CN109473418A - 铜互连功能微结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种铜互连功能微结构，上铜片和下铜片，以及涂覆在上铜片和下铜片之间的纳米银浆；其中，上铜片与下铜片相交的两个表面上分布有均匀的周期性锥形结构；所述周期性锥形结构的锥体高度为52～58μm；相邻锥体间的中心距为55～60μm。本发明还提供一种铜互连功能微结构，包括：将超快激光入射在铜片表面上，控制超快激光光束在铜片表面进行网状扫描，形成周期性锥形微结构；在处理后的两片铜片表面涂覆一层纳米银浆后相扣，施加压力后保温保压，得到铜互连功能微结构。本发明的方法操作简单，制备得到的铜互连功能微结构的剪切强度有很大提高。

Description

铜互连功能微结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体领域，特别涉及一种铜互连功能微结构及其制备方法。
背景技术
随着半导体器件的结构和功能越来越复杂，同时器件尺寸越来越小，导致器件的功率密度越来越大。尤其是对于高功率型半导体器件，散热成为影响电子封装系统性能的关键问题，因为热量的累积会严重降低器件的可靠性和服役性能。近年来，一些学者和企业提出用纳米银焊料替代传统的锡铅焊料，相较于传统焊料纳米银焊料的高导热性能够很好满足高功率半导体器件的可靠性服役要求，但针对器件的极端服役环境使得纳米银焊料与基板的连接强度面临着新的挑战。
近几年，哈尔滨工业大学有团队提出通过电镀的方法来实现在铜基底上生长镍纳米锥阵列，覆盖金膜的工艺下，改良基材表面后最高剪切强度达到15.82MPa(ACS AppliedMaterials&Interfaces 2017,9,4798-4807,Wei Zhou et al,“One-Step Fabrication of3D Nanohierarchical Nickel Nanomace Arrar To Sinter with Sliver Nps and theInterfacial Analysis”)，该方法相较于传统工艺能够提高界面剪切强度但是仍无法达到实际需求，并且工艺复杂、材料成本高；清华大学有研究使用激光脉冲沉积的银纳米结构装饰在铜基体上(Applied Surface Science 2018,445,16-23,Ziyu Liu et al,“Modifiedpulse laser deposition of Ag nanostructure as intermediate for lowtemperature Cu-Cu bonding)，节省了键合工艺时间，但所需最低粘合压力仍高达20MPa，影响器件寿命；王浩哲团队使用锡银铜共晶焊料焊接在涂有石墨烯的铜基体上，通过原位表面改性的方式其剪切强度最高达到40MPa(ACS Nano 2018,12,2395-2402,Haozhe Wanget al,“Low-Temperature Copper Bonding Strategy with Graphene Interlayer”)，效果仍不理想。
超快激光具有超强、超快、超精密的特性，是制造技术的前沿和重要生长点之一。通过激光与材料相互作用，改变材料的物态和性质，可实现微米至纳米尺度或跨尺度的控形与控性，在微电子器件、国防、信息、生物等领域应用广泛。因此，超快激光微纳制造技术为提高铜界面剪切强度功能微结构的制造提供一种全新的工具。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种铜互连功能微结构及其制备方法，其目的是用一种新的电子器件互联工艺制备得到铜互连功能微结构，提高其界面剪切强度，使其能在高温条件下更高效的服役。
为了达到上述目的，本发明提供如下方案：
一种铜互连功能微结构，上铜片和下铜片，以及涂覆在上铜片和下铜片之间的纳米银浆；
其中，上铜片与下铜片相交的两个表面上分布有均匀的周期性锥形结构；
所述周期性锥形结构的锥体高度为52～58μm；相邻锥体间的中心距为55～60μm。
优选地，所述上铜片的尺寸小于所述下铜片的尺寸。
优选地，所述纳米银浆的组成为纳米银粉、聚乙二醇600、丙三醇和乙二醇丁醚醋酸酯。
本发明还提供一种上述铜互连功能微结构的制备方法，包括如下步骤：
(1)将重复频率为75KHz、功率为6～7W的超快激光入射在铜片表面，控制超快激光光束在铜片表面进行网状扫描，形成周期性锥形微结构；
(2)取两块经步骤(1)处理后的铜片进行清洗，在其锥形微结构表面涂覆一层纳米银浆；
(3)将两块涂覆有纳米银浆的铜片相扣，在150～180℃下施加5～6Mpa的压力后升温至340～360℃，保温保压50～70min，得到铜互连功能微结构。
优选地，步骤(1)中所述铜片在超快激光入射前先进行抛光处理与超声波清洗。
优选地，步骤(1)中超快激光先经反射镜与光阑垂直入射至激光振镜中，再经聚焦后入射在铜片表面。
优选地，步骤(1)中超快激光的扫描速度为18～22mm/s。
优选地，步骤(1)中超快激光的扫描间隔为65～75μm。
优选地，其特征在于，步骤(2)所述清洗具体为超声波清洗2～5min。
优选地，其特征在于，步骤(3)中升温速度为8～12℃/min。
本发明利用超快激光微纳制造技术与封装互连工艺相结合，首先利用超快激光微纳制造技术在铜表面形成规则的周期性锥形微结构，然后将两个超快激光处理过的铜表面利用纳米银浆进行烧结互连，使之形成更好的微填充-微镶嵌结构，可大幅度提高铜界面的剪切强度。
本发明的上述方案有如下的有益效果：
(1)本发明制备铜互连功能微结构的方法能突破传统工艺下铜界面键合的瓶颈，可大幅度提高铜界面互连的剪切强度至60MPa以上；
(2)本发明制备铜互连功能微结构的方法中利用计算机精确控制飞秒激光扫描路径，易于实现铜表面规则的周期性锥形微结构的制备；
(3)本发明制备铜互连功能微结构的方法在保温过程中对微结构施加压力，可以避免在340～360℃无压的瞬间微量酒精或有机溶剂使两铜界面崩开的影响，同时借此产生一个驱动力可以使纳米银浆烧结的更为致密；
(4)本发明的方法制备铜互连功能微结构无需经过酸洗、活化、电镀等，装置简单、操作简易；
(5)本发明的方法制备铜互连功能微结构是在低温低压条件下完成的，降低了生产成本。
附图说明
图1为本发明制备铜互连功能微结构的装置。
附图标记说明：1、高重频超快激光器；2、反射镜；3、光阑；4、激光振镜；5、样品；6、三维运动平台。
图2为本发明带有周期性锥形微结构的铜片示意图。
图3为本发明铜互连功能微结构的示意图。
附图标记说明：7、上铜片；8、纳米银浆；9、下铜片。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
图1是本发明制备铜互连功能微结构的装置，包括，高重频超快激光器1、反射镜2、光阑3、激光振镜4、样品5、三维运动平台6。
其光路走向为：高重频超快激光器1产生超快脉冲激光光束，光束经过三个超快反射镜2后，通过光阑3调节光路后光斑不变并水平射出，再通过两个光束反射镜2将光束垂直射入激光振镜4中，激光水平射出并聚焦在样品5上，此处样品为铜片，样品5固定在三维运动平台上6。
实施例1
(1)取上铜片和下铜片用抛光机进行处理，再使用超声波清洗机在酒精中清洗1min，以便于得到较高质量的铜表面；
其中，上铜片尺寸为3mm×3mm×1.2mm，下铜片尺寸为12mm×12mm×1.2mm。
(2)在上铜片与下铜片的表面均匀涂抹一层纳米银浆，再将两涂有纳米银浆的界面相扣；
其中，纳米银浆的组成为：80％的纳米颗粒大小为20nm的纳米银粉、16％聚乙二醇600、2％丙三醇和2％二乙二醇丁醚醋酸酯。
(3)将两块相扣后的铜片在160℃下施加5.5MPa的压力，然后升温至360℃，保温保压60min，得到铜互连功能微结构；
其中，升温速度为10℃/min。
(4)使用拉剪测试机在剪切速度为500μm，剪切高度为700μm的条件下进行剪切强度测试，测试得到的剪切强度为9.5MPa。
实施例2
(1)取上铜片和下铜片用抛光机进行处理，再使用超声波清洗机在酒精中清洗1min，以便于得到较高质量的铜表面；
其中，上铜片尺寸为3mm×3mm×1.2mm，下铜片尺寸为12mm×12mm×1.2mm，上铜片小于下铜片尺寸。
(2)利用高重频超快激光器产生超快激光脉冲，使用多个超快反射镜及光阑将光束垂直射入激光振镜中，再水平射出并聚焦在三维运动平台上的铜片表面上；
其中，激光重复频率为75KHz、激光功率为6W。
(3)通过计算机控制激光振镜的扫描路径，将光束聚焦在铜片表面上以“井”字型网状路径扫描，形成周期性锥形微结构；
其中，超快激光的扫描速度为18mm/s，扫描间隔为65μm。
(4)将经高重频超快激光处理后的上铜片和下铜片先在超声波清洗机中用酒精清洗2min，以便于除去激光加工产生的碎屑等。
(5)在上铜片与下铜片具有锥形微结构的表面均匀涂抹一层纳米银浆，再将两涂有纳米银浆的界面相扣；
其中，纳米银浆的组成为：80％的纳米颗粒大小为20nm的纳米银粉、16％聚乙二醇600、2％丙三醇和2％二乙二醇丁醚醋酸酯。
(6)将两块相扣后的铜片在150℃下施加5MPa的压力，然后升温至340℃，保温保压50min，得到铜互连功能微结构；
其中，升温速度为8℃/min。
在保温过程中对微结构施加压力可避免在340℃无压的瞬间微量酒精以及有机溶剂使两铜界面崩开的影响，同时借此产生一个驱动力可以使纳米银浆烧结的更为致密。
(7)使用拉剪测试机在剪切速度为500μm，剪切高度为700μm的条件下进行剪切强度测试，测试得到剪切强度为56.5MPa。
由上述方法制备的得到的铜互连功能微结构，上铜片和下铜片之间涂覆有纳米银浆，上铜片与下铜片相交的两个表面上分布有均匀的周期性锥形结构。周期性锥形结构的锥高为52μm；相邻锥体间的中心距为55μm。图2为铜互连功能微结构的示意图。
实施例3
(1)取上铜片和下铜片用抛光机进行处理，再使用超声波清洗机在酒精中清洗2min，以便于得到较高质量的铜表面；
其中，上铜片尺寸为3mm×3mm×1.2mm，下铜片尺寸为12mm×12mm×1.2mm，上铜片小于下铜片尺寸。
(2)利用高重频超快激光器产生超快激光脉冲，使用多个超快反射镜及光阑将光束垂直射入激光振镜中，再水平射出并聚焦在三维运动平台上的铜片表面上；
其中，激光重复频率为75KHz、激光功率为7W。
(3)通过计算机控制激光振镜的扫描路径，将光束聚焦在铜片表面上以“井”字型网状路径扫描，形成周期性锥形微结构；
其中，超快激光的扫描速度为20mm/s，扫描间隔为70μm。
(4)将经高重频超快激光处理后的上铜片和下铜片先在超声波清洗机中用酒精清洗3min，以便于除去激光加工产生的碎屑等。
(5)在上铜片与下铜片具有锥形微结构的表面均匀涂抹一层纳米银浆，再将两涂有纳米银浆的界面相扣；
其中，纳米银浆的组成为：80％的纳米颗粒大小为20nm的纳米银粉、16％聚乙二醇600、2％丙三醇和2％二乙二醇丁醚醋酸酯。
(6)将两块相扣后的铜片在160℃下施加5.5MPa的压力，然后升温至360℃，保温保压60min，得到铜互连功能微结构；
其中，升温速度为10℃/min。
在保温过程中对微结构施加压力可避免在360℃无压的瞬间微量酒精以及有机溶剂使两铜界面崩开的影响，同时借此产生一个驱动力可以使纳米银浆烧结的更为致密。
(7)使用拉剪测试机在剪切速度为500μm，剪切高度为700μm的条件下进行剪切强度测试，测试得到剪切强度为62.9MPa。
由上述方法制备的得到的铜互连功能微结构，上铜片和下铜片之间涂覆有纳米银浆，上铜片与下铜片相交的两个表面上分布有均匀的周期性锥形结构。周期性锥形结构的锥高为55μm；相邻锥体间的中心距为58μm。
实施例4
(1)取上铜片和下铜片用抛光机进行处理，再使用超声波清洗机在酒精中清洗1min，以便于得到较高质量的铜表面；
其中，上铜片尺寸为3mm×3mm×1.2mm，下铜片尺寸为12mm×12mm×1.2mm，上铜片小于下铜片尺寸。
(2)利用高重频超快激光器产生超快激光脉冲，使用多个超快反射镜及光阑将光束垂直射入激光振镜中，再水平射出并聚焦在三维运动平台上的铜片表面上；
其中，激光重复频率为75KHz、激光功率为7W。
(3)通过计算机控制激光振镜的扫描路径，将光束聚焦在铜片表面上以“井”字型网状路径扫描，形成周期性锥形微结构；
其中，超快激光的扫描速度为22mm/s，扫描间隔为75μm。
(4)将经高重频超快激光处理后的上铜片和下铜片先在超声波清洗机中用酒精清洗5min，以便于除去激光加工产生的碎屑等。
(5)在上铜片与下铜片具有锥形微结构的表面均匀涂抹一层纳米银浆，再将两涂有纳米银浆的界面相扣；
其中，纳米银浆的组成为：80％的纳米颗粒大小为20nm的纳米银粉、16％聚乙二醇600、2％丙三醇和2％二乙二醇丁醚醋酸酯。
(6)将两块相扣后的铜片在180℃下施加6MPa的压力，然后升温至350℃，保温保压70min，得到铜互连功能微结构；
其中，升温速度为12℃/min。
在保温过程中对微结构施加压力可避免在350℃无压的瞬间微量酒精以及有机溶剂使两铜界面崩开的影响，同时借此产生一个驱动力可以使纳米银浆烧结的更为致密。
(7)使用拉剪测试机在剪切速度为500μm，剪切高度为700μm的条件下进行剪切强度测试，测试得到剪切强度为60.7MPa。
由上述方法制备的得到的铜互连功能微结构，上铜片和下铜片之间涂覆有纳米银浆，上铜片与下铜片相交的两个表面上分布有均匀的周期性锥形结构。周期性锥形结构的锥高为58μm；相邻锥体间的中心距为60μm。
可见将超快激光微纳制造技术与电子封装互连工艺相结合得到的铜互连功能微结构的界面剪切强度得到了较大提高。
以上所述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，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种铜互连功能微结构，其特征在于，包括：
上铜片和下铜片，以及涂覆在上铜片和下铜片之间的纳米银浆；
其中，上铜片与下铜片相交的两个表面上分布有均匀的周期性锥形结构；
所述周期性锥形结构的锥体高度为52～58μm；相邻锥体间的中心距为55～60μm。
2.如权利要求1所述铜互连功能微结构，其特征在于，所述上铜片的尺寸小于所述下铜片的尺寸。
3.如权利要求1所述铜互连功能微结构，其特征在于，所述纳米银浆的组成为纳米银粉、聚乙二醇600、丙三醇和乙二醇丁醚醋酸酯。
4.如权利要求1所述铜互连功能微结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将重复频率为75KHz、功率为6～7W的超快激光入射在铜片表面，控制超快激光光束在铜片表面进行网状扫描，形成周期性锥形微结构；
(2)取两块经步骤(1)处理后的铜片进行清洗，在其锥形微结构表面涂覆一层纳米银浆；
(3)将两块涂覆有纳米银浆的铜片相扣，在150～180℃下施加5～6Mpa的压力后升温至340～360℃，保温保压50～70min，得到铜互连功能微结构。
5.如权利要求4所述制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述铜片在超快激光入射前先进行抛光处理与超声波清洗。
6.如权利要求4所述制备方法，其特征在于，步骤(1)中超快激光先经反射镜与光阑垂直入射至激光振镜中，再经聚焦后入射在铜片表面。
7.如权利要求4所述制备方法，其特征在于，步骤(1)中超快激光的扫描速度为18～22mm/s。
8.如权利要求4所述制备方法，其特征在于，步骤(1)中超快激光的扫描间隔为65～75μm。
9.如权利要求4所述制备方法，其特征在于，步骤(2)所述清洗具体为超声波清洗2～5min。
10.如权利要求4所述制备方法，其特征在于，步骤(3)中升温速度为8～12℃/min。
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