CN112670190A - 一种固相键合连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微电子封装技术领域，具体涉及一种固相键合连接方法，对基体待键合表面进行表面处理后沉积一层厚度为5μm～20μm的钝化膜；将两个沉积有钝化膜的基材相向堆叠后加载机械压力，在压力状态下引燃钝化膜，引发钝化膜的自蔓延反应，利用反应的瞬时高温高热加速键合界面扩散在较低温度下实现良好的固相键合。本发明提供的固相键合连接方法，既能实现可靠的低温键合又能在空气中直接键合，既能键合同种材料也适合于异种材料的连接，使得人们在得到可靠的键合的同时，降低生产成本、提高生产效率、简化键合工艺。

Description

一种固相键合连接方法

技术领域

本发明涉及电子封装技术领域，具体涉及一种固相键合连接方法。

背景技术

随着对器件尺寸微小化和芯片高密度集成化要求的越来越高，传统的二维封装集成技术受摩尔定律的限制，已经趋近于物理极限，无法解决互连延时和功耗增加导致的性能和成本问题。

三维堆叠集成及封装技术实现了芯片在垂直方向上的互连，延迟短、功耗低、效率高、集成密度高，成为了延续摩尔定律的唯一方法。而互连键合连接技术是实现三维集成及封装技术的关键技术之一。目前主要的键合连接技术有阳极键合、粘结键合、共晶键合、晶圆直接键合以及凸点键合等，其中后两者不仅可以实现电气互连，还能减小器件尺寸和降低工艺成本，是现在键合连接技术研究的热点。但是由于键合工艺使用的工艺温度较高，限制了热敏感材料的使用并且会对其他部件造成热损伤而影响寿命；包容性差，不适合于膨胀系数差别较大的异种材料的直接键合；要求真空或者惰性气氛环境，对键合设备要求高，工艺复杂。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种固相键合连接方法，既能实现可靠的低温键合又能在空气中直接键合，既能键合同种材料也适合于异种材料的连接，使得人们在得到可靠的键合的同时，降低生产成本、提高生产效率、简化键合工艺。

一种固相键合连接方法，包括以下步骤：

对基体待键合表面进行表面处理后沉积一层厚度为5μm～20μm的钝化膜；将两个沉积有钝化膜(钝化保护，防止污染，表面质量变差)的基材相向堆叠后加载机械压力，在压力状态下引燃钝化膜，引发钝化膜的自蔓延反应，反应完成后得到固相键合基体。

进一步地，所述两个沉积有钝化膜的基材相同或不同，分别选自纯金属、金属化合物或金属硅化物；

进一步地，其中纯金属选自Cu、Al、Au、Ag、Si、Ni、Sn或Ti；金属化合物选自TiN、SiO₂或Al₂O₃；金属硅化物选自WSi₂或TiSi₂。

进一步地，所述钝化膜为Al或Si单层膜和能够与Al或Si发生自蔓延反应的过渡金属单层膜交替沉积而成，两种单层膜的单层厚度之和为100～500nm。

进一步地，所述过渡金属单层金属选自Ti、Ni、Pd、Zr或Pt。两种材料的单层厚度比使二者原子比应该符合反应产物原子比。

进一步地，Al或Si单层膜和能够与Al或Si发生自蔓延反应的过渡金属单层膜的原子比符合反应产物原子比。

进一步地，所述表面处理为等离子体处理、化学机械抛光或甲酸处理，以降低基体A和/或基体B表面粗糙度及提高表面活性。

进一步地，所述引燃方式为快速加热至自蔓延反应温度，保温保压；其中升温速率4-8℃/s。

进一步地，所述机械压力压强为10MPa～20MPa，保温时间为15min～30min。

进一步地，所述表面处理为在待键合基材表面沉积一层钎焊膜，所述钎焊膜选自Sn膜、Au-Sn膜、SnAgCu膜、Zn-Cu-Sn膜和硼酸玻璃膜中的一种。

进一步地，钎焊膜沉积厚度3-5μm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)本发明所述固相键合连接方法，通过利用自蔓延钝化层薄膜在键合瞬时产生的高温高热，能显著激活键合界面的扩散键合，从而显著降低键合对高温扩散的依赖，降低了生产能耗和热预算，因此键合温度低，减小了对键合结构或器件的热损伤和热应力积累，可用于热预算较低的材料或结构的键合连接，提高了整体键合结构或器件的可靠性；

2)本发明所述固相键合连接方法适用于IC制造领域频繁出现的异种材料的键合连接，可以很好的克服异种材料因物理性能差别较大导致的热失配；

3)本发明所述固相键合连接方法不需要高真空或特殊气氛，在空气中即可完成键合，工艺操作简单方便，

4)本发明所述固相键合连接方法适合于高集成度的发展趋势下，高密度窄间距的键合互连需求。

5)本发明针对传统热压键合工艺的工艺温度高、键合表面质量和真空度要求高、键合时间长等不足，提出了一种高效的低温热压固相键合连接技术，能在较低的温度和空气中实现可靠的固相键合，还能良好的适用于异种材料的键合连接，在降低键合温度和提高效率的同时，解决了高密度窄间隙键合结构对固相键合连接技术的需求。

附图说明

图1为本发明实施例1的工艺流程图。

具体实施方式

现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。

在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

实施例1

(1)以Cu作为基体A和B，将基体A和基体B待键合表面分别进行化学机械抛光处理；分别在经过化学机械抛光处理的基体A和基体B表面沉积厚度为60nm的Al单层膜，然后沉积厚度为40nm的Ni单层膜，采用磁控溅射精细镀膜工艺，依次交替沉积(Al单层膜和Ni单层膜的单层厚度比为3：2原子比为1：1)直至每个基体的总沉积厚度5μm，得到沉积有钝化膜的基材A和基材B。

(2)将两个沉积有钝化膜的基材A和基材B的钝化膜相向堆叠后加载10MPa的机械压力，在压力状态下以8℃/s的升温速率快速升温至230-240℃保温20min，引燃钝化膜，Al单层膜和Ni单层膜发生自蔓延反应生成反应产物AlNi膜，反应完成后得到固相键合基体。

图1为本发明具体实施方式的工艺流程图。

实施例2

(1)以Cu作为基体A，TiN作为基体B，将基体A和基体B待键合表面分别进行化学机械抛光处理；分别在经过化学机械抛光处理的基体A和基体B表面沉积厚度为150nm的Al单层膜，然后沉积厚度为100nm的Ni单层膜，依次交替沉积(Al单层膜和Ni单层膜的单层厚度比为3：2，以维持二者原子比为1：1)直至每个基体的总沉积厚度10μm，得到沉积有钝化膜的基材A和基材B。

(2)将两个沉积有钝化膜的基材A和基材B的钝化膜相向堆叠后加载15MPa的机械压力，在压力状态下以8℃/s的升温速率快速升温至250-260℃保温20min，引燃钝化膜，Al单层膜和Ni单层膜发生自蔓延反应生成反应产物AlNi膜，反应完成后得到固相键合基体。

实施例3

(1)以Cu作为基体A，WSi₂作为基体B，将基体A和基体B待键合表面分别进行化学机械抛光处理；分别在经过化学机械抛光处理的基体A和基体B表面沉积厚度为240nm的Al单层膜，然后沉积厚度为180nm的Ni单层膜，依次交替沉积(Al单层膜和Ni单层膜的单层厚度比为3：2，以维持二者原子比为1：1)直至每个基体的总沉积厚度15μm，得到沉积有钝化膜的基材A和基材B。

(2)将两个沉积有钝化膜的基材A和基材B的钝化膜相向堆叠后加载10MPa的机械压力，在压力状态下以8℃/s的升温速率快速升温至260-270℃保温20min，引燃钝化膜，Al单层膜和Ni单层膜发生自蔓延反应生成反应产物AlNi膜，反应完成后得到固相键合基体。

实施例4

(1)以SiO₂作为基体A，Al₂O₃作为基体B，将基体A和基体B待键合表面进行等离子体轰击处理，通过磁控溅射沉积3μm左右的Au-Sn薄膜或者丝网印刷5μm的硼酸玻璃焊料薄膜；分别在经过表面处理的基体A和基体B表面沉依次交替积厚度为300nm的Al单层膜，然后沉积厚度为270nm的Pt或150nm的Pd单层膜(Al单层膜与Pt或Pd)单层膜的单层厚度比为10：9或2：1，以维持二者原子比为1：1)作为钝化层，钝化层的的总厚度为20μm，得到沉积有钝化膜的基材A和基材B。

(2)将两个沉积有钝化膜的基材A和基材B的钝化膜相向堆叠后加载20MPa的机械压力，在压力状态下以5℃/s的升温速率快速升温至270-280℃保温30min，引燃钝化膜，Al单层膜和Ni单层膜发生自蔓延反应生成反应产物AlPt/AlPd膜，反应完成后得到固相键合基体。

实施例5

(1)以TiN作为基体A，TiSi₂作为基体B，将基体A和基体B待键合表面通过电镀镀膜工艺沉积厚度为3μm的Sn膜；分别在沉积有Sn膜的基体A和基体B表面依次交替沉积厚度为146nm的Al单层膜，然后沉积厚度为100nm的Ni单层膜(Ti单层膜和Si单层膜的单层厚度比为1.46：1，以维持二者原子比为5：3)，直至钝化层的总沉积厚度15μm，得到沉积有钝化膜的基材A和基材B。

(2)将两个沉积有钝化膜的基材A和基材B的钝化膜相向堆叠后加载10MPa的机械压力，在压力状态下以8℃/s的升温速率快速升温至260-270℃保温20-25min，引燃钝化膜，Al单层膜和Ni单层膜发生自蔓延反应生成反应产物AlNi膜，反应完成后得到固相键合基体。

效果验证

将实施例1-5制备的固相键合基体进行性能验证，方法如下：采用复合剪切强度测试标准JEDEC JESD22-B117A的多功能推拉测试设备，测得键合结构剪切强度高于60MPa；

本发明提出的Al系自蔓延钝化层的产物为Al系金属间化合物，Si系自蔓延钝化层的产物为金属硅化物，均为导体，遵循IPC-9701A标准，测得二者键合结构的电导率分别在10^-6和10^-4量级，符合IPC-4951A标准中局部导电互连材料的性能要求；150℃下经400h加速高温老化后，剪切强度衰减低于10％，也未出现明显组织缺陷，远优于IPC-SM-785标准规定性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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 (9)

1.一种固相键合连接方法，其特征在于，包括以下步骤：

对基体待键合表面进行表面处理后沉积一层厚度为5μm～20μm的钝化膜；将两个沉积有钝化膜的基材相向堆叠后加载机械压力，在压力状态下引燃钝化膜，引发钝化膜的自蔓延反应，反应完成后得到固相键合基体。

2.根据权利要求1所述的固相键合连接方法，其特征在于，所述两个沉积有钝化膜的基材相同或不同，分别选自纯金属、金属化合物或金属硅化物。

3.根据权利要求1所述的固相键合连接方法，其特征在于，所述钝化膜为Al或Si单层膜和能够与Al或Si发生自蔓延反应的过渡金属单层膜交替沉积而成，两种单层膜的单层厚度之和为100～500nm。

4.根据权利要求3所述的固相键合连接方法，其特征在于，Al或Si单层膜和能够与Al或Si发生自蔓延反应的过渡金属单层膜的原子比符合反应产物原子比。

5.根据权利要求1所述的固相键合连接方法，其特征在于，所述表面处理为等离子体处理、化学机械抛光或甲酸处理。

6.根据权利要求1所述的固相键合连接方法，其特征在于，所述引燃方式为快速加热至自蔓延反应温度，保温保压；其中升温速率4-8℃/s。

7.根据权利要求6所述的固相键合连接方法，其特征在于，所述机械压力压强为10MPa～20MPa，保温时间为15min～30min。

8.根据权利要求1所述的固相键合连接方法，其特征在于，所述表面处理为在待键合基材表面沉积一层钎焊膜，所述钎焊膜选自Sn膜、Au-Sn膜、SnAgCu膜、Zn-Cu-Sn膜和硼酸玻璃膜中的一种。

9.根据权利要求8所述的固相键合连接方法，其特征在于，钎焊膜沉积厚度3-5μm。

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