一种利用表面微纳米结构的低温固态键合方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用表面微纳米结构的低温固态键合方法，包括以下步骤：选择具有相互匹配的电互连焊盘的两个或多个待键合元件，两两形成一个待键合偶；在待键合偶的一侧焊盘上形成纤维状纳米银金属层；在待键合偶的另一侧焊盘上形成微米级针锥阵列结构的金属层；将待键合偶表面焊盘对准，把接触区域加热到不超过金属熔点的某一温度同时向待键合偶一侧或双侧施加键合压力并保持一定时间，使得纤维状纳米银金属层与微米级针锥阵列结构的金属层固态键合。本发明的利用表面微纳米结构的低温固态键合方法的传导率、电导率更高，并且可以大大减低热压键合的温度，提高键合强度。
【专利说明】一种利用表面微纳米结构的低温固态键合方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体芯片封装领域，具体是通过纤维状纳米银金属层与表面特殊针锥形貌金属层的使用，实现低温互连键合的方法。
【背景技术】
[0002]目前电子封装向小型化、高密度化和多芯片化发展，电互连技术是电子封装技术中的核心技术。根据摩尔定律，封装组件功率不断攀升、引脚密度持续增加，使其需要在越来越高的温度下服役，保证长时间可靠。然而，传统的再流焊工艺需要将温度加热到焊料熔点以上，高的温度环境对芯片本身会产生恶劣的影响，大大降低产品的可靠性，同时伴随着较大的能量消耗。例如Cu-Cu热压键合往往需要较高的键合温度，典型值约在350-400°C将给封装带来很大的技术障碍。
[0003]在先进封装形式的设计中需要对互连进行多方面的技术考量(如电气性能、机械性能、间距)，而人们孜孜不倦地追求的互连工艺温度的降低，正是实现先进封装的一项关键性技术以及重大挑战。苛刻的工艺条件将给封装带来很大的技术障碍。寻求低焊接温度、高焊接强度的工艺已经成为互连技术的发展趋势。
【发明内容】
[0004]本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种利用表面微纳米结构的低温固态键合方法，克服了现有封装互连工艺中的焊接温度高、焊接强度低的问题。
[0005]为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的:
本发明提供一种利用表面微纳米结构的低温固态键合方法，包括以下步骤:
S1:选择具有相互匹配的电互连焊盘的两个或多个待键合元件，两两形成一个待键合偶;
52:在待键合偶的一侧焊盘上形成纤维状纳米银金属层；
53:在待键合偶的另一侧焊盘上形成微米级针锥阵列结构的金属层；
54:将待键合偶表面焊盘对准，使得所述待键合偶的一侧表面带有纤维状纳米银金属层的区域与另一侧表面带有微米级针锥阵列结构的金属层区域匹配；把接触区域加热到不超过金属熔点的某一键合温度同时向待键合偶一侧或双侧施加键合压力并保持一定时间，使得纤维状纳米银金属层与微米级针锥阵列结构的金属层固态键合。
[0006]本发明的纤维状纳米银金属层为纳米银片，压缩时具有良好塑性变形性，比使用纳米银颗粒时的结合性能更佳、孔隙率更小，能够达到更好的键合效果。
[0007]较佳地，所述纤维状纳米银金属层的制备方法为电沉积法或化学方法合成，所述纳米银金属层的长度为0.5 μ m到3 μ m，厚度为0.1 μ m到3 μ m。
[0008]较佳地，所述微米级针锥阵列结构的金属层利用电沉积或化学方法合成；通过控制添加剂浓度、时间、电沉积温度、电流密度等参数，所述微米级针锥阵列结构的金属层的针锥高度为0.3 μ m到3 μ m,针锥直径为0.1 μ m到I μ m。
[0009]较佳地，所述微米级针锥阵列结构的金属层材质为金、银、铜、镍、钯、钴、钨或它们的合金。
[0010]较佳地，所述微米级针锥阵列的金属层的针锥高度基本保持一致。
[0011]较佳地，在所述微米级针锥阵列的金属层表面制备防氧化层或硬质层；所述防氧化层或硬质层为金、钼、银、钯、钨、镍等金属单质或合金，所述防氧化层或硬质层的厚度为数纳米至数十纳米。
[0012]一般，键合温度为100° C?400° C，键合压力为1MPa?100 Mpa，所述键合压力保持的时间为数秒到数分钟。
[0013]相较于现有技术，本发明具有以下优点:
本发明提供的利用表面微纳米结构的低温固态键合方法，通过改变键合偶的表面形貌，达到了降低键合温度的效果。根据纳米结构的热力学性质，熔点随着纳米结构尺寸的减小而降低，可以获得高稳定性的焊点。同时针锥阵列材料由于其针尖结构可以破坏焊料氧化层，被运用在热压键合中，键合后形成嵌入式的界面，可获得较为理想的键合强度。本发明将现有热压键合中的金属薄膜替换成纳米结构的银片和针锥结构的金属层，传导率、电导率更高，并且可以大大减低热压键合的温度，提高键合强度。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明:
图1为本发明的纤维状纳米银金属层和微米级针锥金属层的结构图；
图2为本发明的实施例的两个待键合元件完成固态键合后的结构图；
图3所示为本发明的利用表面微纳米结构的低温固态键合方法的工艺流程图。
【具体实施方式】
[0015]下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0016]本发明提供一种利用表面微纳米结构的低温固态键合方法，包括以下步骤:
S1:选择具有相互匹配的电互连焊盘的两个芯片或基片；
52:纤维状纳米银金属层的制备:将芯片或基片键合区域金属块表面通过除油处理后，浸入20wt.%硫酸中活化以提高表面活性，然后置于化学沉积液中进行化学沉积，由此获得所需纤维状纳米银金属层I ;
53:微米级针锥制备:对应的另一侧芯片或基片键合区域金属块表面通过除油处理后浸入20wt.%硫酸中活化以提高表面活性，使用电沉积方法制备铜微米级针锥阵列2，制备的铜微米级针锥阵列2的针锥高度基本一致。不同实施例中，制备的针锥高度可以为
0.3 μ m至Ij 3 μ m,针锥直径可以为为0.1 μ m到I μ m。
[0017]S4:将完成上述步骤S2的芯片放入热压键合机中，固定于一侧；将完成步骤S3的基片或芯片固定于另一侧。缓慢移动固体装置使俩侧焊盘对准，迅速升温至250° C，同时在其中一侧沿如图2中箭头方向施加20MP的键合压力，保持20min，完成键合。
[0018]本实施例以两个芯片或基片作为待键合元件，不同实施例中，也可以包括多个待键合元件，两两组成一个待键合偶。
[0019]不同实施例中，也可在热压键合机的双侧施加键合压力，这样能够缩短键合时间。
[0020]不同实施例中，纳米银金属层的长度为0.5 μ m到3 μ m，厚度为0.1 μ m到3 μ m。
[0021]较佳实施例中，可在微米级针锥阵列的金属层表面制备防氧化层或硬质层；所述防氧化层或硬质层为金、钼、银、钯、钨、镍等金属单质或合金，所述防氧化层或硬质层的厚度为数纳米至数十纳米。
[0022]一般，键合温度为100° C?400° C，键合压力为1MPa?100 Mpa，所述键合压力保持的时间为数秒到数分钟。
[0023]需要说明的是，微米级针锥阵列结构的金属层材质不限定为铜，可以为金、银、镍、钯、钴、钨或它们的合金。
[0024]此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。
【权利要求】
1.一种利用表面微纳米结构的低温固态键合方法，其特征在于，包括以下步骤: S1:选择具有相互匹配的电互连焊盘的两个或多个待键合元件，两两形成一个待键合偶; 52:在待键合偶的一侧焊盘上形成纤维状纳米银金属层； 53:在待键合偶的另一侧焊盘上形成微米级针锥阵列结构的金属层； 54:将待键合偶表面焊盘对准，使得所述待键合偶的一侧表面带有纤维状纳米银金属层的区域与另一侧表面带有微米级针锥阵列结构的金属层区域匹配；把接触区域加热到不超过金属熔点的键合温度同时向待键合偶一侧或双侧施加键合压力并保持一定时间，使得纤维状纳米银金属层与微米级针锥阵列结构的金属层固态键合。
2.根据权利要求1所述的利用表面微纳米结构的低温固态键合方法，其特征在于，所述纤维状纳米银金属层的制备方法为电沉积法或化学方法合成，所述纳米银金属层的长度为 0.5 μ m 至Ij 3.0 μ m，厚度为 0.1 μ m 至Ij 3.0 μ m。
3.根据权利要求1所述的利用表面微纳米结构的低温固态键合方法，其特征在于，所述微米级针锥阵列结构的金属层利用电沉积或化学沉积等方法合成；所述微米级针锥阵列结构的金属层的针锥高度为0.3μπ?到3.Ομπ?，针锥直径为0.Ιμπ?到1.0 μ In。
4.根据权利要求2所述的利用表面微纳米结构的低温固态键合方法，其特征在于，所述微米级针锥阵列结构的金属层材质为金、银、铜、镍、钯、钴、钨或它们的合金。
5.根据权利要求3所述的利用表面微纳米结构的低温固态键合方法，其特征在于，所述微米级针锥阵列的金属层的针锥高度基本保持一致。
6.根据权利要求1所述的利用表面微纳米结构的低温固态键合方法，其特征在于，在所述微米级针锥阵列的金属层表面制备防氧化层或硬质层。
7.根据权利要求6所述的利用表面微纳米结构的低温固态键合方法，其特征在于，所述防氧化层或硬质层为金、钼、银、钯、钨、镍等金属单质或合金，所述防氧化层或硬质层的厚度为数纳米至数十纳米。
8.根据权利要求1至7任一项所述的利用表面微纳米结构的低温固态键合方法，其特征在于，所述键合温度为100° C?400° C，所述键合压力为1MPa?100 Mpa，所述键合压力保持的时间为数秒到数分钟。
【文档编号】H01L21/603GK104201123SQ201410402131
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月15日 优先权日:2014年8月15日
【发明者】胡丰田, 李明, 胡安民, 吴蕴雯 申请人:上海交通大学