CN116153796A - 一种铜-铜金属键合方法 - Google Patents

一种铜-铜金属键合方法 Download PDF

Info

Publication number
CN116153796A
CN116153796A CN202211721856.9A CN202211721856A CN116153796A CN 116153796 A CN116153796 A CN 116153796A CN 202211721856 A CN202211721856 A CN 202211721856A CN 116153796 A CN116153796 A CN 116153796A
Authority
CN
China
Prior art keywords
copper
bonding
copper plating
hydrazine hydrate
bonding method
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202211721856.9A
Other languages
English (en)
Inventor
杨文华
黄鑫
谢超
黄志祥
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Anhui University
Original Assignee
Anhui University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Anhui University filed Critical Anhui University
Priority to CN202211721856.9A priority Critical patent/CN116153796A/zh
Publication of CN116153796A publication Critical patent/CN116153796A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L24/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/832—Applying energy for connecting
    • H01L2224/83201—Compression bonding
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/8338—Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
    • H01L2224/83399—Material
    • H01L2224/834—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/83438—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/83447—Copper [Cu] as principal constituent

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)

Abstract

本发明属于三维封装技术领域，具体涉及一种铜‑铜金属键合方法。本发明提供的键合方法，包括以下步骤：在保护气氛下，利用水合肼对清洁的镀铜键合体的镀铜面进行预处理，得到待键合的镀铜键合体；所述预处理的温度为50～90℃；在保护气氛下，将待键合的镀铜键合体进行加压键合；所述加压键合的温度为200～300℃。实施例的数据表明：本发明提供的键合方法得到的铜‑铜键合面的剪切强度可达22MPa。

Description

一种铜-铜金属键合方法
技术领域
本发明属于三维封装技术领域，具体涉及一种铜-铜金属键合方法。
背景技术
集成电路(IC)制造是当今世界一个极为重要的产业，为了提高集成电路的性能和制造工艺，业界一直在不断进行研究。
在过去的几十年间，集成电路的发展一直遵循着摩尔定律，为了延续这个定律，芯片的制作工艺不断地提升。但是，随着芯片尺寸越来越小，生产工艺上的突破已是越来越困难，要实现更高集成度和小型化的电子产品，传统的二维封装技术已经不能满足需求，三维封装技术则是取代二维封装技术成为IC封装的重要研究对象。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，其中以铜-铜金属键合实现芯片的堆叠是三维封装的研究核心。
目前铜-铜金属的键合方式如下：(1)焊接。通过熔化和流动焊料(如：Sn/Ag/Cu，Sn/Au)结合在一起，形成较强的连接强度。(2)通过粘合剂连接，常用的粘合剂包括3种，如：各向同性导电粘合剂(ICA)，各向异性导电粘合剂(ACA)和非导电粘合剂(NCA)。
但是上述连接方式中，中间层(焊料和粘合剂)的存在会增多键合面和中间层或者两个键合面之间的孔隙，导致键合强度不佳。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种铜-铜金属键合方法，本发明提供的键合方法对于铜-铜的键合强度较高。
本发明提供了一种铜-铜金属键合方法，包括以下步骤：
在保护气氛下，利用水合肼对清洁的镀铜键合体的镀铜面进行预处理，得到待键合的镀铜键合体；所述预处理时，镀铜面的温度为50～90℃；
在保护气氛下，将待键合的镀铜键合体进行加压键合；所述加压键合的温度为200～300℃。
优选地，利用水合肼对所述镀铜面的预处理为：将保护气体通入水合肼溶液，所述保护气体携带水合肼分子接触镀铜面，进行预处理。
优选地，所述水合肼溶液的体积浓度为0.4～0.6％。
优选地，所述保护气体通入水合肼溶液的流速为100～300sccm。
优选地，所述加压键合的压力为500～600N，保温保压时间为10～20min。
优选地，所述清洁的镀铜键合体的获取方法包括：将镀铜键合体进行超声清洗。
优选地，所述超声清洗包括依次进行丙酮超声清洗、乙醇超声清洗和去离子水超声清洗。
优选地，所述保护气体为氮气。
优选地，所述镀铜键合体包括镀铜硅或镀铜碳化硅。
本发明提供了一种铜-铜金属键合方法，包括以下步骤：在保护气氛下，利用水合肼对清洁的镀铜键合体的镀铜面进行预处理，得到待键合的镀铜键合体；所述预处理时，镀铜面的温度为50～90℃；在保护气氛下，将待键合的镀铜键合体进行加压键合；所述加压键合的温度为200～300℃。本发明利用水合肼与镀铜键合体表面的氧化层反应，去除大部分表面氧化物(主要为氧化铜)，然后在一定温度下，使预处理后的镀铜面熔化并键合，该键合方法中并未有中间层参与，直接是将熔化后的镀铜面两两接触，镀铜接触面之间的孔隙非常少，因此，键合强度较高。另外，本发明的工艺简单，有利于工业化生产。
实施例的数据表明：本发明提供的键合方法得到的铜-铜键合面的剪切强度可达22MPa。
附图说明
图1为实施例1水合肼气体处理前后镀铜硅键合体的镀铜面的XPS分析谱图；
图2为实施例1镀铜硅键合体在水合肼气体预处理后键合的SEM图；
图3为实施例1～3镀铜硅键合体的键合强度柱状图。
具体实施方式
本发明提供了一种铜-铜金属键合方法，包括以下步骤：
在保护气氛下，利用水合肼对清洁的镀铜键合体的镀铜面进行预处理，得到待键合的镀铜键合体；所述预处理时，镀铜面的温度为50～90℃；
在保护气氛下，将待键合的镀铜键合体进行加压键合；所述加压键合的温度为200～300℃。
本发明在保护气氛下，利用水合肼对清洁的镀铜键合体的镀铜面进行预处理，得到待键合的镀铜键合体。
在本发明中，所述保护气体优选为氮气。在本发明中，所述镀铜键合体优选包括镀铜硅键合体或镀铜碳化硅键合体。在本发明中，对所述镀铜键合体的尺寸不作具体限定，本发明实施例中具体限定为10mm*10mm。
在本发明中，所述清洁的镀铜键合体的获取方法包括：将铜键合体进行超声清洗。
在本发明中，所述超声清洗的频率优选为30～50Hz，更优选为40Hz。在本发明中，所述超声清洗优选包括依次进行丙酮超声清洗、乙醇超声清洗和去离子水超声清洗。在本发明中，所述丙酮超声清洗的时间优选为4～6min，更优选为5min，次数优选为2～3；所述乙醇超声清洗的时间优选为4～6min，更优选为5min，次数优选为2～3；所述去离子水超声清洗的时间优选为4～6min，更优选为5min，次数优选为2～3。
在本发明中，所述超声清洗后，优选还包括将清洗后的键合体用氮气吹干。
在本发明中，利用水合肼对所述镀铜面的预处理：将保护气体通入水合肼溶液，所述保护气体携带水合肼分子接触镀铜面，进行预处理。
在本发明中，所述预处理优选在芯片键合机的键合腔体中进行。在本发明中，在键合腔体中的预处理步骤具体包括：将镀铜键合体的镀铜面相对放置，置于键合腔体，然后，将保护气体通入水合肼溶液，所述保护气体携带水合肼分子接触镀铜面，进行预处理。
在本发明中，所述保护气体通入水合肼溶液的流速优选为100～300sccm，更优选为200sccm。在本发明中，所述水合肼溶液的体积浓度优选为0.4～0.6％，更优选为0.5％。
在本发明中，所述预处理时，镀铜面的温度为50～90℃，优选为60～80℃，保温时间优选为10～30min，更优选为20min。在本发明中，所述预处理优选芯片键合机的腔体中进行。
得到待键合的镀铜键合体后，本发明在保护气氛下，将所述待键合的镀铜键合体进行加压键合。
在本发明中，所述保护气体优选为氮气。
在本发明中，所述加压键合的条件包括：压力优选为500～600N，更优选为550N；温度优选为200～300℃，更优选为220～280℃，保温保压时间优选为10～20min，更优选为15min。
在本发明中，所述加压键合优选在芯片键合机的键合腔体中进行。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细叙述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
将两个待键合镀铜硅键合体(尺寸10mm*10mm)依次使用丙酮，乙醇，去离子水进行超声波清洗，超声波频率为40Hz，清洗时间均为5min，清洗次数均为2次，清洗后用N2吹干，将两待键合镀铜键合体中心对齐后，放入键合装置的腔体样品台。
将氮气以流速200sccm通入体积浓度为0.5％的水合肼溶液中并且携带水合肼分子进入键合装置腔体，对镀铜键合体的铜表面在温度为70℃的条件下预处理20min，水合肼与镀铜键合体表面发生反应，使表面氧化铜得到还原。
然后通入N2，将在N2气氛中，将待键合键合体加热至键合温度200℃，恒温并施加550N的压力，键合15min，即实现两片镀铜硅键合体的键合。
图1为实施例1水合肼气体处理前后镀铜硅键合体的镀铜面的XPS分析谱图。从图1可知：与未处理的镀铜表面相比较。处理后的样品Cu峰明显变高，同时O峰明显降低，这说明水合肼气体对铜表面的氧化物有很好的还原效果。
图2为实施例1镀铜硅键合体在水合肼气体预处理后键合面的SEM图，从图中可以看出铜的键合情况是十分良好的，几乎没有孔隙存在。
实施例2
与实施例1的不同之处仅仅在于：键合温度为250℃。
实施例3
与实施例1的不同之处仅仅在于：键合温度为300℃。
实施例4
与实施例2的不同之处在于：预处理的温度为90℃，预处理时间为20min。经测试，键合强度为21.5MPa。
实施例5
与实施例1不同之处在于：将镀铜硅键合体替换为镀铜SiC键合体，键合强度约为22MPa。
本发明对实施例1～3键合后的镀铜硅键合体利用剪切力测试仪进行了键合强度(剪切强度)的测试，测试结果见图3，从图3可知：实施例1(键合温度为200℃)制备得到的键合后的产物的键合强度为14MPa，实施例2制备得到的键合后的产物的键合强度为21MPa，实施例3制备的得到的键合后的产物的键合强度为22MPa，随着键合温度的升高，键合强度逐渐提高，但是250℃后提升不再明显。
注：本发明测试所得键合强度均为将各实施例中键合后的产物进行了3次测试得到的平均值。
以上所述仅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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种铜-铜金属键合方法，其特征在于，包括以下步骤：
在保护气氛下，利用水合肼对清洁的镀铜键合体的镀铜面进行预处理，得到待键合的镀铜键合体；所述预处理时，镀铜面的温度为50～90℃；
在保护气氛下，将待键合的镀铜键合体进行加压键合；所述加压键合的温度为200～300℃。
2.根据权利要求1所述的键合方法，其特征在于，利用水合肼对所述镀铜面的预处理为：将保护气体通入水合肼溶液，所述保护气体携带水合肼分子接触镀铜面，进行预处理。
3.根据权利要求2所述的键合方法，其特征在于，所述水合肼溶液的体积浓度为0.4～0.6％。
4.根据权利要求2或3所述的键合方法，其特征在于，所述保护气体通入水合肼溶液的流速为100～300sccm。
5.根据权利要求1所述的键合方法，其特征在于，所述加压键合的压力为500～600N，保温保压时间为10～20min。
6.根据权利要求1所述的键合方法，其特征在于，所述清洁的镀铜键合体的获取方法包括：将镀铜键合体进行超声清洗。
7.根据权利要求6所述的键合方法，其特征在于，所述超声清洗包括依次进行丙酮超声清洗、乙醇超声清洗和去离子水超声清洗。
8.根据权利要求2所述的键合方法，其特征在于，所述保护气体为氮气。
9.根据权利要求2所述的键合方法，其特征在于，所述镀铜键合体包括镀铜硅或镀铜碳化硅。
CN202211721856.9A 2022-12-30 2022-12-30 一种铜-铜金属键合方法 Pending CN116153796A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211721856.9A CN116153796A (zh) 2022-12-30 2022-12-30 一种铜-铜金属键合方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211721856.9A CN116153796A (zh) 2022-12-30 2022-12-30 一种铜-铜金属键合方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116153796A true CN116153796A (zh) 2023-05-23

Family

ID=86350040

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211721856.9A Pending CN116153796A (zh) 2022-12-30 2022-12-30 一种铜-铜金属键合方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116153796A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102280653B1 (ko) 전자 부품 탑재 기판 및 그 제조 방법
KR101233282B1 (ko) 접합 방법 및 접합 장치
CN104205301B (zh) 电子元器件及电子元器件的制造方法
KR100446715B1 (ko) 반도체 장치의 제조방법
CN107546132B (zh) 金属-陶瓷复合衬底的制造方法及其制造的复合衬底
US20140256087A1 (en) Hybrid Bonding and Apparatus for Performing the Same
KR100771033B1 (ko) 접속구조체의 제조방법
CN105887149B (zh) 一种金属化陶瓷电镀方法
CN109252148B (zh) 在感光性树脂的表面形成金属层的方法
CN115626835A (zh) 一种陶瓷基覆铜板的制造方法及其产品
CN116153796A (zh) 一种铜-铜金属键合方法
JP2004146731A (ja) 多層配線基体の製造方法
CN111883432A (zh) 一种铜粗化无引脚封装引线框架的制备方法
Chong et al. Comprehensive study of copper nano-paste for Cu-Cu bonding
US20130000967A1 (en) Electric joint structure and method for preparing the same
Sakai et al. Low temperature Cu-Cu direct bonding for 3D-IC by using fine crystal layer
JP2000138255A (ja) 半導体装置の製造方法と製造装置
EP3400762A1 (en) Printed circuit surface finish, method of use, and assemblies made therefrom
CN110047765B (zh) 一种银纳米焊膏低温无压烧结方法
JP4148848B2 (ja) 半導体装置の製造方法
KR20110098510A (ko) 반도체 칩의 실장 방법
US10833043B2 (en) Laser ablation for wire bonding on organic solderability preservative surface
CN113327862A (zh) 无焊料共晶焊接方法及电子产品
Zhang et al. Electroless plating copper cones on leadframe to improve the adhesion with epoxy molding compound
CN115283774B (zh) 一种封装外壳用Cu-Cr-Zr合金引线的处理工艺

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination