半导体芯片的共晶焊接方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及半导体器件的焊接方法，具体设及一种忍片的共晶焊接方法。
【背景技术】
[0002] 共晶焊技术在电子封装行业得到广泛应用，如忍片与基板的粘接、基板与管壳的 粘接、管壳封帽等。与传统的环氧导电胶粘接相比，共晶焊具有热导率高、电阻小、传热快、 可靠性强、粘接后剪切力大的优点，适用于高频、大功率器件中忍片与基板、基板与管壳的 互联。对于有较高散热要求的功率器件必须采用共晶焊接，共晶焊是利用了共晶合金的特 性来完成焊接工艺的。共晶合金具有W下特性：1)比纯组元烙点低，简化了烙化工艺;2)共 晶合金比纯金属有更好的流动性，在凝固中可防止阻碍液体流动的枝晶形成，从而改善了 铸造性能;3)恒溫转变(无凝固溫度范围）减少了铸造缺陷，如偏聚和缩孔;4)共晶凝固可获 得多种形态的显微组织，尤其是规则排列的层状或杆状共晶组织，可成为优异性能的原位 复合材料;5)共晶是指在相对较低的溫度下共晶焊料发生共晶物烙合的现象，共晶合金直 接从固态到液态，而不经过塑性阶段。然而共晶焊接一般需要在半导体忍片背面蒸锻一层 Ag或Au，生产成本较高。
【发明内容】
[0003] 本发明要解决的技术问题是提供一种半导体忍片的共晶焊接方法，该方法不用Au 或Ag，大大节约了生产成本。
[0004] 本发明提供的技术方案是半导体忍片的共晶焊接方法，在忍片娃衬底背面蒸锻金 属层，在一定溫度下，使金属层与框架表面受压接触，在接触面发生键合形成共晶，实现共 晶焊接;在半导体忍片娃衬底背面自里向外依次蒸锻胖、41、化、加，形成四层结构的金属层， 其中W层厚度为100~雜:〇 Α，Α1层厚度为200~500 A，Ni层的厚度为2000~巧00A、 化层的厚度为1.1~1.2μπι，化层与框架表面的锻层形成共晶。
[0005] 在半导体忍片背面蒸锻W和Α1作为上粘附层，Α1热导率高，电阻低，其与Si的浸润 性好，但考虑到A1的热膨胀系数较高，W层不仅与Si的浸润性良好，且热膨胀系数与Si相近， 可作为忍片层与A1层的缓冲层，避免A1层脱落，提高粘附效果。
[0006] 蒸锻Μ层作为过渡层，Ni与上粘附层和下粘附层容易粘附，且可W防止焊料直接 与上粘附层接触，又可防止上粘附层与下粘附层互相扩散，避免电阻增大。且Ni的热膨胀系 数高于Si，又低于化，可较好的起到缓冲作用。
[0007] 蒸锻Cu层作为下粘附层，Cu性能稳定，不易氧化，可焊接性良好，而且导热导电性 能良好，电阻率低。
[000引本发明共晶焊接溫度为240~260°C，焊接时间为30~60s。焊接溫度低于常规焊接 溫度，但焊接效果好，热应力小，正锻层不易脱落。
[0009]为了防止Cu层氧化，在Cu层上蒸锻一层Ag或AueAg层的厚度为300~：巧0 乂，Au层 的厚度为400~ηΓ)〇Α。
[0010] 与现有技术相比，本发明具有W下有益效果：
[0011] 本发明与渗银环氧粘贴(银浆粘贴)方法相比，结溫溫度降低
[0012] 1)本发明不需锻金或银等贵金属，且可大大降低生产成本。
[0013] 2)本发明虽然采用四层蒸锻，但锻层总厚度降低，导电率大大提高，电阻率大大降 低，进而提高了忍片的使用寿命。
[0014] 3)本发明采用较低的焊接溫度，焊接牢固，同时也可减少热应力而导致的蒸锻层 脱落。
【具体实施方式】
[0015] W下具体实施例对本发明作进一步阐述，但不作为对本发明的限定。
[0016] 实施例1
[0017] 将长宽厚为370μπιΧ570μπιΧ100Μ?的M0S忍片，在其背面自里向外依次蒸锻W、A1、 Ni、Cu，形成四层结构的金属层，其中W层厚度为1O0 Α，Α1层厚度为200 A，Ni层的厚度为 2000A、Cu层的厚度为1.1皿，Cu层与框架表面的锻层形成共晶。共晶焊接溫度为240°C，焊 接时间为30s。
[001引经测量，Rthja热阻值为158°C/W。
[0019] 实施例2
[0020] 将长宽厚为370μπι X 570μπιX lOOwii的M0S忍片，在其背面自里向外依次蒸锻W、A1、 Ni、Cu，形成四层结构的金属层，其中W层厚度为200 A，A1层厚度为500 A，Ni层的厚度为 2500Λ、化层的厚度为1.2ym，Cu层与框架表面的锻层形成共晶。共晶焊接溫度为260°C，焊 接时间为60s。
[0021] 经测量，其化hja热阻值为165°C/W。
[0022] 实施例3
[0023] 将长宽厚为370μπι X 570μπιX lOOwii的M0S忍片，在其背面自里向外依次蒸锻W、A1、 Ni、Cu，形成四层结构的金属层，其中W层厚度为150 \，A1层厚度为100 /\，Ni层的厚度为 2300Λ、化层的厚度为1.15μπι，化层与框架表面的锻层形成共晶。共晶焊接溫度为250°C，焊 接时间为45s。
[0024] 经测量，其化hja热阻值为172°C/W。
[0025] 实施例4
[00%] 将长宽厚为370μπιΧ570μπιΧ100Μ?的M0S忍片，在其背面自里向外依次蒸锻W、A1、 Ni、化，形成四层结构的金属层，其中W层厚度为100 A，A1层厚度为500 A，Ni层的厚度为 2000乂、Cu层的厚度为1.2μπι，化层与框架表面的锻层形成共晶。共晶焊接溫度为240°C，焊 接时间为60s。
[0027] 经测量，其lUhja热阻值为160°C/W。
[002引实施例5
[00巧]将长宽厚为370μπι X 570μπιX lOOwn的MOS忍片，在其背面自里向外依次蒸锻W、A1、 NiXu、Ag，形成四层结构的金属层，其中W层厚度为100 A，A1层厚度为孤0 A，Ni层的厚度 为:2〇0:〇Λ、化层的厚度为1.2皿，Ag层的厚度为鈍0 乂，Au层的厚度为4腑~550A。Cu层与 框架表面的锻层形成共晶。共晶焊接溫度为240°C，焊接时间为60s。
[0030] 经测量，其lUhja热阻值为ISrC/W。
[0031] 实施例6
[0032] 将长宽厚为370μπι X 570μπιX lOOwn的M0S忍片，在其背面自里向外依次蒸锻W、A1、 NiXu、Ag，形成四层结构的金属层，其中W层厚度为ΙΟΟΑ,ΑΙ层厚度为那0 A，Ni层的厚度 为2000Λ、加层的厚度为1.化m，Ag层的厚度为3如儿Au层的厚度为4QO~疏〇Α_。Cu层 与框架表面的锻层形成共晶。共晶焊接溫度为240°C，焊接时间为60s。
[0033] 经测量，其lUhja热阻值为188°C/W。
[0034] 实施例7
[00巧]将长宽厚为370μπι X 570μπιX lOOwn的M0S忍片，在其背面自里向外依次蒸锻W、A1、 NiXu、Au，形成四层结构的金属层，其中W层厚度为ΙΟΟα,ΑΙ层厚度为飘姐A，Ni层的厚度 为2000A ,Cu层的厚度为1.2皿,Au层的厚度为Cu层与框架表面的锻层形成共晶。 共晶焊接溫度为240°C，焊接时间为60s。
[0036] 经测量，其lUhja热阻值为192°C/W。
[0037] 实施例8
[003引将长宽厚为370μπι X 570μπιX lOOwn的M0S忍片，在其背面自里向外依次蒸锻W、A1、 NiXu、Au，形成四层结构的金属层，其中W层厚度为ΙΟΟΑ,ΑΙ层厚度为500 A，Ni层的厚度 为2000策、Cu层的厚度为1.2ym，Au层的厚度为550AdCu层与框架表面的锻层形成共晶。 共晶焊接溫度为240°C，焊接时间为60s。
[0039] 经测量，其lUhja热阻值为196°C/W。
[0040] 对照例1
[0041 ] 将长宽厚为370μπιΧ570μπιΧ100皿的M0S忍片，按常规渗银环氧粘贴(银浆粘贴)进 行封装。
[0042] 经测量，其化h ja热阻值为435°C/W。
[00创对照例2
[0044] 将长宽厚为370皿X 570皿X 100皿的M0S忍片，在其背面自里向外依次蒸锻Ti、Ni、 Au，形成Ξ层结构的金属层，其中Ti层厚度为80.Q. A，.Ni层的厚度为5〇〇〇A、Au层的厚度为 1.5ym，Au层与框架表面的锻层形成共晶。共晶焊接溫度为340°C，焊接时间为60s。
[0045] 经测量，其化h ja热阻值为290°C/W。
【主权项】
1. 半导体芯片的共晶焊接方法，在芯片硅衬底背面蒸镀金属层，在一定温度下，使金属 层与框架表面受压接触，在接触面发生键合形成共晶，实现共晶焊接，其特征在于:在半导 体芯片硅衬底背面自里向外依次蒸镀1^1、附、〇!，形成四层结构的金属层，其中1层厚度为 100~2.00 A,Al层厚度为200~i500 A，Ni层的厚度为2000~2500入、Cu层的厚度为 1.1~1.2ym，Cu层与框架表面的镀层形成共晶。2. 根据权利要求1所述的半导体芯片的共晶焊接方法，其特征在于：共晶焊接温度为 240~260°C，焊接时间为30~60s。3. 根据权利要求1所述的半导体芯片的共晶焊接方法，其特征在于：为了防止Cu层氧 化，在Cu层上蒸镀一层Ag或Au。4. 根据权利要求3所述的半导体芯片的共晶焊接方法，其特征在于：Ag层的厚度为 300~:350 A，Au层的厚度为/)〇〇~入。
【专利摘要】本发明提供了一种半导体芯片的共晶焊接方法，在芯片硅衬底背面蒸镀金属层，在一定温度下，使金属层与框架表面受压接触，在接触面发生键合形成共晶，实现共晶焊接，在半导体芯片硅衬底背面自里向外依次蒸镀W、Al、Ni、Cu，形成四层结构的金属层，其中W层厚度为Al层厚度为Ni层的厚度为Cu层的厚度为1.1～1.2μm，Cu层与框架表面的镀层形成共晶。本发明不需镀金或镀银，大大节约了生产成本，且提高了封装产品热导率，增长产品使用寿命。
【IPC分类】H01L21/60
【公开号】CN105489515
【申请号】CN201511021788
【发明人】王常毅, 李勇昌, 邹锋, 蒋振荣, 邹波
【申请人】桂林斯壮微电子有限责任公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月30日