一种纳米多孔Cu焊盘及其制备方法和应用

本发明涉及电子封装，尤其涉及一种纳米多孔cu焊盘及其制备方法和应用。

背景技术：

1、近年来，随着以sic为代表的第三代半导体在功率器件中应用和发展，小型化的大功率器件得以实现，可在如电动汽车、航天航空、地下钻探等领域替代传统的si基功率器件。然而，sic功率器件的工作温度也达到了175℃，甚至更高的温度。目前电子封装中常用的软钎料为含铅钎料或无铅钎料，其熔点基本在300℃以下，采用软钎焊工艺的功率模块结温一般低于150℃，应用于温度为175℃甚至200℃以上的情况时，其连接层性能会急剧退化，影响模块工作的可靠性。为了得到可靠性良好的功率模块，业界开发了“低温连接，高温服役”的新型钎料与连接技术，如纳米银烧结法、纳米铜烧结和瞬态液相连接法等。在纳米金属烧结的连接过程中，不仅颗粒之间需要烧结，更重要的是颗粒与焊盘之间需要实现冶金连接。然而，传统的焊盘为多层金属镀层，是致密的金属层，所以纳米颗粒与焊盘之间的烧结比纳米颗粒之间的烧结更加困难。此外，由于烧结铜的杨氏模量较高，接头界面处热膨胀系数(cte)失配问题严重，导致接头抗热冲击或热循环的能力差。

2、而且烧结铜的杨氏模量过高，难以在热冲击或热循环的环境下服役。在封装级失效中，焊料层疲劳将导致焊层断裂，使芯片产生局部热阻，造成芯片内部温差，从而加速器件整体失效。也就是说，在器件高低温循环中，应力与应变的滞回现象，使焊层发生热疲劳极易导致功率半导体器件的失效。

技术实现思路

1、针对以上技术问题，本发明公开了一种纳米多孔cu焊盘及其制备方法和应用，得到的纳米多孔cu焊盘具有三维多孔结构，纳米级的多孔结构使其具有较大的表面积，杨氏模量低，而且在焊接过程中，高比表面能可以显著促进扩散，从而促进烧结的进行。

2、对此，本发明采用的技术方案为：

3、一种纳米多孔cu焊盘的制备方法，包括如下步骤：

4、步骤s1，利用含有复合添加剂的焦磷酸盐体系电镀液在基板或元器件的表面电镀cuzn合金层，得到沉积多孔焊盘前驱体的基板或元器件；其中，所述含有复合添加剂的焦磷酸盐体系电镀液的成分包含铜盐、锌盐、络合剂、酸碱调节剂和复合添加剂，所述络合剂包括焦磷酸钾，所述复合添加剂的成分包括多羟基配体、组氨酸、糖精钠、低酯果胶；，所述含有复合添加剂的焦磷酸盐体系电镀液的ph值为9.3～11.3；

5、步骤s2，将沉积多孔焊盘前驱体的芯片、基板或热沉器件浸泡在腐蚀液中，使其多孔焊盘前驱体转变为纳米多孔cu焊盘；所述腐蚀液的成分为氯化铵、盐酸和水。进一步的，浸泡时间为1-24小时。

6、此技术方案的电镀液中，金属离子与组氨酸、多羟基配体在镀液中会形成杂配体超分子化合物，其中的果胶引入组氨酸中，可显著提高这种超分子配合物的稳定性。多羟基配体在水溶液中充当稳定剂。根据hsab原理，配体中的羟基越多，稳定性越强，因为阳离子与羟基的配位比与羧基的配位更强。此外，借助羟基的氢键发生，与基于单个氨基酸的配合物相比，这有助于金属配合物的稳定并增加其稳定性。基于超分子得到的镀层合金结构具有鲜明特点，合金形成许多孪晶带，腐蚀的过程中zn更容易被腐蚀；而且由于孪晶带畸变能较高，可以明显改善脱合金法制备的泡沫铜杨氏模量高的缺陷问题。

7、作为本发明的进一步改进，所述多羟基配体为n,n,n',n'-四(2-羟丙基)乙二胺。

8、作为本发明的进一步改进，步骤s1中，所述含有复合添加剂的焦磷酸盐体系电镀液的组分及其浓度为：焦磷酸钾300～340g/l，五水硫酸铜12.5～25g/l，七水硫酸锌29～43.5g/l，复合添加剂1.5～28g/l。

9、作为本发明的进一步改进，所述复合添加剂中，多羟基配体、组氨酸、糖精钠、低酯果胶的质量百分比分别为75～85％、3-5％、4-6％、10～15％。进一步的，所述多羟基配体、组氨酸、糖精钠、低酯果胶的质量比为28：1.5：2：4。

10、作为本发明的进一步改进，采用酸碱调节剂调节电镀液的ph值为9.3～11.3。当ph低于9.3，大于11.3时，镀层易烧焦，表面发黑。

11、作为本发明的进一步改进，所述电镀液的温度为25-60℃。

12、作为本发明的进一步改进，步骤s1中，使用脉冲电源进行电镀，脉冲电源占空比20％～100％，频率为500～1000hz，阴极平均电流密度为1～6a/dm2。

13、作为本发明的进一步改进，所述酸碱调节剂为氢氧化钾或氢氧化钠。

14、作为本发明的进一步改进，所述腐蚀液中，氯化铵的质量百分比浓度为4-6％，盐酸的质量百分比浓度为12～16％。

15、作为本发明的进一步改进，所述腐蚀液的温度为70～90℃。

16、本发明公开了一种纳米多孔cu焊盘，其采用如上任意一项所述的纳米多孔cu焊盘的制备方法制备得到。

17、本发明公开了如上所述的纳米多孔cu焊盘的应用，也就是一种连接方法，将所述的纳米多孔cu焊盘用于芯片、基板、热沉器件的连接中。该纳米多孔cu焊盘可用于纳米铜烧结、纳米银烧结、瞬态液相连接(tlp)等连接方法的应用。

18、作为本发明的进一步改进，在芯片、基板、热沉器件的表面制备纳米多孔cu焊盘，在所述纳米多孔cu焊盘的表面涂覆钎料，进行烧结连接。

19、作为本发明的进一步改进，所述钎料为纳米铜浆或sn基钎料，烧结温度为280℃～350℃。进一步的，当在纳米多孔cu焊盘表面印刷纳米铜浆进行烧结连接时，可在280℃下实现无压烧结，其接头可经受500周热循环。当在纳米多孔cu焊盘表面印刷sn基钎料进行tlp连接时，在250℃下仅需焊接10min。

20、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

21、第一，采用本发明的技术方案得到的纳米多孔cu焊盘具有纳米表面结构，有利于纳米颗粒与多孔焊盘实现高质量连接。此外，其具有韧带-孔道双连续的三维多孔结构，比表面积大，杨氏模量低，与纳米铜可以在较低温度实现混合烧结，并可解决与烧结铜接头界面处热膨胀系数(cte)失配的问题，极大的提高器件在服役过程中经受热循环时的可靠性。而且纳米多孔cu焊盘厚度可控，在厚度可达到100μm，表面仍然平整，裂纹极少。

22、第二，采用本发明的技术方案得到的纳米多孔cu焊盘具有泡沫铜结构，可以使焊料层接触界面处热膨胀系数相近，降低焊层的杨氏模量，缓解焊层脆硬性，减轻热疲劳，同时能够抵御器件工作时频繁的热冲击，提供可靠的连接强度以抵御物理冲击。进一步的通过纳米和/或微米铜与该泡沫铜结构进行混合烧结，可进一步提高器件服役过程中经受热循环时的可靠性，在-65℃到150℃经历650个循环而不发生失效。

23、第三，本发明的技术方案采用的电镀液，各物质形成杂配体超分子化合物，基于该超分子进行电镀后得到的镀层合金形成许多孪晶带，腐蚀的过程中zn更容易被腐蚀。而且由于孪晶带畸变能较高，在腐蚀的过程中不会出现韧带被破环的现象，明显改善了脱合金法制备的泡沫铜杨氏模量高的缺陷。

24、第四，本发明的技术方案工艺简单，成本低廉，实用性强，解决了目前功率器件芯片粘贴成本高，服役可靠性差的问题。