基于共晶制程的SiC功率器件的制备方法与流程

本发明涉及半导体封装，尤其涉及一种基于共晶制程的sic功率器件的制备方法。

背景技术：

1、碳化硅(sic)功率器件具有高临界击穿电场和高热导率等优良特性,在300v至1200v的电源应用以及新能源汽车等领域占有越来越高的市场份额,sic二极管能够支持更高的开关频率,是高功率密度开关电源的重要组成部分。然而,sic材料优异的导热性能能否得到充分发挥,在很大程度上取决于芯片贴装环节所采用的贴片材料与工艺。

2、在现有的功率器件封装贴片工艺中,通常在引线框架的基岛上点胶或印刷焊膏,焊膏或银胶的厚度一般约为20μm,随后拾取芯片放置于焊膏或胶上,再经高温固化完成贴装。这种基于有机胶或焊膏的贴片方式,其焊接层是由焊料或有机粘接剂构成,焊接层较厚且厚度不易均匀控制。

3、由于sic基板材料的缺陷密度相对较高,出于应力分布的考虑,sic晶粒的尺寸通常很小,单颗晶粒面积大小从0.5 mm²到仅零点几mm²。对于这种小尺寸晶粒,采用传统焊膏贴装时,熔融焊料的表面张力以及焊接层厚度的不均匀,容易导致晶粒发生倾斜和旋转,从而妨碍后续的键合打线工序;同时,焊膏在受热熔融时还存在向晶粒四周溢出的现象,为容纳溢出的焊膏需要在基岛上预留外溢空间,限制了封装密度的提升。此外,较厚的焊膏焊接层热导率较低,使得芯片结到外壳之间的热阻偏高,难以充分发挥sic材料的高导热优势,在浪涌电流脉冲期间结温升高,限制了器件的最大额定电流和长期可靠性。

4、进一步地,sic功率器件的导热性能对贴装材料层尤为敏感。与硅器件相比,sic材料自身具有更高的热导率,因而在整个结到外壳的散热路径中,贴装材料层所占的热阻份额相对更大,贴装材料层的热阻成为限制sic器件散热能力的主要瓶颈之一。当贴装材料层为较厚且热导率较低的焊膏时,sic材料优异的导热特性难以传递至外壳,芯片在大电流和浪涌电流工况下结温升高,既限制了器件的最大额定电流,又因高结温加速了焊接层微观结构的疲劳劣化而影响长期可靠性。

5、由此可见,上述基于焊膏或有机胶的传统贴片工艺,在小尺寸sic晶粒的贴装精度、焊接层热阻、封装密度以及器件可靠性等方面均存在不足,难以充分发挥sic材料的高导热、高击穿场强等优良特性,有必要提出一种新的贴片工艺方案。

技术实现思路

1、本发明意在提供一种基于共晶制程的sic功率器件的制备方法，以解决现有技术中存在的不足，本发明要解决的技术问题通过以下技术方案来实现。

2、根据本申请的第一方面，提供一种基于共晶制程的sic功率器件的制备方法，用于将背面具有可焊金属层的sic晶片贴装于to-252aa引线框架的基岛上,包括以下步骤:

3、提供sic晶片和to-252aa引线框架,所述sic晶片的背面具有可焊金属层,所述可焊金属层的主成分为金或银,厚度为1~5μm,所述to-252aa引线框架的基岛表面具有镀层;

4、在不施加焊膏和粘接胶的条件下,经叠放工装将所述sic晶片以所述可焊金属层朝下的姿态放置于所述基岛的镀层上,使所述可焊金属层与所述镀层干态接触;

5、将放置有所述sic晶片的引线框架置于贴片腔室内,抽真空至5~10 pa,再向所述贴片腔室内充入氮气进行保护;

6、对所述贴片腔室分段升温,先预热,再升温至所述可焊金属层与所述镀层的共晶温度并保温,在保温期间使所述sic晶片相对于所述基岛施加往复擦拭,以使所述可焊金属层与所述镀层发生金属互扩散,在所述sic晶片与所述基岛之间形成共晶合金焊接层;

7、向所述贴片腔室通入氮气进行急冷作业,使所述共晶合金焊接层固化,得到贴装完成的sic功率器件to-252aa封装结构。

8、优选地，所述可焊金属层为sic晶片背面的可焊保护层,所述可焊金属层的主成分为金。

9、优选地，所述基岛的镀层包含锡或银,所述共晶合金焊接层为金锡共晶合金层或金银共晶合金层。

10、优选地，所述预热的温度为150~200℃;升温至所述共晶温度并保温的温度为280~380℃。

11、优选地，所述往复擦拭为使所述sic晶片相对于所述基岛在平行于所述基岛表面的方向上做往复摩擦,以破碎所述可焊金属层和所述镀层界面处的氧化膜。

12、优选地，所述共晶合金焊接层为连续的金属互扩散合金层,所述共晶合金焊接层的厚度小于20μm,且不含有机粘接剂和焊膏。

13、优选地，在所述向所述贴片腔室通入氮气进行急冷的步骤之后,还包括:对贴装完成的封装结构进行外观检测、x射线空洞检测和剪切力抽检。

14、优选地，在同一所述基岛上焊接两个以上所述sic晶片,或在已贴装的sic晶片上层叠贴装第二sic晶片。

15、优选地，所述sic晶片为sic肖特基二极管芯片,其单颗晶粒面积为0.5~5 mm2。

16、根据本申请的第二方面，提供一种sic功率器件to-252aa封装结构,包括to-252aa引线框架和贴装于所述引线框架基岛上的sic晶片,所述sic晶片的背面具有可焊金属层,所述可焊金属层的主成分为金或银,厚度为1~5μm;

17、所述基岛的表面具有镀层;

18、所述sic晶片与所述基岛之间设置有共晶合金焊接层,所述共晶合金焊接层为所述可焊金属层与所述镀层金属互扩散形成的连续合金层,所述共晶合金焊接层为冶金结合层,其厚度小于20μm,且不含有机粘接剂和焊膏。

19、本发明实施例包括以下优点：

20、本发明以sic晶片背面厚度仅1~5 μm的可焊金属层与基岛镀层经金属互扩散形成的共晶合金焊接层,取代传统约20 μm的焊膏焊接层,大幅减薄了焊接层厚度,所形成的焊接层为金属熔融互扩散的合金层而非有机胶或焊膏粘接层,其热导率显著高于焊膏,使芯片结到外壳之间的热阻降低约40%;

21、由于贴片时sic晶片与基岛之间为干态金属接触,可焊金属层只有在加热到共晶温度后才与镀层互扩散,贴片放置阶段不存在熔融焊膏及其表面张力,因此后续加热不会改变晶粒的初始放置位置,有效避免了小尺寸sic晶粒的倾斜与旋转,保证了后续键合打线工序的顺利进行;

22、由于不使用焊膏,贴片过程中不产生焊膏外溢现象,无需在基岛上预留焊膏外溢空间,从而可在同一基岛上贴装多颗sic晶片或层叠贴装芯片,提高了封装密度;

23、热阻的显著降低使得在浪涌电流脉冲期间芯片结处达到的最大结温明显下降,从而在给定尺寸的晶粒上可提升最大静态额定电流,在实施例中sic肖特基二极管的额定电流由采用传统焊膏时的8 a提升至采用本发明共晶贴片时的12 a,允许更高的功率输出;

24、共晶合金焊接层为冶金结合,其剪切强度和拉伸强度远高于银胶和焊膏,且在机械和热力学上较含铅焊料更为稳定,提高了柯肯达尔空洞形成的温度稳定性,降低的最大结温也有利于改善基于coffin-manson模型的器件疲劳寿命,从而显著提升了封装器件的可靠性。

1.一种基于共晶制程的sic功率器件的制备方法，用于将背面具有可焊金属层的sic晶片贴装于to-252aa引线框架的基岛上,其特征在于,包括以下步骤:

2.根据权利要求1所述的基于共晶制程的sic功率器件的制备方法，其特征在于，所述可焊金属层为sic晶片背面的可焊保护层,所述可焊金属层的主成分为金。

3.根据权利要求1所述的基于共晶制程的sic功率器件的制备方法，其特征在于，所述基岛的镀层包含锡或银,所述共晶合金焊接层为金锡共晶合金层或金银共晶合金层。

4.根据权利要求1所述的基于共晶制程的sic功率器件的制备方法，其特征在于，所述预热的温度为150~200℃;升温至所述共晶温度并保温的温度为280~380℃。

5.根据权利要求1所述的基于共晶制程的sic功率器件的制备方法，其特征在于，所述往复擦拭为使所述sic晶片相对于所述基岛在平行于所述基岛表面的方向上做往复摩擦运动,以破碎所述可焊金属层和所述镀层界面处的氧化膜。

6.根据权利要求1所述的基于共晶制程的sic功率器件的制备方法，其特征在于，所述共晶合金焊接层为连续的金属互扩散合金层,所述共晶合金焊接层的厚度小于20μm,且不含有机粘接剂和焊膏。

7.根据权利要求1所述的基于共晶制程的sic功率器件的制备方法，其特征在于，在所述向所述贴片腔室通入氮气进行急冷作业的步骤之后,还包括:对贴装完成的封装结构进行外观检测、x射线空洞检测和剪切力抽检。

8.根据权利要求1所述的基于共晶制程的sic功率器件的制备方法，其特征在于，在同一所述基岛上焊接两个以上所述sic晶片,或在已贴装的sic晶片上层叠贴装第二sic晶片。

9.根据权利要求1所述的基于共晶制程的sic功率器件的制备方法，其特征在于，所述sic晶片为sic肖特基二极管芯片,其单颗晶粒面积为0.5~5 mm2。

10.一种sic功率器件to-252aa封装结构,包括to-252aa引线框架和贴装于所述引线框架基岛上的sic晶片,其特征在于: