CN110660770A - 一种新型固晶薄膜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种新型固晶薄膜,其特征在于:包括纳米金属粉末、抗氧化剂、助焊剂、稳定剂、活性剂;所述纳米金属粉末含量为40‑95.0wt.%、抗氧化剂含量为1–50wt.%、助焊剂含量为1‑50.0wt.%,助焊剂、稳定剂和活性剂总量≤10.0wt.%。采用纳米金属粉末、抗氧化剂、助焊剂等材料混合压制成膜,可实现高散热、厚度均匀、很好的控制固晶层的平整度,在不影响半导体封装互连模块电气性能前提下,实现低温条件下固晶、互连,且可满足小间距、大功率、高温高压等条件下的使用。所述固晶薄膜可在电力电子应用、IGBT封装、光电子封装、MEMS封装、微电子、大功率LED封装等领域使用。
Description
技术领域
本发明属于第三代半导体封装固晶、互连领域,具体涉及一种新型固晶薄膜。
背景技术
电子互连材料是半导体器件制造和微电子封装、电力电子封装微器件各模块连接组件间的枢纽,作为现代电子工业的代表性固晶、互连材料,锡钎材料被广泛的使用。然而,随着第三代半导体材料及其元器件的快速发展,微电子系统向高功率、高密度集成、小型化以及多功能化等方向发展,这对电子封装互连用材料在性能和热管理等方面提出了更高的要求,如实现耐高温互连(大于200℃)或者多级封装需要前级互连兼具低温连接以及耐高温特性等,高的互连温度对微电子产品的可靠性具有极大的负面影响,由于锡钎材料在200-300℃以上的温度条件下会熔融液化,因此其已无法满足相应条件下的使用。
现有固晶、互连工艺中使用的材料为含锡焊料,已无法满足小间距、大功率、高温高压等条件下的使用。现有公开技术如下:
对比文件1:发明专利CN 105185767 B、CN 105177387 B、CN 105161483 A以及CN106271183 B中公开了几种含La/纳米Ni、含Eu/纳米Au、含Yb/纳米Cu以及含纳米PrSn3/纳米Cu6Sn5/Ag纳米线的三维封装芯片堆叠互连材料组合物,由于纳米金属颗粒的小尺寸效应,使得这些材料可在一定压力、低温条件下实现固化形成高强度的连接。然而,纳米Ni、纳米Au和纳米Ag的价格都很高,大规模使用下会显著提高封装半导体器件的成本,且采用含锡合金的方案亦无法解决大功率条件下的应用问题。
因此作为互连和固晶材料来说存在一定局限性;
对比文件2:发明专利CN 108666297A中公开了一种低温电子互连材料及其制备方法和低温电子互连方法,通过沉积等物理方法,在连接件表面布置一层较为致密的颗粒层和一层较为疏松的颗粒层,其主要成分为纳米金属粉末和微米级金属粉末的混合物,再采取适当的能量输入手段进行加热致使表面形成致密结构。该方法虽也利用到了纳米金属的小尺寸可实现低温互连的特性,但是由于没有添加其他的保护物,许多纳米金属粉末由于表面能高,非常容易发生氧化和硫化。因此,该方法也存在一定的局限性。
发明内容
针对当前固晶互连材料存在的不足,本发明提出一种新型固晶薄膜,包括纳米金属粉末、抗氧化剂、助焊剂、稳定剂、活性剂;所述纳米金属粉末含量为40-95.0wt.%、抗氧化剂含量为1–50wt.%、助焊剂含量为1-50.0wt.%,助焊剂、稳定剂和活性剂总量≤10.0wt.%。
优选地,所述纳米金属粉末包括纳米铜粉、纳米银粉和M@Cu核壳纳米粉末;所述M@Cu核壳纳米粉末为以金属铜为核层、金属M为壳层所结合而成的核壳成分;所述金属选自为Au、Ag、Ni。
优选地,所述纳米金属粉末、抗氧化剂、助焊剂、稳定剂、活性剂经过混合、压制最终形成一层暗色薄膜结构,所述薄膜厚度为10μm-800μm。
优选地,所述抗氧化剂为聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、油酸、油胺、乙醇胺、三乙醇胺、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、苯并咪唑、苯并三氮唑、烷基咪唑、烷基苯并咪唑、烷基芳基咪唑、烷基苯基咪唑、一缩二乙二醇、乙二醇甲醚、乙二醇丁醚、三乙二醇甲醚中的一种或几种。
优选地,所述助焊剂为有机酸或树脂;所述有机酸包括乳酸及其衍生物、柠檬酸及其衍生物、硬脂酸及其衍生物、甲酸、乙酸丙酸等含羧基类有机酸;所述树脂包括非活性化松香及其衍生物、活性化松香及其衍生物。
优选地,所述稳定剂为咪唑类化合物及其衍生物、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、有机烯类聚合物、有机烯与有机醇、有机酮、有机酸、铵类合成的聚合物、十六烷基溴化铵(CTAB)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、十二烷基硫酸钠(SDS)、聚乙二醇及含羟基、羧基类有机聚合物中的一种或几种。
优选地,所述活性剂主要成分为:盐酸、氯化锌、氯化铵等的无机系列;乳酸、柠檬酸、硬脂酸、硬脂酸钠等含羧基官能团的有机酸系列,非活性化松香、活性化松香等组成的树脂系列中的一种或几种。活性剂作用为去除纳米金属表面的氧化物,降低熔融纳米金属材料表面张力,提高其润湿性,并可防止烧结过程中的二次氧化。
所述薄膜可用于电力电子、IGBT封装、光电子封装、MEMS封装、微电子、大功率LED封装。
本发明还提供一种制备互连层的方法,其特征在于:取上述薄膜覆盖于芯片与板材的连接界面,将温度控制在150℃-300℃之间加热1min~120min形成互连层。互连层可实现高散热、厚度均匀、很好的控制固晶层的平整度,在不影响半导体封装互连模块电气性能前提下,实现低温条件下互连,且可满足小间距、大功率、高温高压等条件下的使用。
本发明取得如下有益效果:
(1)有效解决了采用锡金属熔点低、高温条件下极易液化造成互连电路失效问题;避免了高电压大功率易使含锡合金材料内部的锡金属产生锡须,在小间距I/O情况下,造成电路短路。
(2)纳米铜经过低温条件下烧结后,可具备块体铜的物理特性,耐高温(1083℃),耐高电压击穿,且具有较高的杨氏模量,可广泛应用于需要面向大功率、高温、高电压等极端环境条件下的功率器件和电力电子器件。
(3)添加表面包覆抗氧化剂不仅可以降低纳米金属粉末的表面能,也可以隔绝纳米金属粉末与氧化和硫化物气体接触,达到防氧化和硫化的效果。
附图说明
图1为新型固晶薄膜示意图
图2为新型固晶薄膜形成互连层示意图
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了,下面通过附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限制本发明的范围。
实施例1
本实施例提出一种新型固晶薄膜,如图1所示,为新型固晶薄膜示意图,其特征在于:包括纳米金属粉末、抗氧化剂、助焊剂、稳定剂、活性剂,其中纳米金属粉末为金属Au为壳层,Cu为核层的壳核结构,金属粉末含量为65wt.%、抗氧化剂聚乙二醇和油酸混合物含量为30wt.%、助焊剂活化性松香含量为1wt.%,稳定剂为聚乙烯吡咯烷酮(PVP),活性剂主要成分为氯化锌,其中助焊剂、稳定剂和活性剂总量≤10.0wt.%。活性剂作用为去除纳米金属表面的氧化物,降低熔融纳米金属材料表面张力,提高其润湿性,并可防止烧结过程中的二次氧化。如图2所示为新型固晶薄膜形成互连层示意图,纳米金属粉末、抗氧化剂、助焊剂、稳定剂、活性剂经过混合、压制最终形成一层厚度为1010μm的暗色薄膜,薄膜可用于电力电子、IGBT封装、光电子封装、MEMS封装、微电子、大功率LED封装。
所述薄膜可用于电力电子、IGBT封装、光电子封装、MEMS封装、微电子、大功率LED封装。
本实施例还提供一种新型固晶薄膜制备固晶、互连层的方法,如图2所示为新型固晶薄膜形成互连层示意图,方法为:取一种新型固晶、互连材料制备形成的固晶、互连薄膜覆盖于第三代半导体芯片与板材的连接界面,并在一定外界压力辅助或无压条件下,将温度控制在250℃,施加以加热手段30min后,可实现高散热、厚度均匀;很好的控制固晶层的平整度,在不影响半导体封装互连模块电气性能前提下,实现低温条件下互连,且可满足小间距、大功率、高温高压等条件下的使用。
实施例2
本实施例提出一种新型固晶薄膜,如图1所示,为新型固晶薄膜示意图,其特征在于:包括纳米金属粉末、抗氧化剂、助焊剂、稳定剂、活性剂,其中纳米金属粉末为Cu粉,Cu粉含量为50wt.%、抗氧化剂三乙醇胺,含量为40wt.%、助焊剂硬脂酸含量为3wt.%,稳定剂为十六烷基溴化铵(CTAB),活性剂主要成分为柠檬酸,其中助焊剂、稳定剂和活性剂总量≤10.0wt.%。活性剂作用为去除纳米金属表面的氧化物,降低熔融纳米金属材料表面张力,提高其润湿性,并可防止烧结过程中的二次氧化。纳米Cu粉、抗氧化剂、助焊剂、稳定剂、活性剂经过混合、压制最终形成一层厚度为50μm的暗色薄膜,薄膜可用于电力电子、IGBT封装、光电子封装、MEMS封装、微电子、大功率LED封装。
在优先实施例中,抗氧化剂选自聚乙烯吡咯烷酮、油胺、乙醇胺、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、苯并咪唑、苯并三氮唑、烷基咪唑、烷基苯并咪唑、烷基芳基咪唑、烷基苯基咪唑、一缩二乙二醇、乙二醇甲醚、乙二醇丁醚、三乙二醇甲醚中的一种或几种;助焊剂选自乳酸及其衍生物、柠檬酸衍生物、甲酸、乙酸丙酸等含羧基类有机酸、非活性化松香及其衍生物、活性化松香及其衍生物;稳定剂为咪唑类化合物及其衍生物、有机烯类聚合物、有机烯与有机醇、有机酮、有机酸、铵类合成的聚合物、十六烷基溴化铵(CTAB)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、十二烷基硫酸钠(SDS)、聚乙二醇及含羟基、羧基类有机聚合物中的一种或几种。
在更优选的实施例中,活性剂主要成分为:盐酸、氯化铵等的无机系列;乳酸、硬脂酸、硬脂酸钠等含羧基官能团的有机酸系列,非活性化松香、活性化松香等组成的树脂系列中的一种或几种。
除非另有定义,本文所使用的所有的技术术语和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同,本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的,不是旨在于限制本发明。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种新型固晶薄膜,其特征在于:包括纳米金属粉末、抗氧化剂、助焊剂、稳定剂、活性剂;所述纳米金属粉末含量为40-95.0wt.%、抗氧化剂含量为1–50wt.%、助焊剂含量为1-50.0wt.%,助焊剂、稳定剂和活性剂总量≤10.0wt.%。
2.根据权利要求1所述的一种新型固晶薄膜,其特征在于:所述纳米金属粉末包括纳米铜粉、纳米银粉和M@Cu核壳纳米粉末;所述M@Cu核壳纳米粉末为以金属铜为核层、金属M为壳层所结合而成的核壳成分;所述金属选自为Au、Ag、Ni。
3.根据权利要求1所述的一种新型固晶薄膜,其特征在于:所述薄膜厚度为10μm-800μm。
4.根据权利要求1所述的一种新型固晶薄膜,其特征在于:所述抗氧化剂为聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、油酸、油胺、乙醇胺、三乙醇胺、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、苯并咪唑、苯并三氮唑、烷基咪唑、烷基苯并咪唑、烷基芳基咪唑、烷基苯基咪唑、一缩二乙二醇、乙二醇甲醚、乙二醇丁醚、三乙二醇甲醚中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的一种新型固晶薄膜,其特征在于:所述助焊剂为有机酸或树脂;所述有机酸包括乳酸及其衍生物、柠檬酸及其衍生物、硬脂酸及其衍生物、甲酸、乙酸丙酸等含羧基类有机酸;所述树脂包括非活性化松香及其衍生物、活性化松香及其衍生物。
6.根据权利要求1所述的一种新型固晶薄膜,其特征在于:所述稳定剂为咪唑类化合物及其衍生物、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、有机烯类聚合物、有机烯与有机醇、有机酮、有机酸、铵类合成的聚合物、十六烷基溴化铵(CTAB)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、十二烷基硫酸钠(SDS)、聚乙二醇及含羟基、羧基类有机聚合物中的一种或几种。
7.根据权利要求1所述的一种新型固晶薄膜,其特征在于:所述活性剂主要成分为盐酸、氯化锌、氯化铵、乳酸、柠檬酸、硬脂酸、硬脂酸钠、非活性化松香、活性化松香中的一种或几种。
8.根据权利要求1所述的一种新型固晶薄膜,其特征在于:所述薄膜用于电力电子、IGBT封装、光电子封装、MEMS封装、微电子、大功率LED封装。
9.根据权利要求1-8任一所述薄膜制备固晶、互连层的方法,其特征在于:取所述薄膜覆盖于芯片与板材的连接界面,将温度控制在150℃-300℃之间加热1min~120min之间,形成高强度互连及芯片固晶层。
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