一种用于芯片键合的复合片及其制备方法与流程

本发明涉及电子封装，具体涉及一种用于芯片键合的复合片及其制备方法。

背景技术：

1、现有技术中，功率半导体模块主要通过在芯片上设置铝键合线实现引线键合，然而由于铝键合线的热导率和电导率相对较低，在设置后不利于芯片的散热和电信号传输，尤其是对于以碳化硅、氮化镓为代表的新一代功率半导体，这种缺陷会导致产品的应用范围大大受限。为此，人们尝试采用热导率和电导率较高的铜键合线或铜银键合线进行代替，然而铜键合线在键合时所需设定功率和压力较高，容易造成芯片损伤，而铜银键合线加工难度和加工成本较高，并且在无缓冲设置下，依然会造成芯片损伤。

技术实现思路

1、基于现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供了一种用于芯片键合的复合片，该产品以特定尺寸和组成设置的铜片及含银预烧结层复合，材料本身的热导率和导电率高，并且在使用时只需直接在铜片所在面上实现引线键合，在含银预烧结层连接芯片即可完成芯片键合，无需设置额外操作，使用方便并且保障不会造成芯片损伤。

2、为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

3、一种用于芯片键合的复合片，包括铜片和含银预烧结层；

4、所述铜片与含银预烧结层的厚度之比为(1～3)：1；

5、所述含银预烧结层的厚度为0.03～0.2mm；

6、形成所述含银预烧结层所用的银膏，以100份计，包括以下重量份的组分：

7、分散剂1～4份、还原剂0.5～2份、粘结剂2～5份、稀释剂1.5～7份以及余量重量份的银粉；

8、所述银粉包括纳米级银粉和微米级银粉，两者的质量之比为(5～12)：1；

9、所述纳米级银粉的粒径dv50≥20nm；

10、所述微米级银粉的粒径dv50≤10μm。

11、为了兼顾芯片键合时的键合强度以及芯片的保护程度，在本发明所述方案中，以铜片和含银预烧结层进行复合从而形成复合片，该产品可以直接用于芯片键合，在使用时，只需裁切成芯片对应所需尺寸即可，通过含银预烧结层直接烧结连接在芯片上，并且在铜片所在面上设置铜键合线来键合连接，避免因使用传统铝键合线所带来的散热和电信号传输问题，同时不会对芯片造成直接损伤，该产品在使用时无需额外设置连接层或过渡层，操作简单。

12、不过，发明人在研发时发现，铜片和含银预烧结层的厚度设置对于产品使用时的效果存在较大影响，含银预烧结层主要用于芯片层与铜片的连接，若厚度太薄，会导致烧结时层面间连接不牢，产品的层间结合强度差，对芯片的保护效果也不足，造成芯片损伤；但如果含银预烧结层过厚，其在加工时容易因粘接强度不足而出现脱落，或者烧结过程中出现分层的情况，同样会导致产品的层间结合强度不足，使用性能差。同时，由于铜和银两种金属在高温下的尺寸变化率并不相同，因此需要对两者的厚度之比也进行特殊设置，若铜片与含银预烧结层的厚度之比过小，则在烧结过程中铜片由于弯曲变形容易造成层间局部剥离，产品的层间结合强度差，甚至还可能会影响到对芯片的保护性；另一方面，如果厚度之比过大，则可能会导致产品在加工过程中铜片由于在冲切过程中边缘出现弧度，平面度变差，同样会造成产品层间结合强度不佳的问题。

13、此外，在形成所述银预烧结层所用的银膏组分中，为了保障银粉的烧结效果以及分散性，需要引入纳米级和微米级两种尺寸的粉料进行复配，其中微米级银粉作为骨架，可以减少纳米级银粉的团聚现象，减少初始烧结时的晶粒缺陷；而纳米级银粉具有粘结性，可以有效粘结微米级银粉，填充微米级银粉之间的孔隙，从而提升整体材料的致密度，同时也可以提升材料的烧结驱动力。不过，纳米级银粉的尺寸不能过小，否则在加工过程中难以分散造成团聚，无法实现层间连接和芯片保护的预期效果，微米级银粉的尺寸不能过大，否则形成的骨架过大，两种银粉的粒径差距过大，纳米级银粉的粘接效果并不理想。而在搭配银粉时，需要同步引入多种助剂组成才能保障含银预烧结层的作用功效：分散剂用于保障银粉的分散性，还原剂用于去除层间界面的氧化层，粘结剂提升含银预烧结层与铜片的连接强度，稀释剂以调整加工时整体材料的分散粘度，若与银粉间搭配的比例不当，同样会造成产品使用效果不佳的情况。

14、优选地，所述铜片的厚度为0.03～0.6mm。

15、更优选地，所述铜片的厚度为0.05～0.3mm。

16、对于本发明所述复合片的铜片而言，设置较薄时在加工阶段的成本较高，并且其在铜键合线设置时对于芯片的保护作用降低，同时过薄也会导致烧结时铜片与含银预烧结层的结合紧密性降低，层间的结合强度削弱；而在设置较厚时，铜片加工冲切阶段又会导致铜片的平面度降低，受力分布不均匀，同样会降低层间的结合强度。当所述铜片的厚度设置优选在上述范围内时，产品可以实现更优的层间结合强度。

17、优选地，所述含银预烧结层的厚度为0.05～0.1mm。

18、在选择上述优选厚度设置下，所述含银预烧结层制备的复合片可以在保障芯片不受损伤的前提下，层间结合牢固度高，受力分布均匀性更高，剪切强度大。

19、优选地，所述微米级银粉的粒径dv50为2～10μm。

20、更优选地，所述微米级银粉的粒径dv50为4～6μm。

21、优选地，所述纳米级银粉的粒径dv50为20～500nm。

22、更优选地，所述纳米级银粉的粒径dv50为30～200nm。

23、如上文所述，微米级银粉和纳米级银粉在特定比例下搭配可以兼顾含银预烧结层烧结时的驱动力以及整体银粉的分散均匀性效果与致密效果，而在优选使用上述粒径尺寸的两种银粉进行搭配时，可以使得该烧结层的剪切强度更高，产品的层间结合强度以及对芯片的保护程度更高。

24、优选地，所述分散剂包括乙烯吡咯烷酮、聚二烯丙基二甲基氯化铵、十二烷基磺酸钠中的至少一种；所述的还原剂包括松香酸；所述的粘结剂包括α-松油醇；所述的稀释剂包括乙二醇、丙酮中的至少一种。

25、优选地，所述铜片经过软化退火处理，所述软化退火处理时的温度≥200℃。

26、本发明的另一目的在于提供所述用于芯片键合的复合片的制备方法，包括以下步骤：

27、(1)对铜带进行预处理后，在还原性气氛下进行软化退火处理，裁切，得铜片；所述软化退火时的温度≥200℃；

28、(2)将形成所述银预烧结层所用的银膏按照组分配制成膏状浆料，随后涂覆在铜片上，真空干燥，即得所述用于芯片键合的复合片。

29、本发明所述产品制备操作简单，仅需预先对铜片进行软化退火及裁切处理，随后以涂覆-干燥的方式在铜片上设置含银预烧结层即可，可实现工业化规模生产。同时，所述铜片需要在至少200℃下进行软化退火后处理至少1h，否则铜片难以被去除应力，并且其表面的氧化层难以完全去除。

30、优选地，所述软化退火时的温度为200～500℃。

31、更优选地，所述软化退火时的温度为300～400℃。

32、优选地，所述软化退火时的时间为≥1h。

33、更优选地，所述软化退火时的时间为1～3h。

34、优化后的软化退火温度和软化退火时间，可以在保证去除铜片的应力和表面的氧化层的前提下，又可以达到节能降本的目的。

35、优选地，步骤(1)中铜带的预处理依次包括去油处理和热风干燥处理；

36、更优选地，所述去油处理通过使用去油剂浸泡铜带并超声处理，随后采用去离子水超声清洗实现。

37、更优选地，所述热风干燥处理时的热风温度为80～100℃。

38、优选地，所述步骤(1)中还原性气氛为氮气和氢气的混合气，所述混合气中氢气的体积浓度为3～6％。

39、优选地，所述步骤(2)中真空干燥时的真空度≤200pa，温度为80～120℃。

40、本发明的再一目的还在于提供所述用于芯片键合的复合片的使用方法，包括以下步骤：

41、将复合片的含银预烧结层直接烧结在芯片上，随后在复合片另一面的铜片表面上设置铜键合线。

42、优选地，所述烧结时的压力为无压烧结(无需施加压力)，所述烧结温度为240～260℃，烧结时的保持时间为40～60min。

43、本发明所述复合片使用工步简单，只需直接将产品烧结贴合芯片，随后在铜片端设置铜键合线即可实现芯片键合，无需额外涂覆银膏或银浆及进行后续的干燥、定型操作，操作便利。

44、本发明的有益效果在于，本发明提供了一种用于芯片键合的复合片，该产品以特定尺寸和组成设置的铜片及含银预烧结层复合，材料本身的热导率和导电率高，并且在使用时只需直接在铜片所在面上实现引线键合，在含银预烧结层连接芯片即可完成芯片键合，无需设置额外操作，使用方便并且保障不会造成芯片损伤。