CN111415903B - 一种基于反应性膏体的互连方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于反应性膏体的互连方法，包括：S1：混合金属纳米材料的反应前驱体、刻蚀剂，还原剂、包被剂、溶剂，获得单相反应性膏体；S2：将所述单相反应性膏体印刷至基板，加热所述单相反应性膏体，获得所述反应性膏体，所述反应性膏体包括纳米金属颗粒，纳米金属线，和/或纳米金属片S3：冷却所述基板；S4：将芯片放置与所述反应性膏体表面，获得预制件；S5：烧结所述预制件，互连所述基板及所述芯片。本发明通过改变反应前驱体、刻蚀剂，还原剂的质量比，调控加热温度和时间，获得的多种纳米金属形貌，在较低烧结温度下更好地实现无压烧结。

Description

一种基于反应性膏体的互连方法
技术领域
本发明半导体互连材料工艺技术领域，具体涉及一种基于反应性膏体的互连方法。
背景技术
在微电子封装领域，以SiC、GaN为代表的第三代半导体材料具有禁带宽度大，击穿电压高、热导率高、化学稳定性好等独特的性能，使其在光电器件、高频大功率、高温电子器件等方面备受青睐。研究表明新型SiC半导体器件在350℃的高温下仍具有良好的转换特性和工作能力，但其应用也对器件的封装材料提出了严峻的挑战。传统常用的热界面材料有锡基钎料、导热胶等。锡基钎料作为热界面材料是通过熔化连接上下界面，因此其工艺处理温度需要高于其熔点，而使用温度却要低于其熔点。而锡基钎料的熔点一般较低，常用锡银铜钎料SAC305的熔点约为217℃，熔点较高的金锡钎料也仅280℃。这些严重限制了锡基钎料在第三代半导体器件中的应用。而导热胶中由于含有大量的树脂成分，导致其使用温度一般低于200℃，而且其热导率一般低于20Wm-1K-1，显然无法适应第三代半导体器件的散热需求。相比之下，纳米银膏烧结体的理论服役温度和其热导率远远高于上述传统热界面材料，具有明显的优势。目前市售的纳米银膏体的制备，通常是将银纳米材料与溶剂等有机添加剂共混得到，这种方法相对来说制得的银膏相对存在存储易变质、纳米银聚集沉降不易分散的缺点，并且制备成本相对较高。
发明内容
针对上述本领域中存在的技术问题，本发明提供了一种基于反应性膏体的互连方法，包括：
S1：混合金属纳米材料的反应前驱体、刻蚀剂，还原剂、包被剂、溶剂，获得单相反应性膏体；
S2：将所述单相反应性膏体印刷至基板，加热所述单相反应性膏体，获得所述反应性膏体，所述反应性膏体包括纳米金属颗粒，纳米金属线，和/或纳米金属片；
S3：冷却所述基板；
S4：将芯片放置与所述反应性膏体表面，获得预制件；
S5：烧结所述预制件，互连所述基板及所述芯片。
优选的，控制所述反应前驱体、所述刻蚀剂、所述还原剂的质量比，及，所述加热的温度，获得不同质量比的纳米金属颗粒，纳米颗粒线，和/或纳米金属片。
优选的，所述S1中，混合金属纳米材料的反应前驱体、刻蚀剂，还原剂、包被剂、溶剂还包括：超声、振荡所述反应性膏体。
优选的，所述S2中，加热所述单相反应性膏体包括：在所述反应性膏体上盖放培养皿。
优选的，所述S2中，加热条件为：温度区间为50℃～170℃，加热时间区间为30min～24h。
优选的，所述S5中，烧结的气氛为空气、氮气、氩气、氢氩混合气以及氢氮混合气，烧结温度区间在室温到250℃之间，烧结时间在20-200min之间。
优选的，所述反应前驱体为硝酸银、氯化银、醋酸银、氧化银、硫酸银、四氟硼酸银、六氟锑酸银，硝酸铜、氯化铜、醋酸铜、氧化铜、硫酸铜、四氟硼酸铜、六氟锑酸铜中的一种或多种的组合。
优选的，所述刻蚀剂为氯化钠、氯化铁、氯化铜、氯化亚铁、氯化亚铜中的一种或多种的组合。
优选的，所述还原剂为柠檬酸钠、抗坏血酸、二甲基亚砜、吡啶、聚乙二醇、乙二醇、肼、EDTA、硼氢化钠、甲醛中的一种或多种的组合。
优选的，所述包被剂为柠檬酸钠、SDBS、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、CTAB、SDS中的一种或多种的组合；所述溶剂为水、乙二醇、丙三醇、DMF、乙醇、异丙醇中的一种或多种的组合。
本发明通过改变反应前驱体、刻蚀剂，还原剂的质量比，调控加热温度和时间，获得的多种纳米金属形貌，包括纳米金属颗粒、纳米金属线、纳米金属片；此外，本发明在基板表面原位形成多种维度的纳米金属材料，基于纳米金属材料的形状效应，可在较低烧结温度下更好地实现无压烧结，广泛应用于柔性电子封装、热敏有机基板、传感无铅微电路等多个新兴的微电子互连领域。
附图说明
图1a为实施例1提供的形成的银纳米线与银纳米颗粒混合物的扫描电子显微镜图；
图1b为实施例2提供的形成的银纳米线扫描电子显微镜图；
图1c为实施例3提供的形成的银纳米短棒和银纳米颗粒扫描电子显微镜图；
图2为实施例1-4提供的反应性膏体互连工艺流程示意图。
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作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
本实施例提供一种反应性纳米银膏体的互连方法，如图1a、图2所示。
1.制备单相反应性纳米银膏体。
乙二醇溶剂中分别加入氯化银、聚乙烯吡咯烷酮、氯化铁，其中氯化银和聚乙烯吡咯烷酮摩尔比为70∶1，所述氯化银和所述氯化铁的摩尔比为10000∶1，搅拌60min后超声振荡10min得到分散均匀的单相反应性纳米银膏体。
2.将单相反应性纳米银体印刷至基板，加热。
通过丝网印刷将单相反应性纳米银膏体互连材料打印在镀铜基板上，在印刷有单相反应性纳米银膏体的基板区域上盖上培养皿，放入烘箱中130℃温度下加热1h，获得加热后反应性纳米银膏体，所得到的反应性纳米银膏体微结构电子显微镜扫描图如图1a所示。
3.冷却基板至室温。
4.获得整体器件预制件。
在反应性纳米银膏体表面覆盖芯片，得到整体器件预制件。
5.烧结整体器件预制件。
氮气氛围下220℃烧结5min。功率半导体互连器件的剪切力为20～30Mpa。
实施例2
本实施例提供一种反应性纳米银膏体的互连方法，如图1b、图2所示。
1.制备单相反应性纳米银膏体。
丙三醇溶剂中分别加入硝酸银、氯化铁、聚乙烯吡咯烷酮、氯化钠，其中硝酸银和聚乙烯吡咯烷酮摩尔比为50∶1，所述硝酸银与氯化铁的摩尔比为30000∶1；搅拌60min后超声振荡10min得到分散均匀的单相反应性纳米银膏体。
2.将单相反应性纳米银膏体印刷至基板，加热。
通过丝网印刷将单相反应性纳米银膏体互连材料打印在镀铜基板上，在印刷有单相反应性纳米银膏体的基板区域上盖上培养皿，放入烘箱中180℃温度下加热2h，获得加热后反应性纳米银膏体，所得到的反应性纳米银膏体微结构电子显微镜扫描图如图1b所示。
3.冷却基板至室温。
4.获得整体器件预制件。
在反应性纳米银膏体表面覆盖芯片，得到整体器件预制件。
5.烧结整体器件预制件。
氮气氛围下220℃烧结5min。功率半导体互连器件的剪切力为25Mpa。
实施例3
本实施例提供一种反应性纳米银膏体的互连方法，如图1c、图2所示。
1.制备单相反应性纳米银膏体。
乙二醇溶剂中分别加入醋酸银、氯化铜、聚乙烯吡咯烷酮、丙三醇，其中醋酸银和聚乙烯吡咯烷酮摩尔比为30∶1，所述醋酸银与氯化铜的摩尔比为50000∶1；搅拌60min后超声振荡10min得到分散均匀的单相反应性纳米银膏体。
2.将单相反应性纳米银膏体印刷至基板，加热。
通过丝网印刷将单相反应性纳米银膏体互连材料打印在镀铜基板上，在印刷有单相反应性纳米银膏体的基板区域上盖上培养皿，放入烘箱中120℃温度下加热2h，获得加热后反应性纳米银膏体，所得到的反应性纳米银膏体微结构电子显微镜扫描图如图1c所示。
3.冷却基板至室温。
4.获得整体器件预制件。
在反应性纳米银膏体表面覆盖芯片，得到整体器件预制件。
5.烧结整体器件预制件。
氮气氛围下220℃烧结5min。功率半导体互连器件的剪切力为22Mpa。
实施例4
本实施例提供一种反应性纳米铜膏体的互连方法，如图2所示。
1.制备单相纳米铜膏体。
乙二醇溶剂中分别加入硝酸铜、氯化钠、聚乙烯吡咯烷酮、丙三醇，其中硝酸铜和聚乙烯吡咯烷酮摩尔比为20∶1，所述硝酸铜与氯化钠的摩尔比未15000∶1，搅拌60min后超声振荡10min得到分散均匀的单相反应性纳米铜膏体。
2.将单相反应性纳米铜膏体印刷至基板，加热。
通过丝网印刷将单相纳米铜膏体互连材料打印在镀铜基板上，在印刷有单相反应性纳米铜膏体的基板区域上盖上培养皿，放入烘箱中120℃温度下加热2h，获得加热后反应性纳米铜膏体。
3.冷却基板至室温。
4.获得整体器件预制件。
在反应性纳米铜膏体表面覆盖芯片，得到整体器件预制件。
5.烧结整体器件预制件。
氮气氛围下220℃烧结5min。功率半导体互连器件的剪切力为30Mpa。
本发明所提供的方法和封装膏体，至少具有以下有益效果：
(1)、本发明所提供的基于反应性膏体的互连方法，膏体配制简单，条件温和，容易存储，适用于大批量低成本生产。
(2)、较未添加刻蚀剂的由纳米金属颗粒组成的膏体相比，本发明通过改变反应前驱体、刻蚀剂，还原剂的质量比，调控加热温度和时间，获得的多种纳米金属形貌，包括纳米金属颗粒、纳米金属线、纳米金属片；
(3)本发明在基板表面原位形成多种维度的纳米金属材料，无需预先制备多种维度的纳米金属材料混合后涂敷至基板，基于纳米金属材料的形状效应，可在较低烧结温度下更好地实现无压烧结，广泛应用于柔性电子封装、热敏有机基板、传感无铅微电路等多个新兴的微电子互连领域。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的，技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于反应性膏体的互连方法，其特征在于，包括：
S1：混合金属纳米材料的反应前驱体、刻蚀剂、还原剂、包被剂、溶剂，获得单相反应性膏体，控制所述反应前驱体、所述刻蚀剂、所述还原剂的质量比及加热的温度，获得不同质量比的纳米金属颗粒，纳米颗粒线，和/或纳米金属片，混合金属纳米材料的反应前驱体、刻蚀剂，还原剂、包被剂、溶剂还包括：超声、振荡所述反应性膏体；
S2：将所述单相反应性膏体印刷至基板，加热所述单相反应性膏体，获得所述反应性膏体，所述反应性膏体包括纳米金属颗粒，纳米金属线，和/或纳米金属片；
S3：冷却所述基板；
S4：将芯片放置与所述反应性膏体表面，获得预制件；
S5：烧结所述预制件，互连所述基板及所述芯片。
2.根据权利要求1所述基于反应性膏体的互连方法，其特征在于，所述S2中，加热所述单相反应性膏体包括：在所述反应性膏体上盖放培养皿。
3.根据权利要求1所述基于反应性膏体的互连方法，其特征在于，所述S2中，加热条件为：温度区间为50 ℃～170 ℃，加热时间区间为30 min～24 h。
4.根据权利要求1所述基于反应性膏体的互连方法，其特征在于，所述S5中，烧结的气氛为空气、氮气、氩气、氢氩混合气以及氢氮混合气，烧结温度区间在室温到250℃之间，烧结时间在20-200 min之间。
5.根据权利要求1-4任一所述基于反应性膏体的互连方法，其特征在于，所述反应前驱体为硝酸银、氯化银、醋酸银、氧化银、硫酸银、四氟硼酸银、六氟锑酸银，硝酸铜、氯化铜、醋酸铜、氧化铜、硫酸铜、四氟硼酸铜、六氟锑酸铜中的一种或多种的组合。
6.根据权利要求1-4任一所述基于反应性膏体的互连方法，其特征在于，所述刻蚀剂为氯化钠、氯化铁、氯化铜、氯化亚铁、氯化亚铜中的一种或多种的组合。
7.根据权利要求1-4任一所述基于反应性膏体的互连方法，其特征在于，所述还原剂为柠檬酸钠、抗坏血酸、二甲基亚砜、吡啶、聚乙二醇、乙二醇、肼、EDTA、硼氢化钠、甲醛中的一种或多种的组合。
8.根据权利要求1-4任一所述基于反应性膏体的互连方法，其特征在于，所述包被剂为柠檬酸钠、SDBS、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、CTAB、SDS中的一种或多种的组合；所述溶剂为水、乙二醇、丙三醇、DMF、乙醇、异丙醇中的一种或多种的组合。
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