納米銅的氧化；而納米銀焊膏燒結(jié)溫度低，抗氧化能力強，但是其較強的電遷移和化學(xué)遷移問題突出，容易發(fā)生失效影響電子產(chǎn)品可靠性，同時其價格昂貴，限制了其商業(yè)化的應(yīng)用。

在傳統(tǒng)的電子封裝中，一般情況下，Sn基釬料與基板之間能夠?qū)崿F(xiàn)互連的前提是釬料能夠與基板之間發(fā)生反應(yīng)，在界面處生成銅錫金屬間化合物，而金屬間化合物具備高強度、高硬度、高熔點、抗蠕變、抗氧化等特點，使其非常適合作為大功率器件的連接材料，滿足高溫服役的要求。為了解決上述問題，目前主要通過Cu基板/Sn薄膜/Cu基板熱壓擴(kuò)散的方法形成全銅錫納米金屬間化合物接頭，但是其制備工藝通常需要數(shù)小時才能完成，生產(chǎn)效率低下，不利于工業(yè)化生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決現(xiàn)有制備工藝生產(chǎn)的接頭服役溫度低及生產(chǎn)效率低的技術(shù)問題，而提供一種采用珊瑚狀預(yù)燒結(jié)銅錫納米金屬間化合物焊膏快速制備低溫連接高溫服役接頭的方法。

一種采用珊瑚狀預(yù)燒結(jié)銅錫納米金屬間化合物焊膏快速制備低溫連接高溫服役接頭的方法，具體按以下步驟進(jìn)行：

一、采用水熱法制備珊瑚狀預(yù)燒結(jié)銅錫納米金屬間化合物；

二、按質(zhì)量將2~10份粘結(jié)劑、2~8份稀釋劑、2~8份助焊劑和80~90份步驟一制備的珊瑚狀預(yù)燒結(jié)銅錫納米金屬間化合物混合，然后進(jìn)行均勻分散，再揮發(fā)除掉稀釋劑，獲得珊瑚狀預(yù)燒結(jié)銅錫納米金屬間化合物焊膏；

三、采用鋼網(wǎng)印刷方法將步驟二制備的珊瑚狀預(yù)燒結(jié)銅錫納米金屬間化合物焊膏涂敷在基板上，然后放置待連接電子元器件；

四、將步驟三處理后的基板放入熱壓燒結(jié)爐中，控制加熱速度為4～10℃/min，加熱至120～140℃進(jìn)行低溫預(yù)熱保溫工序，然后控制加熱速度為5～10℃/min，加熱至燒結(jié)溫度并施加壓力，進(jìn)行燒結(jié)工序，再隨爐冷卻至室溫，得到低溫連接高溫服役接頭。

進(jìn)一步的，步驟一中珊瑚狀預(yù)燒結(jié)銅錫納米金屬間化合物為Cu₆Sn₅、Cu₃Sn或Cu₁₀Sn₃，珊瑚狀預(yù)燒結(jié)骨架尺寸為70~90nm。

進(jìn)一步的，步驟一中水熱法制備珊瑚狀預(yù)燒結(jié)銅錫納米金屬間化合物按以下步驟進(jìn)行：

A、將SnO 加入到濃度為5~8mol/L的氫氧化鉀溶液中，在冰浴環(huán)境下進(jìn)行磁力攪拌至溶解完全，再加入前驅(qū)體銅鹽，冰浴下磁力攪拌10～15min，獲得混合液；