一种高效、高可靠性的(Cu,Ni)@Sn核壳结构粉末连接材料及其封装连接工艺制造技术

本发明专利技术提供了一种高效、高可靠性的铜镍合金包锡(记为(Cu,Ni)@Sn)核壳结构粉末连接材料及其封装连接工艺，属于功率芯片封装技术领域。所述(Cu,Ni)@Sn核壳结构粉末连接材料以CuNi合金粉末为核，Sn为壳。所述封装连接工艺包括：首先，在芯片和基板的待焊面镀敷CuNi合金镀层；然后，将(Cu,Ni)@Sn核壳结构粉末连接材料与乙醇或市售钎剂混合制成焊膏，将焊膏涂覆于基板的待焊面，并将芯片放置于焊膏上，组装成芯片/焊膏/基板连接结构；最后，在真空或惰性气氛或大气环境下，加热并保温实现连接。本发明专利技术解决了现有Cu

【技术实现步骤摘要】
一种高效、高可靠性的(Cu,Ni)@Sn核壳结构粉末连接材料及其封装连接工艺


[0001]本专利技术属于功率芯片封装
，具体涉及一种高效、高可靠性的(Cu,Ni)@Sn核壳结构粉末连接材料及其封装连接工艺。

技术介绍

[0002]相较于第一代元素半导体材料和第二代化合物半导体材料，新一代半导体材料(SiC、AlN和GaN)具有更宽的禁带和更高的耐热温度、热导率和击穿电压等优点，基于其制造的功率芯片能在高温(超过500℃)、高电压、高频率以及高辐射等恶劣环境下稳定运行，在航空航天、新能源汽车、轨道交通、智能电网、超深井钻探以及5G通信等领域具有广阔的应用前景。但是，功率器件的最高服役温度是由功率芯片和封装结构的耐温能力共同决定的，现有的封装技术不足以充分发挥新一代半导体功率芯片的性能。因此，亟需开发高可靠性、高效率/低成本的耐高温封装技术。
[0003]近年来，为满足新一代半导体功率芯片耐高温封装的要求，国内外研究人员提出并发展了瞬时液相烧结(Transient Liquid Phase Sintering,TLPS)连接技术，该技术采用熔点不同的两种金属的混合粉末作为连接材料，在TLPS过程中，低熔点组分熔化形成液相，润湿高熔点组分和两侧基板，并与之反应生成熔点较高的金属间化合物实现等温凝固，从而获得耐高温接头。TLPS连接技术具有工艺简单、成本低、通用性和适应性好以及“低温连接/高温服役”的特点，是目前最具潜力的耐高温封装技术。
[0004]目前，国内外提出并发展了以Cu
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Sn、Cu
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In、Ag
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Sn和Ni
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Sn等系作为连接材料的TLPS连接工艺，其中，Cu
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SnTLPS连接具有成本低、接头耐温高、导热和导电性好等优点，在新一代半导体功率芯片耐高温封装领域具有广阔的应用前景。但是，目前Cu
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SnTLPS连接工艺和研究还存在一些关键问题亟待解决，如连接效率低、接头孔隙率高、可靠性差等，极大地限制了其实际应用。针对上述问题，日本学者T.Ishizaki等以纳米级Cu
‑
Sn混合粉末作为连接材料，在300℃保温5min，获得了耐高温的接头，虽然显著地提高了连接效率，但纳米粉末容易发生氧化且难以混合均匀，导致接头孔隙率高、剪切强度低于10MPa。韩国学者J.W.Yoon基于置换反应原理制备了铜包锡(记为Cu@Sn)核壳结构粉末，并以其作为连接材料TLPS连接DBC基板和芯片，在300℃保温30min，获得了致密的接头，虽然有效地解决了粉末氧化和混粉不均匀的问题，但由于置换反应中当Cu粉被Sn完全包覆时，置换反应随即停止，能够制备的镀Sn层厚度有限，从而导致TLPS连接过程中液相量少，需要施加15MPa的连接压力才能获得致密的接头。针对这一问题，北京科技大学黄继华等采用基于化学还原的化学镀方法，制备了高Sn含量的Cu@Sn核壳结构粉末，并以其作为连接材料TLPS连接Cu基板，在0.2Ma的低连接压力下，获得了致密的接头，虽然显著地降低了连接压力，但仍需要较长的等温凝固时间(150min)才能实现等温凝固获得耐高温接头，限制了其在耐高温封装领域的应用；黄继华等进一步研究了Cu@Sn核壳粉末TLPS连接接头的高温时效可靠性，结果表明，高温时效过程中，界面Cu3Sn层的厚度随时效时间的平方根呈线性关系增加，导致接头
的孔隙率增加、剪切强度降低。
[0005]综上所述，目前Cu
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SnTLPS连接还存在一些问题，主要是：难以在较短的连接时间和较低的连接压力和连接温度下获得致密的接头；高温时效过程中，界面Cu3Sn生长，导致接头孔隙率增加、可靠性降低。相较于现有的Cu
‑
SnTLPS连接技术，本专利技术能够在较短的连接时间和较低的连接压力和连接温度下获得致密的接头。此外，可以在高温时效过程中有效抑制界面Cu3Sn生长，提高接头的可靠性。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是针对新一代半导体功率芯片耐高温封装需求，提供了一种高效、高可靠性的(Cu,Ni)@Sn核壳结构粉末连接材料及其封装连接工艺。
[0007]本专利技术的原理是通过CuNi合金粉末和CuNi合金镀层中的Ni元素提高Cu原子和Sn原子在Cu6Sn5中的扩散驱动力来促进Cu6Sn5生长，从而缩短等温凝固时间、提高连接效率；通过Ni元素提高Cu6Sn5的热力学稳定性，以及降低Cu原子和Sn原子在Cu3Sn中的扩散驱动力来抑制界面Cu3Sn生长，从而降低接头孔隙率、提高接头的可靠性。
[0008]为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0009]本专利技术提供一种高效、高可靠性的(Cu,Ni)@Sn核壳结构粉末连接材料，所述(Cu,Ni)@Sn核壳结构粉末连接材料以CuNi合金粉末为核，Sn为壳。
[0010]进一步的，所述的(Cu,Ni)@Sn核壳结构粉末连接材料的Sn含量为30wt.％～60wt.％。
[0011]进一步的，所述的CuNi合金粉末的粒径为0.5μm～50μm，Ni含量为0.5wt.％～25wt.％。
[0012]进一步的，所述的CuNi合金粉末的制备方法包括但不限于电极感应熔炼气雾化制粉法或等离子旋转电极制粉法。
[0013]进一步的，通过电镀技术或基于化学还原的化学镀技术，在CuNi合金粉末表面镀敷Sn层，制备(Cu,Ni)@Sn核壳结构粉末连接材料。
[0014]进一步的，所述电镀技术的电镀Sn液配方为：锡酸钠(Na2SnO3)60g/L～100g/L，氢氧化钠(NaOH)4g/L～16g/L；电镀Sn过程中，每通电1min～5min，断开电源，依次超声搅拌1min～3min、沉淀1min～3min，再接通电源，如此反复。
[0015]进一步的，所述化学镀技术的化学镀Sn液成分为：氯化亚锡(SnCl2·
2H2O)8g/L～16g/L，柠檬酸钠(C6H5Na3O7·
2H2O)80g/L～120g/L，乙二胺四乙酸二钠(C
10
H
14
N2Na2O8)25g/L～35g/L，氮川三乙酸三钠(C6H6NO6Na3·
H2O)40g/L～50g/L，半胱氨酸0.1g/L～0.4g/L，聚乙二醇2000(PEG2000)0.1g/L～0.3g/L，三氯化钛溶液(TiCl3)15ml/L～30ml/L。化学镀Sn液的pH为8～10，化学镀温度为60℃～90℃；化学镀过程中，每机械搅拌15min～60min，依次超声搅拌1min～3min，添加15ml/L～30ml/LTiCl3溶液，继续机械搅拌，如此反复。
[0016]所述封装连接工艺包括如下步骤：
[0017](1)在芯片和基板的待焊面镀敷CuNi合金镀层；
[0018](2)将(Cu,Ni)@Sn核壳结构粉末连接材料与乙醇或市售钎剂混合制成焊膏；
[0019](3本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高效、高可靠性的(Cu,Ni)@Sn核壳结构粉末连接材料，其特征在于，所述(Cu,Ni)@Sn核壳结构粉末连接材料以CuNi合金粉末为核，Sn为壳。2.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，所述的(Cu,Ni)@Sn核壳结构粉末连接材料的Sn含量为30wt.％～60wt.％。3.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，所述的CuNi合金粉末的粒径为0.5μm～50μm，Ni含量为0.5wt.％～25wt.％。4.根据权利要求1或3所述的材料，其特征在于，所述的CuNi合金粉末的制备方法为电极感应熔炼气雾化制粉法或等离子旋转电极制粉法。5.根据权利要求1至3任一项所述的材料，其特征在于，所述的(Cu,Ni)@Sn核壳结构粉末连接材料的制备方法为电镀技术或化学镀技术。6.根据权利要求5所述的材料，其特征在于，所述电镀技术的电镀Sn液配方为：锡酸钠60g/L～100g/L，氢氧化钠4g/L～16g/L；电镀Sn过程中，每通电1min～5min，断开电源，依次超声搅拌1min～3min、沉淀1min～3min，再接通电源，如此反复。7.根据权利要求5所述的材料，其特征在于，所述化学镀技术的化学镀Sn液成分为：氯化亚锡8g/L～16g/L，柠檬酸钠80g/L～120g/L，乙二胺四乙酸二钠25g/L～35g/L，氮川三乙酸三钠40g/L～50g/L，半胱氨酸0.1g/L～0.4g/L，聚乙二醇20000.1g/L～0.3g/L，三氯化钛溶液15ml/L～30ml/L，化学镀...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄继华，彭贤文，张紫博，叶政，王万里，杨健，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：