[發明專利]一種電流輔助快速制備Cu3Sn/泡沫銅復合接頭方法

在審

• 申請號: 202011067392.5
• 申請日: 2020-10-06
• 公開（公告）號: CN112157327A
• 公開（公告）日: 2021-01-01
• 發明（設計）人: 孫鳳蓮;李響;潘振
• 申請（專利權）人: 哈爾濱理工大學
• 主分類號: B23K1/00
• 分類號: B23K1/00;B23K1/20;B23K35/14;H01L21/768;H01L23/373
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本發明涉及采用電流輔助焊接的方式快速制備一種耐高溫封裝用Cu₃Sn/泡沫銅復合接頭。其特征是：采用泡沫銅和純錫制備成復合焊片，利用電流輔助焊接的方法，使其快速生成耐高溫的、可靠的復合接頭，實現永久性連接。本發明中，電流產生的焦耳熱，促進化合物的生長速率，縮短焊接時間，提高了生產效率。快速生成的復合焊接接頭不僅有更好的導電性、導熱性，而且在力學性能、抗疲勞性能方面也較為良好，可以滿足第三代半導體封裝的耐高溫需求，可在實際生產中廣泛應用。

技術領域

本發明涉及半導體器件封裝互連，尤其涉及采用電流輔助焊接的方式快速制備一種耐高溫封裝用Cu₃Sn/泡沫銅復合接頭。

背景技術

目前，電力電子技術的不斷發展，第三代半導體得到了廣泛的應用。第三代半導體不僅在汽車、軍事、電力機車等方面得到了廣泛應用，還在航空航天、石油勘測、核能開發等極端條件下應用。在實際應用中，傳感器的工作溫度條件比較苛刻，常常在-100~600 ℃。因此，傳感器在這樣大溫度范圍條件下工作，不僅對SiC等第三代半導體材料提出嚴格的要求，還對耐高溫封裝提出更高的要求。這些要求指的是界面反應釬焊材料加熱后產生的熱遷移問題，基板和互連材料以及芯片與基板之間的熱匹配問題。因此，探究可用于第三代半導體功率器件封裝的釬焊材料對器件連接的可靠性至關重要。目前研究用于三代半導體器件芯片與基板連接的主要方法有三類：分別是高溫釬焊、納米燒結、瞬時液相連接形成全化合物（TLP）。市面上流行的釬料的工作溫度大都在300 ℃左右，在500 ℃或者更高溫度下工作的釬料非常少，比較有代表性的Au基釬料具有較高的強度，較好的抗腐蝕性能，優良的導熱導電性能。但Au基釬料硬度高，可加工性能差，價格昂貴，不適合進行大規模推廣應用。納米燒結技術雖然在一定程度上滿足三代半導體器件封裝需求，但是納米顆粒的團聚現象、燒結組織中的大量空洞，電遷移問題是采用該方法迫切需要解決的問題。瞬時液相連接形成全化合物（TLP）原理是利用低熔點金屬熔化形成液相與高熔點金屬發生反應形成高熔點的連接層，實現冶金結合，從而實現功率器件的“低溫連接、高溫服役”，是一種理想的用于三代半導體封裝的方法。

目前用于三代半導體封裝的TLP技術以研究Cu-Sn全化合物接頭為主。室溫下Cu-Sn化合物有Cu₆Sn₅和Cu₃Sn兩種。Cu₃Sn的電阻率、熱導率、楊氏模量都優于Cu₆Sn₅。但是Cu₃Sn存在脆性大，導電性、導熱性能差的問題，形成全Cu₃Sn接頭需要高溫下停留較長時間，這些都限制了其在第三代半導體封裝互聯中的應用。因此，Cu₃Sn/泡沫銅復合接頭更適合用于三代半導體器件芯片與基板連接，這種釬焊接頭在功率器件高溫封裝中極具應用前景。

本發明將泡沫銅作為骨架，錫作為填充材料，制作成復合焊片，提出了電流輔助熱壓焊下高效制備Cu₃Sn/泡沫銅復合接頭的新方法。通過電流輔助焊接的作用，快速獲得由原位生成的Cu₃Sn與反應后剩余的泡沫銅復合而成的微焊點，而且兩者的復合會克服純Cu₃Sn的脆性。除此之外，通過電流輔助焊接的方式所獲得的Cu₃Sn/泡沫銅復合接頭的機械強度明顯高于Cu₃Sn基釬焊接頭的機械強度，受焦耳熱引起的溫度的升高加速了液態Sn/固態Cu之間的界面反應，施加的電流可導致局部溫度急劇升高并且加速了Cu₃Sn化合物的生長。在極短時間內和低壓強下獲得了耐高溫的穩定的Cu₃Sn基釬焊接頭。泡沫銅的三維立體骨架結構使其比表面積大，即在單位質量的銅下，泡沫銅的表面積更大，能夠加大反應接觸面積、縮短反應距離，從而加快反應速率，泡沫銅還能起到提高導電性和導熱性的作用。

發明內容