自蔓延钎焊薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术提出一种自蔓延钎焊薄膜及其制备方法，焊料层包括依次堆叠的第一钎料层、自蔓延多层膜、第二钎料层，经自蔓延多层膜的反应将芯片与基板焊接在一起，其中，第一钎料层和/或第二钎料层的熔点低于自蔓延多层膜的瞬时反应最高温度。从而有效避免了焊接过程中工艺温度和工艺时间带来的器件损伤，为第三代半导体器件应用领域提供了一种低成本、高熔点的无铅焊料，是高温、功率及大面积电子互连的有竞争力的解决方案。争力的解决方案。争力的解决方案。

【技术实现步骤摘要】
自蔓延钎焊薄膜及其制备方法


[0001]本专利技术涉及半导体封装
，特别地，本专利技术涉及一种作为封装连接的自蔓延钎焊薄膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]由于功率电子在从电动汽车、可再生能源的发电配给到智能电网等诸多低碳
都起到关键性作用，世界各国都将功率电子技术确定为战略优先的开发领域。第三代宽带隙(WBG)半导体碳化硅和氮化镓等材料的使用，为开发更高效率、更高使用温度、更高功率密度和更低成本的新一代功率电子器件奠定了基础。然而，现有传统锡基焊料的服役温度不能超过200℃，无法满足WBG器件由于高电压和高电流转换速率所带来的的高工作温度。因此，新型耐高温的互联材料已成为重点研究方向，其中典型应用代表高铅焊料(例如熔点为305℃的95Pb
‑
5Sn)被广泛研究，是目前的首选方法。然而铅本身的高毒性对人体和环境都是巨大隐患，确立经济高效的无铅替代产品应用已然迫在眉睫。现有的无铅化材料解决方案在不同应用技术层面均存在一定的技术痛点和卡点，例如：
[0003](1)金系焊料(如Au
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20Sn、Au
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12Ge、Au
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3Si)具有优异的导热性和导电性、良好的抗蠕变性，且无需助焊剂即可完成焊接。然而金作为贵金属价格高昂，且金系焊料在互连界面处的脆性金属间化合物(IMCs)易引起可靠性问题。
[0004](2)纳米银浆可在低温250℃烧结，显示出良好的导电性、导热性以及高抗拉强度，但在电场作用下易发生迁移而存在服役可靠性低的问题，同时由于材料大比表面积所带来的烧结不完全，容易导致高孔隙率和低气密性，其在器件封装中的应用受到限制。
[0005](3)瞬时液相扩散焊(TLP)凭借低熔点金属层(例如Sn)和高熔点金属层(例如Cu)的交替堆叠，在250℃通过低熔点金属层的熔化引发固液相的互扩散，从而使整个焊点形成高熔点剪切强度高的金属间化合物(IMCs)。然而，该技术十分依赖湿法电镀工艺，并易出现不均匀界面而存在互联可靠性低的风险。
[0006]综上可见，第三代半导体器件应用领域需要低成本、高熔点的无铅焊料作为高温和功率电子互连的有竞争力的解决方案，降低焊接过程中工艺时间和温度带来的器件损伤。

技术实现思路

[0007]为了解决以上问题，本专利技术提出一种高熔点、高可靠性、低成本的自蔓延钎焊技术及产品。
[0008]具体地，本专利技术所提出的技术方案如下：
[0009]一种自蔓延钎焊薄膜，包括依次设置的第一钎料层、自蔓延多层膜和第二钎料层，所述自蔓延多层膜包括Ti
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Al、Al
‑
Ni、Ti
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Ni、Ni
‑
Si、Nb
‑
Si、Al
‑
CuO
x
、Al
‑
Pt薄膜中的一种或多种，其中，所述第一钎料层和所述第二钎料层的熔点低于所述自蔓延多层膜的瞬时反应最高温度。本专利技术提出的一种自蔓延钎焊薄膜结构，可以设计降低与基底或者芯片接触部
分的熔点，从而避免对器件或芯片的损伤，保障器件或芯片在钎焊工艺窗口的安全。
[0010]进一步地，对应于所述熔点呈梯度分布，所述第一钎料层和/或第二钎料层，在沿远离自蔓延多层膜处厚度方向上，其熔点呈递减的梯度分布。在本专利技术中，熔点呈递减的梯度分布，包括平滑型递减的梯度分布，例如直线性递减或凸/凹线性递减，也包括阶梯型递减的梯度分布。对应于所述熔点呈梯度分布，所述第一钎料层和/或第二钎料层沿厚度方向其成份亦呈梯度分布。所述第一钎料层和第二钎料层的材料和厚度可以相同或不同。本专利技术提出的一种自蔓延钎焊薄膜结构中，所述第一钎料层和/或第二钎料层的熔点设计为梯度分布，使得自蔓延钎焊薄膜所的产生中心高温和面向相邻区域的陡峭温度区域，留下极小的热影响区，极大地提高了钎料对于自蔓延多层膜和芯片/器件/基底的热适配，以及提高了整个焊点的热可靠性。
[0011]进一步地，所述第一钎料层和/或所述第二钎料层的材质包括锡基、金基、铅基、银基、锌基、铋基、铟基、铝基或铜基合金。
[0012]进一步地，所述第一钎料层和/或所述第二钎料层的材质包括二元或三元锡基、二元或三元锌基、二元或三元金基，二元或三元铋基合金中的一种或两种。
[0013]进一步地，所述第一钎料层和/或所述第二钎料层，在近自蔓延多层膜处的熔点范围为1100℃
‑
400℃，在远自蔓延多层膜处的熔点范围为100℃
‑
400℃。
[0014]作为进一步优选方案，所述第一钎料层和/或所述第二钎料层，在近自蔓延多层膜处的熔点范围为1064℃
‑
420℃，在远自蔓延多层膜处的熔点范围为196℃
‑
381℃。
[0015]特别地，对于温敏器件，第一钎料层和/或所述第二钎料层，在远自蔓延多层膜处，比如是与芯片或者基底的接触区域，即焊接的界面区域的其熔点范围100℃
‑
250℃，优选为196℃
‑
232℃。对于高温或者高功率器件，第一钎料层和/或所述第二钎料层，在远自蔓延多层膜处，比如是与芯片或者基底的接触区域，即焊接的界面区域的其熔点范围250
‑
385，优选为271
‑
381。
[0016]进一步地，对于温敏器件，所述第一钎料层和/或所述第二钎料层的材质优选为锡
‑
铜合金系统、锡
‑
镍合金系统或锌
‑
锡合金系统，其在远自蔓延多层膜处，比如是与芯片或者基底的接触区域，即焊接的界面区域的熔点范围为196℃
‑
232℃。
[0017]进一步地，对于高温器件而言，所述第一钎料层和/或所述第二钎料层的材质优选为铋基合金系统或锌
‑
铝基合金系统，其在远自蔓延多层膜处、比如是与芯片或者基底的接触区域，即焊接的界面区域的熔点范围271℃
‑
381℃。
[0018]所述第一钎料层和/或所述第二钎料层的厚度一般为5
‑
150um，进一步优选为10
‑
50um。
[0019]所述自蔓延多层膜为一般周期性结构，厚度为0.01mm
‑
0.5mm。
[0020]本专利技术还提出一种自蔓延钎焊薄膜的制备方法，包括以下步骤：
[0021]选择基材；
[0022]在所述基材上制备自蔓延多层薄膜，所述自蔓延多层膜包括Ti
‑
Al、Al
‑
Ni、Ti
‑
Ni、Ni
‑
Si、Nb
‑
Si、Al
‑
CuO
x
、Al
‑
Pt薄膜中的一种或多种；
[0023]剥离所述基材；
[0024]分别在所述自蔓延多层薄膜的相对表面本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自蔓延钎焊薄膜，其特征在于，包括依次层叠设置的第一钎料层、自蔓延多层膜和第二钎料层，所述自蔓延多层膜包括Ti
‑
Al、Al
‑
Ni、Ti
‑
Ni、Ni
‑
Si、Nb
‑
Si、Al
‑
CuO
x
、Al
‑
Pt薄膜中的一种或多种，其中，所述第一钎料层和/或所述第二钎料层的熔点低于所述自蔓延多层膜的瞬时反应最高温度。2.根据权利要求1所述的一种自蔓延钎焊薄膜，其特征在于，所述第一钎料层和/或所述第二钎料层，在沿远离自蔓延多层膜处的厚度方向上，其熔点呈递减的梯度分布。3.根据权利要求2所述的一种自蔓延钎焊薄膜，其特征在于，所述第一钎料层和/或所述第二钎料层的材质包括锡基、金基、铅基、银基、锌基、铋基、铟基、铝基或铜基合金。4.根据权利要求3所述的一种自蔓延钎焊薄膜，其特征在于，所述第一钎料层和/或所述第二钎料层的材质包括二元或三元锡基、二元或三元锌基、二元或三元金基，二元或三元铋基合金中的一种或两种。5.根据权利要求3所述的一种自蔓延钎焊薄膜，其特征在于，所述第一钎料层和/或所述第二钎料层与所述自蔓延多层膜接触区域的熔点范围为1100℃
‑
400℃；所述第一钎料层和/或所述第二钎料层焊接界面区域的熔点范围为100℃
‑
400℃。6.根据权利要求4所述的一种自蔓延钎焊薄膜，其特征在于，所述第一钎料层和/或所述第二钎料层与所述自蔓...

【专利技术属性】
技术研发人员：何锦华，
申请(专利权)人：江苏诚睿达光电有限公司，
类型：发明
国别省市：