一种功率芯片封装用耐高温接头的低温快速无压制造方法

摘要

本发明提出了一种功率芯片封装用耐高温接头的低温快速无压制造方法，利用温度梯度、超声波及平板热压耦合工艺制造泡沫铜/金属间化合物复合耐高温焊锡预制片，及利用上述焊锡预制片结构实现功率芯片低温快速无压连接并获得大尺寸耐高温焊接接头的制造工艺。本发明制造的复合耐高温焊接预制片及耐高温焊接接头，具有制备工艺简单、焊接时间短、材料成本低廉等优点，所形成的耐高温焊接接头具有极高的剪切强度、良好的导电及导热性能。

权利要求

1.一种功率芯片封装用耐高温接头的低温快速无压制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：将泡沫铜超声清洗后，使用等离子体清洗机对所述泡沫铜进行表面处理；

步骤S2：将锡基钎料融化并加入铜粉充分搅拌形成熔融钎料，将步骤S1得到的所述泡沫铜浸渍于所述熔融钎料中，浸渍时间保持5‑10秒后取出形成预制片；

步骤S3：采用平板热成型机对所述预制片进行加工成形，当所述平板热成型机的高温侧加热板加热至高于钎料熔点温度20‑100℃时，且所述平板热成型机的低温侧加热板的温度低于高温侧加热板0‑100℃时放入所述预制片，利用平板加压装置施加载荷，压强范围为

50‑1000MPa，利用厚薄规测量并精准控制所述预制片的厚度，当厚度值达到预设值后保持压强值稳定，开启气动装置，将超声波探头插入高温侧加热板的探头槽内，开启超声波，超声功率范围为200‑1500W，超声压力为0.6MPa，超声时间为1‑10分钟，所述平板热成型机持续保温0‑30分钟后，开启循环水冷机，将所述平板热成型机快速冷却至室温，卸载压力并将所述预制片取出备用；

步骤S4：将步骤S3得到的所述预制片进行超声清洗和等离子体活化处理后，放入化学镀锡液中，化学镀时间为0.5‑10分钟即得到泡沫铜/金属间化合物复合耐高温焊接预制片；

步骤S5：根据功率芯片焊盘形状对所述泡沫铜/金属间化合物复合耐高温焊接预制片采用激光切割机进行图形化切割；

步骤S6：将步骤S5得到的所述泡沫铜/金属间化合物复合耐高温焊接预制片置于两个铜焊盘中堆叠成三明治结构，采用回流焊工艺处理所得即为耐高温焊接接头。

2.根据权利要求1所述的功率芯片封装用耐高温接头的低温快速无压制造方法，其特征在于，步骤S1中的所述等离子体清洗机为氩气等离子体清洗机，所述等离子体清洗机的激发频率为13.56MHz。

3.根据权利要求2所述的功率芯片封装用耐高温接头的低温快速无压制造方法，其特征在于，所述等离子体清洗机对所述泡沫铜的处理时间为10‑30分钟，功率范围为50‑150W。

4.根据权利要求1所述的功率芯片封装用耐高温接头的低温快速无压制造方法，其特征在于，步骤S1中的所述泡沫铜的超声清洗包括先用酒精溶液对其超声清洗5‑10分钟，再用1‑10％的盐酸酒精或硝酸酒精溶液超声清洗0.5‑3分钟，最后用去离子水超声清洗1分钟并用氮气吹干。

5.根据权利要求1所述的功率芯片封装用耐高温接头的低温快速无压制造方法，其特征在于，步骤S2中的所述熔融钎料的温度保持在高于所述锡基钎料熔点10‑20℃。

6.根据权利要求1所述的功率芯片封装用耐高温接头的低温快速无压制造方法，其特征在于，对步骤S3得到的所述预制片先用1‑10％的盐酸酒精或硝酸酒精溶液超声清洗1‑3分钟，再用去离子水超声清洗1分钟。

7.根据权利要求2所述的功率芯片封装用耐高温接头的低温快速无压制造方法，其特征在于，对步骤S3得到的所述预制片采用所述氩气等离子体进行表面活化5‑10分钟，功率范围为50‑150W。

8.根据权利要求1所述的功率芯片封装用耐高温接头的低温快速无压制造方法，其特征在于，所述激光切割机的功率范围为100‑500W，定位精度±0.05mm。

9.根据权利要求1所述的功率芯片封装用耐高温接头的低温快速无压制造方法，其特征在于，步骤S6中的所述回流焊工艺的加热温度为240‑300℃，加热时间为10‑60秒。

10.根据权利要求1所述的功率芯片封装用耐高温接头的低温快速无压制造方法，其特征在于，步骤S2中所述锡基钎料与所述铜粉的质量比为100:1～20:1。

说明书

一种功率芯片封装用耐高温接头的低温快速无压制造方法

技术领域

[0001] 本发明属于材料制备领域，具体涉及一种功率芯片封装用耐高温接头的低温快速无压制造方法。

背景技术

[0002] 碳化硅、氮化镓等第三代功率半导体芯片比传统硅芯片具有更快的开关频率、更强的工作电压、更大的电流承载能力、更高的耐温性能，在5G通信、汽车电子、大数据网络、
大功率照明等领域拥有广阔的应用前景。目前，由于功率芯片不断面向集成化与高性能化
方向发展，芯片服役温度显著攀升，其平均工作温度已经超过200℃，而对于航空航天、石油
勘探、通信基站等特殊应用场合，其峰值工作温度甚至达到300℃，极高的服役温度对芯片
内部焊接接头的材料与可靠性提出了更高的要求。

[0003] 现阶段锡基钎料(如Sn‑Ag、Sn‑Cu、Sn‑Bi、Sn‑Pb等合金钎料)是芯片的主要封装互连材料，其形成的焊接接头服役温度低(<200℃)且力学性能较差，无法满足功率芯片长期
高温使用需求。纳米银、纳米铜等新型纳米浆料具有低温互连与高温服役能力，然而其浆料
制作成本高且形成的接头缺乏可靠性的校验。瞬时液相扩散焊技术可以在低温回流条件下
形成耐高温的金属间化合物(Cu6Sn5、Cu3Sn等)焊接接头，接头理论服役温度高达415℃。但
是金属间化合物生长缓慢，在300℃下形成20微米厚度的金属间化合物焊接接头所需时间
超过30℃，无法满足功率芯片的工业化生产需求；如果降低焊接接头高度则会造成接头结
构力学性能劣化，显著降低芯片可靠性。因此，如何快速实现大尺寸金属间化合物焊接接头
的低温无压制造是目前功率芯片面临的主要技术瓶颈。

发明内容

[0004] 本申请的目的在于提供一种功率芯片封装用耐高温接头的低温快速无压制造方法，以解决目前功率芯片高温封装接头存在焊接温度高、焊接时间长、接头可靠性差等制造
问题。

[0005] 本发明提出了一种功率芯片封装用耐高温接头的低温快速无压制造方法，包括以下步骤：

[0006] 步骤S1：将泡沫铜超声清洗后，使用等离子体清洗机对泡沫铜进行表面处理；

[0007] 步骤S2：将锡基钎料融化并加入铜粉充分搅拌形成熔融钎料，将步骤S1得到的泡沫铜浸渍于熔融钎料中，浸渍时间保持5‑10秒后取出形成预制片；

[0008] 步骤S3：采用平板热成型机对预制片进行加工成形，当平板热成型机的高温侧加热板加热至高于钎料熔化温度20‑100℃时，且平板热成型机的低温侧加热板的温度低于高
温侧加热板0‑100℃时放入预制片，利用平板加压装置施加载荷，压强范围为50‑1000MPa，
利用厚薄规测量并精准控制所述预制片的厚度，当厚度值达到预设值后保持压强值稳定，
开启气动装置，将超声波探头插入高温侧加热板探头槽内，开启超声波，超声功率范围为
200‑1500W，超声压力为0.6MPa，超声时间为1‑10分钟，平板热成型机持续保温0‑30分钟后，
开启循环水冷机，将平板热成型机快速冷却至室温，卸载压力并将预制片取出备用；

[0009] 步骤S4：将步骤S3得到的预制片进行超声清洗和等离子体活化处理后，放入化学镀锡液中保持0.5‑10分钟，即得到泡沫铜/金属间化合物复合耐高温焊接预制片；

[0010] 步骤S5：根据功率芯片焊盘形状对泡沫铜/金属间化合物复合耐高温焊接预制片采用激光切割机进行图形化切割；

[0011] 步骤S6：将步骤S5得到的泡沫铜/金属间化合物复合耐高温焊接预制片置于两个铜焊盘中堆叠成三明治结构，采用回流焊工艺处理所得即为耐高温焊接接头。

[0012] 在一个优选的实施例中，步骤S1中的等离子体清洗机为氩气等离子体清洗机，等离子体清洗机的激发频率为13.56MHz。利用高频率的氩气等离子体气体对泡沫铜孔隙内部
的结构进行活化，这样不用再添加助焊剂，减少助焊剂在加热过程中挥发，导致有气体生
成。

[0013] 在一个优选的实施例中，等离子体清洗机对泡沫铜的处理时间为10‑30分钟，功率范围为50‑150W。

[0014] 在一个优选的实施例中，步骤S1的泡沫铜的超声清洗包括先用酒精溶液对其超声清洗5‑10分钟，以去除泡沫铜的表面残留有机物，再用1‑10％的盐酸酒精或硝酸酒精溶液
超声清洗0.5‑3分钟，以去除泡沫铜的表面氧化膜，最后用去离子水超声清洗1分钟并用氮
气吹干。

[0015] 在一个优选的实施例中，步骤S2中的熔融钎料的温度保持在高于锡基钎料熔点10‑20℃。由于泡沫铜浸渍于熔融钎料时，泡沫铜的温度处于室温，容易造成局部钎料温度
降低，直接凝固，阻碍液态钎料浸入泡沫铜深部空隙。

[0016] 在一个优选的实施例中，对步骤S3得到的预制片先用1‑10％的盐酸酒精或硝酸酒精溶液超声清洗1‑3分钟，再用去离子水超声清洗1分钟。泡沫铜表面的氧化膜为CuO，盐酸
或硝酸酒精溶液可以对其有效溶解。其次，腐蚀会增加泡沫铜的表面缺陷，增加浸渍阻力，
利用超声清洗和较高浓度的酸液可以对泡沫铜表面的腐蚀坑有效减薄，降低泡沫铜表面的
粗糙度。

[0017] 在一个优选的实施例中，对步骤S3得到的预制片采用氩气等离子体进行表面活化5‑10分钟，功率范围为50‑150W。

[0018] 在一个优选的实施例中，激光切割机的功率范围为100‑500W，定位精度±0.05mm。

[0019] 在一个优选的实施例中，步骤S6中的回流焊工艺的加热温度为240‑300℃，加热时间为10‑60秒。

[0020] 在一个优选的实施例中，步骤S2中锡基钎料与铜粉的质量比为100:1～20:1。如果加入较少质量的铜粉会导致泡沫铜溶解。

[0021] 本发明的一种功率芯片封装用耐高温接头的低温快速无压制造方法，利用温度梯度、超声波及平板热压耦合工艺制造泡沫铜/金属间化合物复合耐高温焊锡预制片，及利用
上述焊锡预制片结构实现功率芯片低温快速无压连接并获得大尺寸耐高温焊接接头的制
造工艺。其中，泡沫铜/金属间化合物复合耐高温焊接预制片以泡沫铜为骨架，以大体积的
金属间化合物(Cu6Sn5、Cu3Sn等)为填充物，以锡镀层为表面层制得厚度可控的大尺寸耐高
温复合焊接预制片。由于锡镀层具有低温焊接能力，而铜及金属间化合物具有较高的熔点，
上述复合耐高温焊接预制片可以在传统低温回流工艺参数下快速实现功率芯片的垂直互
连，并形成服役温度大于300℃的耐高温焊接接头，满足功率芯片长期高温服役需求。

[0022] 本发明可以在传统低温无压回流工艺条件下快速制造耐高温焊接接头，与传统回流焊制造工艺兼容，消除了高温、高压、长时间回流工艺对芯片内部结构的不利影响，形成
的耐高温焊接接头尺寸可控，具有良好的高温力学性能及优良的导电、散热能力，且耐高温
焊接接头对于第三代功率半导体芯片的长期稳定服役有重大实用价值。本发明制备的耐高
温焊接预制片制造工艺简单、内部缺陷少、可靠性能佳、低温互连能力强、成本低廉且便于
批量制造。

附图说明

[0023] 包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。将容易认识
到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地
理解。附图的元件不一定是相互按照比例的。同样的附图标记指代对应的类似部件。

[0024] 图1是根据本发明的一个实施例的一种功率芯片封装用耐高温接头的低温快速无压制造方法的流程图；

[0025] 图2是根据本发明的一个实施例的泡沫铜表面形貌(a)和泡沫铜截面结构(b)的示意图；

[0026] 图3是根据本发明的一个实施例的复合耐高温焊接预制片的加工成形示意图；

[0027] 图4是根据本发明的一个实施例的泡沫铜/金属间化合物复合耐高温焊接预制片界面形貌图(a)和耐高温焊接接头截面形貌图(b)；

[0028] 图5是根据本发明的一个实施例的耐高温焊接接头的剪切强度的示意图。

具体实施方式

[0029] 为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施
例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的
所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

[0030] 下面将结合附图1对本发明作详细的介绍，本发明的一种功率芯片封装用耐高温接头的低温快速无压制造方法，包括以下步骤：

[0031] 步骤S1：根据实际需求选用不同孔径的商用泡沫铜，裁剪成所需形状；对裁剪后的泡沫铜先用酒精溶液进行超声清洗5‑10分钟，以去除泡沫铜的表面残留有机物；然后用1‑
10％的盐酸酒精或硝酸酒精溶液超声清洗0.5‑3分钟，以去除泡沫铜表面氧化膜；再用去离
子水超声清洗泡沫铜1分钟并用氮气吹干；最后使用氩气等离子体清洗机对泡沫铜进行表
面处理10‑30分钟，功率范围50‑150W，可依据泡沫铜的厚度调节功率和时间参数。氩气等离
子体清洗机的激发频率为13.56MHz，利用高频率的等离子体气体对泡沫铜孔隙内部的结构
进行活化，这样不用再添加助焊剂，减少助焊剂在加热过程中挥发导致的气体。

[0032] 步骤S2：将锡基钎料熔化于熔池中，加入适量铜粉(1kg钎料加入10‑50g铜粉)并充分搅拌形成熔融钎料，熔融钎料的温度保持在高于钎料熔点10‑20℃，刮去熔融钎料表面的
氧化膜；将等离子体清洗后且无助焊剂添加的泡沫铜迅速浸渍于熔融钎料中，时间保持在
5‑10秒后取出；水冷至室温，冷风吹干。

[0033] 步骤S3：利用双侧可单独控温且可施加超声波载荷的平板热成型机对步骤S2所得的预制片进行加工成形，当平板热成型机的高温侧加热板加热至高于钎料熔点温度20‑100
℃，且平板热成型机的低温侧加热板的温度低于高温侧加热板0‑100℃时放入预制片，利用
平板加压装置施加载荷，压强范围为50‑1000MPa，利用厚薄规测量并精准控制预制片厚度；
当厚度值达到预设值后保持压强值稳定，开启气动装置，将超声波探头插入高温侧加热板
探头槽内，开启超声波，超声功率为200‑1500W，超声压力为0.6MPa，超声时间为1‑10分钟；
平板热成型机继续保温0‑30分钟，开启循环水冷机，将平板热成型机快速冷却至室温，卸载
压力并将预制片取出备用。

[0034] 步骤S4：对步骤S3所得的预制片先用1‑10％的盐酸酒精或硝酸酒精溶液超声清洗1‑3分钟；然后用去离子水超声清洗1分钟；再用氩气等离子体活化表面5‑10分钟，功率范围
在50‑150W；将上述预制片浸润于商用化学镀锡液中保持0.5‑10分钟，取出烘干，所得即为
泡沫铜/金属间化合物复合耐高温焊接预制片。

[0035] 步骤S5：利用商用大功率激光切割机，根据功率芯片焊盘形状对泡沫铜/金属间化合物复合耐高温焊接预制片进行图形化切割，激光功率为100‑500W，定位精度±0.05mm；将
图形化后的预制片收存备用。

[0036] 步骤S6：将铜焊盘、图形化复合耐高温焊接预制片、铜焊盘三者堆叠成三明治结构，采用传统回流焊工艺在240‑300℃温度下加热10‑60秒，随后冷却至室温，所得即为耐高
温焊接接头。

[0037] 图2为泡沫铜表面形貌(a)和泡沫铜截面结构(b)，如图2所示，泡沫铜是一种多孔材料，具有三维的网状骨架结构，并且相比于铜块体具有更大的比表面积，表面晶界较多，
能量较高，适合金属间化合物的生长。

[0038] 图3为复合耐高温焊接预制片的加工成形示意图，如图3所示，利用双侧可单独控温且可施加超声波载荷的平板热成型机对步骤S2所得的预制片进行加工成形，预制片的厚
度可根据实际需要设置。

[0039] 图4为泡沫铜/金属间化合物复合耐高温焊接预制片界面形貌图(a)和耐高温焊接接头截面形貌图(b)，如图4(a)所示，所得泡沫铜/金属间化合物复合耐高温焊接预制片预
制片在温度梯度的作用下已转变为以铜为骨架，金属间化合物填充的结构，在其表面覆锡
后，可以有效降低预制片与铜焊盘之间的能垒，实现预制片与铜焊盘的低温回流。从图4(b)
可以看出，接头已经形成了有效的互连。

[0040] 图5为耐高温焊接接头的剪切强度的示意图，如图5所示，当温度梯度为60℃时，可以获得最佳的剪切强度；当温度梯度为80℃时，铜骨架已被快速溶解，剪切强度快速降低。

[0041] 实例1

[0042] 选用孔径为150μm、孔隙率为63.1％、厚度为100μm的商用泡沫铜，裁剪成10×2
10mm的方形小块，先用酒精溶液对其超声清洗5分钟，然后用5％的盐酸酒精溶液超声清洗
1分钟，再用去离子水超声清洗1分钟并用氮气吹干，最后使用氩气等离子体清洗机清洗10
分钟，功率范围100W。将锡铜共晶钎料熔化于熔池中，加入适量铜粉(1kg钎料加入10‑50g铜
粉)并充分搅拌，保持温度在240℃，刮去表面氧化膜，将等离子体清洗后且无助焊剂添加的
泡沫铜迅速浸渍于熔融钎料中，保持5秒后取出，水冷至室温，冷风吹干。

[0043] 利用双侧可单独控温且可施加超声波载荷的平板热成型机，设置低温侧加热板为220℃，高温侧加热板为240℃；当温度升至预定温度时，将预制片放置于加热板之间，压强
为200MPa，使得预制片厚度达到70μm；当厚度值达到预设值后保持压强值稳定，开启气动装
置，将超声波探头插入高温侧加热板探头槽内，开启超声波，超声功率为1000W，超声压力为
0.6MPa，超声时间为10分钟，继续保温5分钟，随后冷却加热板至室温，取出预制片。使用质
量分数为5％的盐酸酒精溶液将预制片超声清洗1分钟，再用去离子水超声清洗1分钟，最后
用氩气等离子体(功率100W)活化表面5分钟，将上述预制片浸润于商用化学镀锡液中，保持
3分钟，取出烘干，制得复合耐高温焊接预制片。

[0044] 利用激光切割机，将预制片切割成5×5mm2的小片，激光功率500W。将铜焊盘/预制片/铜焊盘堆叠成三明治结构，采用回流焊工艺在温度240℃下无压加热60秒，冷却至室温，
得到耐高温焊接接头。进行剪切性能测试，测得该参数下接头的剪切强度为54.3MPa。

[0045] 实例2

[0046] 采用实例1相似的泡沫铜/金属间化合物复合耐高温焊接预制片的制备工艺。利用双侧可单独控温且可施加超声波载荷的平板热成型机，设置低温侧加热板为200℃，高温侧
加热板为240℃；当温度升至预定温度时，将预制片放置于加热板之间，压强为400MPa，使得
预制片厚度达到50μm；当厚度值达到预设值后保持压强值稳定，开启气动装置，将超声波探
头插入高温侧加热板探头槽内，开启超声波，超声功率为1200W，超声压力为0.6MPa，超声时
间为10分钟，继续保温10分钟，随后冷却加热板至室温，取出预制片。使用质量分数为3％的
盐酸酒精溶液将预制片超声清洗1分钟，再用去离子水超声清洗1分钟，用氩气等离子体(功
率120W)活化表面3分钟，将上述预制片浸润于商用化学镀锡液中，保持5分钟，取出烘干，制
得复合耐高温焊接预制片。

[0047] 利用激光切割机，将预制片切割成5×5mm2的小片，激光功率500W。将铜焊盘/预制片/铜焊盘堆叠成三明治结构，采用回流焊工艺在240℃下无压加热60秒，冷却至室温，得到
耐高温焊接接头。进行剪切性能测试，测得该参数下接头的剪切强度为67.8Mpa。

[0048] 虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包
含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和
范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在
本发明保护范围之内。