本发明属于电子材料技术领域，尤其涉及一种复合焊料预成型片及其制备方法、及封装方法。
背景技术：
目前，功率半导体器件广泛地应用于电力电子领域，可以实现电力设备的电能转换、信号控制等功能。由于其服役时要在高频、高电流密度下工作，功率半导体芯片会产生大量热量。为了保证芯片的可靠运行，需要通过高散热的连接材料进行热耗散。此外为了降低焊接后的热应力，提升器件可靠性，低温连接也是芯片封装的诉求之一。
纳米银焊料，如纳米银膏、纳米银膜，是目前最具前景的功率半导体芯片的互连材料。纳米银由于其较高的表面能，可以在较低的温度下实现烧结，形成焊点结构，且具有优异的导热导电性能和机械强度。然而，受制于其烧结机制的影响，基板材料的表面往往需要进行镀银的金属化处理，才能保证烧结后的焊点结合性能。对于铝基板比如陶瓷基板而言，纳米银烧结存在界面氧化、结合力差的问题。对于铜、金表面金属化的基板而言，纳米银烧结存在界面扩散速率快，界面性能退化的问题。因此，需要开发一种新的烧结互连材料，改善烧结材料与异质基板界面的兼容性问题，提升互连焊点的可靠性与烧结材料的工艺兼容性。
技术实现要素：
针对以上技术问题，本发明公开了一种复合焊料预成型片及其制备方法、及封装方法，可以改善烧结银与异质基板界面的兼容性，提高烧结焊点可靠性。
对此，本发明采用的技术方案为：
一种复合焊料预成型片，其包括基体，所述基体为预烧结银薄膜，所述基体的一面或两面设有焊料层，所述焊料层的焊料为低温锡基焊料或高温玻璃料。对于金、银、铜或镍表面金属化基板，选择锡基钎料，对于铝基板或陶瓷基板，选择玻璃料焊料。
采用此技术方案，通过设置焊料层有效改善烧结银和异质基板界面的兼容性，而且在焊接过程中，界面生成金属间化合物或玻璃态阻挡层，抑制基板元素扩散，增强烧结焊点的可靠性。
作为本发明的进一步改进，所述预烧结银薄膜的厚度为20-200μm，银含量大于95%，孔隙率为50-90%。
作为本发明的进一步改进，所述焊料层通过冷喷涂、蒸镀或溅射的方式形成在基体的表面。
作为本发明的进一步改进，所述焊料层的厚度为5μm-50μm。
作为本发明的进一步改进，所述低温锡基焊料为锡、锡银铜焊料、锡银焊料、锡铜焊料或锡锌焊料。
作为本发明的进一步改进，所述高温玻璃料包括v2o5、zro2、zno、bao、bio中的一种或几种的混合物。
本发明还公开了如上任意一项所述的复合焊料预成型片的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
步骤s1，制备银浆料；
步骤s2，对银浆料进行加热获得预烧结银薄膜；
步骤s3，在银薄膜上制备焊料层。
作为本发明的进一步改进，所述银浆料包括银颗粒和有机载体，所述银浆料中的固含量为50-80wt%；所述银颗粒包括片状银、球状银、棒状银、线装银中的至少一种。进一步的，所述银颗粒包括片状银粉，其具有更大的比表面能，具有更大的烧结驱动力。进一步的，所述银浆料中的固含量为60wt%，可以更好的保证印刷性与平整度。
作为本发明的进一步改进，步骤s2中，预烧结银薄膜通过银浆料低温烘烤制成，烘烤温度为150-200℃。进一步的，烘烤温度为180℃。温度过低会导致成膜后强度差，不利于后续焊料层的制备，温度过高会导致银膜烧结驱动力差，无法进行烧结互连，采用此温度范围，同时兼顾了银成膜的强度和银膜烧结驱动力。
作为本发明的进一步改进，步骤s3中，焊料层通过冷喷涂、蒸镀或溅射的方法沉积在银薄膜上。根据使用用途不同，可以进行单面或双面沉积；焊料为锡基钎料或玻璃料。其中，对于金、银、铜或镍表面金属化基板，选择锡基钎料，对于铝基板或陶瓷基板，选择玻璃料焊料。
本发明还公开了一种封装方法，包括以下步骤：
步骤s10，将复合焊料预成型片放置于下基板的表面；所述复合焊料预成型片为如上任意一项所述的复合焊料预成型片；对于金、银、铜或镍表面金属化基板，采用焊料层为低温锡基焊料的复合焊料预成型片；对于铝基板或陶瓷基板，采用焊料层为玻璃料焊料料的复合焊料预成型片；
步骤s20，将芯片通过热压贴片的方式表贴于复合焊料预成型片上，形成堆叠结构；
步骤s30，对堆叠结构进行热压烧结。
作为本发明的进一步改进，步骤s20中，热压贴片的温度为100-150℃，压力为0.1-2mpa，时间为10-30s；进一步优选的，热压贴片的温度为120℃，压力位1mpa，时间为20s。
作为本发明的进一步改进，步骤s30中，热压烧结的温度为230-300℃，压力为1-20mpa，时间为1-10min。进一步的，对于制备锡基钎料层的预成型片，热压烧结的温度为250℃，压力为10mpa，时间为10min。对于制备玻璃料焊料层的预成型片，热压烧结的温度为350℃，压力为20mpa，时间为10min的烧结工艺。
作为本发明的进一步改进，所述下基板可以为金属，如：铜基板，铝基板，或表面经过金属化的基板，包括但不限于镍，镍金，镍银，镍钯金等；陶瓷基板，如氧化铝，氮化铝，氮化硅等基板。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
第一，采用本发明的技术方案，该复合焊料预成型片可以有效改善烧结银和异质基板界面的兼容性，实现烧结银焊料与不同金属基板或陶瓷基板的连接，此外可以通过界面生成金属间化合物或玻璃态阻挡层，抑制基板元素扩散，增强烧结焊点的可靠性，改善了烧结银材料与不同金属或陶瓷界面的界面连接性能，可以实现低温互连高温服役焊点的快速制备。
第二，本发明技术方案提出复合焊料预成型片的封装工艺，避免了传统银膏应用过程中印刷，基板表面金属化等复杂步骤，简化了烧结银的工艺，并提升了工艺兼容性。
具体实施方式
下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
实施例1
一种复合焊料预成型片，其采用如下步骤制备：
（1）通过将微米银片和有机载体混合获得银浆料，其中银固含量为60wt%；将银浆料经过印刷，180℃烘烤获得预烧结银膜，银膜的厚度为80μm。
（2）使用冷喷涂方法在银膜单面进行锡银铜焊料沉积，沉积厚度为20μm获得复合焊料预成型片。
采用上述制备得到的复合焊料预成型片进行封装试验，包括如下步骤：
（1）将复合焊料预成型片放置在铜基板上，其中沉积锡银铜焊料一侧与铜界面接触，而且将芯片表贴于预成型片，贴片温度为120℃，压力1mpa，时间30s。
（2）将芯片、预成型片与基板的堆叠结构进行热压烧结，烧结温度为250℃，压力为10mpa，时间为10min。
对烧结后的产品经过超声扫描，未发现界面剥离，测得界面焊合率为99.5%；经过x-ray测试，焊点孔隙率为0.8%，几乎无明显缺陷；该封装结构的剪切强度为80mpa，经过250℃老化500h后，仍可以保持62mpa的剪切强度，这是由于界面处的锡银铜钎料发生熔化并增强了烧结银的界面结合力，同时生成了cu3sn和ag3sn的连续金属间化合物阻挡层，在老化过程中有效抑制了铜的扩散及氧气扩散，保证了焊点的高温可靠性。
实施例2
一种复合焊料预成型片，其采用如下步骤制备：
（1）通过将球状银粉和有机载体混合获得银浆料，其中银固含量为70wt%；将银浆料经过印刷，150℃烘烤获得预烧结银膜，银膜厚度为100μm。
（2）使用冷喷涂方法在银膜单面进行锡银铜焊料沉积，沉积厚度为10μm获得复合焊料预成型片。
采用上述制备得到的复合焊料预成型片进行封装试验，包括如下步骤：
（1）将复合焊料预成型片放置在镍基板上，其中沉积锡银铜焊料一侧与镍界面接触，而且将芯片表贴于预成型片，贴片温度为100℃，压力2mpa，时间20s。
（2）将芯片、预成型片与基板堆叠结构进行热压烧结，烧结温度为230℃，压力为20mpa，时间为5min。
对烧结后的产品经过超声扫描，未发现界面剥离，测得界面焊合率为98.4%；经过x-ray测试，焊点孔隙率为1.5%，几乎无明显缺陷；该封装结构的剪切强度为54mpa，经过250℃老化500h后，仍可以保持48mpa的剪切强度，这是由于界面处的锡银铜钎料与镍反应生成镍锡金属间化合物，增强了结合力，并且该金属间化合物阻挡层在老化过程中有效避免了镍的氧化，保证了焊点的高温可靠性。
实施例3
一种复合焊料预成型片，其采用如下步骤制备：
（1）通过将片状银粉和有机载体混合获得银浆料，其中银固含量为50wt%；将银浆料经过印刷，200℃烘烤获得预烧结银膜，银膜厚度为200μm。
（2）使用冷喷涂方法在银膜单面进行玻璃料沉积，玻璃料为zno、bao、bi2o3，b2o3经过高温熔融后淬火形成的玻璃态粉末，沉积厚度为50μm获得复合焊料预成型片。
采用上述制备得到的复合焊料预成型片进行封装试验，包括如下步骤：
（1）将复合焊料预成型片放置在氧化铝基板上，其中沉积玻璃料一侧与氧化铝界面接触，而且将芯片表贴于预成型片，贴片温度为150℃，压力0.1mpa，时间10s。
（2）将芯片、预成型片与基板堆叠结构进行热压烧结，烧结温度为380℃，压力为20mpa，时间为10min。
对烧结后的产品经过超声扫描，未发现界面剥离，测得界面焊合率为99%；经过x-ray测试，焊点孔隙率为1.6%，几乎无明显缺陷；该封装结构的剪切强度为44mpa，经过250℃老化500h后，仍可以保持39mpa的剪切强度，这是由于界面处的玻璃料与氧化铝反应并在界面处析出部分细小晶粒，增强了界面结合力。
对比例1
一种预成型片，其采用如下步骤制备得到：
通过将微米银片和有机载体混合获得银浆料，其中银固含量为60wt%；将银浆料经过印刷，180℃烘烤获得预烧结银膜，银膜厚度为80μm，所得的预烧结银膜作为预成型片。
采用上述制备得到的预成型片进行封装试验，包括如下步骤：
（1）将预成型片放置在铜基板上，芯片表贴于预成型片，贴片温度为120℃，压力1mpa，时间30s。
（2）将芯片、预成型片与基板堆叠结构进行热压烧结，烧结温度为250℃，压力为10mpa，时间为10min。
经过超声扫描，界面出现未焊合区域，界面焊合率为65%；经过x-ray测试，焊点孔隙率为33.9%；该封装结构的剪切强度为18mpa，经过250℃老化500h后，焊点于铜界面处剥离，这是由于在热压烧结过程中，铜界面发生了剧烈的氧化反应，生成的氧化物阻碍了银膜与铜界面的烧结。在后续的高温老化过程中，界面处的氧化物继续生长，最终在热应力的作用下界面键合失效，焊点剥离。
对比例2
一种复合焊料预成型片，其采用如下步骤制备得到：
（1）通过将片状银粉和有机载体混合获得银浆料，其中银固含量为50wt%；将银浆料经过印刷，200℃烘烤获得预烧结银膜，银膜厚度为200μm。
（2）使用冷喷涂方法在银膜单面进行锡银铜焊料沉积，沉积厚度为10μm获得复合焊料预成型片。
采用上述制备得到的复合焊料预成型片进行封装试验，包括如下步骤：
（1）将复合焊料预成型片放置在氧化铝基板上，其中沉积锡银铜焊料一侧与氧化铝界面接触，而且将芯片表贴于预成型片，贴片温度为150℃，压力0.1mpa，时间10s。
（2）将芯片、预成型片与基板堆叠结构进行热压烧结，烧结温度为380℃，压力为20mpa，时间为10min。
经过超声扫描，发现界面几乎完全剥离，焊合率仅为6%；经过x-ray测试，焊点孔隙率为80.2%；该封装结构的剪切强度为2mpa。这是由于氧化铝表面的钎料润湿性很差，导致界面无法形成冶金结合。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。