一种高可靠性半导体封装结构及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种高可靠性半导体封装结构及其制备方法，高可靠性半导体封装结构包括：热沉；位于所述热沉上的半导体激光器芯片；连接所述热沉和所述半导体激光器芯片的焊接结构，所述焊接结构包括主焊接层和若干合金块，所述主焊接层包围合金块，各合金块周围的主焊接层连接在一起，所述主焊接层的硬度小于所述合金块的硬度。所述高可靠性半导体封装结构兼顾缓解封装应力、可靠性高和寿命长。可靠性高和寿命长。可靠性高和寿命长。

【技术实现步骤摘要】
一种高可靠性半导体封装结构及其制备方法


[0001]本专利技术涉及半导体
，具体涉及一种高可靠性半导体封装结构及其制备方法。

技术介绍

[0002]高功率激光巴条芯片是多个单发光点并联组成，其特点是功率高（超过100W），需要采用高热导的热沉材料进行封装，一般热沉采用纯铜材料。高功率巴条芯片一般采用回流焊的方式，通过焊料与热沉焊接在一起，形成半导体封装结构。
[0003]然而，现有的半导体封装结构无法兼顾缓解封装应力、可靠性高和寿命长。

技术实现思路

[0004]因此，本专利技术要解决的技术问题在于解决现有技术中无法兼顾缓解封装应力、可靠性高和寿命长的问题，从而提供一种高可靠性半导体封装结构及其制备方法。
[0005]本专利技术提供一种高可靠性半导体封装结构，包括：热沉；位于所述热沉上的半导体激光器芯片；连接所述热沉和所述半导体激光器芯片的焊接结构，所述焊接结构包括主焊接层和若干合金块，所述主焊接层包围合金块，各合金块周围的主焊接层连接在一起，所述主焊接层的硬度小于所述合金块的硬度。
[0006]可选的，所述合金块的平均宽度为0.1微米
‑
3微米。
[0007]可选的，所述若干合金块的总体积占据所述焊接结构的体积的10%~60%。
[0008]可选的，所述若干合金块的总体积占据所述焊接结构的体积的40%~60%。
[0009]可选的，所述主焊接层的材料为In；所述合金块的材料包括AuIn和/或AuIn2。
[0010]可选的，所述半导体激光器芯片为边发射半导体激光器芯片；在平行于半导体激光器芯片的出光方向上分布有多个合金块，在平行于半导体激光器芯片的慢轴方向上分布有多个合金块。
[0011]可选的，在出光方向上相邻的合金块之间的间距为0.1微米
‑
10微米，在慢轴方向上相邻的合金块之间的间距为0.1微米
‑
10微米。
[0012]可选的，在焊接结构的厚度方向上分布有多个合金块。
[0013]可选的，在焊接结构的厚度方向上相邻的合金块之间的间距为0.1微米
‑
3微米。
[0014]本专利技术还提供一种高可靠性半导体封装结构的制备方法，包括：提供热沉和半导体激光器芯片，所述热沉的一侧表面设置有热沉焊接层，所述半导体激光器芯片的正面设置有电极焊接层；在所述热沉焊接层背离热沉的一侧表面形成初始焊接结构，所述初始焊接结构包括若干层第一焊接膜和位于相邻层的第一焊接膜之间的第二焊接膜；将所述半导体激光器芯片放置在所述初始焊接结构背离所述热沉的一侧上，所述电极焊接层和所述初始焊接结构接触；进行焊接加热处理，使得初始焊接结构、电极焊接层和热沉焊接层形成焊接结构，所述焊接结构包括主焊接层和若干合金块，主焊接层的材料和所述第一焊接膜的材料一致，部分合金块由第二焊接膜的材料与所述第一焊接膜的部分材料熔融形成，部分
合金块由电极焊接层的材料与所述第一焊接膜的部分材料熔融形成，部分合金块由热沉焊接层的材料与所述第一焊接膜的部分材料熔融形成；所述主焊接层包围合金块，各合金块周围的主焊接层连接在一起，所述主焊接层的硬度小于所述合金块的硬度。
[0015]可选的，每层第一焊接膜为整面结构；每层第二焊接膜为整面结构；或者；每层第二焊接膜包括若干个间隔的第二子焊接块；或者，每层第二焊接膜包括沿着第一方向延伸且沿第二方向排列的若干第一焊接条、以及沿第二方向延伸且沿第一方向排列的若干第二焊接条，第一焊接条和第二焊接条交叉设置，第一方向和第二方向不同。
[0016]可选的，任意一层第二焊接膜的厚度为任意一层第一焊接膜的厚度的2%~45%。
[0017]可选的，每层的所述第二焊接膜的厚度为5纳米至50纳米；每层的第一焊接膜的厚度为0.1微米至2微米。
[0018]可选的，所述第二焊接膜的总重量与所述若干第一焊接膜的总重量之比为6%~55%。
[0019]可选的，形成所述第一焊接膜的工艺包括蒸镀工艺；形成所述第二焊接膜的工艺包括蒸镀工艺。
[0020]本专利技术的技术方案具有以下有益效果：本专利技术技术方案中的高可靠性半导体封装结构，主焊接层的硬度小于所述合金块的硬度。所述主焊接层的硬度较小，这样主焊接层延展性、抗疲劳性好，各合金块周围的主焊接层连接在一起，所述主焊接层用于较好的缓冲热沉和半导体激光器芯片之间的应力，即使热沉和半导体激光器芯片之间的热膨胀系数差异较大，也能较好的降低封装降温过程中热沉和半导体激光器芯片因热胀冷缩形变量差异带来的封装应力。所述合金块的硬度较大，合金块有效的减小主焊接层的蠕变，有效的增加热沉和半导体激光器芯片之间的切向剪切力，这样使得半导体封装结构的可靠性高和寿命长。
附图说明
[0021]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0022]图1为本专利技术一实施例提供的高可靠性半导体封装结构的结构示意图；图2至图6为本专利技术一实施例提供的高可靠性半导体封装结构的制备过程的结构示意图；图7至图10为本专利技术另一实施例提供的高可靠性半导体封装结构的制备过程的结构示意图；图11至图14为本专利技术另一实施例提供的高可靠性半导体封装结构的制备过程的结构示意图。
具体实施方式
[0023]经研究发现，半导体巴条芯片封装所使用的焊料，根据其特性分两类，一种是硬性焊料，一种是软性焊料。硬性焊料一般是金锡（AuSn）合金，它具有剪切结合力高、可靠性高
的优点，但仅适用于热膨胀系数差异很小的材料间焊接；若热沉和半导体巴条芯片的膨胀系数差异大，采用硬性焊料会导致巨大封装应力，影响性能甚至造成芯片断裂。软性焊料，如铟（In）焊料，具有良好的延展性、抗疲劳性，可用于热膨胀系数差异大的热沉和半导体巴条芯片间的焊接，其缺点是铟易氧化、易蠕变、剪切结合力低于AuSn焊料，故可靠性和寿命远低于AuSn焊料。当半导体巴条芯片与热沉的热膨胀系数不同时，从焊料凝固点降温到常温时，半导体巴条芯片与热沉自身的热胀冷缩形变量不同，从而产生封装应力。若是采用硬焊料，硬焊料对两者形变量的差异无法做到缓冲，封装应力会很大。若是采用软焊料，可以有效的缓冲两者的形变量差异，封装应力会小。高功率半导体巴条芯片材料主要为砷化镓，热膨胀系数为6.86
×
10
‑6/K；热沉为铜材料，热膨胀系数16.7
×
10
‑6/K，热导率401 W/m*K，铜相对是一种成熟的高热导热沉材料。对于铜热沉与半导体巴条芯片的封装过程，一种方法是在热沉上通过蒸发的方式预制一层铟焊料，厚度5微米
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10微米，然后将半导体巴条芯片通过夹具压在铟焊料上，与焊料In接触，放置于真空回流焊设备中。在焊接过程中，铜热沉本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高可靠性半导体封装结构，其特征在于，包括：热沉；位于所述热沉上的半导体激光器芯片；连接所述热沉和所述半导体激光器芯片的焊接结构，所述焊接结构包括主焊接层和若干合金块，所述主焊接层包围合金块，各合金块周围的主焊接层连接在一起，所述主焊接层的硬度小于所述合金块的硬度。2.根据权利要求1所述的高可靠性半导体封装结构，其特征在于，所述合金块的平均宽度为0.1微米
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3微米。3.根据权利要求1所述的高可靠性半导体封装结构，其特征在于，所述若干合金块的总体积占据所述焊接结构的体积的10%~60%。4.根据权利要求3所述的高可靠性半导体封装结构，其特征在于，所述若干合金块的总体积占据所述焊接结构的体积的40%~60%。5.根据权利要求1所述的高可靠性半导体封装结构，其特征在于，所述主焊接层的材料为In；所述合金块的材料包括AuIn和/或AuIn2。6.根据权利要求1至5任意一项所述的高可靠性半导体封装结构，其特征在于，所述半导体激光器芯片为边发射半导体激光器芯片；在平行于半导体激光器芯片的出光方向上分布有多个合金块，在平行于半导体激光器芯片的慢轴方向上分布有多个合金块。7.根据权利要求6所述的高可靠性半导体封装结构，在出光方向上相邻的合金块之间的间距为0.1微米
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10微米，在慢轴方向上相邻的合金块之间的间距为0.1微米
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10微米。8.根据权利要求1至5任意一项所述的高可靠性半导体封装结构，在焊接结构的厚度方向上分布有多个合金块。9.根据权利要求8所述的高可靠性半导体封装结构，在焊接结构的厚度方向上相邻的合金块之间的间距为0.1微米
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3微米。10.一种高可靠性半导体封装结构的制备方法，其特征在于，包括：提供热沉和半导体激光器芯片，所述热沉的一侧表面设置有热沉焊接层，所述半导体激光器芯片的正面设置有电极焊接层；在所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：周立，王俊，曾宪斌，李顺峰，靳嫣然，魏志祥，万远红，李泉灵，潘华东，廖新胜，闵大勇，
申请(专利权)人：苏州长光华芯光电技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：