一种芯片与衬板的连接方法、连接结构及电子器件与流程

1.本发明主要涉及芯片封装技术领域，具体涉及一种芯片与衬板的连接方法、连接结构及电子器件。


背景技术：

2.在一般的电子器件中，芯片的封装连接会使用回流焊或者有压银烧结来完成连接。使用铅锡焊料的回流焊过程，由于铅对环境以及人体的有害性，越来越多的国家立法来限制铅的使用，使铅锡焊料慢慢地退出功率模块封装领域。而另一种使用较广泛的锡银铜银料，由于过高的回流温度和过长的回流时间，导致金属间化合物的厚度增厚，影响焊点的长期可靠性。此外回流焊接是一种“高温连接，低温服役”的连接方式，比如对于功率模块，其使用温度一般要比焊料的熔点要低50-70℃，这也限制了功率模块的工作结温；另一种现在研究越来越多的连接方式为有压银烧结。有压银烧结是一种“低温连接，高温服役”的连接方式，其连接温度在250℃左右，其理论使用温度可达700℃，相对于常规回流焊料，银烧结材料具有更高的熔点、热导率和电导率，但有压银烧结的实现需要在芯片表面施加15-20mpa的压力，不仅过高的压力容易造成芯片破损，而且需要使用昂贵的专用设备来实现，从而限制了其使用范围。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种工艺简单、低温连接、高温服役、环境友好度高的芯片与衬板的连接方法、连接结构及电子器件。
4.为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
5.一种芯片与衬板的连接方法，包括步骤：
6.1)在芯片上沉积第一金属层；在衬板上沉积第二金属层；所述第一金属层与第二金属层之间的熔点差在预设范围内；
7.2)将芯片放置在衬板上，使第一金属层与第二金属层之间接触，并对芯片与衬板之间施加预设压力，然后进行烧结，使得第一金属层与第二金属层发生固液互扩散，并生成金属间化合物，从而实现芯片与衬板之间的连接。
8.作为上述技术方案的进一步改进：
9.在步骤1)中，在熔点较低的金属层上沉积熔点较高的金属层，作为保护层。
10.所述第一金属层为in层，所述第二金属层为ag层；或者所述第一金属层为ag层，所述第二金属层为in层。
11.在步骤1)中，对应熔点较低的金属层与熔点较高的金属层之间的厚度比例为0.2-0.9。
12.在步骤2)中，施加的预设压力为0.15-0.5mpa。
13.在步骤2)中，对应的烧结工艺包括：温度第一段设置50～150s升温至130～150℃，
并保温5～10min；温度第二段设置150～250s升温至220～280℃，保证熔点较低的金属层的温度在200-250℃之间；温度恒定后保持10～30min；保温结束后释放芯片与衬板之间的压力，然后快速冷却，完成连接。
14.本发明还公开了一种芯片与衬板的连接结构，包括连接芯片与衬板的金属间化合物，其中金属间化合物通过两种熔点不同的金属层通过固液互扩散而得到。
15.本发明进一步公开了一种电子器件，包括芯片与衬板，还包括如上所述的芯片与衬板的连接结构，所述芯片与衬板之间通过连接结构实现连接。
16.作为上述技术方案的进一步改进：
17.所述衬板包括依次布置的上铜层、陶瓷层和下铜层。
18.与现有技术相比，本发明的优点在于：
19.本发明通过在芯片和衬板表面(dbc，amb，pcb等)分别沉积熔点为低熔点金属层和高熔点金属层，然后将芯片与衬板在高于低熔点金属层熔点的温度下，通过施加微小压力使液态的两种金属层发生固液互扩散，并生成高熔点的金属间化合物，最终实现芯片与衬板的连接，具有如下优点：将完成连接所需要的第一金属层和第二金属层分别沉积在芯片和衬板表面，不需要再使用丝网印刷机印刷连接材料；上述连接方法能够使用固液互扩散连接方法，实现了低温连接，高温服役；与有压银烧结相比，其连接过程中施加的压力较小，不容易使芯片破损，因为施加压力较小，一般的温度压机均可实现此连接，不需要购买昂贵的银烧结设备；与目前常用的回流焊边接方式相比，此连接方式可以实现“低温连接，高温服役”；与有铅回流焊比，更是提高了环境友好度。
附图说明
20.图1为本发明的电子器件在实施例一和二中的结构示意图。
21.图2为本发明的电子器件在实施例三中的结构示意图。
22.图例说明：1、芯片；2、第一金属层；3、保护层；4、第二金属层；5、衬板；501、上铜层；502、陶瓷层；503、下铜层。
具体实施方式
23.以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
24.本实施例的芯片与衬板的连接方法，适用功率igbt、mosfet等功率芯片1与衬板5的连接，具体包括步骤：
25.1)在芯片1上沉积第一金属层2；在衬板5上沉积第二金属层4；第一金属层2与第二金属层4之间的熔点差在预设范围内，如600-1000℃，其中第一金属层2与第二金属层4能够形成高熔点的金属间化合物；
26.2)将芯片1放置在衬板5上，使第一金属层2与第二金属层4之间接触，并对芯片1与衬板5之间施加预设压力，然后进行烧结，使得第一金属层2与第二金属层4发生固液互扩散，并生成金属间化合物，从而实现芯片1与衬板5之间的连接。
27.本发明通过在芯片1和衬板5表面(dbc，amb，pcb等)分别沉积熔点为低熔点金属层和高熔点金属层，然后将芯片1与衬板5在高于低熔点金属层熔点的温度下，通过施加微小压力使两种金属发生固液互扩散(低熔点金属熔化成液态，而高熔点的金属还是固态，故两
者之间发生固液互扩散)，并生成高熔点的金属间化合物，最终实现芯片1与衬板5的连接，具有如下优点：
28.将完成连接所需要的第一金属层2和第二金属层4分别沉积在芯片1和衬板5表面，不需要再使用丝网印刷机印刷连接材料；
29.上述连接方法使用固液互扩散连接方法，实现了低温连接，高温服役；
30.与有压银烧结相比，其连接过程中施加的压力较小，不容易使芯片1破损，因为施加压力较小，一般的温度压机均可实现此连接，不需要购买昂贵的银烧结设备；与目前常用的回流焊边接方式相比，此连接方式可以实现“低温连接，高温服役”；与有铅回流焊比，更是提高了环境友好度。
31.在一具体实施例中，两种金属层分别为in层和ag层，其中in为低熔点金属，ag为高熔点金属，in的熔点为156℃，ag的熔点为961℃，两者形成的金属间化合物ag9in4和ag3in熔点在600℃以上。
32.在一具体实施例中，其中一种沉积方式是在芯片1上沉积in层，在in层外面沉积一层极薄的ag保护层3(其中in层易被氧化，故沉积ag保护层3来防止in层氧化)，在衬板5的上铜层501上沉积ag层。另一种沉积方式则是在芯片1上沉积ag层，在衬板5的上铜层501上沉积in层，在in层外面沉积一层极薄的ag保护层3。
33.在一具体实施例中，在芯片1和衬板5上沉积in/ag的厚度比例为0.2-0.9，将芯片1放置在衬板5上之后放入烧结炉，温度控制在200-250℃，压力控制在0.15-0.5mpa，时间控制在10-30min，上述过程完成后冷却至室温。
34.本发明还公开了一种芯片与衬板的连接结构，包括连接芯片1与衬板5的金属间化合物，其中金属间化合物通过两种熔点不同的金属层通过烧结而得到，具体是通过上述连接方法所得到。本发明的连接结构同样具有如上方法所述的优点。
35.本发明进一步公开了一种电子器件，包括芯片1与衬板5，还包括如上所述的芯片1与衬板5的连接结构，芯片1与衬板5之间通过连接结构实现连接。其中衬板5包括依次布置的上铜层501、陶瓷层502和下铜层503，对应的金属层则沉积在上铜层501上。本发明的电子器件同样具有如上连接结构所述的优点。
36.下面通过三个完整的具体实施例对本发明做进一步详细说明：
37.实施例一：
38.如图1所示，在芯片1上沉积厚度为2um的in层，ag保护层3厚度为0.05um，衬板5的上铜层501上沉积厚度为10um的ag层，保证in/ag的厚度比为0.2；将芯片1放置在衬板5上，使ag保护层3与ag层相接触；将放置好的芯片1与衬板5放置在压机上，压机的压头在芯片1表面施加0.15-0.5mpa的压力；压机温度第一段设置100s升温至130～150℃，并保温5～10min；压机温度第二段设置200s升温至220～280℃，保证芯片1上in层的温度在200-250℃之间；温度恒定后保持10～30min；保温结束后将压力压头起，并将产品取下后快速冷却，完成连接。
39.实施例二：
40.如图1所示，在芯片11上沉积厚度为5.5um的in层，ag保护层3厚度为0.05um，衬板5上铜层501上沉积厚度为10um的ag层，保证in/ag的厚度比为0.55；将芯片11放置在衬板5上，使ag保护层3与ag层相接触；将放置好的芯片1与衬板5放置在压机上，压机的压头在芯
片1表面施加0.15-0.5mpa的压力；压机温度第一段设置100s升温至130～150℃，并保温5～10min；压机温度第二段设置200s升温至220～280℃，保证芯片1上in层的温度在200-250℃之间；温度恒定后保持10～30min；保温结束后将压力压头起，并将产品取下后快速冷却，完成连接。
41.实施例三：
42.如图2所示，在芯片1上沉积厚度为10um的ag层，衬板5的上铜层501上沉积厚度为9um的in层，ag保护层3厚度为0.05um，保证in/ag的厚度比为0.9；将芯片1放置在衬板5上，使ag保护层3与ag层相接触；将放置好的芯片1与衬板5放置在压机上，压机的压头在芯片1表面施加0.15-0.5mpa的压力；压机温度第一段设置100s升温至130～150℃，并保温5～10min；压机温度第二段设置200s升温至220～280℃，保证芯片1上in层的温度在200-250℃之间；温度恒定后保持10～30min；保温结束后将压力压头起，并将产品取下后快速冷却，完成连接。
43.以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。