一种甲酸气氛下纳米结构凸点键合方法

本申请涉及芯片封装，尤其涉及芯片之间的金属键合互连方法。

背景技术：

1、微凸点互连技术主要应用于倒装芯片、晶圆级封装、2.5d/3d封装等高密度封装结构中。

2、在高密度封装结构中，相较于铜-铜键合，能生成金属间化合物的焊料/铜的液固键合体系具有速度快、成本低、低温等巨大优势，是实现3d封装集成互连的有效途径。高密度封装中，金属氧化是阻碍高质量金属互连的关键问题。

3、利用甲酸气氛还原是有效解决金属氧化问题的途径。然而，由于甲酸气氛还原不同金属氧化物效率不同，低熔点焊料填充连接层速率较低，较长键合时间又会带来界面脆性金属间化合物的生长，降低键合质量。

4、如何提升键合质量，是需要解决的技术问题。

技术实现思路

1、本申请的目的在于提供一种甲酸气氛下纳米结构凸点键合方法，以解决现有技术中提升键合质量的技术问题。

2、本申请提出一种采用铜/焊料/纳米金属材料/焊料/铜的新型微凸点的甲酸气保护下的键合工艺，能快速消耗互连金属，形成较薄的金属间化合物层，实现快速互连。此类结构还能缓释压力，可有效解决传统的铜柱焊帽结构在热压工艺下还易导致焊料的过度溢出以及硅晶圆碎裂的问题。

3、第一方面，本申请实施例提供一种甲酸气氛下的键合方法，包括：

4、在第一器件上，曝光第一管脚的生长位点的半固化绝缘材料图案，在第二器件上，曝光第二管脚的生长位点的半固化绝缘材料图案，所述第一管脚和所述第二管脚的尺寸可以相同，也可以不完全相同；

5、在所述第一管脚的生长位点内部填充铜柱，并在所述铜柱顶端制备低熔点焊料帽；

6、在所述第二管脚的生长位点内部填充低熔点焊料，形成低熔点焊料层，随后将纳米金属颗粒填入生长位点；

7、导入甲酸气氛去除所述纳米金属颗粒的氧化物，并加热实施预烧结，以加速所述纳米金属颗粒之间、所述纳米金属颗粒与低熔点焊锡之间扩散，使纳米金属颗粒形成多孔结构；

8、将所述第一管脚与所述第二管脚对准后，在甲酸气氛的保护下实施温度在所述低熔点焊料的熔点以上的键合，以形成具有金属间化合物的原子级键合，同时所述第一器件的半固化绝缘材料和所述第二器件的半固化绝缘材料实现贴合；

9、对半固化的材料进行低温固化，形成底部填充料，实现整体互连结构。

10、可选地，导入甲酸气氛去除所述纳米金属颗粒的氧化物，并加热实施预烧结的步骤包括：

11、在甲酸气氛的保护下的纳米金属颗粒预烧结形成的多孔结构，利用所述多孔结构的毛细作用，引导所述低熔点焊料从纳米金属颗粒的两端实现快速润湿与填充，并将所述焊料锁定在多孔结构中，限制液体焊料流动；随后，低熔点焊料与金属材料实现冶金级键合。

12、可选地，所述多孔结构还用于提供形变能力。

13、可选地，所述纳米金属颗粒包括高能量原子，以加速金属之间的扩散。

14、可选地，导入甲酸气氛去除所述纳米金属颗粒的氧化物，并加热实施预烧结的步骤包括：

15、加入铂系金属进行催化加速甲酸对金属氧化物的还原，并改善甲酸气氛还原不同金属氧化物速率不匹配的问题。

16、可选地，在甲酸气氛的保护下实施温度在所述低熔点焊料的熔点以上的键合的步骤，包括在甲酸气氛的保护下实施温度在所述低熔点焊料的熔点以上进行有压工艺键合或无压工艺键合。

17、可选地，所述低熔点焊料，其材料的选择包括但不限于以下几种：

18、sn、in、ga等单相低熔点焊料，sn、in、ga等多相焊料金属，低熔点纯金属层，多相低温焊料金属层。能与所述纳米金属材料反应形成金属间化合物或固溶体的金属材料均可以实现。

19、可选地，所述铜柱通过电镀等增材方式填充，厚度为0.2～100μm。

20、可选地，所述低熔点焊料通过电镀等增材方式填充，厚度为0.2～10μm。

21、第二方面，本申请实施例提供一种增强凸点互连结构键合方法，包括第一方面的甲酸气氛下的键合方法。

22、本申请实施例提供的增强凸点互连结构键合方法可以增强凸点互连结构的稳定性。

技术特征：

1.一种甲酸气氛下的键合方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的甲酸气氛下的键合方法，其特征在于，导入甲酸气氛去除所述纳米金属颗粒的氧化物，并加热实施预烧结，将所述第一管脚与所述第二管脚对准后，在甲酸气氛的保护下实施温度在所述低熔点焊料的熔点以上的键合的步骤包括：

3.如权利要求2所述的甲酸气氛下的键合方法，其特征在于，所述多孔结构还用于提供形变能力。

4.如权利要求1所述的甲酸气氛下的键合方法，其特征在于，所述纳米金属颗粒具有高能量原子，以加速金属之间的扩散。

5.如权利要求1所述的甲酸气氛下的键合方法，其特征在于，导入甲酸气氛去除所述纳米金属颗粒的氧化物，并加热实施预烧结的步骤包括：

6.如权利要求1所述的甲酸气氛下的键合方法，其特征在于，在甲酸气氛的保护下实施温度在所述低熔点焊料的熔点以上的键合的步骤，包括在甲酸气氛的保护下实施温度在所述低熔点焊料的熔点以上进行有压工艺键合或无压工艺键合。

7.如权利要求1所述的甲酸气氛下的键合方法，其特征在于，所述低熔点焊料，其材料为能与所述纳米金属材料反应形成金属间化合物或固溶体的金属材料。

8.如权利要求7所述的甲酸气氛下的键合方法，其特征在于，所述低熔点焊料，其材料的选择包括但不限于以下几种：

9.如权利要求1所述的甲酸气氛下的键合方法，其特征在于，所述第一管脚和所述第二管脚的尺寸相同或不相同。

10.一种增强凸点互连结构键合方法，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的甲酸气氛下的键合方法。

技术总结
本申请实施例提供一种甲酸气氛下的键合方法和增强凸点互连结构键合方法，涉及芯片封装技术领域。在第一器件的第一管脚的生长位点内部填充铜柱，并在铜柱顶端制备低熔点焊料帽；在第二器件的第二管脚的生长位点内部填充低熔点焊料，形成低熔点焊料层，随后将纳米金属颗粒填入第二管脚的生长位点；导入甲酸气氛实施预烧结；将第一管脚与第二管脚对准后，在保护气氛下实施温度在低熔点焊料的熔点以上的热压键合。预烧结能使纳米金属颗粒形成多孔结构，加速纳米金属颗粒之间、纳米金属颗粒与低熔点焊锡之间接触与扩散，最终实现快速互连。

技术研发人员：何思亮,凌云志,崔银花,郑伟,胡川,陈志涛
受保护的技术使用者：广东省科学院半导体研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11