大功率模块的纳米银烧结封装工艺及结构的制作方法

本发明涉及半导体功率模块封装，具体为大功率模块的纳米银烧结封装工艺及结构。

背景技术：

1、纳米银烧结技术利用纳米银颗粒粒径小、表面能高的特性，在远低于银熔点的温度下通过原子表面扩散实现颗粒间的颈部生长与致密化，形成高导热、高导电的金属互连层，该互连层的导热系数可超过每米开尔文200瓦，且熔点远高于传统含铅焊料，被认为是大功率半导体模块芯片互连的理想方案，已被广泛应用于芯片贴装领域。

2、现有技术中，功率芯片通常贴装于陶瓷覆铜基板的连续平整焊盘上，基板背面通常与散热基座或水冷板相连接，形成单面或双面散热的功率模块结构；在烧结压头与芯片之间设置高分子柔性缓冲垫，用以在多芯片同板烧结时吸收芯片间的厚度差异，随后在10兆帕至30兆帕的恒定轴向压力下、于200℃至300℃的真空腔体中进行一次性烧结。

3、该现有方案存在以下不足：柔性缓冲垫在高温高压环境下易发生粘弹性流变，无法长期保持均匀支撑力，导致芯片产生侧向滑移，难以从结构本源上解决芯片厚度公差与统一压力之间的矛盾；同时，焊盘表面为无引导结构的连续平面，大面积芯片烧结时边缘银膏优先致密化形成阻气墙，致使芯片中心区域挥发性有机物难以排出而形成空洞，且焊盘边缘直角结构与芯片间热膨胀系数差异叠加产生应力集中，上述问题相互耦合，进一步限制了大功率模块在极端热冲击工况下的服役寿命。

4、因此，如何在同一封装体系内同步实现多芯片厚度公差的自适应补偿与大面积芯片中心区域的有效排气，成为大功率模块纳米银烧结封装亟待解决的关键问题。

技术实现思路

1、本发明要解决现有大功率半导体模块纳米银烧结封装中存在的两方面技术问题。

2、其一，在多芯片同板烧结场景下，各芯片自身厚度存在制造公差，而现有技术对全部芯片统一施加恒定的轴向压力，使较厚芯片承受的实际压强显著高于设计值而发生应力集中甚至碎裂，较薄芯片则因受压不足而未能实现纳米银颗粒的充分致密化，形成虚焊，现有技术中采用的高分子柔性缓冲垫在高温高压条件下容易发生粘弹性流变，无法长期保持均匀支撑力，还会引发芯片侧向滑移，难以从结构本源上化解芯片厚度公差与统一施压之间的矛盾。

3、其二，在大面积芯片烧结场景下，焊盘边缘区域因散热路径较短而优先受热致密化，形成环绕芯片外围的致密阻气墙，导致芯片中心区域挥发性有机溶剂及分散剂气体无法顺利排出，在互连层内部形成宏观空洞，同时，基板与芯片之间的热膨胀系数差异在焊盘边缘的直角结构处产生应力集中，空洞缺陷与边缘应力集中相互叠加，进一步恶化模块在温度循环工况下的可靠性。

4、针对上述问题，本发明提供大功率模块的纳米银烧结封装结构，包括陶瓷覆铜基板、设置于陶瓷覆铜基板表面的图案化铜焊盘、涂覆于图案化铜焊盘表面的纳米银膏层以及贴装于纳米银膏层上的功率芯片，所述图案化铜焊盘表面设置有阵列排布的多个微缩颈铜柱，每个微缩颈铜柱沿轴向自下而上依次包括下基座段、缩颈段和上基座段，缩颈段的横截面积小于下基座段与上基座段的横截面积，使微缩颈铜柱在承受超过缩颈段屈服压力的轴向压力时，能够在缩颈段发生可控的轴向塑性压缩形变，以此实现全无机纯金属材质的芯片厚度公差自适应补偿，摒弃了容易发生高温流变的高分子缓冲材料。

5、相邻微缩颈铜柱之间的间隙区域设置有辐射微沟槽网络，辐射微沟槽网络包括以图案化铜焊盘中心为原点向外围呈放射状延伸分布的多条微沟槽，各条微沟槽的外端连通至设置于图案化铜焊盘外围的环形集气槽，进而与烧结设备的真空抽气通路连通，为焊盘中心区域挥发的有机气体提供定向、连通的低阻排出路径，图案化铜焊盘外围沿周向设置有限位阻焊堤坝，限位阻焊堤坝的内侧壁与图案化铜焊盘所在平面之间形成30°至45°的倾角，用以限制纳米银膏受热流动阶段的横向溢出范围，并引导边缘银膏沿倾角壁面爬坡，在冷却固化后形成圆弧过渡的凹月面结构，缓释边缘应力集中。

6、本发明还提供与上述结构相配套的原位真空-正压梯度协同烧结工艺，该工艺在同一烧结设备腔体内、不更换工件的前提下，先将腔体升温至第一温度并施加真空微压，保持第一时间，使芯片区域挥发的有机气体经辐射微沟槽网络及环形集气槽定向排出；

7、再将腔体升温至第二温度，并将施加方式由真空微压切换为正压加载，保持第二时间，使微缩颈铜柱的缩颈段在压力作用下产生轴向塑性压缩形变以补偿多芯片间的厚度公差，同时使纳米银膏层加速致密化并在限位阻焊堤坝的约束下形成凹月面结构；

8、最后按预设降温曲线降温、卸压，取出完成烧结的模块基板。

9、本发明将上述结构与工艺协同配合，使结构中不同功能单元分别在工艺的不同阶段发挥相应作用，能够将烧结互连层的孔隙率降低至10%以下，并将焊盘边缘的剪切应力峰值降低30%以上，显著提升大功率碳化硅、氮化镓模块在多芯片同板烧结及极端热冲击工况下的封装良率与循环寿命。

1.大功率模块的纳米银烧结封装结构，包括陶瓷覆铜基板、设置于所述陶瓷覆铜基板表面的图案化铜焊盘、涂覆于所述图案化铜焊盘表面的纳米银膏层以及贴装于所述纳米银膏层上的功率芯片，其特征在于，所述图案化铜焊盘表面设置有阵列排布的多个微缩颈铜柱，每个所述微缩颈铜柱沿轴向自下而上依次包括下基座段、缩颈段和上基座段，所述下基座段与所述图案化铜焊盘一体连接，所述缩颈段的横截面积小于所述下基座段的横截面积，且小于所述上基座段的横截面积，所述上基座段与所述纳米银膏层接触，使所述微缩颈铜柱在承受超过所述缩颈段屈服压力的轴向压力时在所述缩颈段发生轴向塑性压缩形变；

2.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述缩颈段的横截面积由所述下基座段向所述上基座段先减小后增大，使所述微缩颈铜柱呈哑铃状轮廓。

3.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述环形集气槽连通至烧结设备的真空抽气通路，形成贯穿所述图案化铜焊盘中心至外部真空系统的排气路径。

4.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述限位阻焊堤坝沿所述图案化铜焊盘外围连续环绕设置，用于限制所述纳米银膏层受热流动阶段的横向溢出范围。

5.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，多个所述微缩颈铜柱呈阵列排布于所述图案化铜焊盘表面，对应不同厚度芯片的焊盘区域内的所述微缩颈铜柱在所述缩颈段产生的轴向塑性压缩形变量不同，用于补偿相邻芯片之间的厚度公差。

6.根据权利要求4所述的封装结构，其特征在于，所述纳米银膏层在所述限位阻焊堤坝的内侧壁倾角引导下，在所述图案化铜焊盘边缘形成圆弧过渡的凹月面结构。

7.大功率模块的纳米银烧结封装工艺，用于制备权利要求1至6中任一项所述的封装结构，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的封装工艺，其特征在于，所述第一温度为150℃。

9.根据权利要求7所述的封装工艺，其特征在于，所述第二温度为250℃，施加的所述正压为15兆帕。

10.根据权利要求7所述的封装工艺，其特征在于，在取出完成烧结的模块基板之后，对所述模块基板进行外观检查和孔隙率检测。