CN119133096B - 一种铜-铝或铝-铝的互连结构及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铜‑铝或铝‑铝的互连结构及方法，包括如下步骤：在铝热沉层表面镀第一镍金属层，在第一镍金属层表面印刷铜焊膏后预热处理制得烧结铜层，将基板对位预贴合在烧结铜层表面进行烧结互连，基板为铜基板或表面镀第二镍金属层的铝基板。本发明采用高导热性的铜焊膏作为互连材料，可实现热量的快速传递；通过图案化印刷铜焊膏以及烧结铜本身的多孔结构可调节应力分布，避免大面积烧结互连过程中出现翘曲变形的等互连缺陷的问题；通过铝热沉表面镀镍以及覆铝基板表面镀镍，解决了金属互连界面反应以及热膨胀系数不匹配导致互连缺陷的问题；互连结构强度高、散热性好，互连方法简单、效率高；同时，材料成本低，具有良好的成本效益。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种铜-铝或铝-铝的互连结构及方法。
背景技术
随着5G技术、物联网技术、生物芯片技术等的不断兴起，现代电子行业也迎来了迅猛发展，对微电子器件性能和速度的需求越来越高。以SiC、GaN为代表的宽禁带半导体材料具有高击穿电压、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率、可承受大功率等特点，非常适合制作应用于高频、高压、高温等应用场合的功率模块，且有助于电力电子系统的效率和功率密度的提升。与此同时，电子封装也不断地向小型化、高性能、高可靠性发展。然而，芯片集成度的迅速增加必然会导致其发热率的提高，若器件在使用过程中产生的大量热量无法及时散出，其寿命和稳定性都会受到影响。因此，开发高效、可靠的散热封装技术成为了当前电子行业亟待解决的关键问题。
在封装结构中引入热沉，可以将芯片载板上的热量快速导出，提高芯片运行稳定性和效率。铜材料因其优异的导热性能(热导率约为400W/(m·K))和良好的机械加工性能，成为电子封装热沉材料的首选之一。但是，铜的密度相对较大(约8.96g/cm3)，铜热沉往往具有较高的重量。在追求轻量化的电子设备中，这可能会成为限制因素之一。例如，在新能源汽领域，电子设备的重量是一个关键因素，尤其是在追求更高燃油效率和续航里程时。常见的热沉替代材料有铝(密度约为2.7g/cm3)，虽然其导热性稍低，但重量较轻，可以满足电子器件的散热需求，同时显著减轻整体重量，具有良好的应用前景。
为了保证芯片载板上的热量能够快速导入到热沉材料，通常需要在功率芯片载板(如覆铜陶瓷基板DBC/DPC和覆铝陶瓷基板DBA)与热沉(如铜热沉和铝热沉)的界面之间填充热界面材料，有效排出空隙间的空气，通过增加接触面积加快热量传导。导热硅脂作为高功率电子器件散热的热界面材料，可直接减少接触面之间的空气间隙而具备优异导热特性。然而，硅油的导热系数偏低，其导热系数通常不高于10W/(m·K)，所以很难制备出高导热性能的导热硅脂。因此，对于高导热需求的场景，急需开发新型高导热热界面互连结构及工艺。
银焊膏烧结技术是功率半导体封装中重要的连接技术，与传统的导热硅脂连接方式相比，它具有优越的导热性能、耐高温性能和长时间的耐用性。Chen等人利用银焊膏烧结技术实现DBA与铝热沉之间的大面积(30×30mm2)互连。但是，由于缺乏牢固的冶金结合，在经过功率循环后，DBA与烧结银层的界面处会产生界面分离现象，导致可靠性降低。
为了满足功率器件高可靠的电气和机械性能要求，铝-铝同质和铜-铝异质金属的低温大面积高可靠性互连依然是一个挑战。尤其在大面积(＞40×40mm2)热界面互连过程中，由于热应力分布不均匀而产生翘曲的问题十分严重，这不仅破坏连接结构的完整性和稳定性，翘曲变形严重时，甚至可能导致连接失效或整个系统的性能下降。
专利CN114918572A提供了一种铝-铝的瞬态液相连接方法，该瞬态液相连接方法采用Ga或含Ga合金作为焊料用于单晶或少晶的纯Al或含Al合金基板之间的瞬态液相连接。然而，Ga及其合金作为焊料相对成本较高，特别是在大规模生产应用中，这会增加制造成本。此外，焊接过程中Al和Ga互扩散形成的固溶体相对较脆，降低大面积互连接头的可靠性。
专利CN114434039A提供了一种铜-铝异材低温互连的焊料及焊接方法，采用厚度小于为0.5mm的纯Sn带或Sn合金带为中间焊接基体，用粉末模压成形的方法在中间焊接基体一侧或两侧压制一层均匀且致密的厚度为0.05-0.5mm的锌层。这种方法虽然在一定程度上缓解了热应力问题，但铜-铝焊接过程中难以避免的金属间化合物的形成，仍然对焊接接头的力学性能构成了挑战。
因此，开发一种能够有效改善铝-铝同质和铜-铝异质金属的大面积互连结构及工艺依然是亟待解决的关键问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种铜-铝或铝-铝的互连结构及方法，采用高导热性的铜焊膏作为互连材料，可实现热量的快速传递，且具有成本低的优势；通过图案化印刷铜焊膏以及烧结铜本身的多孔结构可调节应力分布，避免大面积烧结互连过程中出现翘曲变形的等互连缺陷的问题；通过铝热沉表面镀镍以及覆铝基板表面镀镍，解决了金属互连界面反应以及热膨胀系数不匹配导致互连缺陷的问题。
为了解决上述技术问题，本发明一方面提供了一种铜-铝或铝-铝的互连方法，包括如下步骤：
S1、在铝热沉层表面镀一层第一镍金属层；
S2、在所述第一镍金属层表面印刷一层铜焊膏，然后在保护气氛下进行预热处理，在第一镍金属层表面制得烧结铜层；
S3、将基板对位预贴合在所述烧结铜层表面，然后在保护气氛下进行烧结互连；
其中，所述基板为铜基板或表面镀第二镍金属层的铝基板，所述第二镍金属层与烧结铜层贴合。
本发明采用铜焊膏作为互连材料，铜焊膏具有高导热性，可将电子器件的热量快速传递到铝热沉层并通过散热片散发出去，有效降低电子器件的工作温度；通过图案化印刷铜焊膏，在烧结铜层形成图案化孔结构，结合烧结铜本身的多孔结构，可有效调节大面积互连的应力分布，改善互连缺陷的问题；在铝热沉表面镀镍层，且在基板为覆铝基板时，在铝基板表面镀镍层，解决了金属互连的界面反应以及热膨胀系数不匹配的问题，实现了覆铜基板(DBC/DPC)与铝热沉以及覆铝基板(DBA)与铝热沉的有效互连；互连结构具有足够的机械强度和良好的散热性能，互连方法简单，可实现自动化生产，效率高；同时，铜焊膏及镀镍层成本低，具有良好的成本效益。
进一步的，S2中，所述预热处理的温度为110-180℃，时间为10-60min。
进一步的，S3中，所述烧结互连的温度为160-230℃，压力为10-30MPa，时间为10-30min。
进一步的，S2中，所述铜焊膏通过钢网图案化印刷，制备具有图案化多孔结构的烧结铜层，便于调节应力分布，避免互连缺陷。
进一步的，S1中，所述第一镍金属层的厚度为2-10μm。
进一步的，S3中，所述第二镍金属层的厚度为0.3-5μm。
进一步的，所述第一镍金属层通过电镀制得，所述第二镍金属层通过化学镀制得。
进一步的，所述保护气氛为氮气或氩气。
本发明第二方面提供第一方面所述的方法制备的铜-铝或铝-铝的互连结构。
进一步的，包括顺序叠层设置的铝热沉层、第一镍金属层、烧结铜层和基板层，所述基板层为铜基板或表面镀第二镍金属层的铝基板，所述第二镍金属层与烧结铜层贴合。
本发明的有益效果：
本发明采用铜焊膏作为互连材料，铜焊膏具有高导热性，可将电子器件的热量快速传递到铝热沉层并通过散热片散发出去，有效降低电子器件的工作温度。
本发明通过图案化印刷铜焊膏，在烧结铜层形成图案化孔结构，结合烧结铜本身的多孔结构，可有效调节大面积互连的应力分布，改善互连缺陷的问题。
本发明在铝热沉表面镀镍层，且在基板为覆铝基板时，在铝基板表面镀镍层，解决了金属互连的界面反应以及热膨胀系数不匹配的问题，实现了覆铜基板(DBC/DPC)与铝热沉以及覆铝基板(DBA)与铝热沉的有效互连。
本发明铜-铝及铝-铝互连结构具有足够的机械强度和良好的散热性能，互连方法简单，可实现自动化生产，效率高；同时，铜焊膏及镀镍层成本低，具有良好的成本效益。
附图说明
图1是本发明的铜-铝互连结构示意图；
图2是本发明的铝-铝互连结构示意图；
图3是本发明的互连结构封装示意图；
图中标号说明：1、铝热沉层，2、第一镍金属层，3、烧结铜层，4、铜基板层，5、第二镍金属层，6、铝基板，7、图案化孔结构，8、芯片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
如图1-2所示，本发明实施例提供一种铜-铝或铝-铝的互连结构包括顺序叠层设置的铝热沉层1、第一镍金属层2、烧结铜层3和基板层4，所述基板层为铜基板4或表面镀第二镍金属层5的铝基板6，所述第二镍金属层5与烧结铜层3贴合。
实施例1
本实施例提供了一种铜-铝的互连方法，包括如下步骤：
(1)采用电镀的方式，在铝热沉表面均匀地沉积一层5μm的镍层。
(2)在铜粉中加入PEG300溶剂，其中铜粉与溶剂质量比为89：11，充分搅拌均匀，得到铜焊膏。
(3)利用钢网印刷的方式将铜焊膏印刷在镀镍铝热沉上，印刷图案如图3所示，在烧结铜层形成图案化孔结构7，接着在氮气气氛下、180℃的加热环境下进行10min的干燥预处理。
(4)将覆铜基板(DBC)覆铜侧贴在预热后的铜焊膏上(其中基板面积为50mm×60mm)，然后将其放在氮气气氛中，在220℃的加热环境、15MPa的压力下烧结互连30min，形成互连结构，可实现芯片8的封装，如图3所示。
实施例2
该实施例与实施例1的不同点在于：步骤(1)热沉表面镀镍层的厚度为2μm；步骤(3)110℃的加热环境下进行60min的干燥预处理；其他步骤不变。
实施例3
该实施例与实施例1的不同点在于：步骤(1)铝热沉表面镀镍层的厚度为8μm；步骤(3)150℃的加热环境下进行20min的干燥预处理；其他步骤不变。
实施例4
该实施例与实施例1的不同点在于：铝热沉表面镀镍层的厚度为10μm，其他步骤不变。
实施例5
该实施例与实施例1的不同点在于：步骤(4)烧结的温度为160℃，压力为30MPa，时间为30min，其他步骤不变。
实施例6
该实施例与实施例1的不同点在于：步骤(4)烧结的温度为200℃，压力为20MPa，时间为20min，其他步骤不变。
实施例7
该实施例与实施例1的不同点在于：步骤(4)烧结的温度为230℃，压力为10MPa，时间为10min，其他步骤不变。
实施例8
本实施例提供了一种铝-铝的互连方法，包括如下步骤：
(1)采用电镀的方式，在铝热沉表面均匀地沉积一层5μm的镍层，采用化学镀的方式在覆铝基板(DBA)的覆铝侧镀一层3μm的镍层。
(2)在铜粉中加入PEG300溶剂，其中铜粉与溶剂质量比为89：11，充分搅拌均匀，得到铜焊膏。
(3)利用钢网印刷的方式将铜焊膏印刷在镀镍铝热沉上，印刷图案如图3所示，接着在氮气气氛下、160℃的加热环境下进行15min的干燥预处理。
(4)将镀镍层后的DBA基板的镍层侧贴在预热后的铜焊膏上(其中基板面积为40mm×50mm)，然后将其放在氮气气氛中，在220℃的加热环境、15MPa的压力下烧结互连30min。
实施例9
该实施例与实施例8的不同点在于：覆铝基板表面镀镍层的厚度为0.3μm，其他步骤不变。
实施例10
该实施例与实施例8的不同点在于：覆铝基板表面镀镍层的厚度为1.5μm，其他步骤不变。
实施例11
该实施例与实施例8的不同点在于：覆铝基板表面镀镍层的厚度为5μm，其他步骤不变。
对比例1
该对比例与实施例1的不同点在于：省略铝热沉表面镀镍层步骤，其他步骤不变。
对比例2
该对比例与实施例8的不同点在于：省略DBA基板表面镀镍层步骤，其他步骤不变。
对比例3
该对比例与实施例1的不同点在于：将铜焊膏替换为银焊膏，其他步骤不变。
对比例4
该对比例与实施例1的不同点在于：烧结互连过程为常压，其他步骤不变。
对比例5
该对比例与实施例1的不同点在于：烧结互连的温度为280℃，其他步骤不变。
测试例
首先利用线切割将实施例和对比例制备的大面积互连结构切割成3×3mm2接头，然后采用Xyztec公司的Sigma推拉力试验机在室温下对互连接头进行剪切强度测试，测试速度为1000μm/s，测试结果如表1所示。
| 组别 | 剪切强度(MPa) |
| 实施例1 | 87.16 |
| 实施例2 | 82.48 |
| 实施例3 | 91.37 |
| 实施例4 | 87.52 |
| 实施例5 | 68.49 |
| 实施例6 | 72.19 |
| 实施例7 | 84.58 |
| 实施例8 | 90.22 |
| 实施例9 | 88.54 |
| 实施例10 | 87.18 |
| 实施例11 | 89.42 |
| 对比例1 | 互连不成功 |
| 对比例2 | 互连不成功 |
| 对比例3 | 25.37 |
| 对比例4 | 互连不成功 |
| 对比例5 | 50.19 |
由表1可知，本发明方法实施例1-11制备的铝热沉封装互连结构形成了非常可靠的连接，均可以达到使用要求，其中，实施例3的铜-铝互连结构剪切强度高达91.37MPa，实施例8的铝-铝互联结构剪切强度高达90.22MPa。
对比例1和对比例2中，缺少镀镍层，铜焊膏与铝热沉，或铜焊膏与铝基板无法实现烧结互连，因为铜和铝的CTE存在显著差异，并且铜铝还会产生界面反应形成一些脆性相的金属间化合物，最终导致连接失效。对比例3中，互连结构的剪切强度仅25.37MPa，银焊膏与镍连接剪切强度低，由于银与镍之间的相互扩散速率不及铜与镍之间的相互扩散速率，从而导致在烧结时元素的互扩散速度相对较慢而产生柯肯达尔空洞，显著降低焊接接头的强度和可靠性。对比例4中，无压烧结难以实现大面积封装互联，无压烧结降低了铜焊膏烧结后的致密度，不能确保与基板和热沉之间形成良好的接触。对比例5中，互连结构的剪切强度仅50.19MPa，因为烧结温度过高也会降低接头的机械性能，高温下各材料会按照各自的CTE发生不同程度的膨胀，当温度降低到室温时，各层材料的收缩程度也不同，从而导致封装体内部产生应力，如果温度过高，这种应力积累到一定程度就会引发翘曲，影响互连强度。
综上，本发明采用铜焊膏作为互连材料，铜焊膏具有高导热性，可将电子器件的热量快速传递到铝热沉层并通过散热片散发出去，有效降低电子器件的工作温度；通过图案化印刷铜焊膏，在烧结铜层形成图案化孔结构，结合烧结铜本身的多孔结构，可有效调节大面积互连的应力分布，改善互连缺陷的问题；在铝热沉表面镀镍层，且在基板为覆铝基板时，在铝基板表面镀镍层，解决了金属互连的界面反应以及热膨胀系数不匹配的问题，实现了覆铜基板(DBC/DPC)与铝热沉以及覆铝基板(DBA)与铝热沉的有效互连；铜-铝及铝-铝互连结构具有足够的机械强度和良好的散热性能，互连方法简单，可实现自动化生产，效率高；同时，铜焊膏及镀镍层成本低，具有良好的成本效益。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (10)
1.一种铜-铝或铝-铝的互连方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在铝热沉层表面镀一层第一镍金属层；
S2、在所述第一镍金属层表面印刷一层铜焊膏，然后在保护气氛下进行预热处理，在第一镍金属层表面制得烧结铜层；
S3、将基板对位预贴合在所述烧结铜层表面，然后在保护气氛下进行烧结互连；
其中，所述基板为铜基板或表面镀第二镍金属层的铝基板，所述第二镍金属层与烧结铜层贴合。
2.如权利要求1所述的铜-铝或铝-铝的互连方法，其特征在于，S2中，所述预热处理的温度为110-180℃，时间为10-60min。
3.如权利要求1所述的铜-铝或铝-铝的互连方法，其特征在于，S3中，所述烧结互连的温度为160-230℃，压力为10-30MPa，时间为10-30min。
4.如权利要求1所述的铜-铝或铝-铝的互连方法，其特征在于，S2中，所述铜焊膏通过钢网图案化印刷。
5.如权利要求1所述的铜-铝或铝-铝的互连方法，其特征在于，S1中，所述第一镍金属层的厚度为2-10μm。
6.如权利要求1所述的铜-铝或铝-铝的互连方法，其特征在于，S3中，所述第二镍金属层的厚度为0.3-5μm。
7.如权利要求1所述的铜-铝或铝-铝的互连方法，其特征在于，所述第一镍金属层通过电镀制得，所述第二镍金属层通过化学镀制得。
8.如权利要求1所述的铜-铝或铝-铝的互连方法，其特征在于，所述保护气氛为氮气或氩气。
9.一种权利要求1-8任一项所述的方法制备的铜-铝或铝-铝的互连结构。
10.如权利要求9所述的铜-铝或铝-铝的互连结构，其特征在于，包括顺序叠层设置的铝热沉层、第一镍金属层、烧结铜层和基板层，所述基板层为铜基板或表面镀第二镍金属层的铝基板，所述第二镍金属层与烧结铜层贴合。
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