一种可实现低温键合高温服役的功率半导体芯片封装结构制造技术

本发明专利技术公开了一种可实现低温键合高温服役的功率半导体芯片金属层结构，包括在芯片传统背金层Ti/Ni/Au的基础上，进一步通过电镀的方法分别沉积金属Co和Sn层，同时在基板铜层表面电镀金属Co层，形成Co/Sn/Co三明治结构。本发明专利技术电镀的Sn镀层晶粒致密，具有孔隙率低和可焊性好的特点，避免了焊料层如焊膏或焊片在回流过程中导致的空洞和有机物残留等问题。流过程中导致的空洞和有机物残留等问题。流过程中导致的空洞和有机物残留等问题。

【技术实现步骤摘要】
一种可实现低温键合高温服役的功率半导体芯片封装结构


[0001]本专利技术属于功率半导体芯片的封装
，尤其是指一种可实现低温键合高温服役的功率半导体芯片封装结构。

技术介绍

[0002]功率器件是电子装置中电能转换与电路控制的核心，主要包含二级板、晶闸管、MOSFET和IGBT等。功率器件在耐高压、大电流和快速响应等方面有着显著的优势，但随着能量密度的升高，器件的可靠性面临了严峻的考验。例如，市场上3300V及以上的焊接型IGBT功率模块中，一次回流时，芯片焊接/DCB陶瓷基板的焊接材料是高熔点的金锡焊料或高铅焊料(铅含量高于85％)。对于焊接材料的选择，一方面，材料需要提供一定的力学支撑，同时还需要兼顾高温等挑战。
[0003]功率器件的失效形式可以分为两种：芯片失效和封装失效。封装失效是指材料在温度循环下的积累损伤，已成为模块目前最主要的失效形式。封装结构中最脆弱的部位分别是用于焊接固定的焊料层和用于形成芯片间电气连接的键合引线。大量研究表明，当结温温度波动较小时，封装失效的形式表现为焊料层老化和疲劳。传统封装结构中，焊膏和焊片的使用可能会造成焊接区域空洞，影响产品的电性能、热性能和机械性能。随着SiC、GaN等新一代半导体的应用，芯片工作温度可达300℃以上，因此对芯片焊接材料的熔点提出更高的要求。传统焊料已无法满足器件的可靠性要求，业内对新型高温服役的焊接连接材料和结构的需求已迫在眉睫。
[0004]中国专利技术专利(CN201310676658.X)提供了一种纳米增强铋基无铅高温焊料及制备方法。该专利提出的高温焊料包含纳米银粉和铋粉或铋锑合金粉，其中纳米银粉占2～12wt％，根据组分含量可以配制成熔点260～380℃的高温焊料。通过其组成可以看出，该高温焊料的成本相对较高，而且焊料的制备过程较为复杂，涉及大量的络合反应。中国专利技术专利(CN201510388451.1)提出了一种由Sn
‑
Sb合金粉、Cu
‑
Sn合金粉和助焊膏组成的高温无铅焊膏。虽然该焊膏成分可用于大功率半导体的封装，但根据Sn
‑
Sb二元合金相图和大量的实验事实可以发现，封装后焊料组织中存在大块的SnSb IMCs。在巴氏合金中，SnSb IMCs属于耐磨相，其硬度高脆性大，因此，在封装结构中出现SnSb IMCs虽然满足了高温封装的需求，但不利于器件在服役过程中的可靠性。中国专利技术专利(CN200810028182.8)提出了一种由Sn、Sb、Cu和少量合金元素组成的焊料合金，该专利同样存在服役可靠性的问题。

技术实现思路

[0005]目前对功率半导体器件的封装焊料的改进主要体现在焊料成分的变更上，已知的用于封装的焊料未见上述合金或具有高Sb含量的焊料使用。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种可实现低温键合高温服役的功率半导体芯片金属层结构。通过变更金属层结构达到低温键合高温服役的目的。
[0007]一种可实现低温键合高温服役的功率半导体芯片金属层结构，所述功率半导体芯
片金属层结构包括功率半导体芯片、芯片背金层、基板以及基板铜层，所述芯片背金层表面具有Co镀层和Sn镀层，所述基板铜层表面具有Co镀层，所述功率半导体芯片和基板铜层之间形成Co/Sn/Co三明治结构。
[0008]在本专利技术的一个实施例中，所述Co镀层的厚度大于5μm，所述Sn镀层的厚度大于10μm。
[0009]在本专利技术的一个实施例中，所述Co镀层采用电沉积方法或蒸镀方法制备得到。
[0010]在本专利技术的一个实施例中，所述Sn镀层采用酸性电镀方法制备得到。
[0011]根据权利要求4所述的功率半导体芯片金属层结构，其特征在于，所述酸性电镀方法中采用的酸性电镀液成分为：硫酸亚锡10～50g/L、硫酸50～100g/L、硫酸亚铁1.0～3.0g/L、酒石酸锑钾0.5～2.0g/L与明胶0.6～1.0g/L。
[0012]在本专利技术的一个实施例中，所述酸性电镀液成分为：硫酸亚锡20g/L、硫酸90g/L、硫酸亚铁3.0g/L、酒石酸锑钾1.0g/L与明胶1.0g/L。
[0013]在本专利技术的一个实施例中，所述酸性电镀液的制备方法，向水中加入硫酸，当温度稳定在60℃时，加入硫酸亚锡，搅拌4h以上，待硫酸亚锡充分溶解无结晶析出时，分别加入硫酸亚铁、酒石酸锑钾和明胶，搅拌即得所述酸性电镀液。
[0014]在本专利技术的一个实施例中，所述酸性电镀方法中电镀温度20～30℃，电流密度0.5～1.0A/dm2，阳极电极为Sn片，工作电极为工件。
[0015]在本专利技术的一个实施例中，所述功率半导体芯片金属层结构经过回流焊处理，回流温度327～425℃。
[0016]在本专利技术的一个实施例中，所述回流温度为350℃。
[0017]本专利技术的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
[0018]采用本专利技术所述的镀Sn液制备的Sn镀层属于酸性哑光锡。镀液具有电镀效率高，镀层可焊性好，平整度高的特点。其中，硫酸提供了酸性环境，硫酸亚锡提供镀液中的二价Sn离子。镀液中的稳定剂采用硫酸亚铁和酒石酸锑钾，延缓Sn
2+
离子氧化成Sn
4+
离子导致的镀液浑浊。明胶的加入使电镀时基板表面的电流密度均匀，防止枝晶的形成，保证了Sn镀层的平整，为后续回流过程中形成无气孔的键合提供保障。
[0019]本专利技术所述的芯片背金与基板铜层之间形成的Co/Sn/Co三明治结构在回流焊过程中，在350℃的键合温度下，液态的Sn可迅速与两侧的Co层发生冶金反应并形成高熔点的CoSn2金属间化合物(IMCs)。完成回流焊后，Co/Sn/Co转变为Co/CoSn2/Co结构。根据二元合金相图，CoSn
2 IMCs的熔点为568℃且具有一定的韧性。因此，CoSn
2 IMCs可以为贴装后续工艺流程提供足够的力学支撑和较宽的温度窗口。相比于传统的低温键合高温服役结构，即Cu/Sn/Cu经键合后形成的Cu/Cu6Sn5/Cu结构，CoSn2的熔点和力学性能均高于Cu6Sn5。此外，Cu6Sn5和Cu在常温下会继续缓慢反应形成Cu3Sn，Cu3Sn是一种硬而脆的金属间化合物。在形成Cu3Sn的过程中，由于柯肯达尔效应，会导致Cu3Sn内部形成大量的空洞，一旦形成裂纹，空洞会加速裂纹的扩展。因此，在服役的性能方面和长期可靠性方面，本专利技术提出的Co/Sn/Co结构均优于传统键合形成的Cu/Cu6Sn5/Cu结构。
附图说明
[0020]为了使本专利技术的内容更容易被清楚的理解，下面根据本专利技术的具体实施例并结合
附图，对本专利技术作进一步详细的说明，其中
[0021]图1a为本专利技术实施例1制备的Co/Sn/Co三明治结构。
[0022]图1b为本专利技术对比例1制备的传统封装结构中Cu/Sn/Cu三明治结构。
[0023]图2a为本专利技术实施例1经过回流后形成的Co/CoSn2/Co全金属间化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可实现低温键合高温服役的功率半导体芯片金属层结构，所述功率半导体芯片金属层结构包括功率半导体芯片、芯片背金层、基板以及基板铜层，其特征在于，所述芯片背金层表面具有Co镀层和Sn镀层，所述基板铜层表面具有Co镀层，所述功率半导体芯片和基板铜层之间形成Co/Sn/Co三明治结构。2.根据权利要求1所述可实现低温键合高温服役的功率半导体芯片金属层结构，其特征在于，所述Co镀层的厚度大于5μm，所述Sn镀层的厚度大于10μm。3.根据权利要求1所述可实现低温键合高温服役的功率半导体芯片金属层结构，其特征在于，所述Co镀层采用电沉积方法或蒸镀方法制备得到。4.根据权利要求1所述可实现低温键合高温服役的功率半导体芯片金属层结构，其特征在于，所述Sn镀层采用酸性电镀方法制备得到。5.根据权利要求4所述可实现低温键合高温服役的功率半导体芯片金属层结构，其特征在于，所述酸性电镀方法中采用的酸性电镀液成分为：硫酸亚锡10～50g/L、硫酸50～100g/L、硫酸亚铁1.0～3.0g/L、酒石酸锑钾0.5～2.0g/L与明胶0.6～1.0g/L...

【专利技术属性】
技术研发人员：田爽，张振越，王波，王剑锋，黄卫，杨中磊，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十八研究所，
类型：发明
国别省市：