CN114300411A - 一种复合材料及其制作方法、半导体封装结构 - Google Patents

一种复合材料及其制作方法、半导体封装结构 Download PDF

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刘志权
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Abstract

本申请涉及材料技术领域，公开了一种复合材料及其制作方法、半导体封装结构。该复合材料包括多孔金属材料和多孔金属材料中孔结构内壁上的金属氧化物壳结构，该制作方法包括对多孔金属材料进行氧化处理以得到具有金属‑金属氧化物核壳结构的复合材料，该半导体封装结构包括使用该复合材料制成的接头。将上述材料、方法、结构用于半导体互连工艺，可以有效提高多孔铜互连结构的力学性能和服役可靠性，简化生产流程，降低生产成本，有利于促进工业大规模生产。

Description

一种复合材料及其制作方法、半导体封装结构
技术领域
本申请涉及材料技术领域，特别涉及一种复合材料及其制作方法、半导体封装结构。
背景技术
微电子技术的革新引领了目前电子科技的发展，伴随着电子技术的快速更新换代，微电子封装技术受到的重视日益增加。金属颗粒低温烧结工艺是近年来新兴的一类封装工艺，通过颗粒尺度效应促进颗粒表面原子的扩散，进而在较低的温度下进行烧结成导电体。烧成的导电体具有高强高韧的力学特性，且由于其构成为单一金属，还具有高导电性及高导热性。可用于印刷电子墨水、烧结型金属互连材料、通孔填充烧结材料等场合。且烧结后形成的块体中颗粒尺度效应消失，重熔温度恢复到块体金属的熔点，保证了其高温可靠性。以金属铜为例，铜单质导电、导热性能优越，且价格便宜，方便制备为微纳米尺度颗粒，作为金属颗粒低温烧结连接焊膏中性价比优异的烧结填料，满足目前快速发展的电子工业需要。
然而，铜颗粒烧结后由于其本征特性导致孔洞较多，难以获得可靠的烧结结构，极大影响了其力学性能。即使获得的多孔铜互连接头有着极好导热导电率，较高的孔隙率却难以保证其服役可靠性。如何减少烧结体的孔隙率，增加连接层的密度，是提高多孔铜互连结构服役可靠性的关键。近年，有报道指出，在连接过程中加高压及高温并延长连接工艺时间，能够促进铜的扩散并降低孔隙率，从而获得结构致密的多孔连接体，改善了力学、电学及热学性能，但是这种后处理方法费时费力，并不适用于工业大量生产，且成本较高。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种复合材料及其制作方法、半导体封装结构，能够解决现有多孔铜互连结构中孔隙率过高导致的力学性能和服役可靠性不达标的问题。
为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种复合材料，该复合材料包括多孔金属材料，多孔金属材料中包括多个孔结构，在孔结构的内壁包括金属氧化物壳结构。
具体地，该复合材料包括中心部分和包裹中心部分的外层部分，外层部分的孔结构内壁包括金属氧化物壳结构。
具体地，在该复合材料中，金属为铜，金属氧化物包括氧化铜和氧化亚铜中的至少一种。
为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供一种复合材料的制作方法，该制作方法包括：提供一多孔金属材料，该多孔金属材料包括多个孔结构；对多孔金属材料进行氧化处理，以在其孔结构的内壁形成金属氧化物壳结构。
具体地，在上述方法中，对多孔金属材料进行氧化处理，包括：对该多孔金属材料进行高温热处理、恒温恒湿热处理、氧化性溶液处理、氧化性等离子注入处理中的至少一种。
其中，进行高温热处理的温度范围为150-250℃，处理时间为10-100小时。
具体地，在上述方法中，对多孔金属材料进行氧化处理之前，还包括：对多孔金属材料进行清洗操作；对多孔金属材料表面的预设区域进行镀膜处理，以防止预设区域进行氧化处理。
具体地，在上述方法中，金属为铜，金属氧化物包括氧化铜或氧化亚铜中的至少一种。
具体地，在上述方法中，提供一多孔金属材料，包括：对铜颗粒或多孔铜膜进行烧结，以得到多孔金属材料。
具体地，在上述方法中，多孔金属材料的含铜率大于90％，多孔金属材料的孔隙率大于10％。
为解决上述技术问题，本申请采用的又一个技术方案是：提供一种半导体封装结构，该半导体封装结构包括：基板；半导体器件，设置于基板之上；接头，设置于基板和半导体器件之间，用于连接基板和半导体器件。其中，接头为上述的复合材料或者采用上述方法制作得到的复合材料。
区别于现有技术，本申请提供了一种复合材料及其制作方法、半导体封装结构，该复合材料包括多孔金属材料，多孔金属材料中包括多个孔结构，在孔结构的内壁包括金属氧化物壳结构。通过上述方式，相比于现有技术中的多孔金属材料，增加了孔结构内部的金属氧化物壳体。由于在原本的空隙中增加了金属氧化物壳体，填充了原来的孔洞，使得材料本身更加致密，提高了材料的强度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
图1是本申请提供的一种半导体封装结构的示意图；
图2是本申请提供的复合材料的结构示意图；
图3是本申请提供的复合材料的制作方法的流程示意图；
图4是图3中S32的流程示意图；
图5是本申请提供的多孔金属材料按上述方法进行氧化处理前后的结构示意图；
图6是本申请提供的实施例1中对多孔金属样品进行氧化处理前后的扫描电镜形貌、XRD像分析、剪切强度及电阻率的对比图；
图7是本申请提供的实施例2中对多孔金属样品进行氧化处理前后的扫描电镜形貌、XRD像分析、剪切强度及电阻率的对比图；
图8是本申请提供的实施例3中经过氧化处理的多孔金属样品与原始多孔金属样品分别形成器件进行1000次功率循环前后的扫描电镜形貌及剪切强度的对比图；
图9是本申请提供的对比例1中对多孔金属样品进行非氧化处理后的扫描电镜形貌图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部结构。基于本申请中的实施例，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他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
参阅图1，图1是本申请提供的一种半导体封装结构的示意图，该半导体封装结构100包括半导体芯片110、多孔铜接头120、基板130，半导体芯片110通过多孔铜接头120连接在基板130上。
其中，半导体芯片110为在半导体片材上进行浸蚀，布线，制成的能实现某种功能的半导体器件，在此不做具体限定。
其中，基板130为制造PCB(Printed Circuit Board，印制电路板)的基本材料，一般情况下，基板就是覆铜箔层压板，在此也不做具体限定。
其中，多孔铜接头120的材料为本申请提供的复合材料或通过本申请提供的方法制作得到的复合材料，下面通过几种实施例对多孔铜接头120的复合材料的结构和制作方法进行介绍。
参阅图2，图2是本申请提供的复合材料的结构示意图，具体地，上述多孔铜接头120采用复合材料200制作得到，该复合材料200包括多孔金属材料，多孔金属材料包括多个孔结构121，孔结构121内壁包括金属氧化物壳结构122。该复合材料200可以分为中心部分和包裹中心部分的外层部分，外层部分的孔结构121内壁包括金属氧化物壳结构122。
其中，多孔金属材料即金属内部弥散分布着大量的有方向性的或随机的孔洞，这些孔洞的直径约2um～3mm之间。由于对孔洞的设计要求不同，孔洞可以是泡沫型的，藕状型的，蜂窝型的等等。多孔金属材料还可以根据其孔洞的形态可以分为独立孔洞型的和连续孔洞型的二大类。独立型的材料具有比重小，刚性、比强度好，吸振、吸音性能好等特点；连续型的材料除了具有上述特点之外，还具有浸透性、通气性好等特点。正因为多孔金属材料具有结构材料利功能材料的特点，所以被广泛应用于航空航天、交通运输、建筑工程、机械工程、电化学工程、环境保护工程等领域。
本实施例相比于现有技术中的多孔金属材料，在孔结构121的内壁增加了金属氧化物壳结构122，由于在原本的空隙中增加了金属氧化物壳体，填充了原来的孔洞，使得材料本身更加致密，增加了材料的强度。
在一实施例中，该金属可以为铜，其孔结构内壁设置的金属氧化物可以是氧化铜、氧化亚铜等铜的氧化物。具体地，铜颗粒低温烧结后形成多孔铜。其中，铜单质导电，导热性能优越，且价格便宜，方便制备为微纳米尺度颗粒，作为金属颗粒低温烧结连接焊膏中性价比优异的烧结填料，满足目前快速发展的电子工业需要。然而，铜颗粒烧结后由于其本征特性导致孔洞较多，难以获得可靠的烧结结构，极大影响了其力学性能。即使获得的多孔铜互连接头有着极好导热导电率，较高的孔隙率难以保证其服役可靠性。而采用本实施例的方式在孔结构内壁增加铜的氧化物，能够减少多孔铜的孔隙率，增加多孔铜的密度，进而提高材料的强度。
参阅图3，图3是本申请提供的复合材料的制作方法的流程示意图，该方法包括：
S31：提供一多孔金属材料，该多孔金属材料包括多个孔结构。
具体地，该多孔金属材料为通过对铜颗粒或多孔铜膜进行烧结制作得到。
具体地，该多孔金属材料的含铜率大于90％，该多孔金属材料的孔隙率大于10％。
S32：对该多孔金属材料进行氧化处理，以在该多孔金属材料的孔结构内壁形成金属氧化物壳结构。
可选地，进行氧化处理的方法包括高温热处理、恒温恒湿热处理、氧化性溶液处理、氧化性等离子注入处理中的至少一种。
具体地，高温热处理的温度范围为150-250℃，处理时间为10-100小时。
相比于现有技术，本实施例提供的复合材料的制作方法通过对原有的多孔金属材料进行氧化处理，以在孔结构内部形成金属氧化物壳体，相比于现有技术中经过长时间的高温高压处理而言，制作方法更加简单。在原本的空隙中增加了金属氧化物壳体，填充了原来的孔洞，使得材料本身更加致密，提高了材料的强度。并且在工艺流程上减小了成本，提高了制作效率。
参阅图4，图4是图3中S32的流程示意图，S32还可以包括：
S321：对多孔金属材料进行清洗操作。
具体地，使用专用清洗剂清洗多孔金属材料表面的污垢和可能有机物残留，保持其表面及多孔结构清洁。
S322：对多孔金属材料表面的预设区域进行镀膜处理。
具体地，通过镀膜工艺对多孔金属材料表面的预设区域进行镀膜处理，以防止其预设区域在氧化处理过程中被氧化。
S323：将多孔金属材料置于氧化环境中进行氧化处理。
可选地，在高温热处理的方法中，将多孔金属材料置于温度范围为150-250℃的大气环境中，处理时间为10-100小时。
参阅图5，图5是本申请提供的多孔金属材料按上述方法进行氧化处理前后的结构示意图，其中，多孔铜接头120内部包括多个孔结构121，进行氧化处理后，孔结构121的内壁生成了金属氧化物壳结构122，从而在多孔铜接头120内部形成铜-氧化铜核壳结构，其中心部分为多孔铜核结构，外层部分为氧化铜壳结构，中心部分被外层部分包裹。
具体地，铜经过氧化后会吸收氧原子而生成铜氧化物，纯铜的密度为8.9g/cm3，氧化铜的密度为6g/cm3，可以理解地，由于氧化铜相较于纯铜有着较低的密度，因此生成的氧化铜体积会增大，占据更多的空间，从而填充多孔铜接头的孔结构，形成较为致密的结构，提高多孔铜接头的连接强度和服役可靠性。
参阅图6，图6是本申请提供的实施例1中对多孔金属样品进行氧化处理前后的扫描电镜形貌、XRD像分析、剪切强度及电阻率的对比图。
具体地，扫描电镜形貌是通过扫描电子显微镜观察得到的形貌，扫描电子显微镜(SEM)是一种介于透射电子显微镜和光学显微镜之间的一种观察手段。其利用聚焦的很窄的高能电子束来扫描样品，通过光束与物质间的相互作用，来激发各种物理信息,对这些信息收集、放大、再成像以达到对物质微观形貌表征的目的。扫描电子显微镜和其他分析仪器相结合，还可以做到观察微观形貌的同时进行物质微区成分分析。
具体地，XRD即X射线衍射技术，当一束单色X射线入射到晶体时，由于晶体是由原子规则排列成的晶胞组成，这些规则排列的原子间距离与入射X射线波长有X射线衍射分析相同数量级，故由不同原子散射的X射线相互干涉，在某些特殊方向上产生强X射线衍射，衍射线在空间分布的方位和强度，与晶体结构密切相关，每种晶体所产生的衍射花样都反映出该晶体内部的原子分配规律。通过对材料进行X射线衍射，分析其衍射图谱，可以获得材料的成分、材料内部原子或分子的结构或形态等信息。
具体地，剪切强度是材料剪断时产生的极限强度，在数值上等于剪切面上的切向应力值，即剪切面上形成的剪切力与破坏面积之比，反映材料抵抗剪切破坏的最大能力，剪切强度可以通过剪切强度测试得到。
具体地，电阻率是用来表示材料电阻特性的物理量，在数值上等于用该材料制成的长为1米，横截面积为1平方米的导体的电阻值，反映材料对电流阻碍作用的属性，电阻率可以通过电阻率测试得到。
通过上述特征及参数，可以对多孔金属材料的形貌、结构、连接强度、导电性作出分析比较。
在本申请提供的实施例1中，使用的原材料样品为3mm×3mm铜颗粒烧结互连接头，平均孔隙率为28％，平均剪切强度为27.1MPa，平均电阻率为1.0×10-6Ω。对该接头进行氧化处理的方式为高温热处理，得到一种铜-氧化铜强化结构。
具体地，高温热处理包括：对该接头进行清洗操作，清洗表面的污垢和可能有机物残留，保持表面及多孔结构清洁；对该接头表面的预设区域进行镀膜处理，防止其预设区域被氧化；将该接头置于空气烤箱中，加热至200℃，处理时间为50-100小时。
将高温热处理后的样品通过扫描电镜观察，EDS、XRD像分析，剪切强度测试，电阻率测试，与高温热处理前进行对比，得出的结果如图6所示。处理后的样品扫描电镜照片显示原始铜烧结多孔结构部分被氧化铜填满，EDS、XRD可以检测出铜与氧化铜并存于烧结结构中。样品的孔隙率明显降低，从处理前的28％降到了8.9％，剪切强度随高温热处理进行的时间增加而持续提高，从27.1MPa提高到39.0MPa，电阻率有一定程度上升，从1.0×10-6Ω上升到9.6×10-6Ω。
由此可见，经过高温热处理，铜颗粒烧结互连接头孔隙率显著降低，剪切强度大幅提高，可以提升接头的力学性能和服役可靠性，但导电性能有所下降。
参阅图7，图7是本申请提供的实施例2中对多孔金属样品进行氧化处理前后的扫描电镜形貌、XRD像分析、剪切强度及电阻率的对比图。
在本申请提供的实施例2中，使用的原材料样品为3mm×3mm铜颗粒烧结互连接头，平均孔隙率为28％，平均剪切强度为27.1MPa，平均电阻率为1.0×10-6Ω。对该接头进行氧化处理的方式为恒温恒湿热处理，得到一种铜-氧化铜强化结构。
具体地，恒温恒湿热处理包括：对该接头进行清洗操作，清洗表面的污垢和可能有机物残留，保持表面及多孔结构清洁；对该接头表面的预设区域进行镀膜处理，防止其预设区域被氧化；将该接头置于温度为85℃、湿度为85RH的大气环境中，处理时间为50-100小时。
将恒温恒湿热处理后的样品通过扫描电镜观察，EDS、XRD像分析，剪切强度测试，电阻率测试，与恒温恒湿热处理前进行对比，得出的结果如图7所示。处理后的样品扫描电镜照片显示原始铜烧结多孔结构表面长出了一层氧化膜，EDS、XRD可以检测出铜与氧化铜并存于烧结结构中。样品的孔隙率有一定程度降低，从28％降到了20.1％，剪切强度随恒温恒湿热处理进行的时间增加而持续提高，从27.1MPa提高到33.4MPa，电阻率未见明显上升，从1.0×10-6Ω略微上升到1.6×10-6Ω。
由此可见，经过恒温恒湿热处理，铜颗粒烧结互连接头孔隙率有一定程度降低，剪切强度有一定提高，可以提升接头的力学性能和服役可靠性，同时对其导电性能几乎没有影响。
参阅图8，图8是本申请提供的实施例3中经过氧化处理的多孔金属样品与原始多孔金属样品分别形成器件进行1000次功率循环前后的扫描电镜形貌及剪切强度的对比图。
在本申请提供的实施例3中，使用的原材料样品为2.7mm×3.4mm铜颗粒烧结互连接头，平均孔隙率为20％，平均剪切强度为34MPa，功率循环设置为两组分别进行。
一组样品不做处理，连接同等大小SiC-MOSFET芯片至DBC基板以形成器件，而后使用功率循环(40℃-175℃)1000次进行服役可靠性评估；另一组样品进行氧化处理，氧化处理的方式为高温热处理，具体为在大气中加热至200℃，处理时间为100小时，经过高温热处理后的样品再连接同等大小SiC-MOSFET芯片至DBC基板以形成器件，而后使用功率循环(40℃-175℃)1000次进行服役可靠性评估。
将进行功率循环后的样品通过扫描电镜观察，剪切强度测试，与进行功率循环前进行对比，得出的结果如图8所示。其中，原始样品经过1000次功率循环后，扫描电镜照片显示其内部出现较多裂纹，剪切强度也出现大幅度下降；进行氧化处理的样品经过1000次功率循环后，扫描电镜照片显示其内部裂纹较少，剪切强度也未明显下降。进一步比较可知，进行氧化处理的样品的剪切强度在功率循环前、后都高于原始样品的剪切强度。由此可见，对铜颗粒烧结互连接头进行氧化处理可以显著提高其在实际应用中的服役可靠性。
参阅图9，图9是本申请提供的对比例1中对多孔金属样品进行非氧化处理后的扫描电镜形貌图。
在本申请提供的对比例1中，使用的原材料样品为3mm×3mm铜颗粒烧结互连接头，平均孔隙率为28％，平均剪切强度为27.1MPa，平均电阻率为1.1×10-6Ω，对该接头进行非氧化处理，得到一种对比样品。
具体地，对该接头进行非氧化处理包括：对该接头进行清洗操作，清洗表面的污垢和可能有机物残留，保持表面及多孔结构清洁；将该接头置于真空环境中，加热至200℃，处理时间为50-100小时。
将非氧化处理后的对比样品通过扫描电镜观察，EDS、XRD像分析，剪切强度测试，电阻率测试，得出的扫描电镜形貌图如图9所示。对比样品的扫描电镜照片显示原始铜烧结多孔结构及金属相结构未发生太大变化；同时，对比样品的剪切强度为28MPa，孔隙率为27.6％，电阻率为0.9×10-6Ω，与原始样品相比均未发生太大变化。
由此可见，对铜颗粒烧结互连接头进行非氧化处理不能改变其结构和性能，与之相反，对铜颗粒烧结互连接头进行氧化处理可以降低其孔隙率，提高其强度，从而提升其力学性能和服役可靠性。
以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是根据本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种复合材料，其特征在于，所述复合材料包括多孔金属材料，所述多孔金属材料包括多个孔结构，所述孔结构内壁包括金属氧化物壳结构。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，
所述复合材料包括中心部分和包裹所述中心部分的外层部分，所述外层部分的所述孔结构内壁包括所述金属氧化物壳结构。
3.根据权利要求1或2所述的复合材料，其特征在于，
所述金属为铜，所述金属氧化物包括氧化铜或氧化亚铜中的至少一种。
4.一种复合材料的制作方法，其特征在于，
提供一多孔金属材料，所述多孔金属材料包括多个孔结构；
对所述多孔金属材料进行氧化处理，以在所述孔结构的内壁形成金属氧化物壳结构。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，
所述对所述多孔金属材料进行氧化处理，包括：
对所述多孔金属材料进行高温热处理、恒温恒湿热处理、氧化性溶液处理、氧化性等离子注入处理中的至少一种；
其中，所述高温热处理的温度范围为150-250℃，处理时间为10-100小时。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，
所述对所述多孔金属材料进行氧化处理之前，还包括：
对所述多孔金属材料进行清洗操作；
对所述多孔金属材料表面的预设区域进行镀膜处理，以防止所述预设区域进行所述氧化处理。
7.根据权利要求4-6任一项所述的方法，其特征在于，
所述金属为铜，所述金属氧化物包括氧化铜或氧化亚铜中的至少一种。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，
所述提供一多孔金属材料，包括：
对铜颗粒或多孔铜膜进行烧结，以得到所述多孔金属材料。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，
所述多孔金属材料的含铜率大于90％，所述多孔金属材料的孔隙率大于10％。
10.一种半导体封装结构，其特征在于，所述半导体封装结构包括：
基板；
半导体器件，设置于所述基板上；
接头，设置于所述基板和所述半导体器件之间，用于连接所述基板和所述半导体器件，所述接头是如权利要求1-3任一项所述的复合材料，或采用如权利要求4-9任一项所述的方法制作得到的复合材料。
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