CN111490028A - 一种低温键合铝包铜材料及其使用工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种低温键合铝包铜材料及其使用工艺，所述铝包铜材料i)核部分是铜，壳部分是铝；ii)核部分厚度尺寸在50nm～50um，壳部分厚度尺寸在5nm～5um。该材料通过施加超声和压力进行焊接。超声焊接的过程短，相比于加热烧结，大大节省封装的工时。氧化铝外层可以满足铜颗粒的抗氧化保护，无需特别外层抗氧化包覆，且可以在超声压力下，该氧化铝层破碎而暴露出新鲜的铝表面而实现铝‑铝结合，这个融合焊接可在较低加热温度甚至室温情况下实现颗粒间的融合。

Description

一种低温键合铝包铜材料及其使用工艺
技术领域
本发明属于半导体芯片封装互连领域，具体为一种低温键合铝包铜材料及其使用工艺。
背景技术
在大功率电子封装中，现今趋势是用金属基低温烧结材料作为装片材料替代高铅焊料，不但满足封装材料无铅的需求，还具有低温使用且高温服役的特性；但目前的烧结材料主要是银烧结材料，面临的主要问题是成本高。而纳米铜烧结材料因其严重的氧化现象目前还不能有效地减轻成本，尽管它是用来作为降低材料成本的低温烧结材料。
目前，作为低温烧结的大部分包覆铜颗粒的金属材料分两种，一种是高熔点贵金属，比如，金、银等，通过传导加热或者辐射加热等形式促成纳米颗粒间原子扩散实现颗粒融合，另一种是锡、铟等低熔点，在200℃左右下瞬态液化，与铜形成高熔点金属间化合物而实现颗粒融合。前者是有材料成本高和烧结温度高的问题，后者有由于金属间化合物造成的低导热导电的问题。除此而外，它们还有各自在工艺上的现实困难。
发明内容
针对上述现有技术中所存在的技术问题，本发明提供了一种低温键合铝包铜材料，所述铝包铜材料i)核部分是铜，壳部分是铝；ii)核部分厚度尺寸在50nm～50um，壳部分厚度尺寸在5nm～5um。
优选地，所述壳表面与核表面到核心距离比例<25％。
优选地，所述铜选自：零维结构球状铜、一维结构线状铜、二维结构片状铜中的一种或多种。
所述的微纳米铜颗粒尺寸形状均一，或者，由多种尺寸或者多种形状颗粒混合。
优选地，需要经过超声或者辐照等一种或多种表面修饰方法进行分散处理。
本发明使用的是铝包铜颗粒焊膏，是由现有大功率电子器件封装中的铝线键合工艺带来的启发，基于封装键合工艺中铝线与芯片表面的铝焊盘的超声冷焊接的原理。铝的导热和导电能力比较优秀，而铜核进一步提高了整体的导热和导电性能，这种装片材料可以满足功率电子封装中固晶的高导热导电的需求。它也可成为一个很好的铝带和铜夹等与芯片键合的互联材料。该材料可以具有低温使用高温服役的特点，服役温度至少可以达到600℃。由于核心部分的铜高导热导电，通过铝壳将其连接起来，这种装片材料可以满足功率电子封装中的高导热导电的需求。铝本身也具有较低弹性模量和较高的导热导电性能，而且，铝可以在铜颗粒表面可形成稳定致密的壳结构，这些对于半导体芯片封装中减少封装应力而提升可靠性很有帮助,另外，铝材料的低成本特色也将会提升它的实际使用优势，铝包铜膏是金属包铜低温烧结材料的潜力军。
上述一种低温键合铝包铜材料的使用工艺，包括以下制备步骤：
I)将所述铝包铜材料与极性溶剂混合，优选地，含羰基(比如，醛、酮、羧酸、羧酸衍生物等)，按照摩尔比为65％～95％混合，得到第一混合膏体材料；
II)将所述第一混合膏体材料涂敷在基板上或者芯片上；优选地，在涂敷前，将该材料经过超声处理足够时间(比如，10分钟)以均匀分散微纳米颗粒。
III)通过同时施加超声和压力进行焊接。
本专利提出了新的包覆铜颗粒的金属壳材料--铝，并且，给出了使用该材料的实际可行的工艺方案-超声压力焊接。超声波金属焊接原理是利用超声频率(超过16KHz)的机械振动能量，连接同种金属或异种金属的一种特殊方法。金属在进行超声波焊接时，既不向工件输送电流，也不向工件施以高温热源，只是在静压力之下，将振动能量转变为摩擦功、形变能及有限的温升，接头间的冶金结合是母材不发生熔化的情况下实现的一种固态焊接。低弹性模量的铝壳可以容易实现有效形变，较易促成颗粒间的低温融合。铝表面易有致密很薄的氧化铝层，它形成后可以阻挡氧原子的进入而保护铜避免氧化，这层氧化铝层可以在超声下破碎而暴露出新鲜的铝表面，这样，铝-铝表面可以在超声压力下通过迅速原子扩散到达相互结合，这个融合焊接可在更低温度或者室温情况下实现颗粒间的融合，也无需特别气体保护。
优选地，所述超声功率大于16KHz，所述压力为大于1MPa。
尽管铝包铜颗粒烧结后的服役温度可能不如贵金属包铜壳核材料的高，这是因为铝的熔点(667℃)的限制，但是，远远高于现有的高铅焊料的熔点，足够满足大部分大功率器件的封装需求。铝以其独特的材料特性和低成本特点，可以胜过以上的壳材料选择。它的氧化铝外层可以满足铜颗粒的抗氧化保护，无需特别外层包覆，且可以在超声压力下，该氧化铝层破碎而暴露出新鲜的铝表面而实现铝-铝结合，这个融合焊接可在更低温度或者室温情况下实现颗粒间的融合，这一点胜过贵金属壳材料。在另一方面，它的导热导电性远高于金属间化合物，这是它胜过那些可低温焊接的低熔点的金属做的壳材料。另外，它的低弹性模量也胜过刚硬的金属间化合物，从封装的应力和可靠性角度来看，它有明显的优势。这个材料的颗粒融合不但可以在室温完成，也同时可以在室温环境下完成，无需特别的气体保护，这个带来了它在使用上的极大便利。
本发明的有益效果至少包括:
1.针对铝包铜颗粒，在超声下铝层脱落后，铝和铜依然可以形成很好的金属间结合，氧化铝与铜也可以形成可导电导热的氧化铜铝层。
2.壳层脱落不会影响该材料的键合和工作表现。超声焊接的过程短，相比于加热烧结，大大节省封装的工时。
3.氧化铝外层可以满足铜颗粒的抗氧化保护，无需特别外层包覆，且可以在超声压力下，该氧化铝层破碎而暴露出新鲜的铝表面而实现铝-铝结合，这个融合焊接可在更低温度或者室温空气环境情况下实现颗粒间的融合。
附图说明
图1为铝包铜材料结构示意图；
图2为铝包铜材料使用工艺示意图。
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。
晶片剪切力测试方式(die shear test)：
晶片剪切实验室判断半导体晶片与封装(例如铅框)材料之间粘合强度的标准。对晶片施加一个与晶片附着表面平行的力量，得到一个介于以下两者之间的力度：1)晶片与粘贴材料(如epoxy胶水)的连接强度，2)粘贴材料与附着材料(如Lead Frame铅框)的连接强度。
实施例1
将铝包铜颗粒,铜核尺寸为50nm,铝壳尺寸为5nm。分散在含无水乙醇溶液当中，以配比固液比例(9：1)的比例配合，将该混合物在超声槽里振动10分钟做成合适膏体。将该膏体涂敷在镀铝铜基板上，厚度在70um左右，将背面镀铝芯片正面朝上置在膏体上面，形成三明治结构。该结构在超声波功率230W，功率25KHz，压力为1MPa的条件下烧结20s。在室温烧结情况下，可获得的剪切力值为15MPa；当在基板加热情况下，升温到150℃时，可以获得20MPa剪切力。
实施例2
将铝包铜颗粒,铜核尺寸为1000nm,铝壳尺寸为30nm。分散在含丁酮溶液当中，以配比固液比例(9：1)的比例配合，将该混合物在超声槽里振动10分钟做成合适膏体。将该膏体涂敷在镀铝铜基板上，厚度在70um左右，将背面镀铝芯片正面朝上置在膏体上面，形成三明治结构。该结构在超声波功率230W，功率25KHz，压力为1MPa的条件下烧结20s。在室温烧结情况下，可获得的剪切力值为20MPa；当在基板加热情况下，升温到150℃时，可以获得30MPa剪切力。
实施例3
将铝包铜颗粒,铜核尺寸为100nm,铝壳尺寸为10nm。分散在含聚乙二醇PEG溶液当中，以配比固液比例(9：1)的比例配合，将该混合物在超声槽里振动10分钟做成合适膏体。将该膏体涂敷在镀铝铜基板上，厚度在70um左右，将背面镀铝芯片正面朝上置在膏体上面，形成三明治结构。该结构在超声波功率230W，功率25KHz，压力为5MPa的条件下烧结20s。在室温烧结情况下，可获得的剪切力值为15MPa；当在基板加热情况下，升温到200℃时，可以获得35MPa剪切力。
对比例1
将铝包铜颗粒,铜核尺寸为55um,铝壳尺寸为10um。分散在含80％无水乙醇的乙醇溶液当中，以配比固液比例(9：1)的比例配合，将该混合物在超声槽里振动10分钟做成合适膏体。将该膏体涂敷在DBC基板上，厚度在70um左右，将背面镀铜芯片正面朝上置在膏体上面，形成三明治结构。该结构在超声波功率230W，功率25KHz，压力为1MPa的条件下烧结20s。在室温烧结情况下，可获得的剪切力值为10MPa；当在基板加热情况下，升温到150℃时，可以获得15MPa剪切力。
对比例2
将铝包铜颗粒,铜核尺寸为40nm,铝壳尺寸为4nm。分散在含80％无水乙醇的乙醇溶液当中，以配比固液比例(9：1)的比例配合，将该混合物在超声槽里振动10分钟做成合适膏体。将该膏体涂敷在DBC基板上，厚度在70um左右，将背面镀铜芯片正面朝上置在膏体上面，形成三明治结构。该结构在超声波功率230W，功率25KHz，压力为1MPa的条件下烧结20s。在室温烧结情况下，可获得的剪切力值为10MPa；当在基板加热情况下，升温到150℃时，可以获得15MPa剪切力。
核厚尺寸 壳厚尺寸 室温烧结剪切力 基板加热剪切力
实施例1 50nm 50nm 15MPa 20MPa
实施例2 100nm 30nm 20MPa 30MPa
实施例3 100nm 10nm 15MPa 35MPa
对比例1 55um 10um 10MPa 15MPa
对比例2 40nm 4nm 12MPa 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 (6)

1.一种低温键合铝包铜材料，其特征在于：所述铝包铜材料中
i)核部分是铜，壳部分是铝；ii)核部分厚度尺寸在50nm～50um，壳部分厚度尺寸在5nm～5um。
2.如权利要求1所述的一种低温键合铝包铜材料，其特征在于，所述壳表面与核表面到核心距离比例<25％。
3.如权利要求1所述的一种低温键合铝包铜材料，其特征在于：所述铜选自：零维结构球状铜、一维结构线状铜、二维结构片状铜中的一种或多种。
4.如权利要求1-3所述的任何一种低温键合铝包铜材料的使用工艺，其特征在于：包括以下制备步骤：
I)将所述铝包铜材料与极性溶剂混合，按照摩尔比为65％～95％混合，得到第一混合膏体材料；
II)将所述第一混合膏体材料涂敷在基板上或者芯片上；
III)通过同时施加超声和压力进行焊接。
5.如权利要求1所述的一种低温键合铝包铜材料，其特征在于：所述极性溶剂选自醛、酮、羧酸、羧酸衍生物。
6.如权利要求5所述的使用工艺，其特征在于：所述超声功率大于16KHz，所述压力为大于1MPa。
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