一种功率器件封装用仿生蜂巢基板及其制备方法和应用

本发明涉及功率电子器件封装，尤其是涉及一种功率器件封装用仿生蜂巢基板及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着功率器件的功率密度逐渐升高，以sic为代表的第三代半导体技术得以发展，由于其可以在较高的温度下服役，同时具有频率高、带隙宽等特点，在高铁、5g、电动车等领域得到了广泛的应用。由于第三代半导体服役温度高，接近或超过传统的sn基焊料的熔点，对于sic芯片的封装将采用纳米银烧结技术。由于尺寸效应纳米银自身具有很高的表面能，可以在较低的温度、压力下完成烧结，而烧结后的物理性质近似于块体银的性质，从而完成“低温烧结、高温服役”；同时银具有很高的导电、导热性能，在烧结过程中不存在氧化的问题，是良好的封装材料。但由于cu基板的表面能较低，且与ag之间不存在扩散，因此cu/ag异质界面连接质量差，导致互连结构的力学性能较差存在着封装失效的问题。为实现第三代半导体的高可靠封装，对cu基板进行一定的处理提高界面结合强度，在工业上会在芯片的位置上镀ag处理，可以显著提升连接强度；但该方法使用了贵金属ag增加了成本，镀膜的时间较长会降低生产效率，同时电镀或化学镀会产生废液污染环境。

2、超快激光器由于具有超短的脉冲持续时间，其因此在加工时热影响区很小可以近似为“冷加工”，加工质量极高；同时激光加工是一种具有加工效率快、可重复性高、过程比较简单、无污染的过程。目前超快激光构造界面结构增强异种材料连接力学性能得到研究，清华大学在陶瓷表面使用飞秒激光刻蚀沟槽并使用钎焊连接不锈钢强度提高1.8倍(materials science and engineering:a,2016,662:178-184,yingchuan zhang,et al,“vacuum brazing of alumina to stainless steel using femtosecond laserpatterned periodic surface structure”)，但结构的特征尺度通常为单一的微米尺度不具有高表面能，且使用该基板封装后在不同方向上其力学性能有一定的差异；现有技术(cn109473418a)提供一种铜互连功能微结构，但在实际生产中上基板为芯片不宜激光加工，且焊膏需要涂敷在下基板上。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种功率器件封装用仿生蜂巢基板及其制备方法和应用，以自然界中具有稳定性的蜂巢结构为模板，首先通过超快激光在cu基板表面制备微纳双尺度图案化结构，然后进行纳米银的烧结进行与芯片的互连，显著提升烧结银连接强度，实现第三代半导体的高可靠封装，工艺简单、成本低廉、绿色制造，能够解决上述技术问题。

2、本发明提供一种功率器件封装用仿生蜂巢基板，其表面具有仿生蜂巢图案化的双尺度微纳结构，包括：

3、微米级结构构成的蜂巢图案结构：密排的正六边形，其边长为1.5-1.7mm，正六边形的中心存在直径为1mm的圆形，圆形内部填充间距30-40μm，高度为40-50μm的微锥阵列，其余部分为环形填充的微沟槽，其间距为30-40μm，深度为20-50μm；

4、纳米级结构：附着在整个基板表面的纳米颗粒，纳米颗粒的粒径为50-300nm。

5、每一个正六边形为一个“单元”，每一个圆形区域位于每一个正六边形单元内，如图5所示。

6、本发明还提供一种功率器件封装用仿生蜂巢基板的制备方法，是通过超快激光“两步法”制备的，在经过预处理的基板上使用超快激光加工系统进行加工，第一步使用快速扫描的方法构造出图案化的微米级结构，第二步使用慢速扫描在具有微米级结构的基板表面原位沉积纳米颗粒，具体包括以下步骤：

7、步骤1：将cu基板进行打磨、抛光；

8、步骤2：使用超快激光加工系统，通过快速扫描制备图案化微米级结构；

9、步骤3：在步骤2中完成的图案化微米级结构表面使用超快激光加工系统构造纳米级结构；

10、步骤4：将步骤3中制备得到的具有微纳结构表面的基板进行酸洗，酸洗后进行超声清洗，干燥，备用；

11、具体地，1.将封装的基板进行打磨、抛光，以达到去除氧化膜和保证表面平整的目的；

12、2.使用超快激光加工系统在基板表面构造微米尺度图案化结构，超快激光加工系统由超快激光器，一组反射镜，光束整形镜，扫描振镜，聚焦镜，位移台，光束质量检测器等构成；通过反射镜将光束准直的射入扫描振镜中，通过光束整形镜将激光束的偏振方向调整为圆偏振光并扩束在聚焦后获得更小的光斑；

13、3.在基板表面构造仿生蜂巢图案化的微米级结构，通过设定扫描路径构造图案化结构，振镜扫描速度大于1m/s，通过改变激光加工的参数实现表面微结构深度的可控制备；

14、4.上述加工后的基板使用超快激光加工系统原位沉积纳米级结构，使用大于基板材料损伤阈值的激光以小于50μm的间隔扫描，在50mm/s的扫描速度下激光激发出的等离子体会重铸在基板上使基板表面充满纳米颗粒，制备出微纳双尺度图案化基板；

15、5.将所加工的带有表面微纳双尺度图案化结构的基板放入5mol/l的稀硝酸中超声清洗1min去除加工时生成的氧化物，再放入无水乙醇超声清洗5min直到将酸全部洗净。

16、优选地，所述步骤2中的激光扫描路径与所述基板的蜂巢图案结构相同。

17、优选地，所述步骤3的具体过程为通过控制扫描速度在基板表面原位沉积纳米颗粒构造纳米级结构。

18、优选地，所述步骤1中将cu基板打磨之前，将cu基板放入配制好的30％hno3水溶液中浸泡几分钟，去除cu基板表面氧化物和污染物，接着将其放入丙酮中进一步超声清洗，清洗完毕烘干，使用砂纸进行打磨确保氧化层完全去除以及连接表面水平。

19、基板也可以为dbc基板、dba基板中的一种。

20、优选地，所述超快激光加工系统包括：

21、超快激光器，用于发射超快激光作为激光加工的激光源；

22、反射镜组，用于将超快激光进行折射使其准直的射入预定的位置；

23、光束整形，包括扩束器及波片，调整光斑的大小和偏振方向；

24、ccd，用于观察激光的状态及光束质量；

25、扫描振镜，通过电机的运动带动内部反射镜的运动，用于光束运动；

26、聚焦场镜，使激光聚焦在样品表面，提高功率密度；

27、另外还有激光工作站及控制卡控制激光的发射和振镜的运动。

28、优选地，所述超快激光器为飞秒激光器或皮秒激光器，脉冲宽度达到皮秒量级以下微纳结构加工质量高，近似于冷加工。

29、优选地，通过控制超快激光的扫描路径、激光功率、激光频率、加工次数实现微纳结构可控制备。

30、优选地，原位沉积纳米级结构扫描路径与构造微米尺度图案化结构扫描路径相同。

31、本发明还提供一种功率器件封装用仿生蜂巢基板的应用，作为功率器件封装用的基板使用纳米银进行互连，其过程为：

32、步骤21：将功率器件封装用仿生蜂巢基板清洗干净，盖上掩模版，进行纳米银焊膏涂敷；

33、步骤22：静置一段时间，使用镊子夹住掩模版的边缘垂直向上拿起掩模版；

34、步骤23：将芯片轻轻放置在纳米银焊膏上，保证整个芯片都处于焊膏之上；

35、步骤24：将步骤23得到的结构放入热压烧结机中，进行热压烧结，空冷；

36、步骤25：对步骤24得到的互连结构进行剪切测试，确定表面微纳结构增强连接强度的效果；

37、具体地，本发明所述功率器件封装用仿生蜂巢基板的应用可以作为功率器件封装时的基板使用，仿生蜂巢基板具有密排的图案具有稳定性和各向同性，微米级沟槽和微锥阵列提高了互连面积，纳米级颗粒结构显著提高基板表面能，因此可以增强互连接头的连接强度；具体应用方法如下：

38、1.封装前将功率器件封装用仿生蜂巢基板用5mol/l的稀硝酸中超声清洗去除表面氧化膜；

39、2.将所需焊膏厚度的掩模版放置在仿生蜂巢基板上，将纳米银焊膏均匀涂抹在掩模版上，使用刮刀保证阵列中每一个区域厚度一致；

40、3.涂抹焊膏后静置一段时间使部分易挥发的有机物挥发，焊膏流动性降低，此时使用镊子夹住掩模版的边缘垂直向上拿起掩模版；

41、4.将芯片轻轻放置在纳米银焊膏上，保证整个芯片都处于焊膏之上，然后将这个整体放置在热压烧结机中；

42、5.在一定温度下进行预热，这个过程有机物挥发银浆固化，再进行热压烧结完成互连，得到一种功率器件封装用仿生蜂巢基板的互连接头；

43、6.对上述接头进行剪切测试，功率器件封装用仿生蜂巢基板可以显著增强烧结银的连接强度。

44、优选地，所述基板与所述芯片平行设置，且所述基板与所述芯片相对的面为平面。

45、优选地，所述芯片的材料为功率器件所使用的芯片材料。

46、优选地，所述芯片的底面镀有ag层或溅射有金属层。

47、优选地，所述步骤24中烧结机的升温速率为5℃/min，加热至150℃预热8min，继续加热至250℃加压5mpa烧结15min。

48、有益效果：

49、一种功率器件封装用仿生蜂巢基板具有图案化的微纳双尺度结构，可以在功率器件封装时作为基板使用，能提升互连结构的连接强度。该基板的制备是通过超快激光加工系统进行制备的，该方法加工效率快、加工的可重复性高、工艺简单、无后续成本。该基板可应用于功率器件封装作为基板使用，所设计的仿生蜂巢结构为密排的图案具有稳定性和各向同性；微米级沟槽和微锥阵列提高了互连面积，可以提高连接强度；纳米级颗粒结构显著提高基板表面能，为互连提供额外的能量，使原子间的连接更加充分；因此，在仿生蜂巢基板可以显著提高功率器件封装时烧结银的连接强度。