CN106205772B - 铜基导电浆料及其制备与其在芯片封装铜铜键合中的应用 - Google Patents

铜基导电浆料及其制备与其在芯片封装铜铜键合中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种铜基导电浆料及其制备与其在芯片封装铜铜键合中的应用，该铜基导电浆料是通过将预处理后的纳米铜颗粒均匀分散于导电浆料溶液中得到的，以该铜基导电浆料的总质量为100％计，所述纳米铜颗粒占该铜基导电浆料总质量的10～90％。本发明还提供了一种应用所述铜基导电浆料的芯片封装铜铜键合方法。该方法利用铜基导电浆料中所含纳米铜颗粒小尺寸带来的低熔点性能，促进铜铜界面在较低温度和较小压力下进行键合，并可以有效保证键合强度和效率，且该方法工艺简单、成本低廉、环境友好，所以通过该方法可以实现倒装芯片互连的低温高密度封装集成。

Description

铜基导电浆料及其制备与其在芯片封装铜铜键合中的应用
技术领域
本发明涉及一种铜基导电浆料及其制备与其在芯片封装铜铜键合中的应用，属于芯片封装技术领域。
背景技术
随着电子信息技术的高速发展，集成电路的封装朝着轻薄短小的三维集成方向发展，这其中倒装芯片互联技术因其具有较高的封装密度，良好的电和热性能，稳定的可靠性和较低的成本，已经成为一种能够适应未来电子封装发展要求的技术。倒装芯片封装技术即是首先在芯片焊盘上作凸点，然后将芯片倒扣于基板以将凸点与基板间进行连接，以同时实现电气和机械连接。凸点连接比引线键合连线短，传输速度高，其可靠性可以提高30-50倍。在倒装芯片封装过程中，凸点的形成和键合是其工艺过程的关键。
由于环境保护等因素的影响，目前倒装芯片的回流焊倒装多采用Sn/Ag焊料，凸点通常通过刻蚀、电镀、回流工艺形成，其工艺复杂，成本高。而金属铜具有优异的导电和导热性能，是应用广泛的互连介质。铜柱倒装键合方法具有低成本和高产出的优点，能更进一步提高倒装互连的电热性能，为发展高密度、高性能的微电子封装技术提供了技术支撑。传统的铜铜热压键合技术是利用铜作为键合层，通过较高的键合压力和温度保证芯片与基板的接触，促进铜原子的扩散，以实现键合。该键合方式可提供内在的互连和优异的连接强度，并且工艺简单，已经得到了广泛研究。但该互联方式所需的键合压力和温度较高，并且可能会引入较高的热应力和热变形，甚至损伤元器件。
发明内容
为了解决上述的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种铜基导电浆料。
本发明的目的还在于提供上述铜基导电浆料的制备方法。
本发明的目的还在于提供上述铜基导电浆料在芯片封装铜铜键合中的应用。
本发明的目的又在于提供一种应用上述铜基导电浆料的芯片封装铜铜键合方法。
为达到上述目的，一方面，本发明提供一种铜基导电浆料，该铜基导电浆料是通过将预处理后的纳米铜颗粒均匀分散于导电浆料溶液中得到的，以该铜基导电浆料的总质量为100％计，所述纳米铜颗粒占该铜基导电浆料总质量的10～90％。
根据本发明所述的铜基导电浆料，优选地，所述纳米铜颗粒包括粒径为20～200nm的球形铜颗粒中的一种或几种的组合。
根据本发明所述的铜基导电浆料，优选地，所述纳米铜颗粒包括采用溶剂热法、多元醇法、还原法、固相法中的一种或几种方法制备得到的纳米铜颗粒。上述溶剂热法、多元醇法、还原法、固相法均为本领域制备纳米铜颗粒所用的常规方法。
根据本发明所述的铜基导电浆料，优选地，所述预处理为采用酸对纳米铜颗粒进行表面处理；
更优选地，所述酸包括稀盐酸、稀硫酸及稀硝酸中的一种或几种的组合。
根据本发明所述的铜基导电浆料，采用酸对纳米铜颗粒进行表面处理的目的是为了除去铜颗粒表面氧化物等杂质，其中本发明对所用酸浓度及处理时间等均不作具体要求，本领域技术人员可以根据现场作业需要选择合适的酸浓度及处理时间，只要可以实现发明目的即可。
根据本发明所述的铜基导电浆料，优选地，以该铜基导电浆料的总重量为100％计算，所述导电浆料溶液包括10～80wt％的溶剂、1～10wt％的分散剂、1～10wt％的粘度调节剂以及1～10wt％的其它添加剂，且所述溶剂、分散剂、粘度调节剂、其它添加剂及预处理后的纳米铜颗粒的质量百分数之和为100wt％。
根据本发明所述的铜基导电浆料，优选地，所述溶剂包括水、乙醇、丙酮、乙二醇、一缩二乙二醇、二缩二乙二醇、一缩二丙二醇、丙三醇、二甲苯和异丙醇中的一种或几种组合。
根据本发明所述的铜基导电浆料，优选地，所述分散剂包括聚乙烯吡咯烷酮、明胶、十六烷基三甲基溴化铵、聚乙二醇、聚乙烯醇、阿拉伯胶和十二烷基苯磺酸钠中的一种或几种的组合。
根据本发明所述的铜基导电浆料，优选地，所述粘度调节剂包括甲基纤维素、乙基纤维素、羟甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素和羧甲基纤维素中的一种或几种的组合。
根据本发明所述的铜基导电浆料，优选地，所述其他添加剂包括松油醇、乙二醇丁醚、乙二醇甲醚、丙二醇丁醚、三甘醇单丁醚和改性聚硅烷中的一种或几种的组合。
另一方面，本发明还提供了上述铜基导电浆料的制备方法，其包括以下步骤：将预处理后的纳米铜颗粒分散于导电浆料溶液中，再经混料并超声分散后，得到所述铜基导电浆料。
根据本发明所述的铜基导电浆料的制备方法，优选地，所述混料过程为在真空状态下以1000～5000r/min中的一种转速或几种转速的组合进行混料，混料时间为1～5min。
根据本发明所述的铜基导电浆料的制备方法，优选地，所述超声分散时间为10～60min。
又一方面，本发明还提供了上述铜基导电浆料在芯片封装铜铜键合中的应用。
再一方面，本发明还提供了一种芯片封装铜铜键合的方法，其是采用上述铜基导电浆料实现的，该方法包括以下步骤：
采用合适的印刷技术，将所述铜基导电浆料印刷在待封装芯片的铜柱上，再经低温键合工艺进行三维芯片封装的铜铜键合，以实现芯片在低温下的导电互连，完成芯片封装铜铜键合。
根据本发明所述的芯片封装铜铜键合的方法，优选地，所述键合工艺为采用加热键合、加压键合、及超声波键合中的一种工艺或几种工艺的组合进行三维芯片封装的铜铜键合。
根据本发明所述的芯片封装铜铜键合的方法，优选地，所述加热键合的温度为室温～300℃。
根据本发明所述的芯片封装铜铜键合的方法，优选地，所述加压键合的压力为0.1～20MPa。
根据本发明所述的芯片封装铜铜键合的方法，优选地，所述超声波键合工艺中所用超声频率为10～200kHz。
根据本发明所述的芯片封装铜铜键合的方法，优选地，所述键合工艺的时间为1～60min。
根据本发明所述的芯片封装铜铜键合的方法，在本发明具体的实施方式中，所述印刷技术包括丝网印刷、平版印刷、凹版印刷及凸版印刷中的一种。上述丝网印刷、平版印刷、凹版印刷及凸版印刷技术均为本领域使用的常规印刷技术。
本发明的目的是为了克服现有技术中存在的不足，提供了一种铜基导电浆料及其制备与其在芯片封装铜铜键合中的应用，同时本发明还提供了一种采用本发明铜基导电浆料的芯片封装铜铜键合方法，该方法利用铜基导电浆料中所含纳米铜颗粒小尺寸带来的低熔点性能，促进铜铜界面在较低温度(室温～300℃)和较小压力(0.1～20MPa)下进行键合，并可以有效保证键合强度和效率，实现了倒装芯片互连的低温高密度封装集成。
此外，该方法工艺简单、成本低廉、环境友好且能够有效降低倒装芯片互联中铜铜键合的压力和温度、提高键合强度和效率，所以该工艺方法具有独特的技术优势和前景。
附图说明
图1a～图1c为应用本发明所提供的铜基导电浆料的电子封装中倒装芯片键合工艺示意图。
主要附图标号说明：
1—芯片、2—铜柱、3—基板、4—铜基导电浆料。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现结合以下具体实施例及说明书附图对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1
本实施例提供了一种芯片封装铜铜键合的方法，其中，该方法包括以下步骤：
1、铜基导电浆料的制备：采用水热法制备出粒径为100nm的球形铜颗粒作为填料，将经过稀盐酸处理的纳米铜颗粒(20wt％)，分散于由乙醇(60wt％)、聚乙烯吡咯烷酮(10wt％)、甲基纤维素(4wt％)、松油醇(6wt％)构成的导电浆料溶液中。经过真空状态下1000r/min混料3min，再超声分散10min，即得到铜基导电浆料。制备所得浆料中纳米铜颗粒填料均匀分散于溶剂中，其可在大气气氛下稳定放置数天不会发生团聚、沉降或分离现象。
2、采用上述铜基导电浆料的芯片封装铜铜键合方法，其工艺流程如图1a～图1c所示，图1a中，1为待封装的芯片、2为芯片和基板上待键合的铜柱、3为基板，将上述制得的铜基导电浆料4经过丝网印刷涂覆在待封装的芯片1的铜柱2上(如图1b所示)，经过300℃、5MPa、10min的热压键合工艺，以实现芯片与基板之间的互联(如图1c所示)。
实施例2
本实施例提供了一种芯片封装铜铜键合的方法，其中，该方法包括以下步骤：
1、铜基导电浆料的制备：采用多元醇法制备出粒径为20nm的球形铜颗粒作为填料，将经过稀硫酸处理的纳米铜颗粒(40wt％)，分散于由一缩二乙二醇(40wt％)、聚乙二醇(8wt％)、羟乙基纤维素(6wt％)、乙二醇甲醚(6wt％)构成的导电浆料溶液中。经过真空状态下3000r/min混料2min，再超声分散30min，即得到铜基导电浆料。制备所得浆料中纳米铜填料均匀分散于溶剂中，可在大气气氛下稳定放置数天不会发生团聚、沉降或分离现象。
2、采用上述铜基导电浆料的芯片封装铜铜键合方法，工艺流程类似于实施例1，通过平板印刷技术，将铜基导电浆料印刷在待封装的芯片铜柱上，经过室温下，8MPa、30kHz、22min的热超声键合工艺，实现芯片与基板之间的互联。
实施例3
本实施例提供了一种芯片封装铜铜键合的方法，其中，该方法包括以下步骤：
1、铜基导电浆料的制备：采用多元醇法制备出粒径为40nm的球形铜颗粒作为填料，将经过稀盐酸处理的纳米铜颗粒(60wt％)，分散于由丙三醇(30wt％)、聚乙烯醇(4wt％)、羧甲基纤维素(3wt％)、改性聚硅烷(3wt％)构成的导电浆料溶液中。经过真空状态下先1000r/min混料1min，2500r/min混料2min，再超声分散40min，即得到所述铜基导电浆料。制备所得浆料中纳米铜填料均匀分散于溶剂中，可在大气气氛下稳定放置数天不会发生团聚、沉降或分离现象。
2、采用上述铜基导电浆料的芯片封装铜铜键合方法，工艺流程类似于实施例1，通过凹版印刷技术，将本实施例制备得到的铜基导电浆料印刷在待封装的芯片铜柱上，经过175℃、20MPa、10min的热压键合工艺，实现芯片与基板之间的互联。
实施例4
本实施例提供了一种芯片封装铜铜键合的方法，其中，该方法包括以下步骤：
1、铜基导电浆料的制备：采用还原法制备出粒径为140nm的球形铜颗粒作为填料，将经过稀硝酸处理的纳米铜颗粒(75wt％)，分散于由二甲苯(11wt％)、阿拉伯胶(6wt％)、羟丙基甲基纤维素(4wt％)、三甘醇单丁醚(4wt％)构成的导电浆料溶液中，其中，纳米铜颗粒和导电浆料溶液的质量比为1:3。经过真空状态下先2000r/min混料3min，4000r/min混料1min，再超声分散20min，即得到所述铜基导电浆料。制备所得浆料中纳米铜填料均匀分散于溶剂中，可在大气气氛下稳定放置数天不会发生团聚、沉降或分离现象。
2、采用上述铜基导电浆料的芯片封装铜铜键合方法，工艺流程类似于实施例1，通过丝网印刷技术，将铜导电浆料印刷在待封装的芯片铜柱上，经过60℃、150kHz、10MPa、45min的热超声键合工艺，实现芯片与基板之间的互联。
实施例5
本实施例提供了一种芯片封装铜铜键合的方法，其中，该方法包括以下步骤：
1、铜基导电浆料的制备：采用固相法制备出粒径为200nm的球形铜颗粒作为填料，将经过稀硫酸处理的纳米铜颗粒(50wt％)，分散于由异丙醇(35wt％)、十六烷基三甲基溴化铵(8wt％)、乙基纤维素(3wt％)、丙二醇丁醚(4wt％)构成的导电浆料溶液中。经过真空状态下5000r/min混料2min，再超声分散60min，即得到铜基导电浆料。制备所得浆料中纳米铜填料均匀分散于溶剂中，可在大气气氛下稳定放置数天不会发生团聚、沉降或分离现象。
2、采用上述铜基导电浆料的芯片封装铜铜键合方法，工艺流程类似于实施例1，通过凸版印刷技术，将铜导电浆料印刷在待封装的芯片铜柱上，在室温下，经过200kHz、16MPa、60min的键合工艺，实现芯片与基板之间的互联。
最后，申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构和工艺，但本发明并不局限于上述详细结构和工艺，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构和工艺才能实施。所属技术领域的技术人员应该明白，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (19)

1.一种用于芯片封装铜铜热压超声键合的铜基导电浆料，其特征在于，该铜基导电浆料是通过将预处理后的纳米铜颗粒均匀分散于导电浆料溶液中得到的，以该铜基导电浆料的总质量为100％计，所述纳米铜颗粒占该铜基导电浆料总质量的75～90％；
以该铜基导电浆料的总重量为100％计算，所述导电浆料溶液包括10～80wt％的溶剂、1～10wt％的分散剂、1～10wt％的粘度调节剂以及1～10wt％的其它添加剂，且所述溶剂、分散剂、粘度调节剂、其它添加剂及预处理后的纳米铜颗粒的质量百分数之和为100wt％。
2.根据权利要求1所述的铜基导电浆料，其特征在于，所述纳米铜颗粒的粒径为20～200nm。
3.根据权利要求1或2所述的铜基导电浆料，其特征在于，所述纳米铜颗粒包括采用溶剂热法、多元醇法、还原法、固相法中的一种或几种方法制备得到的纳米铜颗粒。
4.根据权利要求1所述的铜基导电浆料，其特征在于，所述预处理为采用酸对纳米铜颗粒进行表面处理。
5.根据权利要求4所述的铜基导电浆料，其特征在于，所述酸包括稀盐酸、稀硫酸及稀硝酸中的一种或几种的组合。
6.根据权利要求1所述的铜基导电浆料，其特征在于，所述溶剂包括水、乙醇、丙酮、乙二醇、一缩二乙二醇、二缩二乙二醇、一缩二丙二醇、丙三醇、二甲苯和异丙醇中的一种或几种组合。
7.根据权利要求1所述的铜基导电浆料，其特征在于，所述分散剂包括聚乙烯吡咯烷酮、明胶、十六烷基三甲基溴化铵、聚乙二醇、聚乙烯醇、阿拉伯胶和十二烷基苯磺酸钠中的一种或几种的组合。
8.根据权利要求1所述的铜基导电浆料，其特征在于，所述粘度调节剂包括甲基纤维素、乙基纤维素、羟甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素和羧甲基纤维素中的一种或几种的组合。
9.根据权利要求1所述的铜基导电浆料，其特征在于，所述其他添加剂包括松油醇、乙二醇丁醚、乙二醇甲醚、丙二醇丁醚、三甘醇单丁醚和改性聚硅烷中的一种或几种的组合。
10.权利要求1～9任一项所述的铜基导电浆料的制备方法，其包括以下步骤：将预处理后的纳米铜颗粒分散于导电浆料溶液中，再经混料并超声分散后，得到所述铜基导电浆料。
11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述混料过程为在真空状态下以1000～5000r/min的转速进行混料，混料时间为1～5min。
12.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述超声分散时间为10～60min。
13.权利要求1～9任一项所述的铜基导电浆料在芯片封装铜铜键合中的应用。
14.一种芯片封装铜铜键合的方法，其是采用权利要求1～9任一项所述的铜基导电浆料实现的，其特征在于，该方法包括以下步骤：
采用印刷技术，将所述铜基导电浆料印刷在待封装芯片的铜柱上，再经低温键合工艺进行三维芯片封装的铜铜键合，以实现芯片在低温下的导电互连，完成芯片封装铜铜键合。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述键合工艺为采用加热键合、加压键合、及超声波键合中的一种工艺或几种工艺的组合进行三维芯片封装的铜铜键合。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述加热键合的温度为室温～300℃。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述加压键合的压力为0.1～20MPa。
18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述超声波键合工艺中所用超声频率为10～200kHz。
19.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述键合工艺的时间为1～60min。
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