CN111916344A - 一种基于石墨烯/锡改性的铜纳米颗粒的铜-铜低温键合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于石墨烯/锡改性的铜纳米颗粒的铜‑铜低温键合方法，其是以铜纳米颗粒、锡纳米颗粒和石墨烯微米片的复合物作为键合材料，在低温下实现两镀铜衬底的键合。本发明的工艺简单、可靠性好，且工艺成本较低，具有高度产业利用的价值。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件领域，涉及三维封装中的方片键合，特别是涉及一种基于石墨烯/锡改性的铜纳米颗粒的铜-铜低温键合方法。
背景技术
摩尔定律揭示了微电子产品的发展速度，表明其性能与生产率都在不断的提升。但是随着电子产品不断地向高度集成和微型化发展，微纳器件的封装密度以及芯片之间的互连传输都逐渐成了限制集成电路发展的主要因素，鉴于传统的二维封装无法解决这些问题，所以封装工艺不可避免地向三维方向发展。随着半导体研究的发展，铜逐渐成为器件互连的主要材料。
在三维封装技术中，键合是实现芯片垂直方向堆叠及各向电互连的关键技术，其中以Cu-Cu金属键合实现芯片的堆叠是三维封装的研究核心。传统的Cu-Cu键合是在高温高压下对两个对准的铜衬底施加压力，使待键合面发生原子级接触并通过高温加剧Cu原子的相互扩散，以此产生键合强度。但温度过高会对温度敏感元器件产生不可逆的损伤，因此，对于Cu-Cu键合技术，关键在于降低键合过程中所需要的键合温度。Sn-Pb共晶焊膏曾经是Cu键合技术中常用的焊膏，Sn的存在可以在低温条件下形成高的键合强度而Pb可以有效抑制金属间化合物的生成，但是出于环境要求，已经逐步舍弃含铅焊料。而作为Sn-Pb焊膏替代品的SAC焊膏虽然可以应用于Cu键合，但是当器件长时间工作于高温条件下，铜锡化合物会过度生长，降低电子封装中焊点的机械性能和可靠性，影响使用寿命。铜纳米粒子具有成本低、导电性好等优点，是一种很有前途的替代现有锡基焊料的电子元件互连材料，也可用于高温电子器件。虽然小尺寸效应可以明显降低金属的烧结温度，但是对于器件来说，铜纳米颗粒的烧结温度依然相对较高。
石墨烯是一种由碳原子以SP2杂化轨道组成六角形呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，具有优异的光学、电学、力学和热学特性，在材料学、微纳加工、能源和生物医学等方面具有重要的应用前景，这一迄今导电性能最强的新型材料，被认为是一种未来革命性的材料。而且石墨烯具有良好的阻隔特性，有研究表明，具有完美晶格的石墨烯甚至对气体分子或原子都具有几乎完全阻隔的现象。通过石墨烯控制界面反应和金属间化合物的生长可以广泛用于许多系统中，以提高不同金属界面的机械可靠性。
发明内容
为避免上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供了一种基于石墨烯/锡改性的铜纳米颗粒的铜-铜低温键合的方法，旨在以石墨烯/锡改性的铜纳米颗粒作为中间层，低温下实现镀铜衬底的键合。
本发明为实现发明目的，采用如下技术方案：
本发明基于石墨烯/锡改性的铜纳米颗粒的铜-铜低温键合方法，是以铜纳米颗粒、锡纳米颗粒和石墨烯微米片的复合物作为键合材料，在低温下实现两镀铜衬底的键合。具体包括如下步骤：
(1)将铜纳米颗粒、锡纳米颗粒、石墨烯微米片在无水乙醇中混合，并在真空搅拌机中搅拌均匀，获得键合材料；
(2)在第一待键合镀铜衬底的待键合表面涂抹所述键合材料，形成键合材料层；
(3)以第一待键合镀铜衬底的待键合面和第二待键合镀铜衬底的待键合面相对，将两待键合镀铜衬底对齐放入键合装置的上、下样品台上，形成由第一待键合镀铜衬底-键合材料层-第二待键合镀铜衬底组装成的待键合组件；
(4)将所述待键合组件在保护气体中进行低温烧结，使烧结后的键合材料层吸附在第一待键合镀铜衬底的待键合面上；然后再在保护气体中施压，进行低温键合，使第一待键合镀铜衬底的待键合面、键合材料层、第二待键合镀铜衬底的待键合面中的铜、锡原子相互扩散，形成铜锡化合物中间层，即实现两镀铜衬底的键合。
作为本发明的一种优选方案，步骤(1)的具体方法为：将铜纳米颗粒、锡纳米颗粒和石墨烯微米片按质量比94～96:3～4:0.4～0.6在无水乙醇中混合，为避免氧化且为使各原料混合均匀、良好分散，使用真空搅拌机以2000～3500rpm真空搅拌15～30min，获得键合材料；在所述键合材料中，铜纳米颗粒、锡纳米颗粒和石墨烯微米片三者复合物的质量浓度为10～15％。
作为本发明的一种优选方案，步骤(2)中，在第一待键合镀铜衬底的待键合表面涂抹所述键合材料前，先将第一待键合镀铜衬底和第二待键合镀铜衬底的待键合表面依次使用丙酮、无水乙醇和去离子水进行超声清洗，然后用N2吹干。
作为本发明的一种优选方案，步骤(4)的具体方法为：将所述待键合组件在N2气氛中，以200～300℃烧结20～30min；然后再在N2气氛中，恒温并施加12～22MPa的初始压力，键合15～30min。烧结后，键合材料中的无水乙醇挥发，铜纳米颗粒-石墨烯微米片-锡纳米颗粒形成稳定结构。
作为本发明的一种优选方案，两片镀铜衬底相互独立的选自但不限于镀铜的Si、SiO2、SiC、SiN、GaN、AlN、GaAs、蓝宝石等各种衬底，所述镀铜衬底还可以包括外围电路和平面存储结构等，所述镀铜衬底可以为任意形状和尺寸。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明以石墨烯/锡改性的铜纳米颗粒作为键合材料，在低温下实现了铜-铜低温键合，键合效果好、工艺简单、可靠性好，且工艺成本较低，具有高度产业利用的价值。
2、本发明由铜纳米颗粒、锡纳米颗粒和石墨烯微米片混合而成的键合材料中：铜纳米颗粒是形成界面连接强度和导电性的主要成分；锡的存在可以与小尺寸效应产生协同作用，进一步降低铜纳米颗粒的烧结温度，实现低温烧结；石墨烯则位于铜纳米颗粒和锡之间，可以明显抑制铜锡化合物的形成，延长器件的使用寿命以及扩展应用环境。
3、本发明的方法在键合之前不需要进行特殊的表面处理，在低温、键合压力小的条件下实现键合，避免了高温键合对敏感元件和结构的性能的影响。
附图说明
图1为本发明基于石墨烯/锡改性的铜纳米颗粒的铜-铜低温键合方法的流程示意图，图中标号：11为第一待键合镀铜衬底；12为第二待键合镀铜衬底；13为第一待键合镀铜衬底表面的铜薄膜；14为第二待键合镀铜衬底表面的铜柱；15为键合材料层；16为铜锡化合物中间层。
图2为石墨烯/锡改性的铜纳米颗粒的烧结示意图，图中标号：21为铜纳米颗粒；22为锡纳米颗粒；23为石墨烯微米片；24为铜纳米颗粒-石墨烯微米片-锡纳米颗粒的亚稳定结构；25为烧结后的铜纳米颗粒-石墨烯微米片-锡纳米颗粒的稳定结构。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。以下内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
下述实施例所用键合装置可为市场现有的任意型号、结构的键合装置，也可自行搭建，只需具有上、下对齐的样品台以及温度控制系统、压力控制系统，能够实现样品固定、密封、气体流通、升温、施压的基本功能即可。
实施例1
如图1所示，第一待键合镀铜硅衬底的待键合表面为平面，第二待键合镀铜硅衬底的待键合面为均匀分布的间距为100μm、直径为100μm、高度为200μm的铜柱，为使图清晰可辨识，图中对应尺寸并非文中描述尺寸，图仅作示意，不代表实际的数目和现象。本实施例按如下步骤对两片尺寸为10mm×10mm的镀铜硅衬底进行键合：
(1)将铜纳米颗粒、锡纳米颗粒和石墨烯微米片按质量比96.5:3:0.5在无水乙醇中混合，使用真空搅拌机以2500rpm真空搅拌20min，获得键合材料；在键合材料中，铜纳米颗粒、锡纳米颗粒和石墨烯微米片三者复合物的质量浓度为10％。
(2)将两镀铜硅衬底的待键合表面依次使用丙酮、无水乙醇和去离子水进行超声清洗，然后用N2吹干。然后在第一待键合镀铜硅衬底的待键合表面涂抹键合材料，形成键合材料层。
(3)以第一待键合镀铜硅衬底的待键合面和第二待键合镀铜硅衬底的待键合面相对，将两待键合镀铜硅衬底对齐放入键合装置的上、下样品台上，形成由第一待键合镀铜硅衬底-键合材料层-第二待键合镀铜硅衬底组装成的待键合组件。
(4)将待键合组件在N2气氛中，以250℃烧结20min；然后再在N2气氛中，恒温并施加15MPa的初始压力，键合30min，使键合材料层中的铜、锡原子和第一、二待键合镀铜硅衬底的待键合面中的铜原子相互扩散，形成铜锡化合物中间层，实现两片镀铜硅片的键合。
如图2所示，由于铜纳米颗粒和锡纳米颗粒的尺寸远小于石墨烯微米片的尺寸，因此当三者分散在无水乙醇中并在真空搅拌机中使其均匀混合并良好分散时，由于石墨烯微米片非常柔软，会包裹在铜纳米颗粒或锡纳米颗粒的表面，形成铜纳米颗粒-石墨烯微米片-锡纳米颗粒的亚稳定结构或者铜纳米颗粒-石墨烯微米片-石墨烯微米片-锡纳米颗粒的亚稳定结构。烧结后，该亚稳定结构会逐步转化为稳定结构。
拉伸测试是衡量键合芯片的键合强度的一种有效方法，利用剪切力测试机对键合后两镀铜硅片施加拉伸力，测得其键合的强度约为40Mpa，这表明两镀铜硅片键合效果较好。
实施例2
本实施例按实施例1相同的方法对镀铜SiO2衬底进行键合，键合后拉伸测试其键合强度约为38Mpa，这表明，利用所述的键合材料作为中间层也能实现两镀铜SiO2衬底的键合。
综上所述，本发明提供了一种基于石墨烯/锡改性的铜纳米颗粒的铜-铜低温键合方法，该方法在键合前将石墨烯/锡改性的铜纳米颗粒均匀涂抹在镀铜衬底上，当以一定温度和压力条件下进行键合时，铜、锡原子相互扩散并形成稳定的铜锡化合物中间层，获得了良好的键合效果。因此，本发明创新的使用石墨烯/锡改性的铜纳米颗粒代替传统金属材料，具有工艺简单、实用性强等优点，且特别适用于高温条件下导电器件的应用，具有高度产业利用的价值。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于石墨烯/锡改性的铜纳米颗粒的铜-铜低温键合方法，其特征在于：是以铜纳米颗粒、锡纳米颗粒和石墨烯微米片的复合物作为键合材料，在低温下实现两镀铜衬底的键合。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯/锡改性的铜纳米颗粒的铜-铜低温键合方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将铜纳米颗粒、锡纳米颗粒、石墨烯微米片在无水乙醇中混合，并在真空搅拌机中搅拌均匀，获得键合材料；
(2)在第一待键合镀铜衬底的待键合表面涂抹所述键合材料，形成键合材料层；
(3)以第一待键合镀铜衬底的待键合面和第二待键合镀铜衬底的待键合面相对，将两待键合镀铜衬底对齐放入键合装置的上、下样品台上，形成由第一待键合镀铜衬底-键合材料层-第二待键合镀铜衬底组装成的待键合组件；
(4)将所述待键合组件在保护气体中进行低温烧结，使烧结后的键合材料层吸附在第一待键合镀铜衬底的待键合面上；然后再在保护气体中施压，进行低温键合，使第一待键合镀铜衬底的待键合面、键合材料层、第二待键合镀铜衬底的待键合面中的铜、锡原子相互扩散，形成铜锡化合物中间层，即实现两镀铜衬底的键合。
3.根据权利要求2所述的基于石墨烯/锡改性的铜纳米颗粒的铜-铜低温键合方法，其特征在于，步骤(1)的具体方法为：将铜纳米颗粒、锡纳米颗粒和石墨烯微米片按质量比94～96:3～4:0.4～0.6在无水乙醇中混合，使用真空搅拌机以2000～3500rpm真空搅拌15～30min，获得键合材料；在所述键合材料中，铜纳米颗粒、锡纳米颗粒和石墨烯微米片三者复合物的质量浓度为10～15％。
4.根据权利要求2所述的基于石墨烯/锡改性的铜纳米颗粒的铜-铜低温键合方法，其特征在于：步骤(2)中，在第一待键合镀铜衬底的待键合表面涂抹所述键合材料前，先将第一待键合镀铜衬底和第二待键合镀铜衬底的待键合表面依次使用丙酮、无水乙醇和去离子水进行超声清洗，然后用N2吹干。
5.根据权利要求2所述的基于石墨烯/锡改性的铜纳米颗粒的铜-铜低温键合方法，其特征在于，步骤(4)的具体方法为：将所述待键合组件在N2气氛中，以200～300℃烧结20～30min；然后再在N2气氛中，恒温并施加12～22MPa的初始压力，键合15～30min。
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2020
- 2020-09-09 CN CN202010942868.9A patent/CN111916344B/zh active Active
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