一种自支撑纳米金属片及封装方法与流程

1.本发明属于半导体互连材料制备技术领域，尤其涉及一种自支撑纳米金属片及封装方法。

背景技术：

2.基础板连接领域的广泛研究表明，均匀的焊料层厚度能够显著提高连接的可靠性，其原因是它提供了热机械应力的最佳分散。
3.三菱电机公司(mitsubishi electric corporation)的一项题为“通过采用金属丝凸点技术控制焊料厚度来提高焊点的疲劳寿命”的研究表明，制造高度可靠的igbt模块在动力传动电子牵引设备领域，它为了获得均匀的焊料层，必须使用厚度至少为200μm。在这些模块的设计中，必须在陶瓷基板(aln) 和基板之间进行大面积的焊接连接板材(铝合金)。不均匀焊料层厚度会导致早期模块故障，钢结构早期出现疲劳裂纹的原因为氮化铝基板与基板之间的界面焊点alsic基板是一个局部热应力集中区。
4.在以前的研究中，额外的工艺，如在基板背面进行了引线键合确保焊料层厚度的均匀性。随着新材料技术的进步，现在可以保持均匀的焊接层厚度，无需采用标准制造中的额外工艺步骤操作。此外，增强型基体保证了最终性能整个区域的焊料层厚度。低温烧结技术的兴起为高功率、高密度和集成化及大功率器件的封装提供了新方向，但目前的金属烧结技术主要应用于芯片的粘接互连，对于大尺寸基板连接还应用较少，对于大尺寸基板连接，要求更高的互连厚度及更牢固的搭接剪切强度，这对烧结银材料的设计提出了新的挑战。

技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于提供一种自支撑纳米金属片及封装方法，旨在解决现有大尺寸功率组件之间的连接问题。
6.为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
7.本发明第一方面提供一种自支撑纳米金属片，包括：金属支撑骨架和金属填充物，其中，所述金属填充物填充于所述金属支撑骨架的空隙中，所述金属支撑骨架与所述金属填充物的质量比为1:2-1:10。
8.进一步地，所述金属支撑骨架为金属线网格。
9.进一步地，所述金属线网格的网格形状包括三角形、四边形、五边形中的其中一种。
10.进一步地，所述金属填充物包括金属纳米片和金属纳米颗粒，所述金属纳米片和所述金属纳米颗粒混合设置于所述金属支撑骨架的空隙中。
11.进一步地，所述金属线网格、所述金属纳米片和所述金属纳米颗粒的材质包括金、银、铜中的其中一种。
12.进一步地，所述自支撑纳米金属片的厚度为100～250μm。
13.本发明第二方面提供一种封装方法，采用如上所述的自支撑纳米金属片，其特征在于，所述封装方法包括：
14.依次层叠设置第一功率组件、所述自支撑纳米金属片、第二功率组件，得到待连接的功率模块；
15.将所述待连接的功率模块放置于烧结模具中，基于所述烧结模具调节焊缝大小，在烧结气氛下经过烧结处理完成所述功率模块之间的封装。
16.进一步地，所述烧结气氛为空气、氮气、氩气、氢氩混合气以及氢氮混合气中的其中一种。
17.进一步地，所述烧结处理中的烧结温度为25℃-250℃、烧结时间为 20min-200min。
18.进一步地，所述封装方法应用于芯片与封装基板、或底板与热沉、或封装基板与底板之间的连接。
19.本发明中提供的自支撑纳米银片及封装方法，与现有技术相比，有益效果在于：本发明提出的自支撑纳米银片包括金属支撑骨架，以及金属填充物，在功率模块的封装过程中，利用金属线网格的自支撑能力能够实现高平整无翘曲的界面连接，可应用于需要大面积、无压或者低压连接的如封装基板与底板的互连；且自支撑纳米银片由于采用银、铜等贵金属作为导热金属，与传统的锡铅焊片相比，接触热阻大大降低。
附图说明
20.图1为基于多重网格的自支撑纳米金属片结构示意图；
21.图2为传统的锡铅焊片实现的功率模块互连效果图；
22.图3为基于本发明自支撑纳米金属片实现的功率模块互连效果图。
具体实施方式
23.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
24.本发明第一实施例提供一种自支撑纳米金属片200，包括：金属支撑骨架 20和金属填充物(包括图中的金属纳米片21和金属纳米颗粒22)，其中，金属填充物填充于金属支撑骨架20的空隙中，金属支撑骨架20与金属填充物的质量比为1:2-1:10，金属纳米片200的厚度为100-250um。
25.实际上，本发明所提供的自支撑纳米金属片200，首先需要提供支撑骨架 20，以该支撑骨架为基础的纳米金属片，相较于传统纳米金属片提高了其支撑稳固性，不需要附着于高分子膜或者其他粘附物质就可以实现自支撑。
26.在一些实施方式中，金属支撑骨架20为一种金属线网格，网格结构是由很多杆件从两个方向或几个方向按一定的规律布置，通过节点连接而成的一种网状空间杆系结构。网格结构空间刚度大，整体性和稳定性好，适用于各种支承条件的应用。本实施例中的网格结构一体成型，包括网格边框和边框内的多条纵横交错的金属丝线；进一步地，所形成的金属线网格的网格形状包括正三角形、正四边形、正五边形、菱形等规则的形状。在此，并不做
具体限定。将金属填充物填充于金属支撑骨架20中，实际上是将金属填充物填充于所形成的网格中。值得注意的是，填充后的自支撑金属片，金属填充物所持的高度与网格高度平齐，即，形成的自支撑金属片200表面平整。
27.在具体的制备过程中，用户可根据需要制定网格的大小，通常情况下，自支撑纳米金属片在同一面积下，网格越小，网格数量越多，其网格结构形成的支撑性能越好；网格越多，网格数量越少，其网格结构形成的支撑性能越差。在本技术中，限定金属支撑骨架20与金属填充物的质量比，以限定自支撑金属片中金属支撑骨架与金属填充物的用料情况，在自支撑金属片的厚度为 100-250um的情况下，得出最优的设计方案。
28.需要说明的是，以上所提供的金属线网格，其网格开口在竖直方向，即竖直方向设置支撑骨架，该骨架结构简单，采用较为简单的设计方法即可制造该金属线网格，所需的成本也较低。在一些其他实施方式中，还可设置较为复制的支撑骨架，例如，设置截面形状为蜂窝状结构的支撑骨架，蜂窝结构是蜂巢的基本结构，是由一个个正六角形单房、房口全朝下或朝向一边、背对背对称排列组合而成的一种结构。这种结构有着优秀的几何力学性能，因此在材料学科用有广泛应用。在本实施方式中，因为是用于上、下两侧的支撑效果，因此，正六角形单房房口需要朝向纳米金属片的侧面设置。需要理解的是，蜂窝状的结构可设置多层堆叠形成，但基于本技术所需制备的为厚度在100-250um的纳米金属片，因此，对于其蜂窝状结构的支撑骨架的制造还是有一定的困难，所需的成本也会更大。
29.虽然制造蜂窝状支撑骨架并不是本发明首选的、必要的技术手段，本技术之所以提出是为了说明能够实现支撑效果的结构特征均应属于本技术的保护范围内。
30.需要说明的是，金属支撑骨架20还可以为非网格等规则结构，例如，对蜂窝状结构进行一个变形，提出一种非规则的支撑架构，在该非规则的支撑架构中填充金属填充物，同样能够达到金属自支撑的目的，进一步地，凡是能够达成提高支撑稳固性能的结构均属于本发明支撑骨架的保护范围内。
31.在一些实施方式中，采用的金属填充物包括金属纳米片21和金属纳米颗粒 22，金属纳米片21和金属纳米颗粒22混合设置于金属支撑骨架20的空隙中其中，金属支撑骨架20、金属纳米片21和金属纳米颗粒22的材质包括金、银、铜等贵金属中的其中一种。贵金属的热阻相对传统锡铅焊片较小，其中，热阻 (thermal resistance)是一个和热有关的性质，是指在有温度差的情形下，物体抵抗传热的能力，热导率越好的物体，热阻通常会比较低。以上贵金属的热导率分别为：银：429；铜401；金317；而锡：67；铅：34.8，因此，基于金、银、铜的热导率是锡铅的数倍的情况下，贵金属的热阻性对传统锡铅焊片大大降低，有利于热量传递。在自支撑金属片的制备过程中，优选其金属支撑骨架20、金属纳米片21和金属纳米颗粒22的材质相同，即金属支撑骨架20、金属纳米片21和金属纳米颗粒22同时采用金、或银、或铜。
32.在一些实施方式中，金属支撑骨架20为一维纳米材料，金属纳米片21为二维纳米材料，一维纳米材料因其独特结构，能够增强其韧性，更适于做支撑材料；而二维材料因其载流子迁移和热量扩散都被限制在二维平面内，使得这种材料展现出许多奇特的性质，其带隙可调的特性在场效应管、光电器件、热电器件等领域应用广泛。
33.综上，本发明第一实施例提供以金属支撑骨架20为基础，在支撑骨架间隙中填充金属填充物形成的纳米金属片，基于金属骨架的支撑稳定性，提高了纳米金属片的支撑稳
定性。
34.本发明第二实施例提供一种封装方法，采用第一实施例中提供的自支撑纳米金属片200，用于功率器件之间的连接，封装方法包括：
35.步骤1.1依次层叠设置第一功率组件、自支撑纳米金属片200、第二功率组件，得到待连接的功率模块。
36.其中，功率模块之间的连接包括芯片与封装基板、或底板与热沉、或封装基板与底板之间的连接。
37.在一些实施方式中，在得到待连接的功率模块之前还可进行功率组件之间的预烧结，其中，预烧结的温度为120℃～160℃，预烧结压力为0.4～1.1mpa，预烧结时间持续0.2～4s，通过低温低压预烧结的方式使功率半导体器件各层组件之间形成良好的粘接，避免在后面的烧结过程中各功率组件的位置发生偏移。
38.在一些实施方式中，在得到待连接的功率模块之前还包括对设置金属镀层，例如，在芯片或基板的表面设置金属镀层，该金属镀层的材质为银或金，金属镀层的厚度为150～200nm。
39.步骤1.2将待连接的功率模块放置于烧结模具中，基于烧结模具调节焊缝大小，在烧结气氛下经过烧结处理完成功率模块之间的封装。
40.在该步骤中，还需提供一种烧结设备，包括上烧结压力施加模块、下烧结压力施加模块，其中，上烧结压力施加模块和下烧结压力施加模块用于封装烧结腔室，上烧结压力施加模块和下烧结压力施加模块均可实现垂直方向的往复运动。进一步的，对应于烧结腔室设置有压力传感器和温度传感器，用于实时监控烧结腔室的压力和温度。
41.将步骤1.1完成的功率模块放置于该烧结设备中，具体为烧结腔室中，控制上烧结压力施加模块和下烧结压力施加模块运动，调整第一功率组件和第二功率组件之间的焊缝大小为预设值，在预设值下进过无压或低压状态下的烧结处理，完成第一功率组件和第二功率组件之间的界面连接。
42.在一些实施方式中，在烧结处理中的烧结气氛为空气、氮气、氩气、氢氩混合气以及氢氮混合气中的其中一种或多种，用于提升烧结稳定性。
43.在一些实施方式中，烧结处理中的烧结温度为25℃-250℃、烧结时间为20min-200min，低压烧结时的压力为0.2-0.8mpa。
44.如图2所示，图2提供以基于传统锡铅焊片烧结而成的功率模块，与本技术基于自支撑纳米金属片烧结而成的功率模块的对比示意图(图2为传统锡铅焊片烧结的功率模块，图3为自支撑纳米金属片200烧结的功率模块)；在一些实施方式中，图3所示的功率模块包括依次层叠设置的底板201和自支撑金属片200和镀铜陶瓷基板203，其中，陶瓷基板的上下两个基础面均镀有铜膜 202和铜膜204。显而易见的，传统锡铅焊片无法达到一定的支撑效果，导致烧结完成后的功率模块的表面不在一个水平面上，存在倾斜现象；而采用自支撑纳米金属片200实现连接的功率模块，基于纳米金属片良好的自支撑效果，能够实现高平整无翘曲的界面连接。
45.综上，本发明提出的自支撑纳米银片200包括金属支撑骨架20，以及金属填充物，在功率模块的封装过程中，利用金属支撑骨架20的自支撑能力能够实现高平整无翘曲的界面连接，可应用于需要大面积、无压或者低压连接的如封装基板与底板的互连；且自支撑纳
米银片由于采用银、铜等贵金属作为导热金属，与传统的锡铅焊片相比，接触热阻大大降低。
46.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种自支撑纳米金属片，其特征在于，包括：金属支撑骨架和金属填充物，其中，所述金属填充物填充于所述金属支撑骨架的空隙中，所述金属支撑骨架与所述金属填充物的质量比范围为1:2-1:10。2.根据权利要求1所述的自支撑纳米金属片，其特征在于，所述金属支撑骨架为金属线网格。3.根据权利要求2所述的自支撑纳米金属片，其特征在于，所述金属线网格的网格形状包括三角形、四边形、五边形中的其中一种。4.根据权利要求3所述的自支撑纳米金属片，其特征在于，所述金属填充物包括金属纳米片和金属纳米颗粒，所述金属纳米片和所述金属纳米颗粒混合设置于所述金属支撑骨架的空隙中。5.根据权利要求4所述的自支撑纳米金属片，其特征在于，所述金属线网格、所述金属纳米片和所述金属纳米颗粒的材质包括金、银、铜中的其中一种。6.根据权利要求1所述的自支撑纳米金属片，其特征在于，所述自支撑纳米金属片的厚度为100～250μm。7.一种封装方法，基于如权利要求1-6任意一项所述的自支撑纳米金属片，其特征在于，所述封装方法包括：依次层叠设置第一功率组件、所述自支撑纳米金属片、第二功率组件，得到待连接的功率模块；将所述待连接的功率模块放置于烧结模具中，基于所述烧结模具调节焊缝大小，在烧结气氛下经过烧结处理完成所述功率模块之间的封装。8.根据权利要求7所述的封装方法，其特征在于，所述烧结气氛为空气、氮气、氩气、氢氩混合气以及氢氮混合气中的其中一种。9.根据权利要求7所述的封装方法，其特征在于，所述烧结处理中的烧结温度为25℃-250℃、烧结时间为20min-200min。10.根据权利要求7所述的封装方法，其特征在于，应用于芯片与封装基板、或底板与热沉、或封装基板与底板之间的连接。

技术总结

本发明提供了一种自支撑纳米金属片，包括金属支撑骨架和金属填充物，其中，金属填充物填充于金属支撑骨架的空隙中，金属支撑骨架与金属填充物的质量比为1:2-1:10。本发明提出的自支撑纳米银片包括金属支撑骨架，以及金属填充物，在功率模块的封装过程中，利用金属支撑骨架的自支撑能力能够实现高平整无翘曲的界面连接，可应用于需要大面积、无压或者低压连接的如封装基板与底板的互连；且自支撑纳米银片由于采用银、铜等贵金属作为导热金属，与传统的锡铅焊片相比，接触热阻大大降低。接触热阻大大降低。接触热阻大大降低。