本发明专利技术公开了一种低温快速生成高强度高熔点接头的芯片连接方法。本发明专利技术采用自设计的电阻加热与功率超声结合的超声辅助热压装置，在不破坏芯片的同时，采用高频率低压力的超声振动实现对芯片的低温连接。在芯片连接过程中，利用超声的物理振动效应使得金属纳米颗粒之间、颗粒与基板之间产生了剧烈的摩擦，导致焊料层的温度快速升高，从而加速了原子的扩散，最终在极短时间内更低的温度下实现了芯片与基板的连接。本发明专利技术方法获得接头具有更高剪切强度(70‑90MPa)、高热导率(60‑80W/m·K)、宽的服役温度，是第三代半导体芯片连接的一种有效解决方案，同时满足长时间高服役温度、高强度、高可靠性的特殊应用场合。
【技术实现步骤摘要】
一种低温快速生成高强度高熔点接头的芯片连接方法
：本专利技术属于一种新型芯片连接技术，具体的涉及一种低温快速生成高强度高熔点接头的芯片连接方法，可应用于各类元器件的表面贴装工艺。
技术介绍
：在微电子封装领域中，半导体芯片的发展趋势必定朝着小型化、高集成度、高功率密度的方向推进，并且对器件提出了更高更苛刻的要求，如：高温、大电流及恶劣环境下的高可靠性服役，这对于传统芯片互连带来了极大的挑战。此外，随着以SiC、GaN为代表的宽禁带、热导率高、击穿电压高、化学稳定型好等独特性能的第三代半导体材料的快速发展，尤其是他们在航空航天、电力电子、5G通讯基站、汽车电子等方面的大量应用，使得其备受研究者们的青睐。因此，对于第三代新型半导体器件在高温下(350℃)具有良好的服役条件提出了严峻的挑战，由此关于开发新型互连材料和封装工艺的研究显得尤为急迫和重要。目前，针对新型互连材料与工艺开发的难题，研究者们提出的主要解决方法是高温无铅钎料、瞬态液相连接、纳米颗粒烧结等。首先，高温无铅钎料存在众多劣势，如高脆性的Bi基钎料、高昂成本的Au基钎料以及高温稳定型差的Zn基钎料，它们都会造成芯片互连的失效，进而严重限制其广泛的应用。其次，现在主流的瞬态液相连接技术，其特点是由两种高熔点与低熔点物质在一定温度下生成高熔点全化合物接头，它可以降低器件的工艺温度，但获得全化合物接头的时间过长，且容易产生较高的热应力，进而使器件的可靠性大大降低。最后，随着纳米技术的快速发展，具有尺寸效应的金属纳米颗粒可以在低温下实现快速烧结，从而获得与块状金属近似的优异性能，最终达到低温连接高温服役的目标。近年来，纳米颗粒烧结成为了高温大功率器件封装的最优选择。如：中国专利201310646155.8公开了一种具备尺寸效应的纳米级/微米级颗粒混合型无铅焊料膏，其可保证接头的高可靠性和高温服役特性；中国专利201910023730.6一种基于多点超声振动的纳米银焊料连接方法，通过控制超声波作用位置、顺序等参数，得到具有较高连接强度和机械性能的接头，从而大幅度提高了基板与壳体的连接强度。目前，引入高能量超声波对纳米焊料进行低温烧结，从而实现快速高效的连接工艺尚未有报道，尤其是以金属纳米颗粒作为中间层焊料，在高能量超声的作用下实现超低温连接和高温服役的特性，该工艺具有高效率、高强度、高可靠性以及高温稳定性好的优势。
技术实现思路
：本专利技术的目的在于提供一种低温快速生成高强度高熔点接头的芯片连接方法。该方法的优势在于高效率、高强度、高可靠性以及高温稳定性好，在第三代半导体芯片大功率器件封装领域有着极大的应用前景。一种低温快速生成高强度高熔点接头的芯片连接方法，连接材料主要包括：具有镀层的芯片-1、纳米焊料中间层-2和基板-3，其特征在于包括以下步骤：(1)被连接材料进行表面处理：具有镀层的芯片-1和基板-3进行采用金属表面离子清洗，以去除氧化层和表面有机物，然后进行超声清洗，使其露出清洁的金属表面备用；(2)采用凹版印刷工艺将配置好的纳米焊膏均匀涂敷在基板-3的上表面，并将基板-3置于下层，将具有镀层的芯片-1置于上层，从而构成从上到下依次为具有镀层的芯片-1、纳米焊料中间层-2和基板-3的一种三明治结构，将此三明治结构置于夹具中；(3)用加热装置对下基板-3进行加热，通过热传导使纳米焊料中间层-2达到预定连接温度后保温一段时间，目的是除去焊膏中水蒸气及有机溶剂；(4)将三明治结构持续加热至一定温度，记录此过程的升温速率，并预先设置好需要的超声参数，待温度稳定后施加超声；(5)采用高频低压的超声振动作用于具有镀层的芯片-1上进行辅助烧结；(6)超声振动结束后，将超声振动压头抬起并停止对具有镀层的芯片-1施压以及停止加热，使连接接头部位冷却至室温。作为本专利技术的一种优选技术方案，上述步骤(1)中所述的具有镀层的芯片-1背面镀层为Ni/Ag、Ni/Au，芯片包括工业生产的Si芯片和SiC、GaN等宽带隙半导体芯片，所述的基板-3形状为片状、板状或块状，其材料为工业使用的高纯的金属基板或引线框架，包括工业生产的铜基板、铜引线框架和其他金属基板。作为本专利技术的一种优选技术方案，上述步骤(1)中所述的表面离子清洗工艺采用离子源为氧、氮、氩等离子，射频功率为50-500W，射频时间为10-200s，腔体压强为-10--100Pa，超声清洗时间为10-60s。作为本专利技术的一种优选技术方案，上述步骤(2)中所述的凹版印刷工艺为刮刀距基板的距离为1.1-2mm，刮刀与基板的水平度保持在水平偏差为0-2度范围内，基板-3装卡在固定尺寸夹具上，限制基板-3不能前后左右移动，具有镀层的芯片-1通过芯片拾取装置实现与基板-3配合，使二者的连接面相对并将纳米焊料中间层-2置于所需被连接界面之间，构成芯片-中间层-基板的“三明治”结构。作为本专利技术的一种优选技术方案，上述步骤(2)中所述的纳米焊膏主要是纳米焊膏、纳米铜焊膏、纳米金属合金焊膏、纳米多金属焊膏等，焊膏的粘度为0-100Pa·s，印刷焊膏的厚度为10-30μm。作为本专利技术的一种优选技术方案，上述步骤(3)中所述的加热装置作用是实时监测加热温度，其主要包括测温装置与温控装置，所述测温装置可以为红外测温或热电偶测温装置，通过所属温控装置对中间层部位实时温度控制，预热温度为50-150℃，预热时间为10-60min，进而确保焊膏中水与有机物的挥发。作为本专利技术的一种优选技术方案，上述步骤(4)中所述的持续加热温度为150-300℃，加热速率为10-30℃/min，超声波的传播方向为横向传播，并以高频振动低压力的方式加载于具有镀层的芯片-1上端，以保证短时间内芯片不受到破坏。作为本专利技术的一种优选技术方案，上述步骤(4)中所述的设置的超声参数为：超声功率0-200W，超声加载时间0-5s，超声频率20-40kHz，超声振幅为4-16μm，压头气压为0-0.5MPa。作为本专利技术的一种优选技术方案，上述步骤(5)高频低压的超声振动作用沿用步骤(4)的超声参数，辅助烧结的温度150-300℃作为本专利技术的一种优选技术方案，上述步骤(6)施压的参数为压头气压为0-0.5Mpa，施压采用气压泵推动杆进行。本专利技术进一步提供了一种低温快速生成高强度高熔点接头的芯片，采用前述的方法制备得到。所获得的接头具有更高剪切强度(70-90MPa)、高热导率(60-80W/m·K)、宽的服役温度(0-950℃)。本专利技术是基于以下原理实现的：超声波是一种具有特殊性质与能量的波，在本专利技术中通过设计超声芯片连接的装置，能够将高频低压振动的超声振动直接作用于具有镀层的芯片-1上，然后传递至纳米焊料中间层-1中，从而引起一系列的超声效应实现芯片与基板的低温键合。其中超声摩擦效应，当超声高频振动传播到纳米含量中间层时，此时液体挥发完全的焊料主要以金属纳米颗粒的固态形式存在，由于超声的物理振动效应使得金属纳米颗粒之间、颗粒与基板之间产生了剧烈的摩擦，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种低温快速生成高强度高熔点接头的芯片连接方法，其特征在于：连接材料主要包括：具有镀层的芯片-1、纳米焊料中间层-2和基板-3，其特征在于包括以下步骤：一种低温快速生成高强度高熔点接头的芯片连接方法，连接材料主要包括：具有镀层的芯片-1、纳米焊料中间层-2和基板-3，其特征在于包括以下步骤：/n(1)被连接材料进行表面处理：具有镀层的芯片-1和基板-3进行采用金属表面离子清洗，以去除氧化层和表面有机物，然后进行超声清洗，使其露出清洁的金属表面备用；/n(2)采用凹版印刷工艺将配置好的纳米焊膏均匀涂敷在基板-3的上表面，并将基板-3置于下层，将具有镀层的芯片-1置于上层，从而构成从上到下依次为具有镀层的芯片-1、纳米焊料中间层-2和基板-3的一种三明治结构，将此三明治结构置于夹具中；/n(3)用加热装置对下基板-3进行加热，通过热传导使纳米焊料中间层-2达到预定连接温度后保温一段时间，目的是除去焊膏中水蒸气及有机溶剂；/n(4)将三明治结构持续加热至一定温度，记录此过程的升温速率，并预先设置好需要的超声参数，待温度稳定后施加超声；/n(5)采用高频低压的超声振动作用于具有镀层的芯片-1上进行辅助烧结；/n(6)超声振动结束后，将超声振动压头抬起并停止对具有镀层的芯片-1施压以及停止加热，使连接接头部位冷却至室温。/n...
【技术特征摘要】
1.一种低温快速生成高强度高熔点接头的芯片连接方法，其特征在于：连接材料主要包括：具有镀层的芯片-1、纳米焊料中间层-2和基板-3，其特征在于包括以下步骤：一种低温快速生成高强度高熔点接头的芯片连接方法，连接材料主要包括：具有镀层的芯片-1、纳米焊料中间层-2和基板-3，其特征在于包括以下步骤：
(1)被连接材料进行表面处理：具有镀层的芯片-1和基板-3进行采用金属表面离子清洗，以去除氧化层和表面有机物，然后进行超声清洗，使其露出清洁的金属表面备用；
(2)采用凹版印刷工艺将配置好的纳米焊膏均匀涂敷在基板-3的上表面，并将基板-3置于下层，将具有镀层的芯片-1置于上层，从而构成从上到下依次为具有镀层的芯片-1、纳米焊料中间层-2和基板-3的一种三明治结构，将此三明治结构置于夹具中；
(3)用加热装置对下基板-3进行加热，通过热传导使纳米焊料中间层-2达到预定连接温度后保温一段时间，目的是除去焊膏中水蒸气及有机溶剂；
(4)将三明治结构持续加热至一定温度，记录此过程的升温速率，并预先设置好需要的超声参数，待温度稳定后施加超声；
(5)采用高频低压的超声振动作用于具有镀层的芯片-1上进行辅助烧结；
(6)超声振动结束后，将超声振动压头抬起并停止对具有镀层的芯片-1施压以及停止加热，使连接接头部位冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，具有镀层的芯片-1背面镀层为Ni/Ag、Ni/Au，所述背面镀层朝下，与纳米焊料中间层-2接触，所述芯片包括Si、SiC、GaN等宽带隙半导体芯片，所述的基板-3形状为片状、板状或块状，其材料为高纯的金属基板或引线框架，金属基板包括工业生产的铜基板、铜引线框架和其他金属基板。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的表面离子清洗工艺采用离子源为氧、氮、氩等离子，射频功率为50-500W，射频时间为10-200s，腔体压强为-10--100Pa，...
【专利技术属性】
技术研发人员：计红军，张文武，修子进，马秋晨，曹依琛，潘浩，张琳，李明雨，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳哈尔滨工业大学深圳科技创新研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44
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