CN106449448A - 一种用于器件集成封装的低温键合方法 - Google Patents

一种用于器件集成封装的低温键合方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于器件集成封装的低温键合方法，本发明基于纳米界面特殊的尺度效应、电流集聚效应、电迁移效应，在力电热多物理场循环载荷作用下实现低温低压的热压键合工艺，减少界面键合缺陷。该方法操作简单，与微电子工艺兼容，在微系统三维集成封装、光电集成器件等领域具有广泛应用前景。

Description

一种用于器件集成封装的低温键合方法
技术领域
本发明属于微电子三维封装技术领域，具体涉及一种用于器件集成封装的低温键合方法。
背景技术
随着移动互联网等新一代信息技术的快速发展，集成电路(IC)向低功耗、小型化、多功能、高速化方向发展，更多具备感知和计算功能的器件需进行芯片级集成以满足更高集成度和更多功能要求。三维集成封装技术通过堆叠和垂直互连的方式提高芯片互连速度，增加集成度，成为微系统及芯片制造技术向“超越摩尔定律”方向发展的重要技术路径。
在三维集成封装技术中，无论是芯片堆叠、封装堆叠，还是TSV(硅通孔)堆叠方式，金属-金属键合是实现多层堆叠和垂直集成的有效方法，形成牢固机械连接的同时，提供导热、导电通路。金属键合一般在一定温度、压力条件下，通过原子间相互扩散实现可靠连接。温度能够增强原子的活性，提高扩散率，压力则促进界面原子之间的接触。然而，键合前的器件一般已经制作微结构或集成其他器件，高温高压工艺会导致对准偏移、残余热应力(热失配)、机械损伤、键合层氧化等问题，尤其是高温会使异质金属键合层产生更大的热损伤，进而影响器件的寿命和可靠性。因此，金属键合已成为影响微系统工作性能、使用寿命以及阻碍芯片高集成化的关键问题。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种用于器件集成封装的低温键合方法，本发明提供的低温键合方法通过构建纳米键合层，并利用多物理场载荷，降低金属界面键合温度和压力，并利用电流的集聚效应和循环载荷减少界面键合缺陷。
本发明提供了一种用于器件集成封装的低温键合方法，包括以下步骤：
A)分别在两个待集成封装器件的键合目标面溅射金属，得到复合有金属基底的器件；
B)在所述金属基底表面电化学沉积金属纳米针锥结构层，得到复合有键合层/金属基底的器件；
C)将两个所述复合有键合层/金属基底的器件的键合层相对叠加后，按照以下步骤完成器件集成封装的低温键合：
第一步：向所述两个键合层施加超声振动载荷；
第二步：向所述两个键合层施加恒定压力和温度，并在两个金属基底间连接周期性脉冲电流，且每个周期包括两个同幅反向电流脉冲；
第三步：向所述两个键合层施加恒定压力和温度；
第四步：循环第二步和第三步；
在所述第二步和第三步中，所述恒定压力为1～5MPa，温度为80～150℃。
优选的，所述纳米针锥结构底面的直径为100～500nm。
优选的，所述施加超声振动载荷的功率为15～40W，时间为2～5秒。
优选的，所述周期性脉冲电流幅值为10～100安培，脉宽1～2毫秒，频率大于50赫兹，所述周期性脉冲电流施加时间为10～30秒。
优选的，所述第三步的持续时间为2～6分钟。
优选的，所述循环第二步和第三步的时间为30～80分钟。
优选的，步骤A)中，金属为镍、铜或金。
优选的，金属纳米针锥结构中金属为铜。
优选的，向所述两个键合层施加恒定压力和温度的具体方法为：
将两个热板分别叠加于两个复合有键合层/金属基底的器件的外层后，热板对两个复合有键合层/金属基底的器件进行加热，同时恒定的压力垂直施加于所述两个热板上。
优选的，所述电化学沉积中所用的电镀液包括：五水硫酸铜1～2mol/L，硝酸铜0.1～0.4mol/L，乙二胺1～4mol/L，硼酸0.2～0.3mol/L，添加剂SPS10～20ppm、PEG 1000～1500ppm，JGB 30～50ppm；所述电镀液的溶液温度优选为30℃，pH值为5.0。
与现有技术相比，本发明提供了用于器件集成封装的低温键合方法，包括以下步骤：A)分别在两个待集成封装器件的键合目标面溅射金属，得到复合有金属基底的器件；B)在所述金属基底表面电化学沉积金属纳米针锥结构层，得到复合有键合层/金属基底的器件；C)将两个所述复合有键合层/金属基底的器件的键合层相对叠加后，按照以下步骤完成器件集成封装的低温键合：第一步：向所述两个键合层施加超声振动载荷；第二步：向所述两个键合层施加恒定压力和温度，并在两个金属基底间连接周期性脉冲电流，且每个周期包括两个同幅反向电流脉冲；第三步：向所述两个键合层施加恒定压力和温度；第四步：循环第二步和第三步；在所述第二步和第三步中，所述恒定压力为1～5MPa，温度为80～150℃。本发明基于纳米界面特殊的尺度效应、电流集聚效应、电迁移效应，在力电热多物理场循环载荷作用下实现低温低压的热压键合工艺，减少界面键合缺陷。该方法操作简单，与微电子工艺兼容，在微系统三维集成封装、光电集成器件等领域具有广泛应用前景。
附图说明
图1为本发明提供的用于器件集成封装的低温键合方法的工艺流程图。
具体实施方式
本发明提供了一种用于器件集成封装的低温键合方法，包括以下步骤：
A)分别在两个待集成封装器件的键合目标面溅射金属，得到复合有金属基底的器件；
B)在所述金属基底表面电化学沉积金属纳米针锥结构层，得到复合有键合层/金属基底的器件；
C)将两个所述复合有键合层/金属基底的器件的键合层相对叠加后，按照以下步骤完成器件集成封装的低温键合：
第一步：向所述两个键合层施加超声振动载荷；
第二步：向所述两个键合层施加恒定压力和温度，并在两个金属基底间连接周期性脉冲电流，且每个周期包括两个同幅反向电流脉冲；
第三步：向所述两个键合层施加恒定压力和温度；
第四步：循环第二步和第三步；
在所述第二步和第三步中，所述恒定压力为1～5MPa，温度为80～150℃。
本发明首先在两个待集成封装器件的键合目标面溅射金属，得到复合有金属基底的器件。
其中，本发明对所述溅射的方法并没有特殊限制，本领域技术人员公知的溅射方法即可。在本发明中，溅射金属后得到的金属基底的厚度优选为500nm。所述金属的种类优选为镍、铜或金。
得到复合有金属基底的器件后，在所述金属基底表面电化学沉积金属纳米针锥结构，得到复合有键合层/金属基底的器件。
在进行电化学沉积之前，优选将所述金属基底进行除油和除锈处理。接着，将所述复合有金属基底的器件置于电镀溶液中进行电化学沉积。
在本发明中，所述电镀液包括：五水硫酸铜1～2mol/L，硝酸铜0.1～0.4mol/L，乙二胺1～4mol/L，硼酸0.2～0.3mol/L，添加剂SPS 10～20ppm、PEG 1000～1500ppm，JGB 30～50ppm；
优选的，所述电镀液包括：五水硫酸铜1.5mol/L，硝酸铜0.2mol/L，乙二胺2mol/L，硼酸0.3mol/L，添加剂SPS 15ppm、PEG 1000ppm，JGB 40ppm。所述电镀液的溶液温度优选为30℃，pH值为5.0。
将金属基底作为阴极，将铜板或者不溶性极板作为阳极，并通过导线使基底、铜板与电镀电源构成回路。
通过电镀电源对基底施加直流电流，所述电流大小优选为1～3A/dm2，所述电镀时间优选为150～300秒，电化学沉积结束之后，形成铜纳米针锥结构层，得到复合有键合层/金属基底的器件。所述纳米针锥结构底面的直径优选为100～500nm，更优选为200～400nm。金属纳米针锥结构中金属优选为铜。
接着，将两个所述复合有键合层/金属基底的器件的键合层相对叠加，按照以下步骤完成器件集成封装的低温键合：
第一步：向所述两个键合层施加超声振动载荷；
第二步：向所述两个键合层施加恒定压力和温度，并在两个金属基底间连接周期性脉冲电流，且每个周期包括两个同幅反向电流脉冲；
第三步：向所述两个键合层施加恒定压力和温度；
第四步：循环第二步和第三步；
在所述第二步和第三步中，所述恒定压力为1～5MPa，温度为80～150℃。
首先，向所述两个键合层施加超声振动载荷，所述施加超声振动载荷的功率为15～40W，优选为20W，时间为2～5秒。
接着，向所述两个键合层施加恒定压力和温度，并在两个金属基底间连接周期性脉冲电流，且每个周期包括两个同幅反向电流脉冲。
在本发明中，向所述两个键合层施加恒定压力和温度的具体方法为：
将两个热板分别叠加于两个复合有键合层/金属基底的器件的外层后，热板对两个复合有键合层/金属基底的器件进行加热，同时恒定的压力垂直施加于所述两个热板上。
具体的，将两个热板分别叠加于两个复合有键合层/金属基底的器件的外层后，热板对两个复合有键合层/金属基底的器件进行加热，热量传递至键合层，对键合层进行加热，同时压力垂直施加于所述两个热板上，压力传递至键合层对键合层进行施压。其中，所述恒定压力为1～5MPa，优选为2～4MPa，温度为80～150℃，优选为100～130℃。
在第二步中，本发明在对所述两个键合层施加恒定压力和温度的同时，还在两个金属基底间连接周期性脉冲电流，且每个周期包括两个同幅反向电流脉冲。
其中，所述周期性脉冲电流幅值优选为10～100安培，更优选为30～70安培；脉宽1～2毫秒，频率大于50赫兹，优选为50～100赫兹；所述周期性脉冲电流施加时间优选为10～30秒，更优选为15～25秒。
接着，进行第三步的键合，在第三步中，撤销周期性的脉冲电流，仅对所述两个键合层施加恒定压力和温度，其中，所述对所述两个键合层施加恒定压力和温度的方法如上文所述，在此不做赘述。其中，所述恒定压力为1～5MPa，优选为2～4MPa，温度为80～150℃，优选为100～130℃。
其中，所述第三步的持续时间优选为2～6min，更优选为3～5min。
第三步结束后，循环第二步和第三步的步骤，所述循环第二步和第三步的时间为30～80分钟，优选为40～70分钟。
结合图1，对本发明提供的用于器件集成封装的低温键合方法进行详细说明，图1为本发明提供的用于器件集成封装的低温键合方法的工艺流程图。图1中，1为金属基底、2为待集成封装器件、3为金属纳米针锥结构层，即键合层、4为向所述两个键合层施加恒定压力、5为热板。
具体的，本发明首先在待集成封装器件表面溅射金属基底，接着在所述金属基底表面沉积金属纳米针锥结构层，得到复合有键合层/金属基底的器件。
然后将两个复合有键合层/金属基底的器件的键合层相对叠加后，向所述两个键合层施加超声振动载荷，再向所述两个器件外侧叠加热板，对所述键合层施加恒定压力和温度，并在两个金属基底间连接周期性脉冲电流，接着撤销周期性脉冲电流，向所述两个键合层施加恒定压力和温度，在持续施加恒定压力和温度的同时，反复施加和撤销周期性的脉冲电流，最终实现器件集成封装的低温键合。
本发明综合利用力、电、热耦合的方法实现金属键合能够有效降低键合温度，尤其是恒流脉冲等形式电场的引入，利用电迁移效应和电流集聚效应促进原子扩散。并且，纳米界面结构具有尺度效应和特殊的电学、力学和热学效应，其熔点往往较体材料低很多，而且在纳米接触界面通电后，会在纳米接触面和孔隙处产生电流集聚效应和电迁移效应，前者产生局部焦耳热，后者促进原子的扩散。鉴于此，在键合基底间构造纳米结构作为键合层，并按一定的顺序施加力、热和电流载荷，将能够有效降低热压键合的温度和压力，循环变向的电流脉冲能够有效避免电迁移效应的不足，使得“电子风”的作用更多的是破坏稳定的金属键，而不会因持续时间长而形成新缺陷，进一步，在每轮电场施加过程之间给出较长的驰豫时间，使得体系获得电场能量后能够进行有序的扩散和稳定结构形成，进而减少键合缺陷。
本发明基于纳米界面特殊的尺度效应、电流集聚效应、电迁移效应，在力电热多物理场循环载荷作用下实现低温低压的热压键合工艺，减少界面键合缺陷。该方法操作简单，与微电子工艺兼容，在微系统三维集成封装、光电集成器件等领域具有广泛应用前景。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的用于器件集成封装的低温键合方法进行说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
(1)采用标准RCA工艺清洗两个待集成封装器件的键合目标面，然后通过溅射工艺在衬底上沉积金属镍层，得到的金属基底厚度为500nm。
(2)将(1)制备的金属基底进行除油和除锈处理，置于电镀溶液中(电镀液包括：五水硫酸铜1.5mol/L，硝酸铜0.2mol/L，乙二胺2mol/L，硼酸0.3mol/L，添加剂SPS15ppm、PEG1000ppm，JGB40ppm，溶液温度30℃，pH值5.0)，并将金属基材作为阴极，将铜板作为阳极，并通过导线使基底、铜板与电镀电源构成回路。通过电镀电源对基底实施直流电流(2A/dm2)，电镀时间为180秒，形成铜金属纳米针锥结构层，即键合层。
(3)将两个键合层对准后，按一定顺序循环施加力、热、电载荷。过程包括：第一步在键合层施加超声振动载荷，功率为20W，并持续3秒；第二步通过热板在键合层施加恒定温度和压力，施加的压力2MPa，温度90℃，并在两金属基底层间连接周期性脉冲电流，幅值20安培，每个周期包括两个同幅反向电流脉冲，脉宽1.5毫秒，频率100赫兹，持续20秒；第三步去除脉冲电流，通过热板在键合层施加恒定温度和压力，施加的压力2MPa，温度90℃，持续4分钟后，循环重复第二步和第三步，整个键合过程持续40分钟，完成器件集成封装的低温键合。
实施例2
(1)采用标准RCA工艺清洗两个待集成封装器件的键合目标面，然后通过溅射工艺在衬底上沉积金属镍层，得到的金属基底厚度为500nm。
(2)将(1)制备的金属基底进行除油和除锈处理，置于电镀溶液中(电镀液包括：五水硫酸铜1.5mol/L，硝酸铜0.2mol/L，乙二胺2mol/L，硼酸0.3mol/L，添加剂SPS15ppm、PEG1000ppm，JGB40ppm，溶液温度30℃，pH值5.0)，并将基材作为阴极，将铜板作为阳极，并通过导线使基底、铜板与电镀电源构成回路。通过电镀电源对基底实施直流电流(2A/dm2)，电镀时间为180秒，形成铜金属纳米针锥结构层，即键合层。
(3)将两个键合层对准后，按一定顺序循环施加力、热、电载荷。过程包括：第一步在键合层施加超声振动载荷，功率为20W，并持续2秒；第二步通过热板在键合层施加恒定温度和压力，施加的压力1MPa，温度80℃，并在两金属基底层间连接周期性脉冲电流，幅值10安培，每个周期包括两个同幅反向电流脉冲，脉宽1毫秒，频率50赫兹，持续10秒；第三步去除脉冲电流，通过热板在键合层施加恒定温度和压力，压力1MPa，温度80℃，持续3分钟后，循环重复第二步和第三步，整个键合过程持续30分钟，完成器件集成封装的低温键合。
实施例3
(1)采用标准RCA工艺清洗两个待集成封装器件的键合目标面，然后通过溅射工艺在衬底上沉积金属镍层，得到的金属基底厚度为500nm。
(2)将(1)制备的金属基底进行除油和除锈处理，置于电镀溶液中(电镀液包括：五水硫酸铜1.5mol/L，硝酸铜0.2mol/L，乙二胺2mol/L，硼酸0.3mol/L，添加剂SPS15ppm、PEG1000ppm，JGB40ppm，溶液温度30℃，PH值5.0)，并将基材作为阴极，将铜板作为阳极，并通过导线使基底、铜板与电镀电源构成回路。通过电镀电源对基底实施直流电流(2A/dm2)，电镀时间为180秒，形成铜金属纳米针锥结构层，即键合层。
(3)将两个键合层对准后，按一定顺序循环施加力、热、电载荷。过程包括：第一步在键合层施加超声振动载荷，功率为20W，并持续5秒；第二步通过热板在键合层施加恒定温度和压力，施加的压力5MPa，温度150℃，并在两金属基底层间连接周期性脉冲电流，幅值100安培，每个周期包括两个同幅反向电流脉冲，脉宽2毫秒，频率100赫兹，持续30秒；第三步去除脉冲电流，通过热板在键合层施加恒定温度和压力，压力5MPa，温度150℃，持续5分钟后，循环重复第二步和第三步，整个键合过程持续80分钟，完成器件集成封装的低温键合。
以上实施例中，在键合基底间构造纳米结构作为键合层，并按一定的顺序施加力、热和电流载荷，将能够有效降低热压键合的温度和压力，循环变向的电流脉冲能够有效避免电迁移效应的不足，使得“电子风”的作用更多的是破坏稳定的金属键，而不会因持续时间长而形成新缺陷，进一步，在每轮电场施加过程之间给出较长的驰豫时间，使得体系获得电场能量后能够进行有序的扩散和稳定结构形成，进而减少键合缺陷。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于器件集成封装的低温键合方法，其特征在于，包括以下步骤：
A)分别在两个待集成封装器件的键合目标面溅射金属，得到复合有金属基底的器件；
B)在所述金属基底表面电化学沉积金属纳米针锥结构层，得到复合有键合层/金属基底的器件；
C)将两个所述复合有键合层/金属基底的器件的键合层相对叠加后，按照以下步骤完成器件集成封装的低温键合：
第一步：向所述两个键合层施加超声振动载荷；
第二步：向所述两个键合层施加恒定压力和温度，并在两个金属基底间连接周期性脉冲电流，且每个周期包括两个同幅反向电流脉冲；
第三步：向所述两个键合层施加恒定压力和温度；
第四步：循环第二步和第三步；
在所述第二步和第三步中，所述恒定压力为1～5MPa，温度为80～150℃。
2.根据权利要求1所述的低温键合方法，其特征在于，所述纳米针锥结构底面的直径为100～500nm。
3.根据权利要求1所述的低温键合方法，其特征在于，所述施加超声振动载荷的功率为15～40W，时间为2～5秒。
4.根据权利要求1所述的低温键合方法，其特征在于，所述周期性脉冲电流幅值为10～100安培，脉宽1～2毫秒，频率大于50赫兹，所述周期性脉冲电流施加时间为10～30秒。
5.根据权利要求1所述的低温键合方法，其特征在于，所述第三步的持续时间为2～6分钟。
6.根据权利要求1所述的低温键合方法，其特征在于，所述循环第二步和第三步的时间为30～80分钟。
7.根据权利要求1所述的低温键合方法，其特征在于，步骤A)中，金属为镍、铜或金。
8.根据权利要求1所述的低温键合方法，其特征在于，金属纳米针锥结构中金属为铜。
9.根据权利要求1所述的低温键合方法，其特征在于，向所述两个键合层施加恒定压力和温度的具体方法为：
将两个热板分别叠加于两个复合有键合层/金属基底的器件的外层后，热板对两个复合有键合层/金属基底的器件进行加热，同时恒定的压力垂直施加于所述两个热板上。
10.根据权利要求1所述的低温键合方法，其特征在于，所述电化学沉积中所用的电镀液包括：五水硫酸铜1～2mol/L，硝酸铜0.1～0.4mol/L，乙二胺1～4mol/L，硼酸0.2～0.3mol/L，添加剂SPS 10～20ppm、PEG 1000～1500ppm，JGB 30～50ppm；所述电镀液的溶液温度为30℃，pH值为5.0。
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