CN111146076B - 一种纳米烧结铜与晶圆结合的制备方法及其连接结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种纳米烧结铜与晶圆结合的制备方法及其连接结构。将晶圆背面金属镀铝替代镀其他金属金、银、或铜等，采用磁控溅射等方法制备纳米铝晶薄膜；在纳米烧结铜与纳米铝晶薄膜接触时，有氧原子或氧离子处理活化界面。这种材料设计和工艺方法是利用纳米尺度材料特性及铜与氧化铝界面的特殊反应现象，达到在低温下同时完成铜本身的烧结连接及其与晶圆或芯片界面的结合；既节约成本又可获得良好的铜烧结效果，并且，可以一定程度地提升纳米烧结铜与晶圆界面的结合力及可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体封装领域，尤其涉及一种纳米烧结铜与晶圆结合的制备方法及其连接结构。
背景技术
随着高功率电子封装的导热以及无铅需求，低温烧结的金属基材料以其低使用但高服役温度引起工业界的广泛关注。而由于成本需求，低温烧结材料用铜替代银正吸引着人们的广泛关注。然而，铜基材料本身的烧结能力以及它与晶圆(芯片)背金的结合力成为阻碍其应用的难点之一，与之相关的是纳米烧结铜作为装片材料情况下的封装可靠性也成为要解决的一个重要问题。
发明内容
针对上述现有技术中所存在的技术问题，以铜与氧化铝之间借助氧存在形成可导电的中间相作为依据，基于纳米晶粒以其超大表面积而易于产生界面反应的特点，实现纳米铜与氧化铝在低温情况下界面反应结合，从而实现晶圆背金属纳米铝晶与纳米铜的结合。
本发明提供了一种纳米烧结铜与晶圆结合的制备方法，包括以下制备步骤：
S1：晶圆背面气相沉积生长纳米铝晶薄膜；
S2：在所述纳米铝晶薄膜上涂覆或印刷纳米烧结铜，纳米铝晶薄膜与纳米烧结铜接触，在所述纳米铝晶薄膜与纳米烧结铜接触界面处，通入氧原子或氧离子气流并以升温速度>20℃/min，加热到150℃～250℃，压力0-5MPa，在该气氛条件下保温10～60min；
S3：随后在升温速度<25℃/min加热升温到300℃～400℃，气氛转为还原气氛，压力0-30MPa，在该气氛条件下保温1-30min。
改变晶圆背金层元素为廉价的铝，它具有很好的导热导电性能，但其表面容易形成氧化铝层，不合适于焊料装片材料的润湿和粘接。然而，在使用低温烧结材料作为装片中，在烧结温度低于300℃情况下，借助氧离子氧化铝与纳米铜形成可导电的氧化铝铜，有助于铝铜两种材料的界面结合；重要的是因为其很低的弹性模量，适当厚度的铝层会有效地分散界面的应力，降低封装的失效机会。
优选地，所述纳米铝晶薄膜厚度为50nm-5000nm。
优选地，所述气相沉积为磁控溅射气相沉积。
优选地，所述涂覆或印刷条件中温度的获取方式为：热辐射或热传导。
优选地，所述纳米铝晶薄膜与晶圆间气相沉积形成金属薄膜制备过渡层，所述金属层薄膜包括Ti，Cr,Ni金属薄膜，所述金属薄膜制备过渡层厚度在1nm-100nm。
优选地，所述晶圆为未切割晶圆或切割后晶圆；所述纳米烧结铜为纳米铜膏或纳米铜膜。
由上述方法制备的连接结构，包括晶圆，纳米铝晶薄膜，铜铝氧中间相，纳米烧结铜；所述纳米烧结铜与纳米铝晶薄膜通过铜铝氧中间相连接。
优选地，所述连接结构用于芯片固定、芯片散热以及非晶圆的可镀纳米铝晶基材的散热或者固定。
纳米烧结铜与背铝晶圆的界面结合的连接结构应用在电子封装当中的装片工艺，纳米铜膏作为装片材料，放置在基板上面，芯片放置在装片材料上面形成三明治封装结构；此外，也可以做为电子封装当中的散热结构，纳米铜膏作为散热材料放置在晶圆背面，纳米烧结铜呈网络的结构起到通风散热的作用。
纳米烧结铜与背铝晶圆的界面结合的连接结构，也可以应用在电子封装中的焊接材料，纳米铜膏作为焊接材料放置在铝焊盘上，将金属夹与焊盘连接在一起。这种纳米烧结铜与氧化铝低温结合方式也可以根据需求放置在任何镀有纳米铝晶并可耐一定高温的材料表面或一些金属铝表面。
纳米烧结铜也可以在装片材料、焊接材料、散热材料等领域应用。
尽管由于铝表面的氧化铝存在，焊料润湿成为棘手问题，但与纳米烧结铜结合的情况下，铝表面自然形成的氧化铝会与其形成可导电导热的中间相，类似于氧化铝陶瓷表面高温覆铜(DBC)工艺中的氧化铝与铜箔表面在氧气情况下形成的铜铝氧化物中间相。
将背面芯片金属镀铝替代镀铜，用烧结纳米铜作为装片材料，通过氧原子或氧离子处理活化界面，使其与纳米烧结铜材料有良好结合；同时，相比于背铜芯片情况，背铝使得芯片封装的可靠性得到很大的提升。这种晶圆背面镀铝的设计，与正面铝焊盘也匹配，加之材料便宜，从材料和工艺成本角度来看，都是很好的降本方式。
附图说明
图1为纳米烧结铜与晶圆的结合示意图。
图中：1.晶圆，2.纳米铝晶薄膜，3.铜铝氧中间相,4.纳米烧结铜。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护范围。
实施例1
(1)晶圆背面通过磁控溅射生长150nm纳米烧结铜，镀后经过退火处理去除应力；(2)将氧原子气流通入纳米烧结铜和纳米铝晶薄膜表面界面，(3)通入氧原子气流，(4)随后进行烧结，升温速度25℃/min，当温度到达150℃，保温20min；随后进入8％氢气92％氮气混合气氛，压力20MPa，升温速度25℃/min温度300℃,保温30min；所得结构弹性模量为120GPa，硬度为120Hv，热膨胀系数为18ppm/℃，芯片剪切力～20MPa。
实施例2
一种优选的纳米烧结铜与晶圆背铝的封装结构实施方案包括以下步骤：
(1)晶圆背面通过磁控溅射生长150nm纳米铝晶薄膜，退火处理去除应力；(2)纳米烧结铜印刷在纳米铝晶薄膜表面；(3)通入氧原子气流，(4)纳米烧结铜与纳米铝晶薄膜在氧离子活化和烧结后形成可导电导热的铜铝氧中间相；(5)进行烧结，升温速度25℃/min，当温度到达150℃，保温20min；随后进入8％氢气92％氮气混合气氛，压力10MPa，升温速度25℃/min温度300℃,保温30min，所得结构弹性模量100GPa，硬度100Hv，热膨胀系数～20ppm/℃，芯片剪切力15MPa。
实施例3
一种优选的纳米烧结铜与晶圆背铝的封装结构实施方案包括以下步骤：
晶圆背面通过磁控溅射生长600nm纳米铝晶薄膜，退火处理去除应力；(2)纳米烧结铜印刷在纳米铝晶薄膜表面；(3)通入氧原子气流，(4)纳米烧结铜与纳米铝晶薄膜在氧离子活化和烧结后形成可导电导热的铜铝氧中间相；(5)进行烧结，升温速度25℃/min，当温度到达150℃，保温20min；随后进入8％氢气92％氮气混合气氛，压力20MPa，升温速度25℃/min温度300℃,保温30min；所得结构弹性模量～102GPa，硬度～95Hv，热膨胀系数～20ppm/℃，芯片剪切力18MPa。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (8)
1.一种纳米烧结铜与晶圆结合的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：
S1：晶圆背面气相沉积生长纳米铝晶薄膜；
S2：在所述纳米铝晶薄膜上涂覆或印刷纳米烧结铜，纳米铝晶薄膜与纳米烧结铜接触，在所述纳米铝晶薄膜与纳米烧结铜接触界面处，通入氧原子或氧离子气流并以升温速度>20℃/min，加热到150℃~250℃，压力0-5MPa，在该气氛条件下保温10~60min；
S3：随后在升温速度为25℃/min加热升温到300℃~400℃，气氛转为还原气氛，压力0-30MPa，在该气氛条件下保温1-30min。
2.如权利要求1所述的一种纳米烧结铜与晶圆结合的制备方法，其特征在于，所述纳米铝晶薄膜厚度为50nm-5000nm。
3.如权利要求1所述的一种纳米烧结铜与晶圆结合的制备方法，其特征在于，所述气相沉积为磁控溅射气相沉积。
4.如权利要求1所述的一种纳米烧结铜与晶圆结合的制备方法，其特征在于，所述涂覆或印刷条件中温度的获取方式为：热辐射或热传导。
5.如权利要求1所述的一种纳米烧结铜与晶圆结合的制备方法，其特征在于，所述纳米铝晶薄膜与晶圆间气相沉积形成金属薄膜制备过渡层，所述金属薄膜制备过渡层包括Ti，Cr,Ni金属薄膜，所述金属薄膜制备过渡层厚度在1nm-100nm。
6.如权利要求1所述的一种纳米烧结铜与晶圆结合的制备方法，其特征在于，所述晶圆为未切割晶圆或切割后晶圆；所述纳米烧结铜为纳米铜膏或纳米铜膜。
7.由权利要求1-6所述的任一纳米烧结铜与晶圆结合的制备方法制备的连接结构，其特征在于，包括晶圆，纳米铝晶薄膜，铜铝氧中间相，纳米烧结铜；所述纳米烧结铜与纳米铝晶薄膜通过铜铝氧中间相连接。
8.如权利要求7所述的连接结构，其特征在于，所述连接结构用于芯片固定、芯片散热以及非晶圆的可镀纳米铝晶基材的散热或者固定。
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