[發明專利]一種功率芯片封裝用錫基復合材料預成型焊片及其制備方法

在審

• 申請號: 202210608485.7
• 申請日: 2022-05-31
• 公開（公告）號: CN115008060A
• 公開（公告）日: 2022-09-06
• 發明（設計）人: 周敏波;邢璧元;張新平;史汝增;王壽銀
• 申請（專利權）人: 深圳市興鴻泰錫業有限公司;華南理工大學
• 主分類號: B23K35/26
• 分類號: B23K35/26;B23K35/40
• 代理公司: 深圳市徽正知識產權代理有限公司 44405
• 代理人: 汪棟

本發明實施例公開了一種功率芯片封裝用錫基復合材料預成型焊片及其制備方法。該錫基復合材料預成型焊片由無鉛高錫軟釬料和高溫增強相組成。其中，無鉛高錫軟釬料為錫含量高于90％的合金；高溫增強相為可與錫反應生成高熔點金屬間化合物的金屬，包括銅、鎳、銀以及銅鎳合金等，高溫增強相形態可以是顆粒狀、絲狀、網狀和片狀的一種或多種。本發明是通過累積疊軋將高溫增強相引入到無鉛高錫軟釬料中并使其均勻分布。該預成型焊片能在芯片封裝回流焊工藝中形成全部高溫相，即在低溫下經短時回流即可形成填充整個焊點的高熔點金屬間化合物，進而得到用于功率器件芯片界面互連的耐高溫焊點。

技術領域

本發明涉及一種預成型焊片，尤其涉及一種功率芯片封裝用錫基復合材料預成型焊片及其制備方法，屬于電子封裝材料、功率器件封裝芯片互連技術領域。

背景技術

功率半導體器件在電力電子系統中承擔著變壓、變頻和直流交流互換的核心功能，在生活電器、消費電子、新能源汽車、軌道交通、通訊基站、工業控制和電力傳輸等眾多領域具有廣泛的應用。近年來，第三代半導體材料在功率器件中的應用越來越廣泛，碳化硅和氮化鎵等第三代半導體材料因具有禁帶較寬、擊穿電場強度大以及電子遷移速率高等優點，能較好的契合功率芯片對大功率、高頻率和高集成度的發展要求。但第三代半導體在工作期間發熱量大，傳統的高錫含量且熔點低的無鉛焊料不能滿足其使用環境，與其相對應的高溫連接材料十分缺乏。

一些高熔點的金基合金釬料已經被用于功率器件封裝，如熔點為280℃的Au–20Sn和熔點為363℃的Au–3Si。然而，由于材料成本高，它們并沒有被廣泛使用。熔點為380℃的共晶Zn–6Al合金可以作為候選材料，但它容易氧化和腐蝕。此外，釬料的高熔點以及必要的高溫工藝導致對焊接設備的要求增加，因此這些釬料沒有廣泛用于功率器件封裝。目前，由于還沒有合適的高熔點無鉛焊料作為替代，功率器件封裝仍大量采用不環保的高鉛含量焊料。為了充分利用功率器件的優異性能，迫切需要開發出低成本、綠色環保且能夠在相對較低的溫度下用于功率器件互連，而其接頭能夠在高溫下高效工作的功率芯片封裝連接材料。

瞬態液相連接技術，是指溫度在低熔點相熔點和高熔點相熔點之間，液態低熔點相(如錫、銦)與固態高熔點相(如銅、銀、鎳等)發生冶金反應，等溫凝固生成高熔點金屬間化合物。因此，通過利用瞬態液相連接技術在低溫下回流，可以制備耐高溫焊點。但傳統瞬態液相連接技術存在一個明顯的缺點，消耗掉全部低熔點相所需的回流時間長，這大大地限制了生產效率。因此，開發一種可在低溫下快速回流、其焊點可在高溫下穩定服役的無鉛焊料具有重要意義。

中國發明專利CN104625466B公開了一種可以在低溫下快速形成高溫焊點的錫基/銅顆粒復合焊料，該復合焊料是由錫基焊料粉、銅顆粒粉以及膏狀助焊劑組成的復合錫膏。由于錫基焊料與高熔點銅均為粉狀，這增大了錫和銅的接觸面積，因此使用該錫膏進行瞬態液相連接制備接頭有效縮短了回流時間。但是，由于該復合焊料是膏的形式，在回流時助焊劑揮發會在焊點內引起較大面積的空洞，這會降低焊點的可靠性。

中國發明專利CN105290418A公開了一種微納米銅球表面鍍附具有可焊性厚錫層的鍍附方法，該發明通過將銅粉化學鍍錫形成Cu@Sn核-殼結構雙金屬粉，然后將所述的雙金屬粉在壓力作用下壓制成預置片。該預置片在250℃回流后，所得焊點的最高熔點達676℃；并且由于該焊料是片的形式，這有效地避免了助焊劑揮發造成的空洞問題。但該發明所述的方法需大量的試劑，包括配位劑、還原劑、穩定劑以及抗氧化劑等等，難以在現有設備的基礎上實現低成本的工業化生產。

發明內容

針對上述技術問題，為解決現有功率器件封裝用無鉛錫基焊料的制備工藝復雜和使用耐高溫性能不足的問題，本發明實施例提供了一種錫基復合材料預成型焊片及其制備方法，該錫基復合材料預成型焊片能在低溫下經短時回流即可形成的耐高溫焊點，不僅可以在高溫下服役并且具有優良的可靠性。錫基復合材料預成型焊片制備工藝簡單，對設備要求不高，材料成本低，可以制備出大尺寸帶材，因此能夠較好地匹配現有工業設備且生產效率高。