CN116344369B - 一种采用细粒银箔进行低压固态键合的方法及键合结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种采用细粒银箔进行低压固态键合的方法及键合结构，解决现有技术中芯片连接条件存在机械性能差、孔隙率大、影响芯片连接质量的技术问题。包括如下步骤：(1)制备细粒银箔：采用冷轧和多次退火的方法生产银箔，消除了残余应力和织构，获得良好的显微组织，具体为：在真空下，将银锭熔化成银丸，进行冷轧和退火处理，在每次轧制运行中，降低70％银箔的厚度，退火温度为250℃‑350℃，制得厚度为50μm‑100μm的细粒银箔；(2)固态原子键合连接；在真空中，以步骤(1)制备的细粒银箔为粘结介质，键合结构从上至下依次为：金属化硅片、所述细粒银箔和铜基片，进行固态键合连接。可广泛应用于微电子封装技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及微电子封装技术领域，具体为一种采用细粒银箔进行低压固态键合的方法及键合结构。
背景技术
在电子封装中，芯片连接是一个关键步骤，其为有源器件提供机械支撑以及散热路径。如今，飞机、汽车、航空航天和深层油气钻探的先进发展要求电子设备在高温环境下工作。例如，深层石油勘探设备的工作温度已提高到300℃，而金锗(AuGe)共晶合金、高铅(Pb)等传统高温模附材料及焊料由于其熔点较低，无法承受300℃的高温。因此，对芯片连接条件目前存在以下技术问题：
首先，熔化温度高的材料在结合过程中需要较高的工艺温度才能转化为熔融相，克服这一限制的方法是采用固液间熔键，具体为采用由低熔点组分和高熔点组分组成的结构的固液互扩散键合，在粘合过程中，低熔点组分熔化，并与高熔点组分反应消耗以形成高熔点的新相。因此，可以在较低的粘结温度下进行高温接合，制作高温接头。
但是，固液间熔键的固相连接存在的问题是在接合期间，熔化相被消耗时形成的金属间化合物区域存在机械性能差、孔隙率大，影响最终芯片整体质量，尽管其中金属间化合物接头的机械性能可以通过热处理得到改善，但孔隙的形成的问题目前不易解决。
目前，已经开发了基于Ag/Sn、Cu/Sn和Au/Sn的连接工艺。其中，银纳米颗粒由于它优越的物理性能：在金属中最高的电导率和最高的热导率，高的熔化温度和高的延展性，使用量最多的、性价比最高的材质之一，对于其使用过程中产生孔隙的问题，通常会采用缩小银纳米颗粒的尺寸来提高其连接性能，当银纳米颗粒的尺寸缩小到2.4nm时，由于表面原子比例的增加，表面预熔温度可低至350℃，随着工艺的进一步改进，烧结温度能降至275℃，然而烧结银工艺的根本挑战仍是无法消除的气孔。
由于铜是电子封装中最常用的引线框架、电极和键合板的材料，因此使用Ag将高质量的半导体芯片连接到铜，将对电子行业特别是高温电力电子行业做出重大贡献。在芯片连接的高温可靠性测试中，现有技术许多研究小组报道了：在高温连接过程中，氧气通过Ag内部的孔隙渗透到Cu基体，使其产生氧化层，进而成为弱区域。而金属化层与多孔银之间的相互扩散会增大界面区附近的孔隙大小，导致结合强度下降，最终会影响芯片连接质量。
目前，只有少数几个小组已经开发了在基材上采用涂覆隔离层的形式来减少氧化的方法，来降低其内部金属被氧化的情况。但其制作成本高，且实际效果差，不能满足实际芯片连接的需求。
综上，无论烧结银中有无气孔，银仍然是一种有吸引力的粘结介质，因此，在芯片连接领域中亟需一种解决固态键合过程中烧结银产生气孔问题的方法。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，本发明提供了一种在低压条件下进行固态键合，键合界面清晰、孔洞少，键合界面基本完好、结合结构不开裂、粘结强度高、机械性能高，显著提高芯片连接质量，有效解决烧结银会产生气孔的技术问题，满足实际芯片连接的需求的采用细粒银箔进行低压固态键合的方法及键合结构。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：本发明提供的采用细粒银箔进行低压固态键合的方法，包括如下步骤：
(1)制备细粒银箔：采用冷轧和多次退火的方法生产银箔，消除了银晶粒的残余应力和织构，获得良好的显微组织，具体操作为：
在真空下，将银锭熔化成银丸，冷却到室温后进行冷轧和退火处理，在每次轧制运行中，降低70％银箔的厚度，退火温度为250℃-350℃，制得厚度为50μm-100μm的细粒银箔；
(2)固态原子键合连接
在真空中，以步骤(1)制备的细粒银箔为粘结介质，键合结构从上至下依次为：金属化硅片、所述细粒银箔和铜基片，将上述键合结构在6MPa-10MPa压力、250℃-350℃温度条件下，进行固态键合连接。
优选的，步骤(1)中轧制条件为：轧制过程采用多道次轧制，轧制道次为8个-12个，各轧制道次的轧制方向与轧制面保持不变。
优选的，步骤(1)中退火温度的保温时间为0.6h-1.0h。
优选的，步骤(2)中固态键合具体过程为：将所述键合结构通过压力为6MPa-10MPa的夹具固定在石墨加热台上，在石墨加热台5min-8min加热至250℃-350℃，等温保持5min-8min进行固态键合连接。
优选的，步骤(2)中，在键合粘结前，对金属化硅片进行前处理：在真空循环中，用电子束蒸发的方法在金属化硅片键合表面上依次沉积金属Cr和金属Au薄膜。
优选的，所述金属Cr薄膜的厚度为25nm-35nm，所述金属Au薄膜的厚度为90nm-150nm。
优选的，步骤(2)中，键合粘结前用0.8μm-1.2μm金刚石悬浮液对步骤(1)制备的细粒银箔进行打磨，用稀盐酸和去离子水冲洗。
优选的，其特征在于，所述键合结构完成固态键合后，在真空中自然冷却至室温。
一种半导体芯片的固态键合结构，在真空中，以细粒银箔为粘结介质，固态键合结构从上至下依次为：金属化硅片、细粒银箔和铜基片，根据上述任一项所述的采用细粒银箔进行低压固态键合的方法进行固态键合制得。
本发明的有益效果：
(1)本发明的采用细粒银箔进行低压固态键合的方法及键合结构，采用固态原子键合的方法，使成键界面上的原子被带到原子距离内成键，实现低压条件下进行固态键合，且键合后界面清晰、孔洞少、键合界面基本完好、结合结构不开裂、粘结强度高、机械性能高，采用本发明的细粒银箔进行低压固态键合方法制备的芯片质量显著提高，有效解决烧结银会产生气孔的技术问题，满足实际芯片连接的需求。
本发明通过在特定条件下经过多次冷轧和后续退火工艺，成功地制备了高质量、无应力和接近无织构的银箔，其具有良好的显微结构，更容易变形，与界面上的其他材料相互配合，以实现原子接触。在粘接过程中，以细粒银箔为粘结介质的固态键合结构金属化硅片、细粒银箔和铜基片之间，各向同性和无织构的银箔微结构与后续粘结工艺条件共同作用，相互协同增效，进一步增强Ag表面的变形，实现三者之间的有效固态键合连接，使本发明固态键合过程中使用的压力值比工业热压粘合过程中使用的压力值小几个数量级，即不需要过大压力即可实现坚固的固态键合粘接效果，显著降低对粘结条件过高苛刻的要求，整个反应过程容易操作实施，省时省力，降低制备成本，显著提高其制备加工效率，可批量化生产，满足实际生产需要。
(2)本发明的采用细粒银箔进行低压固态键合的方法，采用细粒银箔作为粘结介质，因其具有优越的物理性能，在金属中具有最高的电导率和最高的热导率，同时其具有较高的熔化温度和良好的延展性。通过本发明制备的韧性银箔将硅晶片与裸露的Cu衬底进行粘结，银箔能够处理Si和Cu之间大的热膨胀不匹配系数引起的应变，使粘结后的结合结构不易发生开裂，具有清晰的键合界面，且键合界面上只有少数的空洞，键合界面基本完好，有效解决了烧结银会产生气孔的技术问题，界面坚固，密封性好，能有效防止氧穿透铜/银键，在高温和大功率电子封装应用中具有重要意义。
附图说明：
图1为本发明典型退火银箔的XRD谱图；
图2为本发明典型退火银箔的PF测量结果图；
图3为本发明键合结构中Si/Ag/Cu结合态结构的光学显微镜图像；
图4为本发明FIB切割样品界面区域SEM图像；
图5为本发明样品在空气中老化后的OM截面图像；
图6为本发明样品在空气中300℃时效后FIB切割截面SEM；
图7本发明键合结构示意图(小特征尺寸夸张)。
图中：图2中(a)为轧制样品(111)极、(b)为轧制样品(220)极、(c)为退火样品(111)极、(d)为退火样品(220)极；图4中(a)为铜/银键合界面、(b)为银区域方向对比图；图5中(a)为样品老化72h的OM截面图像、(b)为样品老化200h的OM截面图像；图6中(a)为样品时效72h后界面区、(b)为样品时效72h后Ag区定向对比图、(c)为样品时效200h后界面区、(d)为样品时效200h后Ag区定向对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
实施例1
采用细粒银箔进行低压固态键合制备半导体芯片，具体步骤包括如下：
(1)制备细粒银箔
a.在真空下，将银锭熔化成银丸后，自然冷却到室温。
b.使用轧机进行几次冷轧和随后的退火以减少铸锭的厚度，具体为：开轧温度为500℃，终轧温度为200℃，轧制道次为10个，在每次轧制运行中，降低70％银箔的厚度，各轧制道次的轧制方向与轧制面保持不变；随后进行退火处理，退火温度为300℃，保温时间0.8h，制得厚度为75μm的高质量、无应力和接近无纹理细粒银箔，银箔需要足够柔软，以便在粘接过程中容易变形。
在固相结合过程中，银晶粒的位错滑动促进了固态键合过程中表面凹凸的坍塌，因此需要制备得到位错密度低的晶粒。
在本发明中，初始银晶粒尺寸从几百微米到几毫米不等，由于银箔的厚度要求在100μm以内，为了使银更容易变形，本发明通过冷轧和多次退火生产银箔，对银晶粒进行细化处理，在每一次运行中，厚度降低了70％，退火温度为300℃条件下，银晶粒会发生再结晶，并且在1h内不会出现过度的晶粒生长，达到对银晶粒的细化要求，最终制备的铝箔厚度约为75μm，获得良好的组织结构，适合于粘接键合。
(2)固态键合制备半导体芯片
a.在真空循环中用电子束蒸发的方法在3英寸硅(Si)晶圆上依次沉积厚度为30nm金属Cr和厚度为100nm金属Au薄膜，Cr在Si和Au之间具有很强的附着力，同时，Au层能够保护Cr层免受氧化，并因为Au不易氧化，可作为粘结缓冲层使用。
b.将步骤a处理后的硅晶圆片切成5mm*9mm的薄片，用于粘接；将铜片切割为7mm*7mm作为铜衬底。
c.在每次粘接之前，用1μm金刚石悬浮液对步骤(1)制备的细粒银箔进行轻微打磨，用稀盐酸和去离子水冲洗，以去除氧化物和污染物。
d.如图7所示键合结构示意图，在真空度0.1MPa下，以步骤(1)制备的细粒银箔为粘结介质，固态键合结构从上至下依次为：金属化硅片、细粒银箔和铜基片，将上述键合结构通过压力为6.9MPa的夹具固定在石墨加热台上，加热5min加热至300℃，等温保持5min进行固态键合连接，随后在真空中自然冷却至室温，真空环境能够降低铜在结合过程中的氧化，制得半导体芯片。
在粘接过程中，以细粒银箔为粘结介质的固态键合结构金属化硅片、细粒银箔和铜基片之间，各向同性和无织构的银箔微结构在300℃下施加6.9MPa的压力以及后续工艺条件共同作用下，相互作用协同增效，显著增强Ag表面的变形，实现三者之间的有效固态键合连接，使本发明固态键合过程中使用的压力值比工业热压粘合过程中使用的压力值小几个数量级，即不需要过大压力即可实现坚固的固态键合粘接效果，显著降低对粘结条件过高苛刻的要求，整个反应过程容易操作实施，省时省力，降低制备成本，显著提高其制备加工效率，可批量化生产，满足实际生产需要。
实施例2
采用细粒银箔进行低压固态键合制备半导体芯片，具体步骤包括如下：
(1)制备细粒银箔
a.在真空下，将银锭熔化成银丸，自然冷却到室温。
b.使用轧机进行几次冷轧和随后的退火以减少铸锭的厚度，具体为：开轧温度为450℃，终轧温度为150℃，轧制道次为8个，在每次轧制运行中，降低70％银箔的厚度，各轧制道次的轧制方向与轧制面保持不变。随后进行退火处理，退火温度为250℃，保温时间0.6h，制得厚度为100μm的细粒银箔。
(2)固态键合制备半导体芯片
a.在真空循环中用电子束蒸发的方法在3英寸硅(Si)晶圆上依次沉积厚度为25nm金属Cr和厚度为150nm金属Au薄膜，Cr在Si和Au之间具有很强的附着力，同时，Au层能够保护Cr层免受氧化，并因为Au不氧化，作为粘结缓冲层。
b.将步骤a处理后的硅晶圆片切成5mm*9mm的薄片，用于粘接；将铜片切割为7mm*7mm作为铜衬底。
c.在每次粘接之前，用0.8μm金刚石悬浮液对步骤(1)制备的细粒银箔进行轻微打磨，用稀盐酸和去离子水冲洗，以去除氧化物和污染物。
d.如图7所示键合结构示意图，在真空度0.1MPa下，以步骤(1)制备的细粒银箔为粘结介质，固态键合结构从上至下依次为：金属化硅片、细粒银箔和铜基片，将上述键合结构通过压力为7.8MPa的夹具固定在石墨加热台上，加热8min加热至350℃，等温保持8min进行固态键合连接，随后在真空中自然冷却至室温，真空环境能够降低铜在结合过程中的氧化，制得半导体芯片。
实施例3
采用细粒银箔进行低压固态键合制备半导体芯片，具体步骤包括如下：
(1)制备细粒银箔
a.在真空下，将银锭熔化成银丸，自然冷却到室温。
b.使用轧机进行几次冷轧和随后的退火以减少铸锭的厚度，具体为：开轧温度为550℃，终轧温度为250℃，轧制道次为12个，在每次轧制运行中，降低70％银箔的厚度，各轧制道次的轧制方向与轧制面保持不变。随后进行退火处理，退火温度为350℃，保温时间1h，制得厚度为50μm的细粒银箔。
(2)固态键合制备半导体芯片
a.在真空循环中用电子束蒸发的方法在3英寸硅(Si)晶圆上依次沉积厚度为35nm金属Cr和厚度为90nm金属Au薄膜，Cr在Si和Au之间具有很强的附着力，同时，Au层能够保护Cr层免受氧化，并因为Au不氧化，作为粘结缓冲层。
b.将步骤a处理后的硅晶圆片切成5mm*9mm的薄片，用于粘接；将铜片切割为7mm*7mm作为铜衬底。
c.在每次粘接之前，用1.2μm金刚石悬浮液对步骤(1)制备的细粒银箔进行轻微打磨，用稀盐酸和去离子水冲洗，以去除氧化物和污染物。
d.如图7所示键合结构示意图，在真空度0.1MPa下，以步骤(1)制备的细粒银箔为粘结介质，固态键合结构从上至下依次为：金属化硅片、细粒银箔和铜基片，将上述键合结构通过压力为10MPa的夹具固定在石墨加热台上，加热5min加热至250℃，等温保持5min进行固态键合连接，随后在真空中自然冷却至室温，真空环境能够降低铜在结合过程中的氧化，制得半导体芯片。
实施例4
采用细粒银箔进行低压固态键合制备半导体芯片，具体步骤包括如下：
(1)制备细粒银箔
a.在真空下，将银锭熔化成银丸，自然冷却到室温。
b.使用轧机进行几次冷轧和随后的退火以减少铸锭的厚度，具体为：开轧温度为500℃，终轧温度为200℃，轧制道次为9个，在每次轧制运行中，降低70％银箔的厚度，各轧制道次的轧制方向与轧制面保持不变。随后进行退火处理，退火温度为300℃，保温时间0.8h，制得厚度为90μm的细粒银箔。
(2)固态键合制备半导体芯片
a.在真空循环中用电子束蒸发的方法在3英寸硅(Si)晶圆上依次沉积厚度为30nm金属Cr和厚度为120nm金属Au薄膜，Cr在Si和Au之间具有很强的附着力，同时，Au层能够保护Cr层免受氧化，并因为Au不氧化，作为粘结缓冲层。
b.将步骤a处理后的硅晶圆片切成5mm*9mm的薄片，用于粘接；将铜片切割为7mm*7mm作为铜衬底。
c.在每次粘接之前，用1μm金刚石悬浮液对步骤(1)制备的细粒银箔进行轻微打磨，用稀盐酸和去离子水冲洗，以去除氧化物和污染物。
d.如图7所示键合结构示意图，在真空度0.1MPa下，以步骤(1)制备的细粒银箔为粘结介质，固态键合结构从上至下依次为：金属化硅片、细粒银箔和铜基片，将上述键合结构通过压力为6MPa的夹具固定在石墨加热台上，加热7min加热至330℃，等温保持6min进行固态键合连接，随后在真空中自然冷却至室温，真空环境能够降低铜在结合过程中的氧化，制得半导体芯片。
实施例5
采用细粒银箔进行低压固态键合制备半导体芯片，具体步骤包括如下：
(1)制备细粒银箔
a.在真空下，将银锭熔化成银丸，自然冷却到室温。
b.使用轧机进行几次冷轧和随后的退火以减少铸锭的厚度，具体为：开轧温度为500℃，终轧温度为200℃，轧制道次为10，在每次轧制运行中，降低70％银箔的厚度，各轧制道次的轧制方向与轧制面保持不变。随后进行退火处理，退火温度为300℃，保温时间0.8h，制得厚度为75μm的细粒银箔。
(2)固态键合制备半导体芯片
a.在真空循环中用电子束蒸发的方法在3英寸硅(Si)晶圆上依次沉积厚度为35nm金属Cr和厚度为110nm金属Au薄膜，Cr在Si和Au之间具有很强的附着力，同时，Au层能够保护Cr层免受氧化，并因为Au不氧化，作为粘结缓冲层。
b.将步骤a处理后的硅晶圆片切成5mm*9mm的薄片，用于粘接；将铜片切割为7mm*7mm作为铜衬底。
c.在每次粘接之前，用1μm金刚石悬浮液对步骤(1)制备的细粒银箔进行轻微打磨，用稀盐酸和去离子水冲洗，以去除氧化物和污染物。
d.如图7所示键合结构示意图，在真空度0.1MPa下，以步骤(1)制备的细粒银箔为粘结介质，固态键合结构从上至下依次为：金属化硅片、细粒银箔和铜基片，将上述键合结构通过压力为8MPa的夹具固定在石墨加热台上，加热5min加热至300℃，等温保持5min进行固态键合连接，随后在真空中自然冷却至室温，真空环境能够降低铜在结合过程中的氧化，制得半导体芯片。
下面对本发明实施例制得的固态键合结构半导体芯片进行性能测试。
测试例1
一般来说，金属材料经过冷加工后，由于位错密度的大幅度增加，使得位错更难在晶粒内滑动，导致材料的硬度变硬，韧性变差。此外，多晶金属在冷轧过程中会形成织构，使材料在力学性能上表现出一定的各向异性。而在电子领域中使用的铜电极和底物又是没有优先取向的，因此在本发明中使用制备出各向同性和无织构的银箔微结构。为了确认本发明的退火过程消除了银箔的残余应力和织构，对本发明制得的细粒银箔进行X射线衍射测试(XRD)。
结合图1的XRD谱图可知，从衍射峰的系统缺失来看，银箔的晶体结构是面心立方(FCC)结构，具有这种结构的银箔其塑性较高，容易变形。由于在扫描过程中，银箔被附着在铜薄片上，因此还检测到几个与铜有关的峰。铜峰是由于X射线入射到银箔所附着的铜片上而形成的。从测试结果可以看出，通过采用本发明冷轧和随后的退火工艺，已经成功地制备了高质量、无应力和接近无纹理的银箔，这种各向同性和无织构的银箔微结构在与后续工艺条件共同作用下与金属化硅片和铜基片进行固态键合，银箔与工艺条件相互协同增效，进一步增强Ag表面的变形，进而实现固态键合结构的坚固及界面清晰。
测试例2
对本发明制得的细粒银箔的轧制和退火样品进行极点图(PF)测量，结合图2的PF测量结果所示，图中(a)、(b)显示轧制样品的(111)极点集中在45°，(220)极点集中在90°附近，这与基于力学和滑移系统运行的理论计算结果在低层错能[30]的FCC多晶链金属中是一致的。从图中(c)、(d)可以看出，退火后样品的(111)极和(220)极的浓度大大降低，这表明冷加工过程中储存的应变能被释放，引发了再结晶，导致组织接近无织构。结合测试例1中的结果，充分证明了本发明制备的细粒银箔具有无应力和接近无织构的微结构。
为了解决烧结银会产生气孔的问题，本发明采用固态原子结合的机理进行固态键合，即成键界面上的原子必须被带到原子距离内才能成键。为了实现这一条件，界面上的材料必须变形并相互配合，以实现原子接触。经过本发明的冷轧和退火处理后制得的细粒银箔，具有良好的微结构，其在键合过程中更容易变形，以实现原子接触，在固相结合过程中，其位错滑动促进了界面表面凹凸的坍塌，进而与以细粒银箔为粘结介质的固态键合结构金属化硅片、细粒银箔和铜基片之间的粘结条件协同增效，促进固态键合过程。
测试例3
对本发明的键合结构进行截面检测，结合图3可以看出，在光学显微镜下，Si/Ag和Ag/Cu结合界面清晰、锋利，无缺陷。由于Cu和Si本身的热膨胀系数(CTE)存在巨大差异，而这种差异会使得Ag/Cu界面不相融合，其键合后和界面不坚固。因此，检测结果的无裂纹硅充分表明了本发明制备的韧性银箔层能够管理Cu和Si的CTE失配引起的应变，并且通过银箔与工艺条件相互协同增效，使键合后的结合界面清晰、锋利、无缺陷，界面坚固，密封性好，能有效防止氧穿透铜/银键，避免气孔产生。
测试例4
对本发明的键合结构进行高倍扫描电镜检测，结果显示粘接界面清晰锋利。从图4(a)Ag-Cu相图可以看出，Ag-Cu界面附近没有金属间化合物，仅有一些小于100nm的空洞，这些空洞可能是由于样品是在典型的实验室而不是在洁净室环境中制备的污染造成的。为了量化沿界面的空洞比例，我们捕获了几张总长度为25μm的界面图像，并统计了空洞的数量，计算结果为0.56/μm，表明本发明方法制得的键合结构显著消除了烧结银产生的气孔，使键合结构更加坚固。
图4(b)是显示银箔中银粒的扫描电镜视图，结果显示，银晶粒尺寸在5μm以内，并观察到晶粒原有的形状和轧制产生的织构消失，表明本发明中银晶粒再结晶是在冷轧后的退火过程中完成的。
测试例5
对本发明的键合结构芯片接头进行高温超导测试，通过高温超导试验对接头的高温可靠性进行评价。将本发明接头样品分别在300℃空气中老化72h和200h。采集接头横截面的OM和SEM图像，结合图5可以看出，从图中(a)、(b)可以看出，在经过长期时效后，接头状态保持良好，同时，Si/Ag/Cu的结构仍然非常清晰，Si晶片没有出现裂纹。
图6显示了对老化样本进行FIB切割后的高倍SEM图像。图中(a)、(c)分别为时效72h和200h后的Ag/Cu键合界面，可以看出经过这样的高温储存试验，除了一些尺寸小于100nm的空隙外，键合界面基本完好。在72h和200h两种条件下的界面孔隙率分别为0.64/μm和0.44/μm，并且没有发现氧化亚铜或其他化合物，这意味着通过本发明的各向同性和无织构的银箔微结构在与后续工艺条件协同增效作用下，形成的键合界面非常坚固，即使在300℃的温度下也没有氧能穿透铜/银键，即说明本发明的键合结构中铜/银界面在300℃条件下是密封的，其克服了多气孔的产生，结合强度高，这个特性在对接头有密封要求的应用中非常重要。
图6中(b)为时效72小时后Ag区域的方向对比SEM图像，Ag晶粒约为5μm。图6中(d)为老化200h后的方向对比图，观察到银晶粒生长到10μm以上，并具有相对一致的取向，表明本发明制备的银箔晶粒消除了力学性能上的各向异性，形成各向同性，与铜电极和底物在力学上更加适配。
同时，我们还发现本发明接头样品在空气中老化300℃时效75h后，其平均破断力有所增加，在时效200h后平均破断力进一步增加，即在300℃时效过程中，样品的强度得到了增强，这种强化现象进一步证明了本发明的各向同性和无织构的银箔微结构在与后续粘结工艺条件协同增效作用下，在键合过程中银箔更易变形，以实现原子接触，使其与细金属化硅片和铜基片之间的键合结构中氧几乎不穿透键合界面中氧化界面上的铜原子，且键合结构在使用过程中变得更坚固。
综上，本发明的采用细粒银箔进行低压固态键合的方法及键合结构，通过在特定条件下经过多次冷轧和后续退火工艺，成功地制备了高质量、无应力和接近无织构的银箔，其具有良好的显微结构，更容易变形，与界面上的其他材料相互配合，以实现原子接触，在固相结合过程中，其位错滑动促进了界面表面凹凸的坍塌，进而促进固态键合过程。以本发明的细粒银箔作为粘结介质，其韧性Ag层能够处理Si和Cu之间大的热膨胀不匹配系数引起的应变，使粘结后的结合结构不发生开裂。同时，这种各向同性和无织构的银箔微结构在与后续工艺条件共同作用下与金属化硅片和铜基片进行固态键合，银箔与工艺条件相互协同增效，进一步增强Ag表面的变形，其具有清晰的键合界面，且键合界面上只有少数的空洞，键合界面基本完好，界面坚固，密封性好，能有效防止氧穿透铜/银键，在高温和大功率电子封装应用中具有重要意义。
以上仅是本发明的实施例而已，例如：本发明实施例中开轧温度为450℃-550℃，终轧温度为150℃-250℃，粘结过程的真空度为0.1MPa，在实际实施过程中，以上条件参数均可以根据实际生产情况进行设定，以实现本发明的采用细粒银箔进行低压固态键合的方法及键合结构。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
Claims (8)
1.一种采用细粒银箔进行低压固态键合的方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）制备细粒银箔：采用冷轧和多次退火的方法生产银箔，消除了银晶粒的残余应力和织构，获得良好的显微组织，具体操作为：
在真空下，将银锭熔化成银丸，冷却到室温后进行冷轧和退火处理，在每次轧制运行中，降低70%银箔的厚度，退火温度为250℃-350℃，制得厚度为50μm-100μm的细粒银箔；
轧制条件为：轧制过程采用多道次轧制，轧制道次为8个-12个，各轧制道次的轧制方向与轧制面保持不变；
（2）固态原子键合连接
在真空中，以步骤（1）制备的细粒银箔为粘结介质，键合结构从上至下依次为：金属化硅片、所述细粒银箔和铜基片，将上述键合结构在6MPa-10MPa压力、250℃-350℃温度条件下，进行固态键合连接。
2.根据权利要求1所述的采用细粒银箔进行低压固态键合的方法，其特征在于，步骤（1）中退火温度的保温时间为0.6h-1.0h。
3.根据权利要求1所述的采用细粒银箔进行低压固态键合的方法，其特征在于，步骤（2）中固态键合具体过程为：将所述键合结构通过压力为6MPa-10MPa的夹具固定在石墨加热台上，在石墨加热台5min-8min加热至250℃-350℃，等温保持5min-8min进行固态键合连接。
4.根据权利要求1所述的采用细粒银箔进行低压固态键合的方法，其特征在于，步骤（2）中，在键合粘结前，对金属化硅片进行前处理：在真空循环中，用电子束蒸发的方法在金属化硅片键合表面上依次沉积金属Cr和金属Au薄膜。
5.根据权利要求4所述的采用细粒银箔进行低压固态键合的方法，其特征在于，所述金属Cr薄膜的厚度为25nm-35nm，所述金属Au薄膜的厚度为90nm-150nm。
6.根据权利要求1所述的采用细粒银箔进行低压固态键合的方法，其特征在于，步骤（2）中，键合粘结前用0.8μm-1.2μm金刚石悬浮液对步骤（1）制备的细粒银箔进行打磨，用稀盐酸和去离子水冲洗。
7.根据权利要求1所述的采用细粒银箔进行低压固态键合的方法，其特征在于，所述键合结构完成固态键合后，在真空中自然冷却至室温。
8.一种半导体芯片的固态键合结构，其特征在于，在真空中，以细粒银箔为粘结介质，固态键合结构从上至下依次为：金属化硅片、细粒银箔和铜基片，根据权利要求1-7任一项所述的采用细粒银箔进行低压固态键合的方法进行固态键合制得。
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