一种基于TLP扩散连接的电子封装方法与流程

本发明涉及半导体芯片特别是半导体激光器芯片电子封装的焊接材料和焊接结构，具体涉及用于芯片电子封装中一种基于tlp扩散焊接的分层焊料结构。

背景技术：

半导体芯片特别是半导体激光器芯片与热沉基板的连接是通过焊料来进行焊接，由于焊料所选材质不同，其熔点也不同。如要求焊接后的芯片在不同温度场合应用时，就要选用不同熔点的焊料。例如，如果半导体芯片要用在100℃场合下，就要选用熔点高于100℃的焊料，如熔点为157℃的in；在200℃场合下，就要选用熔点为280℃的80au20sn；在300℃场合下，就要选用熔点为356℃的88au12ge；等等。为此，焊料公司如国际著名的美国公司indiumcorp根据熔点要求开发出来上百种牌号的焊料供客户使用。而对使用焊料的半导体芯片电子封装厂家来说，购买和管理如此多的焊料品种费事费时又费钱；同时大多数焊料是二元、三元甚至四元合金，加工困难，不易制成薄而形状复杂的材料，因此焊料一般都是厚度大于25μm(微米)的片状或圆状。半导体激光器芯片的倒装焊接时出光点距离焊接面不到10μm高，25μm的厚焊料很容易遮挡住激光器的出光点；另一方面，半导体激光器芯片自动化焊接要求焊料无助焊剂，这样焊料在吸取和放置在热沉基板上的过程中，由于重量轻，不易于固定在热沉基板上的焊盘位置处，容易产生焊接缺陷，因此通常要求焊料直接沉积在热沉基板上。所以，开发新的适合于不同熔点要求和便于倒装焊接及自动化焊接的半导体芯片特别是半导体激光器芯片的连接方法具有广阔的应用前景。

tlp(transientliquidphase，过渡液相)扩散连接方法，是将特定成分的中间层合金(即焊料)置于两待焊部件之间，在焊接加热过程中，中间层合金溶化填缝，并在随后的保温过程中中间层的低熔点元素向两侧高熔点金属层扩散，形成不同于起始成分的新中间层冶金结合，由于焊接保温时间不同，元素的扩散程度不同，最终获得的中间层的组织和成分不同，也就形成不同熔点的新中间层连接方式。tlp扩散连接兼具钎焊工艺的便捷性和扩散冶金结合的高性能特点，该方法焊接温度低、焊接压力小、自动化程度高，已广泛用于高温合金焊接。

文献“modelingoftransientliquidphasebondinginbinarysystems-anewparametricstudy，t.c.illingworth，i.o.golosnoy，t.w.clyne，materialsscienceandengineering，a445-446(2007)，p.493-500”模拟了二维系统中tlp焊接过程中等温状态下过渡液相厚度s(t)随焊接时间t变化的关系式。

其中s0为过渡液相的初始厚度，单位＝m＝10⁶μm，k为无单位的液相凝固速率常数，通常为-0.2～-1，d为扩散系数，单位＝m²/s＝10¹²μm²/s，通常为10^-10～10^-12m²/s，ω为无单位的热力学系数，c0为元素在母材金属的初始浓度，单位＝wt％(重量百分比)，cs为液固相界面处元素在固相的浓度，单位＝wt％，cl^*为液固相界面处元素在液相的浓度，单位＝wt％，可近似为元素在过渡液相中的浓度cl。据文献“modelingoftransientliquidphasebonding，y.zhou，w.f.gale，andt.h.north，internationalmaterialsreviews，1995vol.40no.5p.181-196”介绍，当焊接温度t低于母材和金属中间层平衡状态下的熔点tm时，元素的扩散主要取决于晶界的扩散系数dgb，而不是晶内扩散系数d1。当t＜0.5-0.75tm时，dgb/d1≈10⁵；t＞0.75tm时，dgb/d1≈10³。根据上述关系式，可以估算出不同焊接温度下，获得不同固相浓度cs的焊接连接层-即不同熔点的焊接连接层时，所需的焊接时间t。

技术实现要素：

本发明基于上述现有半导体芯片特别是半导体激光器芯片电子封装用焊料的缺陷和tlp扩散连接的特点，从过渡液相扩散的角度，提出一种半导体芯片特别是半导体激光器芯片与热沉基板的连接方法。这种方法采用了全新的焊接材料和结构设计，该焊接材料和结构由多层熔点不同的金属相叠而成，直接沉积在热沉基板上；连接过程中，半导体芯片直径放置在有焊料的焊盘处，采用常规的芯片焊接加热和保护方法，通过控制焊接保温时间，来调节连接层的熔点高低，最终实现焊接后的芯片热沉组件可以用于不同温度下的应用场合，减少对不同牌号焊料的需求，降低半导体芯片特别是半导体激光器芯片与热沉连接的成本。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案是：一种基于tlp扩散连接的电子封装方法，具体步骤如下：

1)根据半导体芯片特别是半导体激光器芯片的导电、散热和热膨胀系数匹配等要求选取不同材质的热沉基板1，如w-cu、mo-cu合金，al2o3、aln、sic陶瓷，dbc(directbondcopper，覆铜)陶瓷，或al-sic、c-sic复合材料等，表面加工平整光洁。

2)在热沉基板上的焊盘2位置处沉积第一层0.1～5μm高熔点的粘接阻挡金属层3。沉积方法可以包括热蒸发、溅射、电镀、化学浸镀等，沉积的金属可以是单层的、双层或多层的，金属材料为高熔点的ti、cr、w、mo、pt、pd、ni等。此第一金属层的作用有二个方面，一是容易粘接到热沉基板上，二是能够阻挡低熔点焊接金属向热沉基板材料扩散。

3)在第一层金属层之上沉积第二层2～50μm厚的扩散母材金属层4。沉积方法可以包括热蒸发、溅射、电镀等，沉积的金属可以是单层的、或双层的，金属材料为熔点较高、便于同低熔点金属进行快速扩散的元素，如au、cu、ag等。此第二金属层的作用主要在于，一是为低熔点金属提供扩散母材，二是能与低熔点金属形成低熔点共晶，便于低熔点金属向中等熔点的母材金属扩散。

4)在第二层金属层之上沉积第三层2～10μm厚的低熔点金属中间层5。沉积方法可以包括热蒸发、溅射、电镀等，沉积的金属可以是单层的或双层的，金属材料为熔点小于400℃的金属或合金，如157℃的in、221℃的96.5sn3.5ag、232℃的sn、280℃的80au20sn、356℃的88au12ge等。此第三金属中间层的作用主要在于，一是为半导体芯片的电子封装提供低熔点焊接材料，降低焊接过程的温度，二是其中的低熔点元素能快速地向第二层扩散母材层里扩散，利于低熔点金属中间层的成分和组织向高熔点转变，同时通过控制焊接保温时间，来调节金属中间层的熔点，达到焊接后的芯片可以适用于不同使用温度场合的目的。

5)在第三层金属中间层之上沉积第四层0～5μm厚的金属保护层6。沉积方法可以包括热蒸发、溅射、电镀、化学浸镀等，沉积的金属通常为单层，金属材料为耐氧化耐腐蚀的au或ag。此第四金属层的作用主要在于防止第一到第三层金属不被大气氧化腐蚀，从而能长期保障沉积后的热沉基板与半导体芯片的焊接性能。

6)将半导体芯片8用吸嘴置于第一到第四层的沉积金属上，芯片上的电极7对准热沉基板上的焊盘2，吸嘴头压力为5-10g/mm²以固定半导体芯片的位置。

7)在n2+5～10％h2或ar+5～10％h2的保护下，加热到焊接温度(焊接温度通常高于第三层金属中间层熔点的20～40℃)并保温0.5～60分钟，完成半导体芯片与热沉基板的连接。

8)通过本发明的技术方案至少能够达到以下技术效果：由于采用过渡液相扩散连接方法，所选用的低熔点金属中间层温度低，焊接温度也低，避免了高温加热对半导体芯片性能影响，同时低温焊接也降低了焊接应力，可有效提高半导体芯片的可靠性；通过控制焊接时间来调节低熔点元素在母材金属中扩散，从而改变金属中间层的成分和组织，提高金属中间层的熔点温度，也相应地提高了焊接后的半导体芯片的使用温度；由于低熔点金属与母材金属的相互扩散，在原来单一组分的金属中间层里形成了合金，有效地提高了金属中间层的控蠕变性能；热沉基板上直接沉积多层焊接金属，不会增加半导体芯片贴片任何额外的设备投资，而且能保证半导体芯片与热沉基板连接快捷、简便，因此具有广阔的市场推广应用前景。

下面结合附图和实例对本发明进一步说明。

附图说明

附图1为本发明半导体芯片与热沉基板的tlp扩散连接的多层焊接金属结构示意图。

附图2为采用本发明方法焊接sic二极管和覆铜aln热沉基板的过渡液相扩散连接组织结构截面图。

附图3为采用本发明方法焊接sic二极管和覆铜aln热沉基板的过渡液相扩散连接组织的主要元素成分分析。其平衡组织中的au元素含量＞＝90atm％(原子百分比)，sn元素含量＜＝10atm％。

图中各附图标记的含义如下：

1-热沉基板，2-热沉基板焊盘，3-第一层粘接阻挡金属层，4-第二层扩散母材金属层，5-第三层低熔点金属中间层，6-第四层金属保护层，7-半导体芯片电极，8-半导体芯片，9-tlp扩散连接组织的au成分atm％，10-tlp扩散连接组织的sn成分atm％，。

具体实施方式

结合附图1-3说明本发明创新提出的一种基于tlp扩散连接的电子封装方法。本发明结合液态钎焊和固态扩散焊的特点，从过渡液相扩散原理出发，采用了特殊的焊接材料和结构设计，把功能不同的多层金属沉积到热沉基板1的焊盘2上。根据材料和功能的特点，此多层金属由四层组成：第一层高熔点的粘接阻挡金属层3，厚度0.1～5μm，材料优选高熔点单层金属ni、cr；或双层金属ti/pt、ti/ni等；第二层扩散母材金属层4，厚度2～50μm，材料优选熔点较高、便于同低熔点金属进行快速扩散的单层金属au、cu、ag等；第三层低熔点金属中间层5，厚度2～10μm，材料优选单层金属sn、in、80au20sn合金等；第四层金属保护层6，厚度0～5μm，材料优选耐氧化耐腐蚀的单层金属au、ag等。此多层金属沉积的热沉基板可以采用常规的共晶焊接工艺与半导体芯片进行焊接，焊接温度由第三层低熔点金属中间层的熔点决定，通常高于熔点20-40℃左右.通过控制焊接保温时间，来调节低熔点元素在母材金属中的扩散程度，从而达到调整最终焊接组织的成分，实现不同熔点的焊接组织，而且熔点高于原焊接材料的最低熔点。

在实际应用中，为了减少金属沉积步骤，降低成本，对于第三层低熔点金属中间层为sn或80au20sn的情况，第四层金属保护层可以不要，即厚度＝0，但要求对沉积后的热沉基板立即进行充n2气保护，并要求使用期限在3～6个月之内。这些变换都属于本发明的保护范畴。

实施例1

sic半导体二极管与覆铜aln热沉基板的tlp扩散连接方法，包括以下步骤：

步骤1、选用美国stellar公司有焊盘图形的dbc-aln陶瓷，aln厚度＝0.015”(0.380mm)，陶瓷两面覆铜厚度＝0.005”(0.127mm)，然后将焊盘一面减薄抛光至覆铜厚度＝0.0025～0.0035”(64～89μm)，表面平整度＝5～10μm/inch，表面光洁度ra＝0.5～1μm；

步骤2、将抛光后的覆铜aln热沉基板在10％hcl溶液中浸泡5～10秒，去除表面氧化物和抛光毛刺，然后马上放入流动的去离子水中清洗1～2分钟，最后放入90℃化学镀ni溶液中10min，在覆铜焊盘表面上镀上2～3μm厚的ni，作为第一层粘接阻挡层；

步骤3、将镀好ni的覆铜aln热沉基板浸入50～55℃的au电镀液中，选用电镀电流密度0.5a/dm²(每平方分米安培)，电镀时间48min，在镀ni的焊盘上电镀上30μm的au层，后去离子水中清洗1～2分钟，作为第二层扩散母材金属层；

步骤4、将镀好au-ni的覆铜aln热沉基板浸入70～75℃的sn电镀液中，选用电镀电流密度2a/dm²，电镀时间11min，在镀au-ni的焊盘上电镀上6μm的sn层，后去离子水中清洗1～2分钟，作为第三层低熔点金属中间层；

步骤5、将镀好sn-au-ni的覆铜aln热沉基板浸入50～55℃的au电镀液中，选用电镀电流密度0.5a/dm²，电镀时间8min，在镀sn-au-ni的焊盘上电镀上5μm的au层，后去离子水中清洗1～2分钟，作为第四层金属保护层；

步骤6、选用infineon的sic整流二极管芯片，芯片大小4.9x4.9x0.380mm，阴极金属层为2.8μm的pt/ni/au；

步骤7、用westbond共晶焊机的吸嘴从阳极面把sic芯片吸起，然后阴极面朝下放置在覆铜aln热沉基板的焊盘上，通过吸嘴加压力150g，把芯片固定在焊盘位置处；

步骤8、在n2+5％h2的气体保护下，把覆铜aln热沉基板加热到285℃，并保温40min，然后冷却到室温，完成sic芯片与覆铜aln热沉基板的tlp扩散连接。

对焊接后的接头进行金相和扫描电镜组织和成分分析(图2-3)，可以看出采用本发明过渡液相扩散连接方法焊接，焊接组织没有明显气孔，au元素的含量9大于90atm％，即大于95wt％，sn元素的含量10低于10atm％，即小于5wt％，可以确定新形成的焊接组织的熔点高达480℃。

实施例2

gaas半导体激光二极管与89w11cu热沉基板的tlp扩散连接方法，包括以下步骤：

步骤1、选用sumitomoelectric公司的w-1089w11cu热沉基板，尺寸＝0.5x0.2x0.015”(12.7x5x0.380mm)，表面平整度＝5～10μm/inch，表面光洁度ra＝0.5～1μm；

步骤2、将预先做好的焊盘金属掩膜版固定在热沉基板上；

步骤3、将装好的热沉基板放入南光电子束镀膜机中，待真空度＞10^-6torr后，依此蒸发沉积：第一层高熔点粘接阻挡层ti＝0.1μm+pt＝0.5μm；第二层扩散母材金属层au＝6μm；第三层低熔点金属中间层80au20sn＝5μm；第四层金属保护层au＝1μm；

步骤4、选用jdsu的gaas二极管激光器芯片，芯片大小4x0.5x0.120mm，阳极金属层为4μm的pt/au；

步骤5、用westbond共晶焊机的吸嘴从阴极面把gaas芯片吸起，然后把芯片阳极面朝下放置在热沉积后的wcu热沉基板的焊盘上，通过吸嘴加压力15g，把芯片固定在焊盘位置处；

步骤6、在n2+5％h2的气体保护下，把热沉基板加热到300℃，并保温15min，然后冷却到室温，完成gaas芯片与wcu热沉基板的tlp扩散连接。

对焊接后的接头进行金相和扫描电镜组织和成分分析，获得扩散连接组织中的sn含量＜10wt％，熔点＞＝400℃。