CN111415767A - 一种基于多维金属纳米材料膏体及其互连工艺 - Google Patents

一种基于多维金属纳米材料膏体及其互连工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种多维金属纳米材料膏体及其互连工艺，所述多维金属纳米材料膏体包括：零维纳米球、一维纳米线和/或二维纳米片；所述一维纳米线、二维纳米片表面带有孔洞，所述孔洞直径为10nm～40nm。本发明所提供的多维金属纳米材料的互连工艺，工艺简单且执行调节温和，可在低温无压下实现大功率器件中芯片与基板的互连。膏体中几种不同维度纳米金属的引入，及其相关刻蚀孔洞的出现，有利于烧结时的原子扩散和颗粒之间的致密互连，提升了烧结膏体的剪切强度，可降低烧结温度，实现低温烧结互连。基于本发明方法的互连工艺可广泛应用于柔性电子封装、第三代半导体芯片器件封装等多个新兴的微电子互连领域。

Description

一种基于多维金属纳米材料膏体及其互连工艺
技术领域
本发明涉及半导体芯片互连材料技术领域，尤其涉及一种基于多维金属纳米材料膏体及其互连工艺。
背景技术
在电子产品中使用铅合金焊料引起了全球范围内的健康、环境和安全问题。因而发展环境友好型的封装互连技术在近期内变得更加可迫切。纳米尺度扩散与传统的焊接或粘接相比拥有更低的互连温度和更高的扩散速率，因而使用金属纳米材料进行无铅电子封装和柔性电子互连具有显著的优势。一些研究使用金属金、银、铜纳米材料烧结，与基板结合形成3D能承受更高工作强度的封装互连网络以实现无铅封装的工作已经被报道。由于纳米材料的尺寸效应，其典型的烧结温度区间为150℃至300℃之间，低于相应的块体金属烧结熔点。但为了促进烧结时的互连，仍然需要一定的烧结压力。最近，人们越来越关注于多维微米/纳米材料的应用，例如，Coughlin等人报道了镍钛形状记忆合金纤维嵌入富含Sn的焊料合金中，以改善材料耐机械冲击疲劳性能。基于纯银一维纳米线的烧结最大剪切强度约为9MPa，低于零维纳米球烧结的剪切强度，这可能是由于一维纳米线烧结时扩散形成互连网络的能力弱于零维纳米球。
发明内容
针对上述现有技术中所存在的技术问题，本发明提供了一种基于多维金属纳米材料膏体，所述多维金属纳米材料膏体包括：零维纳米球、一维纳米线和/或二维纳米片；所述一维纳米线、二维纳米片表面带有孔洞，所述孔洞直径为10nm～40nm。孔洞的存在增加了金属纳米片的比表面积和粗糙度，10nm～40nm的孔洞存在有利于提高纳米金属颗粒、金属纳米线与金属纳米片共混时之间的互相结合力和摩擦力，从而提升膏体的致密性，有利于于后续的烧结互连和粘结强度提高。
优选的，所述孔洞由刻蚀形成，优选地所述刻蚀为干法刻蚀。
优选的，还包括以下材料：溶剂、有机酸、树脂、粘结剂。
优选的，所述溶剂选自：水、异丙醇、乙醇、乙二醇、丙三醇、松油醇中的一种或几种；有机酸选自：己酸、丁二酸、苹果酸、邻苯二甲酸、己二酸、丙二酸、庚二酸的一种或几种；所述树脂选自酚醛树脂、聚乙烯醇缩丁醛树脂、环氧树脂的一种或几种；粘结剂选自纤维素衍生物、阿拉伯树胶的一种或几种。
优选的，所述多维金属纳米材料中一维纳米线的质量比例为10％～30％，二维纳米片的质量比例为5％～20％，零维纳米球的质量比例为50％～70％。
优选的，所述多维金属纳米材料的金属选自金、银、铜中的一种或者几种。
优选的，所述金属零维纳米球的粒径为10nm～500nm；所述一维纳米线长度为30μm～50μm，直径为40nm，所述二维纳米片长度为50μm～250μm,厚度为10nm～20nm。
以上一种基于多维金属纳米材料膏体的制备方法，将溶剂、多维金属纳米材料、树脂、有机酸按质量比例0.2-0.5:0.8-1:0.01-0.05:0.05-0.1混合，浓缩得到膏体。
将混合物振荡2h、超声、分散30min，低压旋蒸浓缩即得到膏体。
以上一种基于多维金属纳米材料膏体的互连工艺，包括以下制备步骤：
步骤一、将以上一种基于多维金属纳米材料膏体的制备方法制备的膏体印刷至基板上；
步骤二、将芯片覆盖于所述多维金属纳米材料表面，得到整体器件；
步骤三、将所述整体器件烧结，得到互连器件。
优选的，所述烧结的气氛选自空气、氮气、氩气、氢氩混合气、氢氮混合气中的一种，烧结温度区间在室温到250℃之间，烧结时间在20-200min之间。
本发明的有益效果至少包括:
本发明所提供的多维金属纳米材料的互连工艺，工艺简单且执行调节温和，可在低温无压下实现大功率器件中芯片与基板的互连。膏体中几种不同维度纳米金属的引入，及其相关刻蚀孔洞的出现，有利于烧结时的原子扩散和颗粒之间的致密互连，提升了烧结膏体的剪切强度，可以进一步降低烧结温度，实现低温烧结互连。基于本发明方法的互连工艺可广泛应用于柔性电子封装、第三代半导体芯片器件封装等多个新兴的微电子互连领域。
附图说明
图1为基于本发明所提供方法制备的多维金属纳米材料的互连工艺流程图。
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。
本发明提供了一种基于多维金属纳米材料的互连工艺，具体包括以下步骤：
步骤一、将包含有多维金属纳米材料的膏体印刷至基板上；
步骤二、将芯片覆盖于所述多维金属纳米材料表面，得到整体器件；
步骤三、将所述整体器件烧结，得到互连器件。
剪切力测试方法：
型号：MCR高级流变仪
1.采用直径为20mm的圆形平头压头，在数据线上离I/O口边缘4mm处，施加30N的压力。
2.将插头平面方向插入测试母座内。
3.对插头水平方向，正反两个平面施加30N的压力，持续5min，如此循环5次。
4.将测试母座水平方向固定于测试夹具内。
实施例1
在本发明的一个优选实施例中1，采用了以下步骤实现封装互连工艺：
1.多维金属纳米互连材料的制备
在纳米银线以及纳米银片表面使用干法刻蚀形成若干直径为10nm孔洞，乙二醇溶剂中分别加入纳米银颗粒、刻蚀后的纳米银线、刻蚀后的纳米银片、己酸、酚醛树脂，其质量比为0.5:1:0.05:0.1，其中金属纳米材料固含量为80％左右，保持匀速搅拌300min，低压旋蒸浓缩得到分散均匀的膏体。
2.互连器件的制备
通过丝网印刷将上述膏体互连材料打印在镀铜基板上，将镀铜芯片缓慢盖于互连膏体表面，将样品置于氢气含量5％的氢氩混合气中，200℃烧结10min，得到功率半导体互连器件。
实施例2
在本发明的一个优选实施例中2，采用了以下步骤实现封装互连工艺：
1.多维金属纳米互连材料的制备
在纳米银线以及纳米银片表面使用干法刻蚀形成若干直径为40nm孔洞，乙二醇溶剂中分别加入纳米银颗粒、刻蚀后的纳米银线、刻蚀后的纳米银片、己酸、酚醛树脂，其质量比为0.5:1:0.05:0.1，其中金属纳米材料固含量为80％左右，保持匀速搅拌300min低压旋蒸浓缩得到分散均匀的膏体。
2.互连器件的制备
通过丝网印刷将上述膏体互连材料打印在镀铜基板上，将镀铜芯片缓慢盖于互连膏体表面，将样品氩气中，200℃烧结100min，得到功率半导体互连器件。
实施例3
在本发明的一个优选实施例中3，采用了以下步骤实现封装互连工艺：
1.多维金属纳米互连材料的制备
在纳米银线以及纳米铜片表面使用干法刻蚀形成若干直径为10nm孔洞，乙二醇溶剂中分别加入纳米铜颗粒、刻蚀后的纳米银线、刻蚀后的纳米铜片、邻苯二酸、聚乙烯醇缩丁醛树脂，其质量比为0.2:0.8:0.01:0.05，超声振荡60min低压旋蒸浓缩得到分散均匀的膏体，其中金属纳米材料固含量为80％。
2.互连器件的制备
通过丝网印刷将上述膏体互连材料打印在镀铜基板上，将镀铜芯片缓慢盖于互连膏体表面，将样品置于氮气中，180℃烧结60min。
对比例1
本对比例中纳米银线、纳米银片表面孔洞直径为5nm，其他实验条件与实施例1相同。
对比例2
本对比例中纳米银线、纳米银片表面孔洞直径为50nm，其他实验条件与实施例1相同。
对比例3
本对比例中纳米银线、纳米银片表面孔洞直径为100nm，其他实验条件与实施例1相同。
对比例4
本对比例中纳米银线、纳米银片表面不刻蚀孔洞，其他实验条件与实施例1相同。
表1各组性能对比表格
Figure BDA0002403121180000051
Figure BDA0002403121180000061
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 (10)

1.一种基于多维金属纳米材料膏体，其特征在于：所述多维金属纳米材料膏体包括：零维纳米球、一维纳米线和/或二维纳米片；所述一维纳米线、二维纳米片表面带有孔洞，所述孔洞直径为10nm～40nm。
2.如权利要求1所述的一种基于多维金属纳米材料膏体，其特征在于，所述孔洞由刻蚀形成，优选地所述刻蚀为干法刻蚀。
3.如权利要求1所述的一种基于多维金属纳米材料膏体，其特征在于，还包括以下材料：溶剂、有机酸、树脂、粘结剂。
4.如权利要求3所述的一种基于多维金属纳米材料膏体，其特征在于，所述溶剂选自：水、异丙醇、乙醇、乙二醇、丙三醇、松油醇的一种或几种；有机酸选自：己酸、丁二酸、苹果酸、邻苯二甲酸、己二酸、丙二酸、庚二酸的一种或几种；所述树脂选自酚醛树脂、聚乙烯醇缩丁醛树脂、环氧树脂；粘结剂选自纤维素衍生物、阿拉伯树胶的一种或几种。
5.如权利要求1所述的一种基于多维金属纳米材料膏体，其特征在于，所述多维金属纳米材料中包括零维纳米球、一维纳米线和二维纳米片，一维纳米线的质量比例为10％～30％，二维纳米片的质量比例为5％～20％，零维纳米球的质量比例为50％～70％。
6.如权利要求1所述的一种基于多维金属纳米材料膏体，其特征在于，所述多维金属纳米材料的金属选自金、银、铜中的一种或者几种。
7.如权利要求1所述的一种基于多维金属纳米材料膏体，其特征在于，所述零维纳米球的粒径为10nm～500nm；所述一维纳米线长度为30μm～50μm，直径为40nm，所述二维纳米片长度为50μm～250μm,厚度为10nm～20nm。
8.如权利要求1-7任一所述的基于多维金属纳米材料膏体的制备方法，其特征在于：将溶剂、多维金属纳米材料、树脂、有机酸按质量比例0.2-0.5:0.8-1:0.01-0.05:0.05-0.1混合，浓缩得到膏体。
9.如权利要求8所述的基于多维金属纳米材料膏体的互连工艺，其特征在于，包括以下制备步骤：
步骤一、将所述膏体印刷至基板上；
步骤二、将芯片覆盖于所述多维金属纳米材料表面，得到整体器件；
步骤三、将所述整体器件烧结，得到互连器件。
10.如权利要求9所述的互连工艺，其特征在于：所述烧结的气氛选自空气、氮气、氩气、氢氩混合气、氢氮混合气中的一种，烧结温度区间在室温到250℃之间，烧结时间在20-200min之间。
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