[发明专利]一种基于TLP扩散连接的电子封装方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体芯片特别是半导体激光器芯片电子封装的焊接材料和焊接结构，具体涉及用于芯片电子封装中一种基于TLP扩散焊接的分层焊料结构。

背景技术

半导体芯片特别是半导体激光器芯片与热沉基板的连接是通过焊料来进行焊接，由于焊料所选材质不同，其熔点也不同。如要求焊接后的芯片在不同温度场合应用时，就要选用不同熔点的焊料。例如，如果半导体芯片要用在100℃场合下，就要选用熔点高于100℃的焊料，如熔点为157℃的In；在200℃场合下，就要选用熔点为280℃的80Au20Sn；在300℃场合下，就要选用熔点为356℃的88Au12Ge；等等。为此，焊料公司如国际著名的美国公司Indium Corp根据熔点要求开发出来上百种牌号的焊料供客户使用。而对使用焊料的半导体芯片电子封装厂家来说，购买和管理如此多的焊料品种费事费时又费钱；同时大多数焊料是二元、三元甚至四元合金，加工困难，不易制成薄而形状复杂的材料，因此焊料一般都是厚度大于25μm(微米)的片状或圆状。半导体激光器芯片的倒装焊接时出光点距离焊接面不到10μm高，25μm的厚焊料很容易遮挡住激光器的出光点；另一方面，半导体激光器芯片自动化焊接要求焊料无助焊剂，这样焊料在吸取和放置在热沉基板上的过程中，由于重量轻，不易于固定在热沉基板上的焊盘位置处，容易产生焊接缺陷，因此通常要求焊料直接沉积在热沉基板上。所以，开发新的适合于不同熔点要求和便于倒装焊接及自动化焊接的半导体芯片特别是半导体激光器芯片的连接方法具有广阔的应用前景。

TLP(transient liquid phase，过渡液相)扩散连接方法，是将特定成分的中间层合金(即焊料)置于两待焊部件之间，在焊接加热过程中，中间层合金溶化填缝，并在随后的保温过程中中间层的低熔点元素向两侧高熔点金属层扩散，形成不同于起始成分的新中间层冶金结合，由于焊接保温时间不同，元素的扩散程度不同，最终获得的中间层的组织和成分不同，也就形成不同熔点的新中间层连接方式。TLP扩散连接兼具钎焊工艺的便捷性和扩散冶金结合的高性能特点，该方法焊接温度低、焊接压力小、自动化程度高，已广泛用于高温合金焊接。

文献“Modeling of transient liquid phase bonding in binary systems-A new parametric study，T.C.Illingworth，I.O.Golosnoy，T.W.Clyne，Materials Science and Engineering，A 445-446(2007)，p.493-500”模拟了二维系统中TLP焊接过程中等温状态下过渡液相厚度s(t)随焊接时间t变化的关系式。

其中s₀为过渡液相的初始厚度，单位＝m＝10⁶μm，k为无单位的液相凝固速率常数，通常为-0.2～-1，D为扩散系数，单位＝m²/s＝10¹²μm²/s，通常为10^-10～10^-12m²/s，Ω为无单位的热力学系数，c₀为元素在母材金属的初始浓度，单位＝wt％(重量百分比)，c_s为液固相界面处元素在固相的浓度，单位＝wt％，c_L^*为液固相界面处元素在液相的浓度，单位＝wt％，可近似为元素在过渡液相中的浓度c_L。据文献“Modeling of transient liquid phase bonding，Y.Zhou，W.F.Gale，and T.H.North，International Materials Reviews，1995Vol.40No.5p.181-196”介绍，当焊接温度T低于母材和金属中间层平衡状态下的熔点Tm时，元素的扩散主要取决于晶界的扩散系数D_gb，而不是晶内扩散系数D₁。当T＜0.5-0.75Tm时，D_gb/D₁≈10⁵；T＞0.75Tm时，D_gb/D₁≈10³。根据上述关系式，可以估算出不同焊接温度下，获得不同固相浓度c_s的焊接连接层-即不同熔点的焊接连接层时，所需的焊接时间t。

发明内容