CN109935563B - 一种多尺寸混合纳米颗粒膏体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多尺寸混合纳米颗粒膏体及其制备方法，通过化学法制备大尺寸纳米铜膏体，再通过物理冲击的方法赋予小尺寸纳米金属颗粒动能，使其被打入大尺寸纳米铜膏体中，配置大小尺寸混合的纳米金属复合膏体。该膏体在使用于烧结工艺时，小尺寸纳米金属颗粒会填补在大尺寸纳米金属颗粒的间隙之中，有利于在无压力辅助的情况下实现纳米铜连结，提升烧结后金属层的致密性。同时，物理法打入小尺寸纳米金属颗粒的含量可控，操作简便，适于量产。
Description
技术领域
本发明涉及芯片封装领域，更具体地涉及金属膏体的制备技术。
背景技术
在功率半导体封装领域，寻求低温工艺、高温服役、热膨胀系数相匹配、高导热导电、低成本的互连材料成为现在急需解决的问题。以焊接及引线键合的传统材料工艺存在熔点低、高温蠕变失效、引线缠绕、寄生参数等无法解决的问题，新型互连材料正从焊接向烧结技术发展。通过减小烧结颗粒的尺寸，降低烧结温度，纳米金属颗粒烧结技术已经成为功率半导体器件新型互连材料中最有前景的技术。
目前以纳米银烧结为代表的先进工艺已逐渐成为功率半导体器件封装互连的主流，国内外主要封装应用厂商已进入实用化和规模化使用中。然而纳米银烧结专利、材料、工艺及设备主要由国外厂商控制，在国内的发展受到较大限制。同时纳米银烧结技术也存在不足：1)银材料本身价格较高，限制其不能被广泛使用。2)银和SiC芯片背面材料热膨胀系数的不同，需要添加其它中间金属层提高互连性能，从而增加了工艺复杂性和成本。3)银层存在电迁移现象，不利于功率器件长期可靠应用。与纳米银近似的纳米铜颗粒可以在低温条件下熔融，烧结后熔点接近铜单质材料(1083℃)，可构筑稳定的金属互连层。其单组分金属的特性，避免了合金材料热循环效应下的服役可靠性问题，实现铜铜键合，解决芯片和基板之间热膨胀系数匹配的问题，同时避免电迁移现象导致可靠性问题。对比纳米银颗粒，有效降低互连封装的材料和加工成本。更重要的是能够从芯片封装应用领域，进一步推进“全铜化”(All copper)理念的实际应用和产业化，推动半导体产业的创新发展。
公开号为CN102651249A的中国专利申请，其公开了一种纳米铜膏、形成其的方法和利用其形成电极的方法。纳米铜膏主要由0.1-30wt％粘合剂、<10wt％添加剂、1-95wt％铜颗粒构成，其中纳米金属颗粒具有150nm或更小粒径(更优选的是20nm)，其表面用帽化材料涂覆。形成纳米金属颗粒的方法步骤主要为：1)向反应器中提供铜化合物、还原剂、溶剂来形成混合溶液；2)加入帽化材料；3)在降低施加于所述反应器的温度时，加入具有10nm或更小粒径的铜纳米颗粒。其缺点在于：1)单一尺寸纳米金属颗粒，制成的铜膏在烧结时有很大可能性产生较大孔隙率；2)纳米金属颗粒都由化学还原的方法制备，制备最小尺寸有限制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于电气互连的可烧结多尺寸混合纳米颗粒膏体及其制备方法和应用，可以在无压力辅助的情况下实现纳米铜连结，提升烧结后金属层的致密性。同时由于采用纳米铜材料，可以避免原有复合多层银膜高孔隙率、低热导率、高成本、与Si或SiC基芯片热失配、高电迁移率等问题，提高功率器件整体可靠性性能，同时具备易于装配的特点，可有效降低成本。
本发明提供了一种多尺寸混合纳米颗粒膏体，包括：
第一材料膏体，所述第一材料膏体中包含第一尺寸纳米金属颗粒；
第二尺寸纳米金属颗粒；
所述第二尺寸纳米金属颗粒填补至所述第一尺寸纳米金属颗粒间隙；
所述第一尺寸纳米金属颗粒与所述第二尺寸纳米金属颗粒直径不同。
优选的，所述纳米金属颗粒材料为铜。
优选的，所述纳米金属颗粒材料为金、钯、银、铜、铝、银钯合金、金钯合金、铜银合金、铜银镍合金或铜铝合金。
优选的，所述第一尺寸纳米金属颗粒直径为1nm<D<10um。
优选的，所述第二尺寸纳米金属颗粒直径为0.5nm<d<20nm。
优选的，所述第一材料膏体与第二膏体中，第一尺寸纳米金属颗粒的材料膏体采用化学方法合成。
优选的，第二尺寸纳米金属颗粒的材料膏体采用物理火花烧蚀法制备。
优选的，所述第二尺寸纳米金属颗粒通过用物理冲击方式打入所述第一尺寸纳米金属颗粒间隙。
一种多尺寸混合纳米颗粒膏体的制备方法，包括：
步骤1：制备第一尺寸纳米金属颗粒的纳米金属溶液，第二尺寸纳米金属颗粒的纳米金属溶液；
步骤2:使用第一尺寸纳米金属颗粒的纳米铜溶液制备第一材料膏体；
步骤3：将所述第二尺寸纳米金属颗粒填补至所述第一尺寸纳米金属颗粒间隙，形成纳米金属颗粒膏体。
优选的，所述步骤2包括：
采用化学方法合成所述第一尺寸纳米金属颗粒；
采用物理方法制备所述第二尺寸纳米金属颗粒。
优选的，所述步骤3包括：
用物理冲击的方式将所述第二尺寸纳米金属颗粒打入第一尺寸纳米金属颗粒间隙。
所述物理冲击方式为施加在第二尺寸纳米金属颗粒上的电场、磁场、气流或其组合；
通过调整电场、磁场强度，气流流量，施加时间，控制打入的第二纳米金属颗粒量。
优选的，制备所述第二尺寸纳米金属颗的物理方法为采用具有物理火花烧蚀法的纳米粒子发生器。
一种多尺寸混合纳米颗粒膏体进行烧结互连的方法，包括：
步骤1：将混合纳米金属颗粒膏体涂覆在基板表面；
步骤2：将待互连芯片置于所述混合纳米金属颗粒膏体上表面；
步骤3：采用有压或无压烧结工艺互连芯片与基板。
优选的，所述步骤1涂覆方式为利用丝网印刷、涂覆或喷涂。
优选的，步骤3还包括：
对烧结前的各待互连部件施以适当压力形成粘连。
优选的，所述基板为DBC基板，AMB基板。
本发明多尺寸混合纳米颗粒膏体及其制备方法和应用，可以实现：
(1)在使用于烧结工艺时，小尺寸纳米金属颗粒会填补在大尺寸纳米金属颗粒的间隙之中，有利于在无压力辅助的情况下纳米铜连结，提升烧结后金属层的致密性。
(2)采用纳米铜材料可以避免原有复合多层银膜高孔隙率、低热导率、高成本、与Si基芯片热失配、高电迁移率等问题，提高功率器件整体可靠性性能，同时具备易于装配的特点，可有效降低成本。
附图说明
图1为本发明复合纳米铜膏的制备流程图。
图2为本发明复合纳米铜膏的制备流程示意图。
图3为使用制备流程得到的铜膏进行烧结互连工艺流程的示例。
图中序号：含有大尺寸纳米金属颗粒的溶液1，含有大尺寸纳米金属颗粒的铜膏2，大尺寸纳米金属颗粒3，有机载体4，纳米粒子发生器5，电磁线圈6，小尺寸纳米金属颗粒7，混合纳米铜膏8，印刷丝网9，印刷刮刀10，基板11，待互连芯片12，烧结到基板上的芯片13。
具体实施方式
下面详细说明本发明的具体实施，有必要在此指出的是，以下实施只是用于本发明的进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出的一些非本质的改进和调整，仍然属于本发明的保护范围。
实施例一
本实施例提供了一种多尺寸混合纳米颗粒膏体，通过化学法制备大尺寸纳米铜膏体，再通过特定的物理方法(例如物理火花烧蚀等方法)将制备的小尺寸纳米金属颗粒打入大尺寸纳米铜膏体，配置大小尺寸混合的纳米金属复合膏体。该膏体在使用于烧结工艺时，小尺寸纳米金属颗粒会填补在大尺寸纳米金属颗粒的间隙之中，有利于在无压力辅助的情况下实现纳米铜连结，提升烧结后金属层的致密性。
本发明提供了一种多尺寸混合纳米颗粒膏体，包括：
第一材料膏体，所述第一材料膏体中包含第一尺寸纳米金属颗粒；
第二尺寸纳米金属颗粒；
所述第二尺寸纳米金属颗粒填补至所述第一尺寸纳米金属颗粒间隙；
所述第一尺寸纳米金属颗粒与所述第二尺寸纳米金属颗粒直径不同。
所述纳米金属颗粒材料为铜。
所述第一尺寸纳米金属颗粒直径为1nm<D<10um。
所述第二尺寸纳米金属颗粒直径为0.5nm<d<20nm。
所述第一材料膏体与第二膏体中，第一尺寸纳米金属颗粒的材料膏体采用化学方法合成。
第二尺寸纳米金属颗粒的材料膏体采用物理火花烧蚀法制备。
所述第二尺寸纳米金属颗粒通过用物理冲击方式打入所述第一尺寸纳米金属颗粒间隙。
一种多尺寸混合纳米颗粒膏体的制备方法，包括：
步骤1：制备第一尺寸纳米金属颗粒的纳米金属溶液，第二尺寸纳米金属颗粒的纳米金属溶液；
步骤2:使用第一尺寸纳米金属颗粒的纳米铜溶液制备第一材料膏体；
步骤3：将所述第二尺寸纳米金属颗粒填补至所述第一尺寸纳米金属颗粒间隙，形成纳米金属颗粒膏体。
所述步骤2包括：
采用化学方法合成所述第一尺寸纳米金属颗粒；
采用物理方法制备所述第二尺寸纳米金属颗粒。
所述步骤3包括：
用物理冲击的方式将所述第二尺寸纳米金属颗粒打入第一尺寸纳米金属颗粒间隙。
所述物理冲击方式为施加在第二尺寸纳米金属颗粒上的电场、磁场、气流或其组合；
通过调整电场、磁场强度，气流流量，施加时间，控制打入的第二纳米金属颗粒量。
制备所述第二尺寸纳米金属颗的物理方法为采用具有物理火花烧蚀法的纳米粒子发生器。
一种多尺寸混合纳米颗粒膏体进行烧结互连的方法，包括：
步骤1：将混合纳米金属颗粒膏体涂覆在基板表面；
步骤2：将待互连芯片置于所述混合纳米金属颗粒膏体上表面；
步骤3：采用有压或无压烧结工艺互连芯片与基板。
所述步骤1涂覆方式为利用丝网印刷或涂覆或喷涂。
步骤3还包括：
对烧结前的各待互连部件施以适当压力形成粘连。
所述基板为DBC基板，AMB基板。
图1和图2中的纳米铜颗粒制备流程如下：
1)按照化学法制备纳米铜颗粒的比例配置纳米铜溶液；
2)通过化学反应形成含有纳米铜颗粒的溶液；
3)通过挥发形成纳米铜膏；
4)将上述铜膏置于物理法纳米粒子发生器中；
4)使用物理法制备小尺寸纳米粒子并打入上述纳米铜膏体中；
5)形成混合、复合纳米铜膏。
图3中的使用上述制备流程得到的铜膏进行烧结互连工艺流程的具体步骤如下：
1)使用丝网印刷等方式将该铜膏涂覆在特定载体基板表面，例如DBC基板；
2)将待互连的芯片置于涂覆好的纳米铜膏体上表面；
3)可选的施以适当压力使得在烧结前各待互连部件形成粘连；
4)可选的采用有压或无压烧结工艺，实现芯片与基板的互连。
本发明的纳米金属颗粒的较大和较小颗粒的尺寸的具体选择，使得小尺寸纳米金属颗粒在大尺寸纳米金属颗粒的间隙的填补效果好，致密性显著提升。该金属颗粒尺寸的设计达到在烧结后提升金属层致密性、降低孔隙率的效果，是其他直径尺寸的纳米金属颗粒组合所不能达到的。同时，物理法打入小尺寸纳米金属颗粒的含量可通过调整电场、磁场强度，气流流量，施加时间控制，操作简便，适于量产。
本发明与现有技术获得的纳米金属膜的相关性能对比如下：
表1
封装领域通过化学方法制备的纳米金属颗粒直径通常在30nm以上，难以实现20nm以下甚至1nm以下粒径的纳米金属颗粒制备及后续的稳定留存。此外，采用化学制备方法制备的纳米金属颗粒，尽管对操作及环境严格控制，其同批次制备的粒径范围依然存在分布集中性差，离散程度大的技术问题，这将不同程度的影响金属膜的烧结后性能。本发明采用的物理法制备纳米金属粒径范围为0-20nm，为克服化学方法制备的粒径尺寸上的限制带来的烧结性能上的瓶颈，将物理法制备的小尺寸金属纳米金属颗粒与化学法制备的大尺寸金属颗粒结合，在90um的烧结厚度下，实现如上表所示的高热导率电导率，高剪切力的技术突破。
本发明采用了纳米金属材料，可以有效避免纳米银膜烧结后高电子迁移、高热失配、高成本等缺点。本发明的成品膏体在使用于烧结工艺时，小尺寸纳米金属颗粒会填补在大尺寸纳米金属颗粒的间隙之中，有利于纳米铜连结，提升烧结后金属层的致密性。
尽管为了说明的目的，已描述了本发明的示例性实施方式，但是本领域的技术人员将理解，不脱离所附权利要求中公开的发明的范围和精神的情况下，可以在形式和细节上进行各种修改、添加和替换等的改变，而所有这些改变都应属于本发明所附权利要求的保护范围，并且本发明要求保护的产品各个部门和方法中的各个步骤，可以以任意组合的形式组合在一起。因此，对本发明中所公开的实施方式的描述并非为了限制本发明的范围，而是用于描述本发明。相应地，本发明的范围不受以上实施方式的限制，而是由权利要求或其等同物进行限定。
Claims (9)
1.一种多尺寸混合纳米颗粒膏体的制备方法，所述多尺寸混合纳米颗粒膏体至少包括第一材料膏体和第二尺寸纳米金属颗粒，所述第一材料膏体中包含第一尺寸纳米金属颗粒，所述第二尺寸纳米金属颗粒填补至所述第一尺寸纳米金属颗粒间隙，所述第一尺寸纳米金属颗粒与所述第二尺寸纳米金属颗粒直径不同，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
步骤1：制备第一尺寸纳米金属颗粒的纳米金属溶液和第二尺寸纳米金属颗粒的纳米金属溶液；
步骤2:采用化学方法，使用第一尺寸纳米金属颗粒的纳米金属溶液合成所述第一尺寸纳米金属颗粒并制备所述第一材料膏体；采用具有物理火花烧蚀法的纳米粒子发生器，使用第二尺寸纳米金属颗粒的纳米金属溶液并采用物理火花烧蚀法制备所述第二尺寸纳米金属颗粒；
步骤3：采用物理冲击的方式将第二尺寸纳米金属颗粒打入第一尺寸纳米金属颗粒间隙，所述物理冲击方式为施加在第二尺寸纳米金属颗粒上的电场、磁场、气流或其组合；并通过调整电场、磁场强度、气流流量、施加时间，控制打入的第二纳米金属颗粒量，从而制得多尺寸混合纳米颗粒膏体。
2.如权利要求1所述的多尺寸混合纳米颗粒膏体的制备方法，其特征在于，所述第一尺寸纳米金属颗粒和所述第二尺寸纳米金属颗粒的材质为金、钯、银、铜、铝、银钯合金、金钯合金、铜银合金、铜银镍合金或铜铝合金。
3.如权利要求2所述的多尺寸混合纳米颗粒膏体的制备方法，其特征在于，所述第一尺寸纳米金属颗粒和所述第二尺寸纳米金属颗粒的材质为铜。
4.如权利要求1所述的多尺寸混合纳米颗粒膏体的制备方法，其特征在于，所述第一尺寸纳米金属颗粒的直径为1nm<D<10um。
5.如权利要求1所述的多尺寸混合纳米颗粒膏体的制备方法，其特征在于，所述第二尺寸纳米金属颗粒的直径为0.5nm<d<20nm。
6.一种采用如权利要求1-5任一项所述的制备方法制备的多尺寸混合纳米颗粒膏体进行烧结互连的方法，其特征在于，包括：
步骤1：将混合纳米金属颗粒膏体涂覆在基板表面；
步骤2：将待互连芯片置于所述混合纳米金属颗粒膏体上表面；
步骤3：采用有压或无压烧结工艺互连芯片与基板。
7.如权利要求6所述的采用多尺寸混合纳米颗粒膏体进行烧结互连的方法，其特征在于，所述步骤1涂覆方式为利用丝网印刷、涂覆或喷涂。
8.如权利要求6所述的采用多尺寸混合纳米颗粒膏体进行烧结互连的方法，其特征在于，步骤3还包括：对烧结前的各待互连部件施以适当压力形成粘连。
9.如权利要求6所述的采用多尺寸混合纳米颗粒膏体进行烧结互连的方法，其特征在于：所述基板为DBC基板，AMB基板。
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