一种功率电子器件高效散热的界面连接结构及制备方法技术

本发明专利技术提供一种功率电子器件高效散热的界面连接结构及制备方法，包括第一低温钎料层和第二低温钎料层，二者之间放置金属

【技术实现步骤摘要】
一种功率电子器件高效散热的界面连接结构及制备方法


[0001]本专利技术属于高性能、高密度微电子封装
，特別涉及一种功率电子器件高效散热的界面连接结构及制备方法。

技术介绍

[0002]随着新能源汽车、第五代移动通信技术、光伏、射频通信等新兴领域的发展，器件集成度逐渐提升，IGBT功率器件以及拥有更高耐压等级、更高开关频率、更高工作温度(大于500℃)、更高性能的宽禁带半导体器件进入爆发式增长期且应用前景广阔。然而，功率器件在大功率工作时会产生热量，随着热量的不断累积，芯片的温度会升高，就最高结温而言，IGBT功率器件的额定温度高达175℃，宽禁带半导体器件的预期工作温度可高达300℃，过高的温度致使器件的输出功率大幅衰减，无法充分发挥器件的性能，散热已经成为限制功率器件应用的主要问题。据统计，过热导致的热疲劳失效在IGBT器件失效中占比为55％
[1
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3](图17)，散热性能的好坏直接影响功率器件产品的性能和寿命。
[0003]以IGBT功率器件为例(图18)，芯片产生的热量需通过散热器散发，热界面材料(Thermal Interface Materials，TIM)位于发热器和散热器之间，在热量传递过程中起到重要的桥梁作用。
[0004]然而，现有的热界面材料难以满足功率器件的散热需求，主要体现在以下几个方面：
[0005]传统的散热材料主要包括导热硅胶(0.4～4W/m
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K)、导热凝胶(2～5W/m
·
K)、导电胶垫(0.8～3W/m
·
K)和相变材料(0.7～1.5W/m
·
K)等
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9]，这些散热材料热导率较低，与相邻器件的热导率(例如Cu：398W/m
·
K)相差几个数量级(表1)，传热性能较差，远远不能满足高性能芯片的散热需求。
[0006]表1功率器件各部分热导率
[0007][0008][0009]无铅钎料的热导率可达到20～40W/m
·
K
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12]，且互连过程中熔化的钎料能够填充功率器件模块和散热器连接界面之间很小的缝隙，实现良好的热接触，降低界面热阻。然而，钎料要求互连工艺温度＞熔点＞服役温度。一方面，用作热界面材料的钎料熔点要小于电子器件侧焊点的熔点，避免器件侧焊点重熔，大大限制了热界面钎料的选择；另一方面，热导率较高的无铅钎料熔点一般在200℃以上，较高的连接温度将对基板上其他器件或者基板本身带来热应力甚至引发热损伤，给后续电子器件的稳定服役带来很大的隐患。
[0010]功率模块常采用堆叠封装结构，如图19所示，不同层之间的材料的热膨胀系数不同，芯片以及基板材料的热膨胀系数均小于8ppm/℃，而无铅钎料类TIM的热膨胀系数在15～30ppm/℃之间，功率模块与散热器之间的热膨胀系数差异极易产生热应力，作为散热桥梁的热界面材料层成为薄弱之处，在长时间的热循环或功率循环工作中会影响器件的可靠性。
[0011]因此，热界面材料已成为提高电子产品散热性能的瓶颈之一，开发新的热界面连接材料以及结构已成为当务之急。在考虑新的热界面连接材料时，较低的连接温度、热膨胀系数匹配度、高导热、耐高温和良好的高温可靠性都应被考虑在内。
[0012]现有技术方案中关于多孔泡沫金属在热界面材料中应用的文献记载如下：
[0013]多孔泡沫金属材料兼具多孔结构和金属属性，具有密度低、比表面积大、热导率高、比强度和比刚度大等优异性能。
[0014]中国专利CN114479773A公开的一种泡沫金属与液态金属组成的复合热界面材料主要是利用泡沫金属固有的三维连续结构解决热界面材料液态金属的高温融化泄漏问题；中国专利CN102504769A和CN103965839A主要利用多孔泡沫金属的可压缩性和柔韧性制备具有较高的弹性和柔性的热界面材料，同时降低材料成本。
[0015]中国专利CN108511407A公开的一种热界面材料及其制备方法、应用方法，它通过电镀、化学镀、蒸镀、溅射、离子镀等方式在泡沫金属的上、下表面负载低熔点金属和/或合金方式的方法制得具有三明治结构的热界面材料，用于解决功率器件的散热问题，但上述专利中并没有充分考虑泡沫金属在大气环境中的有效热导率低、热界面材料与相邻封装材料热膨胀系数差异大导致的热疲劳失效问题。
[0016]除上述技术方案外，关于热界面材料中考虑到热膨胀系数失配的文献记载如下：
application of low melting temperature alloys as wet thermal interface materials[J].International Journal of Heat and Mass Transfer.2015,85:996
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1002.
[0032][14]Dutta I,Raj R,Kumar P,et al.Liquid Phase Sintered Solders with Indium as Minority Phase for Next Generation Thermal Interface Material Applications[J].Journal of Electronic Materials.2009,38(12):2735
‑
2745.
[0033][15]Vijay K.Solder
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TIMs(Thermal Interface Materials)for superior thermal management in power electronics[C].2012.

技术实现思路

[0034]为满足高性能功率电子器件的高散热需求，解决现有技术方案中存在的热导率低、热膨胀系数不匹配、互连温度高、服役温度受限等问题，本专利技术提供一种功率电子器件高效散热的界面连接结构及制备方法。此方法采用的金属
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金属泡沫复合材料具有结构性能可设计性，可根据所选功率器件封装材料对热界面连接结构的热导率以及热膨胀系数进行调配，实现散热效率和各封装材料之间热膨胀系数匹配度的双向同步提升。本专利技术可有效提高连接结构的热导率，实现“低温连接、高温服役”，制备工艺相对简单、成本较低，不仅可以用作功率电子器件与散热器之间的热界面材料，还可以用作高温封装芯片互连材料。
[0035]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0036]一种功率电子器件高效散热的界面连接结构，所述界面连接结构包括第一低温钎料层和第二低温钎料层，第一低温钎料层和第二低温钎料层之间放置金属
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金属泡沫复合材料；所述第一低温钎料层位于上侧基体与金属
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金属泡沫复合材料之间，所述第二低温钎料层位于金属
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金属泡沫复合材料与下侧基体之间；所述第一低温钎料本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种功率电子器件高效散热的界面连接结构，其特征在于：所述界面连接结构包括第一低温钎料层和第二低温钎料层，第一低温钎料层和第二低温钎料层之间放置金属
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金属泡沫复合材料；所述第一低温钎料层位于上侧基体与金属
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金属泡沫复合材料之间，所述第二低温钎料层位于金属
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金属泡沫复合材料与下侧基体之间；所述第一低温钎料层和第二低温钎料层具有预设的厚度，金属
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金属泡沫复合材料由多孔泡沫金属和中高温无铅钎料组成，并且具有预设的厚度、热导率和热膨胀系数，调控金属
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金属泡沫复合材料中的多孔泡沫金属和中高温无铅钎料的比例，使得界面连接结构的热导率在60～250W/m
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K之间，热膨胀系数在12～25ppm/℃之间可调，通过选择不同理化性质的金属
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金属泡沫复合材料及选择不同理化性质的第一低温钎料层和第二低温钎料层，调节界面连接结构的重熔温度至预设值，在回流焊以及后续的服役过程中，第一低温钎料层和第二低温钎料层中的降熔元素与金属
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金属泡沫复合材料中的中高温无铅钎料双向扩散，致使连接结构的重熔温度高于低温钎料层熔点且小于金属
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金属泡沫复合材料中的中高温无铅钎料熔点，实现低温连接、高温服役。2.根据权利要求1所述的功率电子器件高效散热的界面连接结构，其特征在于：选择不同理化性质的金属
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金属泡沫复合材料因素包括高熔点、高导热多孔泡沫金属的孔隙率、孔径、厚度和材质，中高温无铅钎料的成分为纯Sn，Sn
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Ag
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Cu，Sn
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Ag，Sn
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Cu，Au
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Sn中的任一种，或者在上述成分中添加Ni、Sb以及Zn任一种形成的熔点大于200℃，热导率大于20W/m
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K的合金；多孔泡沫金属的金属基体包括Cu、Ag、Al、Mg；所述高熔点高导热多孔泡沫金属的孔隙率为20％～90％；所述高熔点高导热多孔泡沫金属的孔径为20～200μm；所述金属
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金属泡沫复合材料的厚度为20～500μm。3.根据权利要求1所述的功率电子器件高效散热的界面连接结构，其特征在于：选择不同理化性质的第一低温钎料层和第二低温钎料层包括第一低温钎料层和第二低温钎料层的厚度和材质，所述的第一低温钎料层的厚度为5～50μm，第二低温钎料层的厚度为5～50μm；第一低温钎料层和第二低温钎料层中低温钎料的成分为Sn
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Bi，Sn
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In，Sn
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Bi
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In，Ag
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I...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄明亮，朱琳，任婧，黄斐斐，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：