CN111607811A - 铜铜键合材料的制备方法及其应用 - Google Patents

铜铜键合材料的制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种铜铜键合材料的制备方法及其应用，其中，铜铜键合材料的制备方法包括如下步骤：步骤S1，在至少一个待焊接物的待焊接面设置纳米多孔铜泡沫层；步骤S2，将所述待焊接物的待焊接面相对设置，并实施热压键合，使待焊接的两侧物体之间实现铜铜键合，得到所述铜铜键合材料。根据本发明的制备方法，得到高密度的全铜互连，该铜铜键合中不含任何有机物，不仅具有良好的电气和热力学性能，且即使在相对高温下使用，也不会产生由于有机物挥发导致产生孔洞的问题，由于键合界面两侧都是铜，不会出现因为铜锡扩散系数差异导致铜锡界面的柯肯达尔孔洞。

Description

铜铜键合材料的制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及电子材料制备技术领域，具体涉及一种铜铜键合材料的制备方法及其应用。
背景技术
电子行业越来越高的I/O密度要求，推动了对芯片的需求。目前，封装基板(C2S，Chip to Substrate)节距已经缩小到20μm以下，铜柱直径也接近10μm，已经接近铜柱焊锡锡帽技术的极限。如此极端的尺度缩小，需要进一步减少焊料体积，增加焊帽桥接强度，提高可靠性。
此外，传统焊料是纯锡或者锡银，由其来焊接铜柱，由于铜锡的扩散系数的差异，会导致铜锡界面出现柯肯达尔孔洞。相比于此，铜铜键合因为其优越的功率处理能力，热稳定性，与传统焊料相比的可靠性、电阻小和优秀的载流能力，并且与目前半导体封装工艺可兼容特性，也就是说铜铜键合同时满足成本和性能要求，受到业界和学术界的积极追捧，被视作半导体工业下一个互连节点。
然而，由于铜的模量较高，现有的铜铜键合制备方法则需要昂贵的平面化过程(化学机械抛光，CMP，Chemical Mechanical Polishing,CMP)来处理非共面性以及翘曲，来实现铜铜键合，这导致铜互连的可制造性差。另外，铜铜键合，考虑到元器件本身的性能，以及原来工艺流程，铜铜键合需要在250℃左右且不高于300℃的条件下进行回流，这相对于铜的熔点来说，是很低的温度，而低温铜铜键合，需要考虑如下问题：
1)为了实现铜铜键合，铜表面具有很好的活性，也就是保持新鲜的表面，但新鲜或者高活性表面在室温下的氧化如何控制需要考虑；
2)在低温短时间内通过界面两侧铜互相扩散后达到键合的强度，这要求低温条件下的强大的扩散特性，然而对于普通的金属铜来说，扩散系数通常达不到该要求；
3)电镀铜柱高度的一致性相对差，导致在铜铜键合时两侧铜柱与铜柱或铜柱与焊盘可能存在不共面情况，而铜具有相对高的杨氏模量从而需要考虑晶圆翘曲以及铜柱高度不完全一致时在堆叠过程中出现局部无法接触或者强行键合产生应力集中的情况。
基于此，目前，提出了采用铜金属粉末做成导电胶，作为键合材料，然后通过丝网印刷或其他工艺将金属导电胶转移到铜柱顶面以此来实现两个铜铜界面的键合，但该方法，由于界面电阻太大，对位精度差，良率太低，且在高温时导电胶体中有机溶剂易于挥发有可能在键合材料中生成孔洞。
此外，还有采用纳米孪晶的方案。电镀纳米孪晶铜所得到铜柱都是片状结构堆叠而成，片状结构基本上是(111)晶面择优取向，该晶面的扩散系数相对很高，据报导，可以在350℃下实现铜铜键合。然而，该方法存在一个问题，由于铜柱图形的设计分布密度的局部差异，会导致密集区域电流密度低，稀疏区域电流密度高，所以高低电流密度区域的电镀铜高度差异大，键合时，难以保证所有需要键合的铜柱都能共面。另外，大部分电镀的纳米孪晶铜，其表面粗糙度较大，基于这样的表面通过扩散获得较高的键合力相对困难，而如果采用化学机械抛光，则又增加工艺流程，增加成本，降低生产效率，降低良率。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种新的铜铜键合材料的制备方法，其能够以简单的工艺，获得键合力大、稳定可靠的铜铜键合。
根据本发明第一方面实施例的铜铜键合材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1，在至少一个待焊接物的待焊接面设置纳米多孔铜泡沫层；
步骤S2，将所述待焊接物的待焊接面相对设置，并实施热压键合，使待焊接的两侧物体之间实现铜铜键合，得到所述铜铜键合材料。
进一步地，所述步骤S1可以包括：
步骤S11，在至少一个所述待焊接物的待焊接面电镀铜锌合金，得到铜锌合金镀层；
步骤S12，将所述形成有铜锌合金镀层的待焊接物置于去合金化溶液中以去除所述铜锌合金镀层中的锌，得到所述纳米多孔铜泡沫层。
更进一步地，所述步骤S11包括：
将该待焊接物置于电镀液中在电流密度为0.1～0.8ASD(A/dm2)条件下电镀90～240分钟，得到厚度为5～25μm的所述铜锌合金镀层。
更进一步地，所述步骤S11中，在电镀结束后，清洗以去除残余的电镀液，并将其置于氮气气氛中，在180～200℃下进行退火30～120分钟以使得所述铜锌合金镀层中的晶粒重整。
更进一步地，所述电镀液中含有：
0.001～0.005mol/L的硫酸铜(CuSO4)或其水合物无水硫酸铜(CuSO4·5H2O)；
0.1～0.3mol/L的硫酸锌(ZnSO4)或其水合物七水硫酸锌(ZnSO4·7H2O)；
0.3～0.5mol/L的焦磷酸钾(K4P2O7)或焦磷酸钠(Na4P2O7)。
更进一步地，所述铜锌合金镀层的下层形成有电镀铜层。
进一步地，所述去合金化溶液为1～5wt％盐酸水溶液，其中所述盐酸水溶液中含有0.2～0.5wt％的盐酸稳定剂，所述步骤S12中，将所述形成有铜锌合金镀层的待焊接物置于所述去合金化溶液中反应2～4小时以去除所述铜锌合金镀层中的锌。
进一步地，所述步骤S12中，在去合金化结束之后，清洗该待焊接物以去除残余的所述去合金化溶液，并将其置于氮气气氛中，在180～200℃下进行退火30～120分钟以去除残余应力。
更进一步地，所述步骤S1还可以包括如下步骤：
步骤S13，将形成有所述纳米多孔铜泡沫层的待焊接物在室温下置于活化液中处理，以对纳米铜泡沫层中的铜表面进行活化处理。
根据本发明第二方面，提出了上述任一实施例所述的铜铜键合材料的制备方法在芯片封装中的应用。
本发明的上述技术方案至少具有如下有益效果之一：
根据本发明实施例的铜铜键合材料的制备方法，采用大比表面积、低模量、低硬度的纳米铜泡沫，纳米多孔铜泡沫本质上是具有纳米级结构特征尺寸的海绵状材料，纳米多孔铜泡沫具有纳米结构和形态可调的物理特性，由此提供了设计灵活性，对铜共面性要求相对较低；
根据本发明实施例的铜铜键合材料的制备方法，可以兼容目前芯片封装与标准半导体基础设施和工艺，即直接替换掉原本电镀锡银或者纯锡的工艺，更换为电镀铜锌合金；
由于纳米多孔铜泡沫的弹性模量低于20GPa，其公差可以为装配中的非共面性和翘曲提供补偿，也就是说由于后续步骤中易于通过纳米多孔铜泡沫进行热压键合，可以容忍纳米多孔铜泡沫两侧待键合的铜的高度不一致性或非共面性，即可容忍较大的公差，从而可以降低对电镀均匀性的高要求；
根据本发明的制备方法，得到高密度的全铜互连，该铜铜键合中不含任何有机物，不仅具有良好的电气和热力学性能，且即使在相对高温下使用，也不会产生由于有机物挥发导致产生孔洞的问题；
根据本发明的制备方法，在低温下(约250～300℃)即可实现形成高密度全铜互连，降低了对于生产设备的要求并有利于降低生产成本；
根据本发明的制备方法，通过热压键合，形成铜铜纯固态键合，其键合力大，稳定可靠，从而满足从超细节距到大功率器件的大面积互连；
根据本发明的制备方法，生成的铜铜连接可以胜任例如芯片对芯片(Chip onChip，CoC)、晶圆对晶圆(Wafer on Wafer，WoW)、芯片对晶圆(Chip on Wafer，CoW)、芯片对基板(Chip to Substrate，C2S)等的封装领域中，具有有广泛的应用前景。
附图说明
图1示出了根据实施例的铜铜键合材料的制备方法的流程示意图；
图2示出了根据实施例1中途得到的纳米多孔铜泡沫层的显微结构图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例的附图对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面，首先描述根据本发明实施例的铜铜键合材料的制备方法。
根据本发明实施例的铜铜键合材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1，在至少一个待焊接物的待焊接面设置纳米多孔铜泡沫层；
步骤S2，将所述待焊接物的待焊接面相对设置，并实施热压键合，使待焊接的两侧物体之间实现铜铜键合，得到所述铜铜键合材料。
也就是说，根据本发明实施例的铜铜键合材料的制备方法，首先在至少一侧待焊接面设置纳米多孔铜泡沫层，此后将该纳米多孔铜泡沫层与另一侧待焊接面相对，通过热压键合来实现铜铜键合。
根据本发明实施例的铜铜键合材料的制备方法，采用大比表面积、低模量、低硬度的纳米铜泡沫，纳米多孔铜泡沫本质上是具有纳米级结构特征尺寸的海绵状材料，纳米多孔铜泡沫具有纳米结构和形态可调的物理特性，由此提供了设计灵活性，对铜共面性要求相对较低；并且，根据本发明实施例的铜铜键合材料的制备方法，可以兼容目前芯片封装与标准半导体基础设施和工艺，即直接替换掉原本电镀锡银或者纯锡的工艺，更换为电镀铜锌合金；进一步地，由于纳米多孔铜泡沫的弹性模量低于20GPa，其公差可以为装配中的非共面性和翘曲提供补偿，也就是说由于后续步骤中易于通过纳米多孔铜泡沫进行热压键合，可以容忍所形成的纳米多孔铜泡沫的非共面性，从而可以降低对电镀均匀性的高要求；而且，根据本发明的制备方法，得到高密度的全铜互连，该铜铜键合中不含任何有机物，不仅具有良好的电气和热力学性能，且即使在相对高温下使用，也不会产生由于有机物挥发导致产生孔洞的问题；进一步地，根据本发明的制备方法，在低温下(约250～300℃)即可实现形成高密度全铜互连，降低了对于生产设备的要求并有利于降低生产成本；根据本发明的制备方法，通过热压，形成铜铜纯固态键合，其键合力大，稳定可靠，从而满足从超细节距到大功率器件的大面积互连；根据本发明的制备方法，生成的铜铜连接可以胜任例如芯片对芯片(Chip on Chip，CoC)、晶圆对晶圆(Wafer on Wafer，WoW)、芯片对晶圆(Chip onWafer，CoW)、芯片对基板(Chip to Substrate，C2S)等的封装领域中，具有有广泛的应用前景。
其中，上述步骤S1，可以具体包括如下步骤：
步骤S11，在至少一个所述待焊接物的待焊接面电镀铜锌合金，得到铜锌合金镀层。
也就是说，既可以在一个所述待焊接物的待焊接面电镀设置铜锌合金，也可以在两侧待焊接物的待焊接面均设置电镀铜锌合金。
此外，所述铜锌合金镀层的下层可以形成有电镀铜层，且所述电镀铜层与所述待焊接物之间设置有籽晶铜层。也就是说，例如在使用本发明的制备方法来实现芯片等封装时，可以通过现有的技术在光阻材料之间电镀形成铜柱，此后在铜柱(也即电镀铜层)之上电镀形成铜锌合金层，同样地，对于另一侧待焊接表面，也可以预先设置电镀铜层，由此可以兼容目前芯片封装与标准半导体基础设施和工艺，即直接替换掉原本电镀锡银或者纯锡的工艺，更换为电镀铜锌合金。
优选地，所得到的铜锌合金层中，锌含量为80～95wt％，铜晶粒尺寸为80～100nm。
其中，作为具体的电镀条件，在电流密度0.1～0.8ASD条件下进行电镀铜锌合金镀层，优选在电流密度0.2～0.6ASD条件下进行电镀。在该电流密度下得到的铜锌镀层其晶粒分布更加均匀、所得到的铜锌镀层性能更稳定，且易于将铜的晶粒尺寸控制在例如80～100nm。
在电镀时，作为阳极，可以采用不溶性阳极，例如白金阳极，即铂包覆纯钛阳极。
电镀时间，例如可以设定在90～240分钟，得到厚度为5～25μm的所述铜锌合金镀层。铜锌合金镀层过厚，则后续的去合金化工艺变得难以彻底进行，从而进一步影响后续得热压键合工艺，难以得到全铜互连，另一方面，铜锌合金镀层过薄则在去合金化之后，难以通过热压键合实现充分扩散、键合力弱，优选地，综合考虑该镀铜锌合金工艺以及后续的去合金化工艺、热压键合的平衡，可以设定所述铜锌合金镀层的厚度为5～10μm。
所述电镀液中，作为提供铜原子的组分，可以含有例如硫酸铜或其水合物CuSO4·5H2O，其中，硫酸铜或其水合物在电镀液中的浓度例如可以设定为0.001～0.005mol/L。
另外，所述电镀液中，作为提供锌原子的组份，可以含有例如硫酸锌，其中，硫酸锌在在电镀液中的浓度例如可以设定为0.1～0.3mol/L。
所形成的铜锌合金镀层中锌的含量决定了去合金化工艺之后所形成的纳米多孔铜泡沫层的孔隙率以及铜的比表面积。为了获得孔隙率高、比表面积足够大的纳米多孔铜泡沫层，则需要该铜锌合金镀层中锌的含量足够高，例如70wt％以上，优选为80～95wt％。为此，优选地，所述硫酸铜或其水合物的浓度为0.0025mol/L，所述硫酸锌的浓度优选为0.15mol/L。
另一方面，在电镀过程中，铜元素与锌元素的电极电位存在差异，这导致铜的沉积速度大于锌的沉积速度，因此单纯地通过调节铜组份、锌组份的浓度仍然难以使铜锌合金镀层中锌的含量足够高。为此，优选地，在电镀液中还含有铜电极电位调节剂，以将铜的电极电位调节至接近锌的电极电位。作为铜电极电位调节剂，例如可以使用焦磷酸钾K4P2O7或焦磷酸钠Na4P2O7，另外，其在电镀液中的浓度例如可以为0.3～0.5mol/L。
进一步地，焦磷酸钾或焦磷酸钠在溶液中呈现强碱性，在例如直接将用于芯片封装的含有光阻材料(或干膜)的芯片或基板直接置于电镀液电镀铜锌合金时，为了防止光阻材料在碱性溶液环境中发生分层或剥离，可以使用酸，例如98％的浓硫酸或浓盐酸将电镀液的pH值调节至例如7～8。
在电镀结束后，由于在后续的去合金化工艺中要去除大量的锌，为防止在去合金化过程中发生破裂，可以对所述铜锌合金镀层通过退火进行重整。优选地：清洗该焊接物以去除残余的电镀液，清洗干净，冷风吹干，并将其置于氮气气氛中在180～200℃下进行退火30～120分钟。在应用于芯片封装时，还可以同时去除光阻层。
步骤S12，将所述形成有铜锌合金镀层的待焊接物置于去合金化溶液中以去除所述铜锌合金镀层中的锌，得到所述纳米多孔铜泡沫层。
也就是说，在获得铜锌合金镀层之后，接着，进行去合金化，也就是去除其中的锌，在原来锌原子存在的位置留下空洞，形成纳米多孔铜泡沫层。
其中，锌很容易与盐酸发生反应而溶蚀，作为所述去合金化溶液例如可以使用盐酸溶液。其中，盐酸水溶液中盐酸的浓度例如可以为1～5wt％，盐酸水溶液，其中所述盐酸水溶液中含有0.2～0.5wt％的盐酸稳定剂，所述步骤S12中，将所述形成有铜锌合金镀层的待焊接物置于所述去合金化溶液中反应2～4小时以去除所述铜锌合金镀层中的锌。
其中，作为盐酸稳定剂，例如可以使用十二烷基酚聚氧乙烯醚。添加该盐酸稳定剂，可以使得在去合金化工艺中由于盐酸的挥发而减弱溶蚀作用。
此外，在去合金化结束之后，为了去除因锌的溶蚀而产生的残余应力，可以清洗该待焊接物以去除残余的所述去合金化溶液，并将其置于氮气气氛中在180～200℃下进行退火30-120分钟以去除残余应力。
此外，在获得纳米多孔铜镀层之后，还可以进一步进行如下处理：
步骤S13，将形成有所述纳米多孔铜泡沫层的待焊接物在室温下置于活化液中处理，以对纳米铜泡沫层中的铜表面进行活化处理。
也就时说，为了获得新鲜的铜表面(非钝化状态)，在进行热压键合前，可以对纳米多孔铜泡沫层中的铜表面利用活化液进行活化处理。
作为活化液，例如可以使用10～20％乙酸溶液或者0.5～1wt％的盐酸。例如，在室温下，采用10～20％乙酸溶液活化处理1～3分钟，或者用0.5～1wt％的盐酸活化处理5～20秒。然后再用纯水清洗干净，吹干。可以同时对另一侧的待焊接物表面进行相同处理。
在获得纳米多孔铜泡沫层之后，进行热压键合。例如，用带有氮气气氛保护的倒装焊焊台，将经过上述处理的待焊接物进行对位，在200～250℃，6～9MPa压力下进行热压，持续5～30分钟，此后降温，并释放压力，实现铜铜键合。
下面，以芯片封装为例，结合附图1进行详细描述。
首先，提供电镀样品。图1中(a)示出了已经完成曝光显影工序的待电镀样品，在该电镀样品的硅片衬底3的表面形成有籽晶铜层1以及光阻材料2。
接着，如(b)所示，在籽晶铜层1的表面电镀铜层，以形成铜柱4。
接下来，如(c)所示，利用上述方法在该铜柱4表面电镀铜锌合金，形成铜锌合金镀层5。
进一步，如(d)所示，去除光阻层2。
此后，如(e)所示，对铜锌合金镀层5进行去合金化，将锌去除，形成纳米多孔泡沫铜层6。
此后，如(f)所示，将另一侧的待焊接面，例如以焊盘形式的待焊接面进行对位，接下来如(g)所示，在气氛保护下进行热压键合，实现封装。
下面，通过具体实施例进一步详细描述根据本发明实施例的铜铜键合材料的制备方法。
实施例1：
按照0.0025mol/L的硫酸铜CuSO4·5H2O、0.15mol/L的硫酸锌ZnSO4、0.35mol/L的焦磷酸钾K4P2O7，称取各试剂并添加到纯水中，充分搅拌后溶解，此后通过浓硫酸将pH值调节至7，得到电镀液。
此后，作为待电镀样品将如图1(a)所示的已经完成曝光显影工序的硅片置于该电镀液中，并在该电镀液中放入白金阳极，采用0.2ASD，电镀180分钟，得到铜锌合金层。此后取出电镀好的硅片，去除光阻层，用纯水清洗表面，冷风吹干，并在氮气保护下，在200℃烘烤15分钟以对铜锌合金镀层进行重整。
然后，将硅片放入去合金溶液中进行合金中锌的去除。去合金化溶液含有3wt％盐酸，0.5wt％十二烷基酚聚氧乙烯醚，其余为纯水。在去合金化溶液流动状态下，将上述电镀好铜锌合金的硅片置于其中浸泡4小时，铜锌合金中的锌被去除，铜锌合金变成纳米多孔铜泡沫。所得的纳米多孔铜泡沫的显微结构如图2所示。由图2可知，该铜泡沫中，铜晶粒尺寸约为100nm左右，且孔隙分布均匀，铜结构完整未见明显的坍塌等。
去合金化结束后，清洗硅片表面以取出残留的去合金化溶液。
为了消除残余应力，进一步，在氮气保护下，将形成有纳米多孔铜泡沫层的硅片在200℃烘烤15分钟。
然后，用含有0.5wt％的盐酸溶液活化纳米多孔铜泡沫，活化时间15秒，对需要焊接的另一侧硅片上的电镀铜表面做相同的活化处理。
将上述需要焊接的两个硅片的待焊接表面进行对位(参考图1中(f)所示)，放入倒装焊的键合设备或倒装焊焊台上，在氮气保护下，在200℃，9MPa压力，保压15分钟，降温并释放压力，得到铜铜键合的样品。
此后，测试五组样品的剪切推力，平均剪切应力达3.85Kgf，远大于常规的键合力要求即2.5Kgf。
实施例2
按照0.0045mol/L的硫酸铜CuSO4·5H2O、0.3mol/L的硫酸锌ZnSO4、0.5mol/L的焦磷酸钾K4P2O7，称取各试剂并添加到纯水中，充分搅拌后溶解，此后通过浓硫酸将pH值调节至8，得到电镀液。
此后，将跟实施例1同样的硅片置于该电镀液中，并在该电镀液中放入白金阳极，采用0.5ASD，电镀90分钟得到铜锌合金层。此后取出电镀好的硅片，去除光阻层，用纯水清洗表面，冷风吹干，并在氮气保护下，在180℃烘烤30分钟以对铜锌合金镀层中的晶粒进行重整。
然后，将硅片放入去合金溶液中去除合金中的锌。去合金化溶液含有5wt％盐酸，0.5wt％十二烷基酚聚氧乙烯醚，其余为纯水。在去合金化溶液流动状态下，将上述电镀好铜锌合金的硅片置于其中浸泡2小时，铜锌合金中的锌被去除，铜锌合金变成纳米多孔铜泡沫。
去合金化结束后，清洗硅片表面以取出残留的去合金化溶液。
为了消除残余应力，进一步，在氮气保护下，将形成有纳米多孔铜泡沫层的硅片在180℃烘烤30分钟。
然后，用含有20wt％的乙酸溶液活化纳米多孔铜泡沫，活化时间3分钟，对需要焊接的另一侧硅片上的电镀铜表面做相同的活化处理。
将需要焊接的上述两个硅片的待焊接表面进行对位，放入倒装焊的键合设备或倒装焊焊台上，在氮气保护下，在250℃，6MPa压力，保压30分钟，降温并释放压力，得到铜铜键合的样品。
此后，测试五组样品的剪切推力，平均剪切应力达3.55Kgf，远大于常规的键合力要求即2.5Kgf。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种铜铜键合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，在至少一个待焊接物的待焊接面设置纳米多孔铜泡沫层；
步骤S2，将所述待焊接物的待焊接面相对设置，并实施热压键合，使待焊接的两侧物体之间实现铜铜键合，得到所述铜铜键合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
步骤S11，在至少一个所述待焊接物的待焊接面电镀铜锌合金，得到铜锌合金镀层；
步骤S12，将所述形成有铜锌合金镀层的待焊接物置于去合金化溶液中以去除所述铜锌合金镀层中的锌，得到所述纳米多孔铜泡沫层。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S11包括：
将该待焊接物置于电镀液中在电流密度为0.1～0.8ASD条件下电镀90～240分钟，得到厚度为5～25μm的所述铜锌合金镀层。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S11中，在电镀结束后，清洗该待焊接物以去除残余的电镀液，并将其置于氮气气氛中在180～200℃下进行退火30～120分钟以使得所述铜锌合金镀层的晶粒实现重整。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述电镀液中含有：
0.001～0.005mol/L的硫酸铜或其水合物五水硫酸铜；
0.1～0.3mol/L的硫酸锌或其水合物七水硫酸锌；
0.3～0.5mol/L的焦磷酸钾或焦磷酸钠。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述铜锌合金镀层的下层形成有电镀铜层。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述去合金化溶液为1～5wt％盐酸水溶液，其中所述盐酸水溶液中含有0.2～0.5wt％的盐酸稳定剂，所述步骤S12中，将所述形成有铜锌合金镀层的待焊接物置于所述去合金化溶液中反应2～4小时以去除所述铜锌合金镀层中的锌。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S12中，在去合金化结束之后，清洗该待焊接物以去除残余的所述去合金化溶液，并将其置于氮气气氛中在180～200℃下进行退火30～120分钟以去除残余应力。
9.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，还包括如下步骤：
步骤S13，将形成有所述纳米多孔铜泡沫层的待焊接物在室温下置于活化液中处理，以对纳米铜泡沫层中的铜表面进行活化处理。
10.根据权利要求1至9所述的铜铜键合材料的制备方法在芯片封装中的应用。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113488399A (zh) * 2021-06-15 2021-10-08 广东工业大学 一种超细节距半导体互连结构及其成型方法
CN114453694A (zh) * 2022-02-18 2022-05-10 深圳先进电子材料国际创新研究院 一种可实现焊点中金属间化合物内柯肯达尔孔洞自愈合的方法
WO2023097787A1 (zh) * 2021-12-02 2023-06-08 深圳先进技术研究院 一种多孔纳米铜膜在电子器件封装互连中的应用
CN117059503A (zh) * 2023-08-11 2023-11-14 徐州得驰电子科技有限公司 一种基于金属有机源焊接的方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050003652A1 (en) * 2003-07-02 2005-01-06 Shriram Ramanathan Method and apparatus for low temperature copper to copper bonding
CN103866356A (zh) * 2012-12-11 2014-06-18 中国科学院过程工程研究所 无氰仿金电镀Cu-Zn二元合金的方法
CN104637831A (zh) * 2015-02-12 2015-05-20 华中科技大学 一种基于铜纳米线的铜铜键合工艺
CN106205772A (zh) * 2016-07-01 2016-12-07 中国科学院深圳先进技术研究院 铜基导电浆料及其制备与其在芯片封装铜铜键合中的应用
US20170162535A1 (en) * 2015-12-08 2017-06-08 Amkor Technology, Inc. Transient interface gradient bonding for metal bonds
CN106868518A (zh) * 2017-03-27 2017-06-20 刘雄杰 环保型盐酸清洗缓蚀抑雾剂
CN106981432A (zh) * 2017-04-11 2017-07-25 合肥工业大学 一种铜铜键合制作通道型标准漏孔的方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050003652A1 (en) * 2003-07-02 2005-01-06 Shriram Ramanathan Method and apparatus for low temperature copper to copper bonding
CN103866356A (zh) * 2012-12-11 2014-06-18 中国科学院过程工程研究所 无氰仿金电镀Cu-Zn二元合金的方法
CN104637831A (zh) * 2015-02-12 2015-05-20 华中科技大学 一种基于铜纳米线的铜铜键合工艺
US20170162535A1 (en) * 2015-12-08 2017-06-08 Amkor Technology, Inc. Transient interface gradient bonding for metal bonds
CN106205772A (zh) * 2016-07-01 2016-12-07 中国科学院深圳先进技术研究院 铜基导电浆料及其制备与其在芯片封装铜铜键合中的应用
CN106868518A (zh) * 2017-03-27 2017-06-20 刘雄杰 环保型盐酸清洗缓蚀抑雾剂
CN106981432A (zh) * 2017-04-11 2017-07-25 合肥工业大学 一种铜铜键合制作通道型标准漏孔的方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
李科成等: "用于三维封装的铜-铜低温键合技术进展", 《电子元件与材料》 *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113488399A (zh) * 2021-06-15 2021-10-08 广东工业大学 一种超细节距半导体互连结构及其成型方法
CN113488399B (zh) * 2021-06-15 2021-12-21 广东工业大学 一种超细节距半导体互连结构及其成型方法
WO2022262272A1 (zh) * 2021-06-15 2022-12-22 广东工业大学 一种超细节距半导体互连结构及其成型方法
US11742316B2 (en) 2021-06-15 2023-08-29 Guangdong University Of Technology Interconnect structure for semiconductor with ultra-fine pitch and forming method thereof
WO2023097787A1 (zh) * 2021-12-02 2023-06-08 深圳先进技术研究院 一种多孔纳米铜膜在电子器件封装互连中的应用
CN114453694A (zh) * 2022-02-18 2022-05-10 深圳先进电子材料国际创新研究院 一种可实现焊点中金属间化合物内柯肯达尔孔洞自愈合的方法
CN117059503A (zh) * 2023-08-11 2023-11-14 徐州得驰电子科技有限公司 一种基于金属有机源焊接的方法
CN117059503B (zh) * 2023-08-11 2024-04-02 徐州得驰电子科技有限公司 一种基于金属有机源焊接的方法

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