基于纳米银焊膏的SiC器件三维堆叠互连结构及制备方法技术

本发明专利技术提供了一种基于纳米银焊膏的SiC器件三维堆叠互连结构及制备方法，该互连结构包含纳米银焊膏和陶瓷板，用纳米银焊膏填充陶瓷板的通孔，烧结形成导电通路，进一步通过纳米银焊膏烧结，实现芯片电极的堆叠互连；陶瓷基板作为绝缘板以及垫高层，增加两芯片的距离，避免芯片间的边缘击穿效应；该互连结构的连接可实现多个芯片的纵向互连，且所选材料包含陶瓷基板和纳米银焊膏，纳米银焊膏烧结后主要成分为银，其导电性能与耐温性能与纯银相近，均为耐高温材料，可用于大功率芯片的互连；与其他封装形式相比，结构简单，可操作性强，且具有较普遍的适用性，是实现高温高压堆叠封装的简单有效方法。

【技术实现步骤摘要】
基于纳米银焊膏的SiC器件三维堆叠互连结构及制备方法
本专利技术涉及半导体功率器件封装领域，尤其涉及一种基于纳米银焊膏的SiC器件三维堆叠互连结构及制备方法，将纳米银焊膏用于填充陶瓷通孔和堆叠互连，实现功率芯片的三维堆叠。
技术介绍
碳化硅是典型的第三代半导体材料，随着电子行业的不断发展，碳化硅器件应运而生，其工作温度高，耐压高，旧的封装形式很难完全发挥碳化硅器件的优越性。碳化硅器件对封装的需求主要体现在高温高压封装，目前，针对碳化硅器件封装的研究单位还很少，多碳化硅功率芯片的封装多为模块形式，体积庞大，通过焊料焊接实现芯片贴装，采用引线键合实现芯片电极与外接端子的互连，焊料焊接的主要问题在于焊接完成后焊接层材料性质不变，其耐温较低，影响二次焊接材料的选择，引线键合的问题在于封装尺寸受限于引线高度，其引线增加了寄生电感及电阻，降低了封装可靠性。纵向堆叠是实现小型化、集成化的有效途径之一，限制纵向堆叠封装技术发展的关键因素在于芯片间的互连技术，目前芯片间互连的技术方法还很不成熟，因此需要研究新的封装形式来满足高温高压的需求，同时减小封装体积，增加封装可靠性。本申请人已经提出了专利技术名称为一份基于三层DBC基板的碳化硅器件封装结构及制造方法，公开号为CN107393882A，公开日为2017年11月24日，该技术方案中封装结构包含三层图形化的DBC基板形成上中下结构，两层纳米银焊膏，纵向碳化硅功率芯片及耐高温填料；但是该方案中仅仅是通过DBC基板的图形化及纳米银焊膏的连接实现芯片电极无引线引出，不能形成三位堆叠的互连结构。
技术实现思路
本专利技术的目的在于实现碳化硅器件的三维堆叠满足高温高压的需求，同时尽量的减小封装体积，增加封装可靠性，本专利技术要解决的技术问题为多芯片堆叠的连接问题，这种连接结构不仅耐高温高压，并且连接稳定可靠。为达到上述目的，本专利技术提出如下技术方案：一种基于纳米银焊膏的SiC器件三维堆叠互连结构，由陶瓷基板和纳米银焊膏组成，陶瓷基板上钻有通孔，在通孔内壁和两连接界面均淀积金属铜种子层，通孔内填充纳米银焊膏，烧结形成导电通路，进一步通过纳米银焊膏烧结实现芯片各电极的连接。优选的，所述填充材料和互连材料均为纳米银焊膏，纳米银焊膏自身具有流动性，方便刷涂，且通过加压更易填充空隙。优选的，所述基于纳米银焊膏的SiC器件三维堆叠互连结构中的陶瓷基板是通过激光打孔形成通孔，且通孔内壁和两连接界面均淀积金属铜种子层。优选的，所述陶瓷基板中通孔孔径范围100μm~2mm，孔径越大越易填充。优选的，所述芯片为碳化硅功率芯片，且其上下表面镀银。优选的，所述基于纳米银焊膏的SiC器件三维堆叠互连结构的制作方法如下：（1）陶瓷基板激光打孔，根据电极尺寸设计打孔的位置和孔径的大小；（2）陶瓷基板的表面及通孔侧壁淀积种子层，然后在陶瓷基板的表面镀银；（3）将芯片进行双面镀银；（4）将陶瓷基板的通孔用纳米银焊膏填充，进行烧结，形成连接结构；（5）使用模具固定陶瓷基板，然后在陶瓷基板的两面刷涂纳米银焊膏，安装芯片，形成堆叠结构，加压烧结；（6）制作完成。上述方案中提供的SiC器件三维堆叠互连结构及制备方法，应用于碳化硅功率器件的三维封装堆叠连接。通过陶瓷基板与纳米银焊膏的组合，形成了连接结构，陶瓷基板作为中间绝缘层以及垫高层，通过纳米银焊膏实现陶瓷基板的大孔径填充。陶瓷基板不仅导热系数高，耐高温，且绝缘性能好，可以一定程度上缓解高电压下芯片间的边缘击穿效应。纳米银焊膏烧结完成后其成分90%以上为银，其耐温可达900℃，且纳米银的微观组织为多孔结构，可缓冲不同界面因热失配产生的应力。本专利技术中所用材料均为耐高温材料，既保证了芯片间电极的纵向连接，又保证了芯片间可靠的机械连接，改善了传统的引线键合连接带来的问题，缩短了互连距离，增加了接触面积，增强了芯片的使用寿命，提高了器件的可靠性。附图说明图1为本专利技术的结构示意图。图2为本专利技术的结构制备流程示意图。图3为本专利技术的加压烧结示意图。其中：1、4、7--碳化硅功率芯片，2、5--纳米银焊膏，2.1、2.3、5.1、5.3—连接界面之间的纳米银焊膏，2.2、5.5--陶瓷基板通孔内的纳米银焊膏，3、6--陶瓷基板。具体实施方法下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术实施例提供了一种基于纳米银焊膏的SiC器件三维堆叠结构如图1所示，包括：三个碳化硅功率芯片1、4、7，均为纵向结构二极管；两层互连结构2、3、5、6。其中互连结构是由带通孔的陶瓷基板3、6以及纳米银焊膏2、5组成，陶瓷基板中的通孔孔径>100μm，在通孔的孔壁及陶瓷基板的上下表面淀积一层金属层作为种子层，在表层镀银，通过丝网印刷方法将流动性相对较大的纳米银焊膏填充满陶瓷通孔，低温烘烤，然后通过模具固定陶瓷板，分别在陶瓷板两表面印刷纳米银焊膏，组装碳化硅功率芯片以及连接结构，稍微施压至焊膏溢出，置于加热台进行烧结，既得碳化硅功率芯片的三维堆叠结构。该基于纳米银焊膏的SiC器件三维堆叠结构的制备实施步骤如下：（1）陶瓷基板3、6激光打孔，根据电极尺寸及结构设计打孔位置；（2）陶瓷基板3、6表面及通孔侧壁淀积薄层金属层，表面镀银；（3）碳化硅功率芯片1、4、7进行双面镀银；（4）将陶瓷基板3、6放置于光滑板，将流动性相对较大的纳米银焊膏通过丝网印刷方法和针管灌注方法，填充满陶瓷基板的通孔，即陶瓷基板通孔内的纳米银焊膏2.2、5.2，连同光滑板及陶瓷基板一起放置于加热台进行低温烘烤干燥；（5）如图2所示，将陶瓷基板取下固定于印刷模具，分别在陶瓷基板的两面刷涂纳米银焊膏，即连接界面之间的2.1、2.3、5.1、5.3，制得堆叠互连结构；（6）将双面银的碳化硅功率芯片1、4、7以及堆叠连接结构按图3所示堆叠结构进行堆叠组装，施加一定的压力至焊膏溢出碳化硅功率芯片1、4、7；（7）将组装好的结构放置于加热台进行烧结。本专利技术选用纯陶瓷板，通过打孔、电镀、填孔烧结以及互连烧结实现不同电极的纵向互连，可实现多芯片的串联。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于纳米银焊膏的SiC器件三维堆叠互连结构，其特征在于，该互连结构是由陶瓷基板和纳米银焊膏组成，首先通过纳米银焊膏填充陶瓷片通孔，然后通过纳米银焊膏实现连接芯片各电极的连接。

【技术特征摘要】
1.基于纳米银焊膏的SiC器件三维堆叠互连结构，其特征在于，该互连结构是由陶瓷基板和纳米银焊膏组成，首先通过纳米银焊膏填充陶瓷片通孔，然后通过纳米银焊膏实现连接芯片各电极的连接。2.根据权利要求1所述的基于纳米银焊膏的SiC器件三维堆叠互连结构，其特征在于，所述填充材料和互连材料均为纳米银焊膏。3.根据权利要求1所述的基于纳米银焊膏的SiC器件三维堆叠互连结构，其特征在于，所述互连结构中的陶瓷基板是通过激光打孔形成通孔，且通孔内壁和两连接界面均淀积金属铜种子层。4.根据权利要求1所述的基于纳米银焊膏的SiC器件三维堆叠互连结构，其特征在于，所述陶瓷基板中通孔孔径范围100μm~2m...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨英坤，张龙，李俊焘，代刚，肖承全，古云飞，银杉，张林，徐星亮，向安，周阳，李志强，崔潆心，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院电子工程研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51