一种半导体封装件及其生产方法与流程

本发明属于半导体，具体涉及一种半导体封装件及其生产方法。

背景技术：

1、直接键合铜（dbc）工艺是实现功率电路电路基板的一种金属化工艺，是将铜箔直接键合到电路基板上，没有中间键合层。直接键合铜（dbc）工艺能够将电力电子模块的使用寿命延长50多倍，并确保芯片的载流容量提高50%以上。另外，直接键合铜（dbc）工艺还能使结晶温度提高至超过200℃。因此，直接键合铜（dbc）工艺可大幅降低功率降额，或在确保电流相同的情况下缩小芯片尺寸，从而降低电力成本。随着电力电子模块的功率密度、工作温度及其对可靠性的要求越来越高，当前的封装材料已经达到了应用极限。铜键合线代替铝键合线可以提高器件的通流能力，导电性及导热性，提高器件的寿命。

2、通常情况下，芯片表面是镀铝的，而新一代碳化硅芯片通常表面是镀ni/pd/au，无法直接键合铜线。贺利氏提供了一种焊料预形体的技术，通过在铜箔上预涂敷金属焊料，来实现与器件的互联（参见cn110741465a）。但是，采用该方法，焊料与铜箔之间易分离，合格率不高，且加压时焊料与铜箔之间易发生滑移。之后贺利氏又提出一种带固定剂的预涂敷焊料的构件（参见cn111757789a），以起到固定作用，但固定剂组分是高分子材料，高分子材料会影响焊料的烧结。厦门大学提出一种含铜材料的表面处理方法，其通过在铜材料的表面修饰或吸附甲酸根，增强铜材料的抗氧化能力，同时使其具有较好导电性（参见cn107460464 b）。然而，采用该方法对铜材料进行处理后，铜材料与芯片之间的结合强度不佳。

3、现有技术中，有采用烧结技术，如铜烧结、银烧结等方式连接铜箔与芯片的，亦有在铜箔表面涂敷焊料的方式连接铜箔与芯片连接的，然而，通过上述方式进行连接存在以下缺陷：印刷焊料需预热烘干，工序繁琐；用于芯片顶部的连接材料通常需在铜箔表面印刷焊膏，预烘干，并且在大于80mpa以上的压力下成型，合格率较低，使用不方便，焊料基体由于溶剂的挥发，造成空洞较多，而铜烧结或银烧结技术，依靠的是原子的扩散，空洞率较高，大于5%（例如，采用银膏，其空洞率如图1所示），无法将焊层空洞率控制在3%以下，此外，导热效果不佳，热阻约为0.0215k/w（例如，采用银膏，其热阻如图2所示），再者，在铜箔表面印刷焊膏，连接强度较低，剪切强度约为60.5mpa。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种半导体封装件及其生产方法，以解决现有技术中铜材料与芯片之间的结合强度不佳、空洞率较高、合格率不高、导热性能不佳等技术问题。

2、第一个方面，本发明提供一种半导体封装件，所述半导体封装件包括：

3、半导体芯片、铜箔和电路基板，所述半导体芯片和电路基板的至少部分表面上设有镀层，所述半导体芯片的镀层中含过渡金属，所述电路基板的镀层中含金属和/或金属氧化物；

4、所述铜箔通过铜与半导体芯片的镀层中包含的过渡金属形成金属键，进而与所述半导体芯片键合；

5、所述铜箔通过铜与电路基板的镀层中包含的金属和/或金属氧化物形成金属键，进而与所述电路基板键合。

6、可选地，所述电路基板选自衬底、有源器件或无源器件。其中，衬底可以列举例如指ims衬底(insulated metal-substrate，绝缘金属衬底)、dbc电路基板（即铜-陶瓷-铜结构）、dcb衬底(direct copper bonded-substrate，直接铜接合衬底)、amb衬底(activemetal braze substrate，活性金属焊接衬底)、陶瓷衬底、pcb(printed circuit board，印制电路板)和引线框等。有源器件可以列举例如二极管、led(light emitting diodes，发光二极管)、裸片(半导体芯片)、igbt (insula ted-ga te bipola r transistors，绝缘栅双极晶体管)、ic(integrated circuits，集成电路)和mosfet(metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistors，金属氧化物半导体场效应晶体管)等。无源器件可以列举例如传感器、底板、冷却体、电阻器、电容器、变压器、扼流器和线圈等。

7、第二个方面，本发明还提供如上所述半导体封装件的生产方法，所述生产方法包括：

8、s1.混合溶剂和助剂，得到溶液，所述助剂包括草酸、草酸盐、乳酸和乳酸盐中的至少一种；

9、s2.将铜箔置于所述溶液中处理，随后冲洗铜箔；

10、s3.将经步骤s2处理后的铜箔贴装于至少部分表面上设有镀层的电路基板上，随后将铜箔贴装于至少部分表面上设有镀层的半导体芯片上，保护气体气氛下保温保压处理，即得所述半导体封装件，所述半导体芯片的镀层含过渡金属，所述电路基板的镀层中含有金属和/或金属氧化物。

11、可选地，步骤s1中，所述溶剂包括多元醇、聚乙二醇、松油醇、多元醇醚、多元醇胺和酰胺的至少一种。

12、本技术中，多元醇可以列举例如乙二醇、丙二醇、二乙二醇、丙三醇等物质。多元醇醚可以列举例如乙二醇丁醚、二乙二醇己醚、二乙二醇辛醚、三丙二醇丁醚、二乙二醇二丁醚等物质。多元醇胺可以列举例如2-氨基-2-甲基-1,3-丙二醇、三乙醇胺等物质。酰胺可以列举例如n,n 二甲基甲酰胺、n,n 二甲基乙酰胺等物质。

13、可选地，步骤s1所述溶液中，助剂的浓度为1-100mg/ml，优选为20-50mg/ml。

14、可选地，步骤s1所述溶液中，还含有还原剂。

15、可选地，步骤s1中，所述还原剂包括抗坏血酸（laa）、抗坏血酸盐、柠檬酸、柠檬酸盐、次亚磷酸、次亚磷酸盐和葡萄糖的至少一种。

16、可选地，步骤s1中，所述还原剂与助剂的质量比为1-50：1，优选为10-20：1。

17、可选地，步骤s1所述溶液中，还含有有机碱。

18、可选地，步骤s1中，所述有机碱包括油胺、乙二胺、三乙醇胺、异丁醇胺、二乙醇胺、一乙醇胺和n-甲基二乙醇胺的至少一种。

19、可选地，步骤s1中，所述有机碱与溶剂的体积比为0.05-0.25：1，优选为0.1-0.2。

20、可选地，步骤s2中，所述铜箔的厚度为10-1000μm，优选为10-500μm，更优选为10-100μm。

21、可选地，步骤s2中，所述处理的温度为120-200℃，优选为140-160℃；处理的时长为0.5-24h，优选为3-10h。

22、可选地，步骤s3中，所述保护气体包括氮气、氩气、氦气、氖气中的至少一种。

23、可选地，步骤s3中，所述保温的温度为180-320℃，优选为200-230℃；保压的压力1-20mpa，优选为5-20mpa；保温保压处理的时长为1-60min，优选为5-60min。

24、如上所述，本发明的半导体封装件及其生产方法，具有以下有益效果：

25、本发明中，铜能够与助剂反应生成铜络合物，铜络合物高温条件下分解得到铜纳米颗粒，铜纳米颗粒在高温条件下与半导体芯片及电路基板上的镀层中包含的金属和/或金属氧化物互扩散形成金属键合作用，即铜纳米颗粒与半导体芯片及电路基板上的镀层中包含的金属和/或金属氧化物形成化学键，进而实现铜箔与半导体芯片及电路基板之间的键合，铜箔与半导体芯片及电路基板之间的结合强度高。

26、本技术中，还原剂能够促进铜与助剂之间的反应，进而进一步提高铜箔与半导体芯片及电路基板之间的结合强度。

27、本技术中，有机碱能够促进铜与助剂之间的反应，进而进一步提高铜箔与半导体芯片及电路基板之间的结合强度。

28、采用本发明的生产方法进行生产，无需进行预干燥，空洞率低，合格率高，且得到的半导体封装件的导热性能优异。