一种无铅多组分铋基低熔点玻璃与陶瓷粉的复合粉体灌封材料及其制备方法与应用

本发明涉及电子封装材料，尤其是涉及一种无铅多组分铋基低熔点玻璃与陶瓷粉的复合粉体灌封材料及其制备方法与应用。

背景技术：

1、功率半导体器件是电动汽车、数据中心、电网、可再生能源处理和消费电子等电力电子应用中实现高效能量转换的关键，并推动了碳化硅(sic)和氮化镓等宽禁带半导体(wbg)的发展。以ga2o3为代表的超宽禁带(uwbg)半导体材料也在电力应用方面取得关键性进展。为满足功率半导体器件在高温、高压等环境下稳定工作的要求，要求所用封装材料需同时具备高玻璃化转变温度(tg)、高金属密着力、低吸湿性、低离子浓度等特点。传统的灌封材料以聚合物为主，如环氧树脂、硅树脂和聚酰亚胺等，在温度升高(175-200℃左右)的影响下会发生热降解(分解)，改变其性能，已不能胜任新一代半导体封装的需求。

2、专利申请号为202211428348.1的中国发明专利提供了有机-无机薄膜叠加的高温灌封方案，能够实现在200℃以及250℃高温下被灌装器件的正常运行的可靠性目标需求。专利申请号为202210618233.2的中国发明专利提供了一种第三代半导体器件封装用马来酰亚胺树脂基组合物，其固化物具有高的玻璃化转变温度，且在常温和250℃下均表现出高的弯曲强度。sic和gan器件在理论上具有在高达600℃的温度下工作的能力，其中灌封材料较差的高温稳定性是限制器件能力的重要原因。因此，针对新一代宽禁带功率半导体器件，开发高耐热、高击穿电压的新型灌封材料具有重要研究意义和应用价值。

3、玻璃具有良好的电绝缘性、耐久性、高温稳定性等特性，是宽禁带功率器件灌封材料的理想候选者。经对现有科技文献的检索发现，倾倒500℃熔融铅基玻璃液的方法成功灌封了sic mosfet，玻璃封装模块在250℃下浸泡1000小时后，模块的外观和局部击穿电压(pdiv)没有变化。结果表明玻璃封装的高温稳定性远优于高温聚合物，且不影响芯片静态和动态特性。

4、铅基低熔点玻璃作为传统的半导体封装材料已经广泛应用于半导体器件生产实践中。然而由于玻璃和基底之间不匹配的膨胀系数产生了较大的应力，造成了开裂，为了减轻应力，在玻璃和dbc基板之间添加聚合物缓冲层，但同时降低了模块的耐电压性能。此外较高的灌封温度可能导致器件损坏。同时，铅对人体与环境均有严重危害。绿色、环保、无铅化已成为低温封装玻璃的发展方向。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种无铅多组分铋基低熔点玻璃与陶瓷粉的复合粉体灌封材料及其制备方法与应用，其目的在于通过低熔点铋基玻璃粉和无机陶瓷粉复合，复合粉体与器件一起加热，玻璃粉软化并烧结，完成对宽禁带半导体功率器件的灌封，使得功率器件能够耐受300℃甚至350℃高温，并能够匹配宽禁带功率器件更快的开关速度和更高的击穿电压。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明提供一种无铅多组分铋基低熔点玻璃与陶瓷粉的复合粉体灌封材料，按重量百分比计，包括以下组分：玻璃粉60～100％、陶瓷粉0～40％，且陶瓷粉不为0，玻璃粉和陶瓷粉的质量百分比之和为100％；

4、所述玻璃粉为无铅多组分铋基低熔点玻璃粉，

5、所述无铅多组分铋基低熔点玻璃粉组成按质量百分比，由以下组分制成：

6、bi2o3 70～85％，

7、b2o3 5～15％，

8、zno 5～15％，

9、bao 0～10％，且不为0

10、cuo或fe2o3中的一种或两种的组合共0～5％，且不为0，

11、以上各成分的质量百分比之和为100％。

12、在本发明的一个实施方式中，所述无铅多组分铋基低熔点玻璃粉和陶瓷粉的质量比为1：(0-0.667)，且陶瓷粉不为0。

13、在本发明的一个实施方式中，所述陶瓷粉为无机氧化物或氮化物。

14、在本发明的一个实施方式中，所述陶瓷粉选自熔融二氧化硅、结晶型二氧化硅、气相二氧化硅、氧化铝、氢氧化铝、碳酸钙、氧化镁、氢氧化镁、氮化硼、氮化铝、氮化硅、碳酸镁、氢氧化钙、黏土、钛酸钡、钛酸铅、硅灰石或滑石粉中的一种或几种。

15、在本发明的一个实施方式中，所述陶瓷粉中含有熔融二氧化硅，且熔融二氧化硅含量为陶瓷粉总量的50～100wt％，优选90～100wt％。

16、在本发明的一个实施方式中，所述陶瓷粉平均粒径为0.01～30μm。

17、在本发明的一个实施方式中，所述无铅多组分铋基低熔点玻璃粉粒度为5～20μm。

18、在本发明的一个实施方式中，所述无铅多组分铋基低熔点玻璃与陶瓷粉的复合粉体灌封材料粒度为5～20μm。

19、本发明提供的无铅多组分铋基低熔点玻璃与陶瓷粉的复合粉体灌封材料为一种复合粉体材料，所述复合粉体能够在400～450℃之间软化并烧结，烧结后能在350℃温度下保持稳定。

20、本发明通过低熔点铋基玻璃粉和无机陶瓷粉复合，复合粉体与器件一起加热，玻璃粉软化并烧结，完成对宽禁带半导体功率器件的灌封，使得功率器件能够耐受300℃甚至350℃高温，并能够匹配宽禁带功率器件更快的开关速度和更高的击穿电压。

21、本发明进一步提供所述无铅多组分铋基低熔点玻璃与陶瓷粉的复合粉体灌封材料的制备方法，包括以下步骤：

22、(1)将配方量的组成无铅多组分铋基低熔点玻璃粉的原料混合均匀，再经过熔制、水淬、球磨，得到无铅多组分铋基低熔点玻璃粉；

23、(2)按照配比将步骤(1)中所得的无铅多组分铋基低熔点玻璃粉与陶瓷粉混合均匀，即可得到用于灌封宽禁带功率器件的无铅多组分铋基低熔点玻璃与陶瓷粉的复合粉体灌封材料。

24、在本发明的一个实施方式中，步骤(1)所述无铅多组分铋基低熔点玻璃粉的制备包括以下步骤：

25、(1.1)将无铅多组分铋基低熔点玻璃粉配方量的组成配比准确称量，将其混合均匀后放入高温熔炉中，在1000～1300℃熔制2h，得到高温玻璃熔液；

26、(1.2)将步骤(1.1)中的所述的高温玻璃熔液倒入去离子水中快速淬冷，形成碎玻璃；

27、(1.3)将步骤(1.2)中的所述碎玻璃在球磨机中细磨，料球比1:(3～5)，过800目筛，得到粒度为5～20μm的所述无铅多组分铋基低熔点玻璃粉。

28、本发明还进一步提供所述无铅多组分铋基低熔点玻璃与陶瓷粉的复合粉体灌封材料的应用，用于宽禁带功率器件灌封，具体方法为：

29、将所述无铅多组分铋基低熔点玻璃与陶瓷粉的复合粉体灌封材料与未灌封的宽禁带功率器件一起加热，玻璃粉软化并烧结，完成对宽禁带半导体功率器件的灌封，使得功率器件能够耐受300℃甚至350℃高温，并能够匹配宽禁带功率器件更快的开关速度和更高的击穿电压。

30、同时在较低温度下实现共烧，减小对器件的损伤，提高灌封成功率。

31、在本发明的一个实施方式中，所述无铅多组分铋基低熔点玻璃与陶瓷粉的复合粉体灌封材料用于宽禁带功率器件灌封具体包括以下步骤：

32、(1)将适量所述无铅多组分铋基低熔点玻璃与陶瓷粉的复合粉体灌封材料与未灌封的宽禁带功率器件置于封装模具中；

33、(2)将上述模具置于氮气气氛炉或真空炉中，升温至400～450℃，升温速率为5℃/min，保温10～30分钟，并以2℃/min的速率降至室温。

34、在本发明的一个实施方式中，所述宽禁带功率器件包括碳化硅(sic)基功率器件、氮化镓(gan)基功率器件、氧化锌(zno)基功率器件、氧化镓(ga2o3)基功率器件、金刚石基功率器件等为代表的宽禁带功率半导体器件。

35、本发明提供的无铅多组分铋基低熔点玻璃与陶瓷粉的复合粉体灌封材料的高温灌封方案，能够实现在300℃以及350℃高温下被灌装器件的正常运行的可靠性目标需求。玻璃粉能够在400～450℃之间软化并烧结，烧结后能在中350℃温度下保持稳定。但是玻璃本身热膨胀系数(cte)与功率器件的部件(芯片，键合线等)不匹配，产生较大的应力，容易产生裂缝，影响灌封性能；而无机陶瓷粉的膨胀系数较低，电性能优异，掺入陶瓷粉后能够有效降低复合粉体的膨胀系数，减小应力，并提升击穿强度。因此，这种玻璃与陶瓷粉复合的灌封材料能够使被封装的半导体功率器件在高温下正常运行。同时，这种灌封方案将为未来宽禁带半导体功率器件灌封材料的探索提供更具可行性的参考。

36、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，至少能够取得下列有益效果：

37、(1)本发明提供的无铅多组分铋基低熔点玻璃与陶瓷粉的复合粉体的灌封材料，能够实现在300℃以及350℃高温下被灌装器件的正常运行的可靠性目标需求。与常用的聚合物灌封材料相比，这种灌封材料具有良好的耐高温性能，克服了宽禁带功率器件在更高温的工作环境中导致器件模块失效。更重要的是，对于耐温更高，开关速度更快的宽禁带半导体功率器件(例如sic功率器件)，目前常用的灌封材料仅能支持sic功率模块在最高175℃下运行，而本技术提供的无铅多组分铋基低熔点玻璃与陶瓷粉的复合粉体灌封材料能使功率器件在高于300℃甚至350℃的高温下持续工作而不失效。

38、(2)本发明中通过添加无机陶瓷粉降低复合粉体的膨胀系数，减小器件内部的应力，去除玻璃灌封材料所需的聚合物缓冲层，提升了器件整体的击穿强度，提升了器件的耐久性。

39、(3)本发明提供的多组分铋基低熔点玻璃与陶瓷粉的复合粉体的灌封材料无铅材料使用，符合绿色、环保、无铅化已成为低温封装玻璃的发展方向。