首页 / 一种功率器件封装用铜膜及其制备方法和应用

一种功率器件封装用铜膜及其制备方法和应用实质审查 发明

技术领域

[0001] 本发明涉及高性能功率器件封装技术领域,尤其是涉及一种功率器件封装用铜膜及其制备方法和应用。

相关背景技术

[0002] 第三代宽带隙半导体具有更高的运行结温,在350℃以上仍能保持良好的运行性能。为了最大程度地发挥其工作性能,封装互连材料需要具备低温互连高温服役的性能,因此纳米颗粒得到了广泛应用。
[0003] 众多研究发现纳米银具有所需性能,相关纳米银焊膏、纳米银膜得到了广泛研究应用,并已经应用于商业。但由于纳米银较高的价格以及其抗电化学迁移能力较差,纳米铜被认为有望代替银成为互连材料。
[0004] 目前,已有部分纳米铜焊膏相关研究,其中添加大量有机物以保证其抗氧化性能。有关铜膜制备研究较少,部分研究提出激光沉积制备铜膜,但激光设备价格较高,且由于铜膜面积较大、厚度较薄、内部不含有有机物而易于发生氧化,难以储存,难以应用于实际生产。
[0005] 鉴于此,特提出本发明。

具体实施方式

[0060] 应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0061] 需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0062] 下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
[0063] 实施例1
[0064] 如图2所示,本实施例首先提供了纳米铜浆料的制备方法,包括如下步骤:
[0065] 1、将纳米铜颗粒与稀硫酸液混合后进行10min超声处理,离心去除上清液;然后加入乙醇进行15min超声处理,离心去除上清液,在60℃氮气气氛下烘干,得到预处理后的纳米铜颗粒;
[0066] 2、将苹果酸与无水乙醇按质量比5:95的比例混合,并超声25min混合均匀;
[0067] 3、将预处理后的纳米铜颗粒与苹果酸/无水乙醇溶液按照98:2的质量比混合,超声10min,离心去除上清液,然后加入无水乙醇,超声5min,离心去除上清液,得到苹果酸包覆的纳米铜颗粒;
[0068] 4、将环己醇、聚乙烯醇、乙二醇按1:1:98的比例称量混合,于室温下磁力搅拌30min,使其混合均匀,得到混合溶剂;
[0069] 5、将苹果酸包覆的纳米铜颗粒与混合溶剂混合均匀,搅拌机搅拌40min,得到纳米铜浆料。
[0070] 如图1所示,本实施例提供功率器件封装用铜膜的制备方法,具体包含以下步骤:
[0071] 1、将纳米铜浆料加入灌料口,运转传送带使厚度为100μm的PET基底膜运动,经过刮刀处使纳米铜浆流平,厚度控制为100μm;
[0072] 2、向烘干炉内通入甲酸气氛,使其内部为还原性氛围,加热台温度控制为120℃;
[0073] 3、调整传送带运行速度,使纳米铜浆料在烘干炉内保持30min;
[0074] 4、在经过烘干炉后获得纳米铜膜;
[0075] 5、将获得的纳米铜膜浸于镀膜剂中,待表面完全润湿后,置于惰性气氛烘干炉,加热至100℃,保持5min,得到功率器件封装用铜膜,其中,镀膜剂由以下质量分数的物质组成:稀盐酸96%,聚苯并咪唑2.5%和酚醛型环氧树脂1.5%。
[0076] 如图3所示,本实施例还提供了基于上述功率器件封装用铜膜的互连方法,具体步骤如下:
[0077] 1、将制备的纳米铜膜/PET膜结构置于垫有硅胶垫的取样台上;
[0078] 2、采用可施加压力的真空吸头吸取芯片,并施加一定压力,利用芯片边缘切取与芯片背部同样面积的铜膜,使其脱离PET膜,附于芯片背部;
[0079] 3、将DBC板置于加热台,加热至100℃,将背部附有铜膜的芯片以40N压力贴于DBC表面;
[0080] 4、在惰性或还原性气氛对烘干结构进行加压烧结,其中,烧结温度230℃,烧结压力为15MPa,烧结时间为5min,得到功率器件封装结构。
[0081] 实施例2
[0082] 本实施例首先提供了纳米铜浆料的制备方法,包括如下步骤:
[0083] 1、将纳米铜颗粒与稀硫酸液混合后进行10min超声处理,离心去除上清液;然后加入乙醇进行15min超声处理,离心去除上清液,在60℃氮气气氛下烘干,得到预处理后的纳米铜颗粒;
[0084] 2、将柠檬酸与无水乙醇按质量比5:95的比例混合,并超声25min混合均匀;
[0085] 3、将预处理后的纳米铜颗粒与柠檬酸/无水乙醇溶液按照97:3的质量比混合,超声10min,离心去除上清液,然后加入无水乙醇,超声5min,离心去除上清液,得到柠檬酸包覆的纳米铜颗粒;
[0086] 4、将乙醇、聚乙烯吡咯烷酮、二乙二醇按0.5:1:98.5的比例称量混合,于室温下磁力搅拌30min,使其混合均匀,得到混合溶剂;
[0087] 5、将柠檬酸包覆的纳米铜颗粒与混合溶剂混合均匀,搅拌机搅拌40min,得到纳米铜浆料。
[0088] 本实施例还提供功率器件封装用铜膜的制备方法,具体包含以下步骤:
[0089] 1、将纳米铜浆料加入灌料口,运转传送带使厚度为100μm的PET基底膜运动,经过刮刀处使纳米铜浆流平,厚度控制为100μm;
[0090] 2、向烘干炉内通入甲酸气氛,使其内部为还原性氛围,加热台温度控制为120℃;
[0091] 3、调整传送带运行速度,使纳米铜浆料在烘干炉内保持30min;
[0092] 4、在经过烘干炉后获得纳米铜膜;
[0093] 5、将获得的纳米铜膜浸于镀膜剂中,待表面完全润湿后,置于惰性气氛烘干炉,加热至120℃,保持3min,得到功率器件封装用铜膜,其中,镀膜剂由以下质量分数的物质组成:乳酸95%,聚酰亚胺咪唑3%和双酚A型环氧树脂2%。
[0094] 本实施例还提供了基于上述功率器件封装用铜膜的互连方法,具体步骤如下:
[0095] 1、将制备的纳米铜膜/PET膜结构置于垫有硅胶垫的取样台上;
[0096] 2、采用可施加压力的真空吸头吸取芯片,并施加一定压力,利用芯片边缘切取与芯片背部同样面积的铜膜,使其脱离PET膜,附于芯片背部;
[0097] 3、将DBC板置于加热台,加热至100℃,将背部附有铜膜的芯片以40N压力贴于DBC表面;
[0098] 4、在惰性或还原性气氛对烘干结构进行加压烧结,其中,烧结温度230℃,烧结压力为15MPa,烧结时间为5min,得到功率器件封装结构。
[0099] 实施例3
[0100] 本实施例首先提供了纳米铜浆料的制备方法,包括如下步骤:
[0101] 1、将纳米铜颗粒与稀硫酸液混合后进行10min超声处理,离心去除上清液;然后加入乙醇进行15min超声处理,离心去除上清液,在60℃氮气气氛下烘干,得到预处理后的纳米铜颗粒;
[0102] 2、将酒石酸与无水乙醇按质量比5:95的比例混合,并超声25min混合均匀;
[0103] 3、将预处理后的铜纳米颗粒与酒石酸/无水乙醇溶液按照99:1的质量比混合,超声10min,离心去除上清液,然后加入无水乙醇,超声5min,离心去除上清液,得到酒石酸包覆的纳米铜颗粒;
[0104] 4、将环己醇、乙基纤维素、正丁醇按1:1:98的比例称量混合,于室温下磁力搅拌30min,使其混合均匀,得到混合溶剂;
[0105] 5、将酒石酸包覆的纳米铜颗粒与混合溶剂混合均匀,搅拌机搅拌40min,得到纳米铜浆料。
[0106] 本实施例还提供功率器件封装用铜膜的制备方法,具体包含以下步骤:
[0107] 1、将纳米铜浆料加入灌料口,运转传送带使厚度为100μm的PET基底膜运动,经过刮刀处使纳米铜浆流平,厚度控制为100μm;
[0108] 2、向烘干炉内通入甲酸气氛,使其内部为还原性氛围,加热台温度控制为120℃;
[0109] 3、调整传送带运行速度,使纳米铜浆料在烘干炉内保持30min;
[0110] 4、在经过烘干炉后获得纳米铜膜;
[0111] 5、将获得的纳米铜膜浸于镀膜剂中,待表面完全润湿后,置于惰性气氛烘干炉,加热至100℃,保持5min,得到功率器件封装用铜膜,其中,镀膜剂由以下质量分数的物质组成:稀盐酸95%,聚酰胺咪唑3%和胺固化类环氧树脂2%。
[0112] 本实施例还提供了基于上述功率器件封装用铜膜的互连方法,具体步骤如下:
[0113] 1、将制备的纳米铜膜/PET膜结构置于垫有硅胶垫的取样台上;
[0114] 2、采用可施加压力的真空吸头吸取芯片,并施加一定压力,利用芯片边缘切取与芯片背部同样面积的铜膜,使其脱离PET膜,附于芯片背部;
[0115] 3、将DBC板置于加热台,加热至100℃,将背部附有铜膜的芯片以40N压力贴于DBC表面;
[0116] 4、在惰性或还原性气氛对烘干结构进行加压烧结,其中,烧结温度230℃,烧结压力为15MPa,烧结时间为5min,得到功率器件封装结构。
[0117] 对照例1
[0118] 本对照例提供了一种纳米铜浆料的制备方法,与实施例1的操作方法基本相同,不同之处在于:采用苯并三氮唑包覆纳米铜颗粒,具体包括如下步骤:
[0119] 1、对纳米铜颗粒进行预处理,得到预处理后的纳米铜颗粒;
[0120] 2、将苯并三氮唑与无水乙醇按质量比5:95超声25min混合均匀;
[0121] 3、将预处理后的铜颗粒与苯并三氮唑/无水乙醇溶液按照98:2的质量比混合,超声10min,离心去除上清液,然后加入无水乙醇,超声5min,离心去除上清液,得到苯并三氮唑包覆的纳米铜颗粒;
[0122] 4、将环己醇、聚乙烯醇、乙二醇按1:1:98比例称量,室温下磁力搅拌30min,使其混合均匀,得到混合溶剂;
[0123] 5、将苯并三氮唑包覆的纳米铜颗粒与混合溶剂混合均匀,搅拌机搅拌40min,得到纳米铜浆料。
[0124] 对照例2
[0125] 本对照例提供了一种纳米铜浆料的制备方法,与实施例1的操作方法基本相同,不同之处在于:采用对苯二甲基二甲醚包覆纳米铜颗粒。
[0126] 对照例3
[0127] 本对照例提供了一种纳米铜浆料的制备方法,与实施例1的操作方法基本相同,不同之处在于:制备纳米铜浆料的混合溶剂为:乙醇、丙二醇、丁二醇的质量配比为1:1:98。
[0128] 对照例4
[0129] 本对照例提供一种功率器件封装用铜膜的制备方法,与实施例1的操作方法基本相同,不同之处在于:其采用传统的低温流延工艺在空气中烘干成膜,具体包含以下步骤:
[0130] 1、将纳米铜浆料加入灌料口,运转传送带使基底膜运动,经过刮刀处使纳米铜浆流平,厚度控制为100μm;
[0131] 2、烘干炉中保持空气气氛,加热台温度控制为120℃;
[0132] 3、调整传送带运行速度,使纳米铜浆料在烘干炉内保持30min;
[0133] 4、在经过烘干炉后,得到纳米铜膜;
[0134] 5、将纳米铜膜浸于镀膜剂中,待表面完全润湿后,置于惰性气氛烘干炉,加热至100℃,保持5min,得到功率器件封装用铜膜。
[0135] 对照例5
[0136] 本对照例提供一种功率器件封装用铜膜的制备方法,与实施例1的操作方法基本相同,不同之处在于:镀膜剂由以下质量分数的物质组成:亚硫酸氢钠、聚酰亚胺咪唑和聚乙烯醇树脂。
[0137] 对照例6
[0138] 本对照例提供一种功率器件封装用铜膜的制备方法,与实施例1的操作方法基本相同,不同之处在于:镀膜剂由以下质量分数的物质组成:甲酸、聚酰胺蜡和PE‑聚乙烯。
[0139] 图4为本发明实施例1在不同的烧结温度下(200℃、210℃、220℃、230℃和240℃),所制备得到功率器件封装结构的强度,由此可知,本发明采用缓蚀剂对纳米铜颗粒进行包覆,并且采用特定的有机溶剂体系,能够很好地在烘干步骤前完成芯片贴装,且贴装后的结构具有较高的强度,同时,烧结后的结构组织均匀,无明显缺陷,强度高于一般使用需求。
[0140] 表1为实施例1及对照例1‑6所制得纳米铜膜在230℃、15MPa、3min条件下,所制备得到功率器件封装结构的强度。
[0141] 表1测试结果
[0142]
[0143]
[0144] 由表1可知,本发明实施例1中的纳米铜膜烧结强度约为85MPa,而对照例1‑6中纳米铜膜的强度仅为实施例1中的14%‑49%,表明本发明功率器件封装用铜膜的制备方法有效解决了当前纳米铜膜制备困难,后续存储氧化的问题。
[0145] 最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

当前第1页 第1页 第2页 第3页