TW201638972A - 傳導性糊、形成互連的方法及電子裝置 - Google Patents

傳導性糊、形成互連的方法及電子裝置 Download PDF

Info

Publication number
TW201638972A
TW201638972A TW105103020A TW105103020A TW201638972A TW 201638972 A TW201638972 A TW 201638972A TW 105103020 A TW105103020 A TW 105103020A TW 105103020 A TW105103020 A TW 105103020A TW 201638972 A TW201638972 A TW 201638972A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
conductive
nanowires
substrate portion
paste
nanoparticles
Prior art date
Application number
TW105103020A
Other languages
English (en)
Inventor
李炳勳
志勵 顏
美貞 黃
亞佛地 辛
Original Assignee
南洋理工大學
洛伊馬汀公司
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 南洋理工大學, 洛伊馬汀公司 filed Critical 南洋理工大學
Publication of TW201638972A publication Critical patent/TW201638972A/zh

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D5/00—Coating compositions, e.g. paints, varnishes or lacquers, characterised by their physical nature or the effects produced; Filling pastes
    • C09D5/24—Electrically-conducting paints
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/02—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of metals or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/02—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of metals or alloys
    • H01B1/026—Alloys based on copper
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/20—Conductive material dispersed in non-conductive organic material
    • H01B1/22—Conductive material dispersed in non-conductive organic material the conductive material comprising metals or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/48—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor
    • H01L23/482—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor consisting of lead-in layers inseparably applied to the semiconductor body
    • H01L23/4827—Materials
    • H01L23/4828—Conductive organic material or pastes, e.g. conductive adhesives, inks
    • 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
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/27—Manufacturing methods
    • 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
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)
  • Conductive Materials (AREA)

Abstract

根據本發明之具體實例，提供一種傳導性糊。該傳導性糊具有包括複數個傳導奈米粒子及複數個傳導性奈米線的組成物，其中該複數個傳導性奈米粒子與該複數個傳導性奈米線之重量比在約10：1與約50：1之間。根據本發明之其他具體實例，亦提供一種形成互連之方法及一種電子裝置。

Description

傳導性糊、形成互連的方法及電子裝置 【相關申請之交叉參考】
本申請案主張2015年1月30日申請之美國臨時申請案第62/109,785號之優先權，其內容出於所有目的以全文引用之方式併入本文中。
各個具體實例係關於傳導性糊(conductive paste)、形成互連的方法及電子裝置。
基於錫(Sn)之焊料為接合微電子裝置及組件的最常用無鉛焊料。甚至在較低製程溫度(200-250℃)下，在焊料與銅(Cu)凸塊之間的反應，即凸塊下金屬化(Under Bump Metallization；UBM)，諸如銅(Cu)、鎳(Ni)、銀(Ag)、鈀(Pd)等，極具侵蝕性，且可導致嚴重可靠性擔憂。金屬間化合物(intermetallic compound；IMC)之形成由於其脆性性質導致機械性質劣化，且與純金屬相比由於其較高電阻率而導致傳導性性降低。由於不同金屬之間不平衡相互擴散形成的克肯岱爾空隙(Kirkendall void)亦使接合之機械及電性質變壞。此等問題為推薦銅(Cu)作為替代結合材料而非基於Sn之焊料的原因。的確，Cu至Cu均勻接合提供解決方案，其避免關於複雜金屬反應及伴隨問題的擔憂，因此達成高可靠性結合。然而， Cu至Cu直接結合仍存在侷限性。為了達成可靠Cu-Cu薄膜結合，需要高溫及高壓，因此半導體方法或電子封裝的應用受限。
根據一具體實例，提供一種傳導性糊。該傳導性糊可具有包括複數個傳導性奈米粒子及複數個傳導性奈米線的組成物，其中該複數個傳導性奈米粒子與該複數個傳導性奈米線之重量比在約10：1與約50：1之間。
根據一具體實例，提供一種形成互連的方法。該方法可包括將如本文中所述之傳導性糊塗覆在第一基板部分與第二基板部分之間，且使該傳導性糊之複數個傳導性奈米粒子彼此融合，以使該第一基板部分及該第二基板部分互連。
根據一具體實例，提供一種電子裝置。該電子裝置可包括第一基板部分、第二基板部分及傳導性部件，該傳導性部件經配置以與該第一基板部分及該第二基板部分互連，其中該傳導性部件由如本文中所述之傳導性糊製成，該傳導性糊經處理以使該傳導性糊之複數個傳導性奈米粒子彼此融合。
在圖式中，相同參考字元一般係指不同視圖中之相同部分。圖式未必按比例繪製，實際上重點一般放在說明本發明之原理上。在以下描述中，參考以下圖式描述本發明之各個具體實例，其中：
圖1A展示根據各個具體實例之傳導性糊的示意性俯視圖。
圖1B展示說明根據各個具體實例形成互連之方法的流程圖。
圖1C及圖1D展示根據各個具體實例之電子裝置的示意性截面圖。
圖2A展示根據各個具體實例呈截面圖形式，製造銅(Cu)奈米線(nanowire；NWs)及具有銅(Cu)奈米粒子(nanoparticle；NPs)之混合物之方法的各種處理階段。
圖2B展示根據各個具體實例呈截面圖形式，製造銅(Cu)奈米線之方法的各種處理階段。
圖2C展示根據各個具體實例之銅奈米線(Cu NWs)的掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope；SEM)影像。
圖2D展示根據各個具體實例之銅奈米粒子(Cu NPs)的透射電子顯微鏡(transmission electron microscope；TEM)影像及個別銅奈米粒子的示意圖。
圖2E展示根據各個具體實例用於洗滌銅(Cu)奈米粒子糊之方法的示意圖。
圖2F展示根據各個具體實例用於形成互連之方法的示意圖。
圖2G展示說明各個具體實例之處理方法之一些步驟之實例的像片。
圖3A展示說明使用各個具體實例之銅(Cu)糊結合晶片至基板的示意圖，同時圖3B展示在基板上分散之結合層的示意圖。
圖4A展示說明各個具體實例之奈米線及奈米粒子之混合物之強化機制的示意圖。
圖4B展示說明奈米線在各個具體實例之奈米粒子糊中之溶劑萃取效應的示意圖。
圖5A及圖5B展示使用各個具體實例之奈米銅(Cu)糊形成的銅(Cu)柱之掃描電子顯微鏡(SEM)影像。
圖6A及圖6B展示由具有各個具體實例之奈米線的銅糊形成的銅(Cu) 凸塊之掃描電子顯微鏡(SEM)影像，同時圖6C及圖6D展示由不具有奈米線之銅糊形成的銅(Cu)凸塊之掃描電子顯微鏡(SEM)影像。
圖7A至圖7D展示在200℃下結合的接合銅(Cu)奈米粒子(NPs)及奈米線(NWs)複合物之斷裂表面之微觀結構的掃描電子顯微鏡(SEM)影像。
圖7E展示說明使用各個具體實例之銅糊形成的結合層之微觀結構的掃描電子顯微鏡(SEM)影像。
圖8展示各種銅(Cu)奈米結構之剪切強度的繪圖。
圖9A展示剪切強度隨長度及奈米粒子與奈米線之重量比而變化的繪圖。
圖9B展示剪切強度隨奈米線之長度而變化的繪圖。
圖10A展示剪切強度隨奈米線之長度變化的繪圖。
圖10B展示根據各個具體實例之電子裝置的示意性截面圖。
圖10C及圖10D展示分別在圖10B中所指示位置「A」及「B」處獲得的掃描電子顯微鏡(SEM)影像。各比例尺表示500μm。
圖11展示針對銅糊之原位電阻量測的繪圖。
以下實施方式參考以說明方式展示可實踐本發明之特定細節及具體實例的附圖。此等具體實例經足夠詳細地描述以使熟習此項技術者能夠實踐本發明。在不偏離本發明之範圍的情況下，可利用其他具體實例，且可做作出結構改變、邏輯改變及電氣改變。各個具體實例未必相互排斥，因為一些具體實例可與一或多個其他具體實例組合以形成新的具體 實例。
在方法或裝置中之一者之上下文中所述之具體實例對於其他方法或裝置類似地有效。類似地，在方法之上下文中所述之具體實例對於裝置類似地有效，且反之亦然。
在具體實例之上下文中所述之特徵可對應地適用於在其他具體實例中的相同或類似特徵。在具體實例之上下文中所述之特徵可對應地適用於其他具體實例，即使在此等其他具體實例中未明確地描述。另外，如針對在具體實例之上下文中的特徵所述之相加及/或組合及/或替代方案可對應地適用於在其他具體實例中的相同或類似特徵。
在各個具體實例之上下文中，當冠詞「一(a/an)」及「該(the)」與特徵或元件一起使用時包括關於一或多個特徵或元件的參考。
在各個具體實例之上下文中，片語「至少實質上(at least substantially)」可包括「精確(exactly)」及合理的偏差。
在各個具體實例之上下文中，當術語「約(about)」應用於數值時涵蓋精確值及合理的偏差。
如本文所使用，術語「及/或(and/or)」包括所列舉相關項目中之一或多者的任何及全部組合。
如本文中所用，「A或B中之至少一者(at least one of A or B)」之形式的片語可包括A或B或A及B。對應地，「A或B或C中之至少一者(at least one of A or B or C)」之形式的片語，或包括其他所列舉項目，可包括所列舉相關項目中之一或多者的任何及所有組合。
圖1A展示根據各個具體實例之傳導性糊100的示意性俯視 圖。傳導性糊100具有包括複數個傳導性奈米粒子102及複數個傳導性奈米線104的組成物，其中複數個傳導性奈米粒子102與複數個傳導性奈米線104之重量比在約10：1與約50：1之間。
換言之，可提供傳導性糊100。傳導性糊100可包括複數個傳導性奈米粒子(NPs)102及複數個傳導性奈米線(NWs)104之混合物傳導性糊100或換言之，傳導性糊100之組成物中複數個傳導性奈米粒子(NPs)102及複數個傳導性奈米線(NWs)104之量可為使得複數個傳導性奈米粒子102與複數個傳導性奈米線104之重量比在約10：1與約50：1之間，例如在約10：1與約40：1之間、在約10：1與約20：1之間、在約20：1與約50：1之間、在約20：1與約40：1之間或在約30：1與約50：1之間。此可意謂在傳導性糊100中主要/大部分成分為複數個傳導性奈米粒子102，同時在傳導性糊100中次要成分為複數個傳導性奈米線104。複數個傳導性奈米粒子102及複數個傳導性奈米線104可彼此獨立或不同。此可意謂複數個傳導性奈米粒子102在傳導性糊100內一般不彼此融合。傳導性糊100可包括例如由傳導性糊100之製備產生的殘餘溶劑(例如基於醇之溶劑)。
在各個具體實例中，複數個傳導性奈米線104可充當機械強化材料。另外，複數個傳導性奈米線104亦可在傳導性糊100中建立路徑，以使得可在傳導性糊100中存在的任何殘餘化學品或溶劑能夠自該傳導性糊100內的隔離區域或間隙逸出。
在各個具體實例中，複數個傳導性奈米粒子102與複數個傳導性奈米線104之重量比可在約10：1與約40：1之間，例如在約10：1與約20：1之間、在約20：1與約40：1之間、在約30：1與約40：1之間或在約10：1與約 40：1之間，例如約20：1、約30：1或最佳約40：1。
在各個具體實例中，複數個傳導性奈米粒子102與複數個傳導性奈米線104之重量比可為約40：1。
儘管不希望受任何理論束縛，在各個具體實例中，由於傳導性奈米線104之長度的選擇，可採用在約10：1與約50：1之間、或在約10：1與約40：1之間、或至多約40：1、或至多約50：1(亦即，相較於奈米線高得多量之奈米粒子)之複數個傳導性奈米粒子102與複數個傳導性奈米線104的該高重量比。在各個具體實例中，如將在以下進一步描述，所採用傳導性奈米線104可具有在約20μm與約40μm之間的長度。另外，當具有均一長度之傳導性奈米線104用於傳導性糊100時，可觀測到較高剪切強度(參看如下所述之圖10A至圖10D)。
在各個具體實例之上下文中，複數個傳導性奈米粒子102之各傳導性奈米粒子102的尺寸(或直徑)可在約5nm與約20nm之間，例如在約5nm與約15nm之間、在約5nm與約10nm之間、在約10nm與約20nm之間或在約8nm與約15nm之間。應瞭解，在複數個傳導性奈米粒子102中可存在粒徑分佈或差異。在一些具體實例中，複數個奈米粒子102可具有同一(或均一)尺寸(或直徑)。
藉由具有較小尺寸之奈米粒子(例如5至20nm，或<10nm)102，使複數個傳導性奈米粒子102彼此融合以形成互連而進行的加熱製程之處理溫度(如下所述)與較大尺寸之奈米粒子相比可更低(例如200至280℃)。舉例而言，對於具有40至100nm直徑的奈米粒子，所需要製程溫度可在300至350℃範圍內。另外，發現較小尺寸之奈米粒子(例如5至20 nm，或<10nm)驅使傳導性奈米粒子102彼此及與傳導性奈米線104融合。
在各個具體實例之上下文中，複數個傳導性奈米線104之各傳導性奈米線104的長度可在約5μm與約50μm之間，例如在約5μm與約40μm之間、在約5μm與約20μm之間、在約20μm與約50μm之間或在約20μm與約40μm之間，例如約40μm。複數個奈米線104可具有同一(或均一)長度。
在各個具體實例之上下文中，複數個傳導性奈米線104之各傳導性奈米線104的直徑可在約100nm與約200nm之間，例如在約100nm與約150nm之間、在約100nm與約120nm之間、在約150nm與約200nm之間或在約120nm與約150nm之間。複數個奈米線104可具有同一(或均一)直徑。
在各個具體實例之上下文中，複數個傳導性奈米線104之各傳導性奈米線104的縱橫比可在約50與約500之間，例如在約50與約250之間、在約50與約100之間、在約100與約500之間或在約100與約300之間。術語「縱橫比」可意謂長度與寬度之比或長度與直徑之比。
在各個具體實例之上下文中，複數個傳導性奈米粒子102及/或複數個傳導性奈米線104可包括金屬。金屬可選自由銅(Cu)、銀(Ag)及金(Au)組成之群。在各個具體實例中，複數個傳導性奈米粒子102及複數個傳導性奈米線104可包括同一金屬或可由同一金屬製成。
在各個具體實例之上下文中，複數個傳導性奈米粒子102及複數個傳導性奈米線104可包括銅(Cu)或基本上由銅(Cu)組成。此可意謂銅(Cu)可同時用作傳導性及接合材料。
在各個具體實例之上下文中，複數個傳導性奈米粒子102之各傳導性奈米粒子102可用有機層囊封。此可意謂各傳導性奈米粒子102可在其表面上用有機層塗佈。因此，有機層可為罩蓋層或界面活性劑。有機層可預防傳導性奈米粒子102之材料的氧化或使氧化減至最少。有機層可預防傳導性奈米粒子102之聚結或使聚結減至最少。有機層可為聚合層。在各個具體實例中，有機層可在加熱製程，例如在使複數個傳導性奈米粒子102彼此融合的加熱製程期間移除或揮發。
在各個具體實例之上下文中，囊封各傳導性奈米粒子102之有機層可包括胺或胺化合物，例如包括但不限於正庚胺、正辛胺、正壬胺或正癸胺。與需要較高加熱溫度在奈米粒子中導致較少「頸縮(necking)」/融合之其他罩蓋材料(例如聚乙烯吡咯啶酮(polyvinylpyrrolidone；PVP))相比，藉由用胺化合物罩蓋傳導性奈米粒子102，在傳導性奈米粒子102中及/或在傳導性奈米線104之情況下可能需要較低加熱溫度用於有效「頸縮」/融合。因此，各個具體實例在傳導性奈米粒子102中及/或在傳導性奈米線104之情況下能夠實現更佳結合，其在互連件中可導致更佳電強度、熱強度及機械強度。
在各個具體實例中，在各傳導性奈米粒子102上的有機胺界面活性劑可包括C6-C18烷基胺。在一些具體實例中，所採用烷基胺可為C7-C10烷基胺，但應瞭解，亦可使用C5烷基胺或C6烷基胺。同樣，亦可使用C11烷基胺或C12烷基胺。待採用的烷基胺之精確尺寸可為在足夠長以提供有效反向微胞結構與預備揮發性及/或易操作性之間的平衡。舉例而言，同時亦可使用的具有超過18個碳之烷基胺由於其蠟質特性可更難以處 理。在C7與C10之間(包括端點)的烷基胺代表針對易用性的所需性質之良好平衡。在各個具體實例中，C6-C18烷基胺可為正庚胺、正辛胺或正壬胺中之至少一者。儘管此等烷基胺均為正鏈胺，但熟習此項技術者應瞭解，亦可使用某一程度之分支。作為非限制性實例，亦可使用7-甲基辛胺。在不希望受理論束縛之情況下，上文所述之單烷基胺亦可在奈米粒子(例如銅奈米粒子)102之配位圈中充當配位體。然而，其自銅解離的能力藉由單連接點促進。
各個具體實例可採用N,N′-二烷基乙二胺，其包括C1-C4N,N′-二烷基乙二胺。作為雙齒配位體，N,N′-二烷基乙二胺可在兩個氮原子處配位金屬原子，從而可穩定小直徑奈米粒子(例如Cu奈米粒子)之形成。在一些具體實例中，C1-C4 N,N′-二烷基乙二胺之烷基可為相同的，同時在其他具體實例中，可為不同的。C1-C4烷基可包括甲基、乙基、丙基、丁基及其類似基團，包括正鏈或分支鏈烷基，諸如異丙基、異丁基、第二丁基及第三丁基。亦可採用其他雙齒、三齒及多齒配位體。舉例而言，亦可使用N,N′-二烷基丙二胺。
圖1B展示說明根據各個具體實例形成互連之方法110的流程圖。
在112處，將如本文中所述之傳導性糊(例如100，圖1A)塗覆於第一基板部分與第二基板部分之間。傳導性糊可塗覆於第一基板部分及第二基板部分中之一或兩者。
在114處，傳導性糊之複數個傳導性奈米粒子彼此融合，以使第一基板部分及第二基板部分互連。在各個具體實例中，傳導性糊之複 數個傳導性奈米粒子亦可融合至傳導性糊之複數個傳導性奈米線。
在各個具體實例之上下文中，術語「互連(interconnection)」可意謂電互連及/或結合層。
藉由在第一基板部分與第二基板部分之間提供傳導性糊，且隨後使傳導性糊之複數個傳導性奈米粒子彼此融合，第一基板部分及第二基板部分可彼此電互連。
在各個具體實例中，使傳導性糊之複數個傳導性奈米粒子彼此融合可使第一基板部分及第二基板部分彼此互連且結合。
在各個具體實例中，在114處，傳導性糊之複數個傳導性奈米粒子彼此融合可形成傳導性部件，以使第一基板部分及第二基板部分彼此互連。此可意謂，在使傳導性糊中複數個傳導性奈米粒子彼此融合之後，傳導性部件可由該傳導性糊形成。傳導性部件可為具有彼此融合之複數個傳導性奈米粒子及複數個傳導性奈米線(其可融合至複數個傳導性奈米粒子)的複合材料。傳導性部件可呈凸塊或柱形式。
如上所述，傳導性糊之主要/大部分成分為複數個傳導性奈米粒子，同時傳導性糊之次要成分為複數個傳導性奈米線。因此，複數個傳導性奈米粒子為用於結合及/或互連的主要材料，且複數個傳導性奈米線為用於提高結合及/或互連性質的輔助材料。
複數個傳導性奈米線可充當機械強化材料。舉例而言，複數個傳導性奈米線可充當針對在融合之複數個傳導性奈米粒子中或在傳導性部件中可進行之裂痕擴張的障壁，且因此可阻滯裂痕面積的增加，藉此提高機械性質。複數個傳導性奈米線亦可在傳導性糊及/或傳導性部件中建立 路徑，以使得可存在的任何殘餘化學品或溶劑自該傳導性糊及/或該傳導性部件內的隔離區域或間隙逸出。
在各個具體實例中，在114處，為了使傳導性糊之複數個傳導性奈米粒子彼此融合，該傳導性糊可經受加熱製程。此可意謂可進行熱處理以使複數個傳導性奈米粒子彼此融合。此亦意謂加熱製程在傳導性糊於第一基板部分與第二基板部分之間塗覆之後進行。當傳導性糊經受加熱製程時，複數個傳導性奈米粒子及複數個傳導性奈米線經受加熱製程。加熱製程可在管形爐、真空烘箱、回流烘箱(最佳)等中進行。可進行之加熱製程的環境可包括惰性氣體(氮氣N2或氬氣Ar)(最佳)或可為真空。
在各個具體實例中，加熱製程可進行預定持續時間，其在約6分鐘與約30分鐘之間，例如在約6分鐘與約20分鐘之間、在約6分鐘與約10分鐘之間、在約10分鐘與約30分鐘之間、在約10分鐘與約20分鐘之間或在約6分鐘與約8分鐘之間，例如最佳為約6分鐘。
在各個具體實例中，加熱製程之預定峰值(或最大)溫度可在約200℃與約350℃之間，例如在約200℃與約300℃之間、在約200℃與約280℃之間、在約200℃與約250℃之間、在約250℃與約350℃之間、在約250℃與約280℃之間或在約220℃與約250℃之間，例如約200℃或最佳在約280℃下。相應地，因此，可提供低溫處理方法。
在各個具體實例中，在預定峰值溫度下之加熱製程可進行預定持續時間，其在約90秒與約10分鐘之間，例如在約90秒與約5分鐘之間、在約90秒與約3分鐘之間、在約3分鐘與約10分鐘之間、在約3分鐘與約5分鐘之間、在約5分鐘與約10分鐘之間或在約2分鐘與約4分鐘之 間，例如最佳為約90秒。作為非限制性實例，對於在管形爐中在約200至350℃之預定峰值溫度下加熱，預定持續時間可為約10分鐘，同時對於在回流烘箱中在約200至300℃之預定峰值溫度下加熱，預定持續時間可為約90秒。
在各個具體實例中，加熱製程可使在傳導性糊及/或可存在於複數個傳導性奈米粒子上之罩蓋層(例如化學物質或有機層)中可存在或截留的殘餘溶劑揮發，以使達成更佳結合效能。
在各個具體實例中，沒有施加機械壓力使第一基板部分及第二基板部分彼此互連及/或結合。此可意謂為了使第一基板部分及第二基板部分彼此互連及/或結合，不必施加機械壓力。然而，應瞭解，在一些具體實例中，可施加機械壓力。
在各個具體實例中，第一基板部分及第二基板部分可包含於單一連續基板中。
在各個具體實例中，第一基板部分及第二基板部分可分別包含於一個配置在另一個之上的獨立基板中。
在各個具體實例中，該方法可包括形成傳導性糊，其包括提供複數個傳導性奈米粒子，提供複數個傳導性奈米線，且使複數個傳導性奈米粒子及複數個傳導性奈米線於溶劑中混合。溶劑可包括醇。醇可包括異丙醇(IPA)、戊烷、庚醇或己醇中之至少一者。庚醇或己醇可用於最佳條件。
在各個具體實例中，至少一些或大部分溶劑可在使複數個傳導性奈米粒子彼此融合的加熱製程期間移除、蒸發或揮發。加熱製程之加 熱溫度高於溶劑之沸點。
在各個具體實例中，複數個傳導性奈米線可由藉助於電鍍方法使用陽極氧化鋁(anodic aluminum oxide；AAO)作為模板形成複數個傳導性奈米線提供。陽極氧化鋁(AAO)可包括孔或孔隙或通道，該用於複數個傳導性奈米線之材料可經電鍍至孔或孔隙或通道中以形成複數個傳導性奈米線。複數個傳導性奈米線可接著自陽極氧化鋁模板提取或移除。藉由採用陽極氧化鋁(AAO)(或陽極化氧化鋁(anodized aluminum oxide；AAO))作為模板，可獲得具有均勻尺寸(例如長度及/或直徑)分佈的複數個傳導性奈米線。
應瞭解，一般而言，該方法可包括混合，其中可混合(例如在溶劑中)複數個傳導性奈米粒子及複數個傳導性奈米線，且其後，將經混合之糊分散至至少一個基板(或基板部分)上，且接著加熱傳導性糊，例如以使複數個傳導性奈米粒子彼此融合。複數個傳導性奈米粒子亦可融合至複數個傳導性奈米線。
儘管上文所述之方法說明且描述為一系列步驟或事件，但應瞭解，該等步驟或事件之任何次序不應以限制性意義解釋。舉例而言，一些步驟可以不同次序及/或與除本文說明及/或描述者以外之其他步驟或事件同時進行。另外，並非所有說明的步驟可需要實施本文所述之一或多個態樣或具體實例。另外，本文中所描繪之步驟中之一或多者可在一或多個獨立動作及/或階段中進行。
圖1C及圖1D展示根據各個具體實例之電子裝置120a、電子裝置120b之示意性截面圖。電子裝置120a、電子裝置120b包括第一基板 部分122a、第一基板部分122b、第二基板部分124a、第二基板部分124b及經配置以使第一基板部分122a、第一基板部分122b及第二基板部分124a、第二基板部分124b互連的傳導性部件126a、傳導性部件126b，其中傳導性部件126a、傳導性部件126b由如本文中所述之傳導性糊(例如100，圖1A)製成，傳導性糊經處理(例如經熱處理)以使傳導性糊之複數個傳導性奈米粒子(例如102，圖1A)彼此融合。
換言之，可提供電子裝置120a、電子裝置120b。電子裝置120a、電子裝置120b可包括第一基板部分122a、第一基板122b、第二基板部分124a、第二基板124b及在第一基板部分122a、第一基板122b與第二基板部分124a、第二基板部分124b之間配置的傳導性部件。傳導性糊之複數個傳導性奈米粒子可彼此融合(產生傳導性部件126a、傳導性部件126b)，以使第一基板部分122a、第一基板部分122b及第二基板部分124a、第二基板部分124b彼此互連。因此，傳導性部件126a、傳導性部件126b可使第一基板部分122a、第一基板部分122b及第二基板部分124a、第二基板部分124b彼此電互連。在各個具體實例中，傳導性部件126a、傳導性部件126b可使第一基板部分122a、第一基板部分122b及第二基板部分124a、第二基板部分124b彼此電互連且結合。以此方式，傳導性部件126a、傳導性部件126b可充當電互連及/或結合部件。
在各個具體實例中，在傳導性部件126a、傳導性部件126b內，傳導性糊之複數個傳導性奈米粒子亦可融合至傳導性糊之複數個傳導性奈米線。
在各個具體實例中，傳導性部件126a、傳導性部件126b可 為複合材料，其具有彼此融合的複數個傳導性奈米粒子及複數個傳導性奈米線(其可融合至複數個傳導性奈米粒子)。
傳導性部件126a、傳導性部件126b中之複數個傳導性奈米線可充當機械強化材料。舉例而言，複數個傳導性奈米線可充當針對在傳導性部件126a、傳導性部件126b中融合之複數個傳導性奈米粒子中可進行之裂痕擴張的障壁，且因此可阻滯裂痕面積的增加，藉此提高機械性質。
在各個具體實例中，第一基板部分122a、第一基板部分122b及第二基板部分124a、第二基板部分124b中之每一者可包括傳導性部分或電路。傳導性部件126a、傳導性部件126b可經配置以使第一基板部分122a、第一基板部分122b及第二基板部分124a、第二基板部分124b之各別傳導性部分(電路)彼此互連。
如圖1C中所示，第一基板部分122a及第二基板部分124a可包含於單一連續基板128a中。此可意謂，第一基板部分122a及第二基板部分124a可為單一連續基板128a之部分，且因此係指該單一連續基板128a之獨立部分。
如圖1D中所示，第一基板部分122b及第二基板部分124b可包含於一個配置在另一個之上的獨立基板中。此可意謂，第一基板部分122b及第二基板部分124b可自身為獨立的基板或可為各別獨立基板之部分。
在各個具體實例中，傳導性部件126a、傳導性部件126b可為凸塊或柱或可包括凸塊或柱。
在各個具體實例之上下文中，術語「傳導性(conductive)」 可包括「導電(electrically conductive)」及/或「導熱(thermally conductive)」。
在各個具體實例之上下文中，術語「融合(fuse/fusing)」可意謂燒結或接合在一起成為(單一)實體。此可意謂，當兩種材料彼此融合時，在該等兩種材料(或結構)之間未觀測到明顯或顯而易見的邊界。另外，彼此融合的兩種材料可不為獨立或相異的。
應瞭解，在傳導性糊100及電子裝置120a、電子裝置120b之上下文中的描述可對應地適用於彼此，且亦可對應地適用相關於形成互連之方法，且反之亦然。
各個具體實例可提供用於電子接合的銅奈米粒子-奈米線混合物。銅奈米粒子-奈米線混合物可提供針對微電子應用中低溫及低壓結合的解決方案或方法。
各個具體實例可包括將銅奈米線(Cu NWs)作為機械強化材料添加至銅奈米粒子(Cu NPs)。在約200℃下的低溫結合下，奈米級NPs並未展示足夠機械可靠性。儘管其已開始緊縮且融合，但燒結之Cu奈米粒子在其之間仍可具有孔隙，且可能未達成100%緻密化。因此，裂縫可沿著NPs之融合區容易地擴張。當裂痕面積之生長導致結合面積減少時，機械性質以及電性質及熱性質可隨著裂痕擴張嚴重地劣化。在各個具體實例中，添加之Cu奈米線充當針對經融合之Cu奈米粒子中裂痕擴張的障壁，且阻滯裂痕面積增加。
另外，Cu奈米線除強化奈米粒子接合以外還具有另一重要作用。與Cu奈米粒子糊混合的溶劑應經由高於有效燒結奈米粒子之某一溫度揮發完全移除。然而，大量溶劑可保持截留在Cu奈米粒子周圍，且此可 使接合之機械性質及電性質劣化。此對於大的結合將尤其正確，其中溶劑在達至「自由」表面之前具有大得多的距離需要移動。在各個具體實例中，引入的另外Cu奈米線建立殘餘化學物質(例如溶劑)可自隔離區域逸出的路徑。因此，上文所述之兩種效應可使得Cu NPs結合能夠更加穩定且可靠，可允許其延伸至電子應用中各種形式之接合。
如上所述，利用銅奈米粒子(Cu NPs)或糊的銅至銅(Cu至Cu)均勻互連為在低溫下且在不使用壓力之情況下形成電接合之具有吸引力的方法。在各個具體實例中，Cu同時用作傳導性及接合材料。藉由僅使用Cu作為金屬化、凸塊及接合材料，可避免在非均質材料之間侵蝕性的相互擴散及反應。出於彼原因，一些研究人員提出Cu直接與Cu糊結合，但該方法仍要求高溫以達成可接受機械強度。嘗試添加金屬絲、纖維或晶鬚及粒子，及功率焊接以達成低溫高穩定性結合。近期研究已報導使用銀(Ag)奈米線的電極及互連材料，其中奈米線之製造方法藉由化學合成，且因此奈米線不可精製且不可控制。然而，本發明人已發現，奈米線之長度及分佈極具敏感性，且在NP-NW混合物之性質中及在結合或互連之機械性質及電性質中可為關鍵的變數。換言之，為了實現與金屬奈米線(NWs)的高度穩定且可靠結合，可需要利用均一長度、直徑及足夠長的奈米線。在各個具體實例中，銅奈米線(Cu NWs)可生長至所需長度，且以最佳比率添加至奈米粒子(NPs)。因此，甚至在低溫(200℃)下可達成機械性質的高可靠接合。
在各個具體實例中，銅奈米粒子(Cu NPs)及銅奈米線(Cu NWs)以適當比率(例如重量比)混合，以解決上述挑戰。在各個具體實 例中，Cu NPs用作主要傳導性及接合材料，其中Cu NWs作為NPs之間的強化材料。
在各個具體實例中，各個具體實例中所採用之銅(Cu)奈米粒子可化學上合成，其中該等銅(Cu)奈米粒子之尺寸<10nm，具有保護性聚合層。銅奈米粒子(Cu NPs)可使用PCT/US2010/039069中所描述之方法形成，其全部揭示內容以引用之方式併入本文中。
圖2A展示根據各個具體實例呈截面圖形式，製造銅(Cu)奈米線(NWs)及具有銅(Cu)奈米粒子(NPs)之混合物之方法240的各種處理階段，其說明使用陽極化氧化鋁(AAO)製造Cu NWs的程序。一般而言，金/銅(Au/Cu)層可作為晶種層沈積於AAO上供電鍍。Cu可隨後電鍍至AAO中的孔中。接著，晶種層及AAO可藉由各別化學蝕刻劑蝕刻掉。最後，可剝落Cu NWs。當Cu奈米線經由電鍍使用陽極氧化鋁(AAO)作為模板製備時，可獲得NWs之長度的窄分佈，且可控制NWs之長度及NPs/NWs之重量比。儘管本文中描述用AAO作為模板的電鍍方法可用於獲得Cu奈米線，但應瞭解可利用其他方法，諸如化學合成、蒸氣-液體-固體方法或化學氣相沈積製備的均一Cu奈米線亦可應用於各個具體實例中。然而，長度及半徑變化較寬的NWs可能不太有效，且該方法窗口在最佳化比率及最大效應中可更寬。最後，Cu NWs可添加至Cu NPs，且兩種材料可在溶劑中混合，且接著用基於醇之溶液洗滌。
作為非限制性實例，參看圖2A，對於製備奈米線，可首先提供或製備陽極氧化鋁(AAO)模板242。AAO模板242可具有複數個孔(或孔隙或通道)243。AAO模板242可用Au及Cu濺鍍，其中可獲得0.2nm 厚的金層244及1μm厚的銅層246。
AAO模板242可接著附著至陰極(圖中未示)上，且50μm長的Cu奈米線204可在AAO模板242之孔243中電化學合成。
AAO模板242可附著至保護膜(例如熱膠帶)248。濺鍍之Cu層246及Au層244可利用化學蝕刻方法蝕刻掉。AAO模板242可使用氫氧化鈉(NaOH)溶液蝕刻。因此，可獲得自由Cu奈米線204。Cu奈米線204可接著用乙醇，接著異丙醇(isopropyl alcohol；IPA)洗滌。
圖2B展示根據各個具體實例呈截面圖形式，製造銅(Cu)奈米線之方法240b的各種處理階段。可提供或製備具有複數個孔(或孔隙或通道)243b的陽極氧化鋁(AAO)模板242b。AAO模板242b可用500nm厚的銅(Cu)層246b(作為晶種層)濺鍍。AAO模板242b可接著附著至陰極(圖中未示)上，且50μm長的Cu奈米線204b可在AAO模板242b之孔243b中電化學合成。AAO模板242b可接著例如藉由蝕刻使用氫氧化鈉(NaOH)溶液移除因此，Cu奈米線204b可保留在Cu層246b上。隨後，Cu奈米線204可自Cu層246b移除，且洗滌。
圖2B亦展示使用AAO模板242c形成的銅奈米線(Cu NWs)204c之掃描電子顯微鏡(SEM)影像。在移除AAO模板之後形成的銅奈米線(Cu NWs)之實例展示於圖2C之掃描電子顯微鏡(SEM)影像中，其說明長度為約15μm、約25μm及約45μm之Cu NWs。
如所述，精細Cu奈米線可由電鍍使用陽極氧化鋁(AAO)形成。奈米線之直徑及長度可取決於AAO(孔)尺寸及/或鍍敷狀況來調節舉例而言，奈米線之長度可容易地調節達至約50μm。可獲得具有極高縱橫 比(例如約50至250)的奈米線。另外，使用AAO生長的諸如Cu奈米線之奈米線可展現極均一直徑及長度。使用AAO的生長奈米線提供快速、簡單且低成本的方法。
返回參看圖2A，Cu奈米線204及Cu奈米粒子202可混合在一起以供形成傳導性糊。作為非限制性實例，對於製備奈米粒子及奈米線之混合物，約2g銅奈米粒子可經稱重，且可提供至試樣架中。洗滌溶液(例如基於醇之溶劑)可添加至試樣架中。含銅奈米粒子之試樣及溶劑可置放於超音波槽中約30秒。約0.04g銅奈米線可接著經稱重，添加至試樣架中，其中試樣隨後置放於超音波槽中約30秒。試樣或混合物可經離心，且溶液或溶劑自試樣架排水。視情況，藉由將另一洗滌溶液(例如基於醇之溶劑)添加至試樣架中，可進行另一輪洗滌，其中可隨後移除該溶劑。所得銅奈米粒子及銅奈米線之糊可轉移至注射器，以促進該糊之沈積。
圖2D展示可在各個具體實例中使用的銅奈米粒子(Cu NPs)202d之透射電子顯微鏡(TEM)影像。銅奈米粒子(Cu NPs)202d可例如遵循PCT/US2010/039069中所描述之方法形成。圖2D進一步展示可用有機層(例如聚合層)203囊封的個別銅奈米粒子202d之示意圖。有機層203可包括胺或胺化合物。
圖2E展示根據說明奈米粒子之洗滌製程之各個具體實例用於洗滌(奈米)銅(Cu)奈米粒子糊之方法的示意圖。具有銅奈米粒子(在奈米粒子糊200e中無奈米線)的銅奈米粒子糊200e可自注射器261e分配至管262e中。溶劑(例如基於醇之溶劑)263e可自分配器264e分配至管262e中。含有銅奈米粒子糊200e及溶劑263e的溶液或混合物265e可接著 經攪拌，且使用超音波發生器混合約30秒。混合物265e可接著經離心，且傾析，其中因此，Cu奈米粒子糊200e可處於管262e之底部處，以使得混合物265e中之液體移除。一或多種添加劑266e可自分配器267e分配，添加至管262e中，以調節Cu奈米粒子糊200e之黏度。隨後，Cu奈米粒子糊200e可使用兩個注射器268e、注射器269e，例如藉由在注射器268e與注射器269e之間移動Cu奈米粒子糊200e來混合。其後，例如可參考圖2F如下所述，銅奈米線可與經洗滌之Cu奈米粒子糊200e混合在一起。一般而言，總體製程流程可為奈米粒子(原料)→洗滌→與奈米線混合→分散(例如在基板上)→加熱。
添加劑(例如稱作混合基質)266e可包括一或多種有機溶劑，諸如烴、醇、有機酸或胺或其混合物。作為非限制性實例，醇可包括丁醇、辛醇、丙醇、壬醇、癸醇。添加劑266e，另外地或替代性地，可包括甘油(比如丙二醇)、甘油及/或界面活性劑(諸如span20(脫水山梨糖醇單月桂酸酯))。
圖2F展示根據各個具體實例用於形成互連之方法的示意圖。銅(Cu)奈米粒子202f可在容器258f中分散於基於醇之溶劑257f中。銅(Cu)奈米線204f可添加至基於醇之溶劑257f中，形成含有Cu奈米線204f、Cu奈米粒子202f及基於醇之溶劑257f的溶液259f，其可接著藉由超音波發生器混合。接著，溶液259f可經離心，且基於醇之溶劑257f可例如使用注射器260f移除或排出，以使傳導性糊200f保留在容器258f中。傳導性糊200f或其部分可接著在基板224f與晶片222f之間沈積或分散，例如分散至基板222f上。可接著例如自基板222f下方進行(例如在約200℃與約 280℃之間之溫度下)加熱製程。由於加熱製程，傳導性糊200f中的Cu奈米粒子202f可彼此融合，導致在基板224f與晶片222f之間形成傳導性部件，其中該傳導性部件可使該基板224f及該晶片222f彼此電互連且結合。另外，由於加熱製程，傳導性糊200f中可存在的任何殘餘基於醇之溶劑257f可蒸發。
在各個具體實例中，Cu奈米粒子202f與Cu奈米線204f之重量比可在約10：1與約40：1之間，其中約40：1之重量比為最佳重量比。加熱製程可進行至約200℃與約280℃之間的峰值溫度，其中在峰值溫度下的加熱持續時間可為約90秒。
圖2G展示說明各個具體實例之處理方法之一些步驟之實例的像片。圖2G展示注射器270g中所提供之銅糊(NPs+NWs)200g，該銅糊200g可自該注射器270g塗覆至基板224g上。銅糊200g可分散於基板224g上。另一基板(圖中未示)可置放於其間具有銅糊200g之基板224g上方，且在加熱裝置271g中經受加熱製程，以使基板224g與另一基板互連。
應瞭解，圖2A至圖2G之上下文中所述之方法或步驟可對應地亦適用於圖2A至圖2G之其他方法或步驟，或可以任何方式組合。
在各個具體實例中，各個具體實例之銅糊(例如200f，圖2F)可持續超過6個月為穩定的。另外，在基板之間的低溫(<200℃)及無壓力結合可使用各個具體實例之銅糊進行。
在各個具體實例中，用於互連或結合的條件可包括：˙用於混合奈米粒子(NPs)及奈米線(NWs)的溶劑可為基於醇之溶劑，諸如異丙醇(IPA)、戊烷、庚醇(最佳條件)、己醇(最佳條件)等； ˙NPs：NWs之重量比=20：1、30：1、40：1(最佳條件)；˙約200至約280℃(最佳條件)之峰值加熱溫度；˙約6分鐘(最佳條件)至約30分鐘之加熱持續時間；˙在峰值加熱溫度下約90秒(最佳條件)至約10分鐘之加熱持續時間；˙加熱環境可包括惰性氣體(N2或Ar)(最佳條件)或真空；˙加熱器裝置可包括管形爐、回流烘箱(最佳條件)、真空烘箱等；˙結合無機械壓力(最佳條件)。
圖3A展示說明使用各個具體實例之銅(Cu)糊(NPs+NWs)使晶片322結合至基板324的示意圖。以此方式，晶片或封裝322可使用含有奈米粒子302及奈米線(圖3A中未示)之糊(或複合材料)在基板324上組裝，形成結合層326。結合層326可為使晶片322及基板334互連的傳導性部件(自傳導性糊形成)。
圖3B展示分散於基板334(其中出於易於理解及清楚的目的，晶片322經移除)上作為複合結合層(或傳導性部件)326的Cu NPs+NWs之銅(Cu)複合材料的示意圖。圖3B亦展示銅(Cu)結合層326之部分之放大視圖，以說明經混合之Cu NWs 304及Cu NPs 302的微觀結構。儘管未清楚地說明，但NPs 302彼此融合。NPs 302亦可融合至NWs 304。
圖4A展示說明各個具體實例之奈米線404及奈米粒子402之混合物的強化機制、說明其中Cu NWs 404可預防裂痕擴張且加強結合之機械強度之機制的示意圖。
在各個具體實例中，儘管奈米級Cu粒度，但較低(約0.2 Tm) 製程溫度及較短退火時間(<1hr)可能不導致100%緻密化。因此，晶界之面積及空隙之密度可能沒有完成消除。因此，很可能存在裂痕擴張路徑，其可導致機械強度之劣化。然而，如圖4A中所示，插入至Cu NPs 402中的Cu NW 404s可防礙裂痕之擴張，且可阻滯裂痕生長，藉此提高機械性質。因此，在加熱傳導性Cu糊之後，在各個具體實例之傳導性部件中存在CuNWs 404可藉由使可在傳導性部件中產生的裂痕擴張降至最低而改良傳導性部件之機械性質。
圖4B展示說明奈米線404b於各個具體實例之Cu奈米粒子結合層426b中之情況下溶劑萃取效應的示意圖，以說明NWs於Cu NPs結合中的第二效應。在Cu NPs結合中，糊可含有不同種類之溶劑以及在Cu NPs周圍的有機罩蓋層。然而，如圖4B中所示，在藉由加熱而燒結之後，一些溶劑475a仍可保留且可截留在經燒結之Cu NPs層中，在Cu NPs 402b之間。另一方面，如圖4B中所示，在NP+NW複合結合層426b中，奈米線404b可在隔離區域中形成狹縫，且充當化學物質或溶劑475b移除至周圍環境中的擴散路徑。
各個具體實例之傳導性銅糊可用於銅(Cu)柱凸塊結合以供3D整合(參看例如圖5A及圖5B)。用於Cu柱形成的習知方法為使用典型地需要較長時間(0.5至1hr)的電鍍。因此，已經研究取代方法，且使用Cu糊的網版印刷或噴墨印刷方法視為較強候選方法中之一者。然而，使用Cu糊形成Cu凸塊的一個最大擔憂為在燒結期間凸塊破裂。諸多先前研究報導，隨著膜(凸塊)或塗層厚度增加，更多裂痕生成且擴張。因此，形成厚的Cu柱(約10至100μm)且無裂痕為使用奈米粒子進行Cu柱凸塊 結合的挑戰。
兩種類型之Cu凸塊使用Cu糊形成：奈米Cu粒子及具有奈米線之奈米Cu粒子。如圖5A及圖5B中所示，使用各個具體實例之奈米線嵌入之奈米Cu糊形成的Cu柱(或Cu傳導性部件)526顯著減少裂痕生成及擴張。
圖6A及圖6B展示由具有各個具體實例之奈米粒子602及奈米線604之銅糊形成的銅(Cu)凸塊626之掃描電子顯微鏡(SEM)影像，同時圖6C及圖6D展示由無奈米線之銅糊形成的銅(Cu)凸塊627之掃描電子顯微鏡(SEM)影像。如圖6A及圖6B中所示，掃描電子顯微鏡(SEM)分析展現晶片之失效表面，且展示與經融合之NPs 602充分混合的奈米線(NWs)604。其亦展示NWs 604跨越在結合NPs 602內的破裂區域橋接。其可表明，此等NWs連接改良機械性質以及電性質。相比之下，如圖6C及圖6D中所示，其中不存在奈米線，裂痕628可貫穿Cu凸塊627擴張。
圖7A至圖7D展示在200℃下結合的接合銅(Cu)奈米粒子(NPs)及奈米線(NWs)複合物之斷裂表面之微觀結構的掃描電子顯微鏡(SEM)影像。如圖7A至圖7D中所示，Cu NWs 704(圖7A中展示之橢圓形指示一些NWs所在處)與經融合之NPs 702混合。
圖7E展示說明使用各個具體實例之銅糊形成的結合層之微觀結構的掃描電子顯微鏡(SEM)影像。銅奈米線704可在經融合之銅奈米粒子702中清楚地觀測到。
進行使用剪切測試機器的機械晶片剪切測試，且比較三種不同樣品：僅NP、NP+NW、NP+薄片(約100μm)樣品之剪切強度。圖8展 示針對各種銅(Cu)奈米結構的剪切強度之繪圖880，說明奈米結構的剪切強度變化。繪圖880展示僅具有奈米粒子之樣品的結果882、具有奈米粒子及奈米線之樣品的結果884以及具有奈米粒子及薄片之樣品的結果886。相應奈米結構之斷裂表面的SEM影像亦展示在圖8中。剪切測試之結果展示，與NWs一起添加的混合物在結合強度方面展示較高值(結果884)。如圖8中所示，NP+NW複合樣品之剪切強度(結果884)比其他樣品高兩倍。NP+薄片混合物亦應用於比較複合物中所存在之大粒徑(約100μm)效應，但不同於NP+NW樣品，該NP+薄片混合物不起作用，因為薄片之存在與僅具有奈米粒子之樣品相比並未增加剪切強度。亦即，複合物強化效應僅可見於小尺寸長結構，諸如奈米線中。
在各個具體實例中，可使用直徑為約100至200nm及長度為約20至50μm(縱橫比：約100至500)的Cu奈米線及直徑為約5至20nm的Cu奈米粒子。Cu NPs與Cu NWs之重量比為約1：1至約50：1，例如在約10：1與約50：1之間。檢查尺寸、長度、Cu NWs與奈米粒子之比率的範圍，最佳組成物可針對所需機械性質及電性質進行測定。因此，製程溫度可視奈米粒子尺寸而定針對更佳結合效能敏感地變化。已發現在約40至100nm之間的較大Cu奈米粒子之情況下，可獲得相同「奈米線效應」，但最佳化製程溫度增至約300至350℃。因此，儘管不同尺寸之奈米粒子可用於各個具體實例中，僅將修改結合條件，但材料之概念及性質改良機制保留。
亦可研究在含有一些奈米粒子之奈米線的組態與該等奈米線機械性質之間的關係。同時研究在銀(Ag)奈米線與粒子之分率與機械強度之間的關係，化學合成奈米線之長度不為均勻或均一的。出於此原因， 難以測定研究之結果是否展現奈米線之分率與機械強度之間的關係。然而，利用化學或蒸氣方法合成的奈米線可仍適用於各個具體實例，因為儘管其具有較少效應，但其仍可在方法及機制方面適用。
圖9A展示剪切強度隨長度及奈米粒子與奈米線之重量比而變化的繪圖980。繪圖980展示無奈米線之樣品的結果981、對於奈米粒子與奈米線之重量比為約20：1之長度分別為約20μm及約40μm之奈米線樣品的結果982及結果983、以及對於奈米粒子與奈米線之重量比為約40：1之長度分別為約20μm及約40μm之奈米線樣品的結果984及結果985。如圖9A中所示，奈米線與奈米粒子之重量比可影響機械結合強度。經由NWs與NPs之不同分率(或重量比)的機械測試，發現在NPs：NWs之某一比率下，增強效應可最大化。此外，低於某一比率及超過某一比率，NW添加之效應變得較小。在各個具體實例中，發現產生最佳機械結合強度的NPs：NWs之有效重量比為40：1。
當NPs：NWs之比率在最佳化條件下固定(亦即40：1)時，可測定奈米線之最佳長度。圖9B展示剪切強度隨奈米線之長度而變化的繪圖990，其中奈米粒子與奈米線之重量比固定在40：1下。繪圖990展示無奈米線之樣品的結果991、長度為約5μm之奈米線樣品的結果992、長度為約15μm之奈米線樣品的結果993、長度為約20μm之奈米線樣品的結果994及長度為約40μm之奈米線樣品的結果995。如圖9B中所示，含有較長奈米線之結合層展示較高結合強度。奈米線之長度的效應可用經電鍍之奈米線更精確地檢驗，因為經電鍍之奈米線之長度至少為實質上均一的。
圖10A展示剪切強度隨奈米線之長度而變化的繪圖1080。 檢查三種不同樣品糊：無奈米線(結果1081)、與兩種不同長度(10μm及40μm)之奈米線混合(結果1082)及與均一長度(40μm)之奈米線混合(結果1083)，其中奈米粒子與奈米線之重量比固定在約40：1下。樣品經由在約230℃(峰值溫度)下加熱約90秒(峰值時間持續時間)結合。可測定奈米線之長度之分佈的效應。其如圖10A中所示，具有奈米線之樣品(結果1082、結果1083)與無奈米線之樣品(結果1081)相比展示較高剪切強度，且具有均一長度奈米線之樣品(結果1083)與具有混合長度之樣品(結果1082)相比展示較高剪切強度。
圖10B展示根據各個具體實例之電子裝置1020的示意性截面圖，其說明用奈米銅(Cu)糊1026的結合結構。奈米銅(Cu)糊1026可設置於具有銅層1023之第一基板部分(例如矽(Si)晶片)1022與具有銅層1025之第二基板部分(例如矽(Si)基板)1024之間，其中該糊1026可經熱處理以使該第一基板部分1022及第二基板部分1024彼此互連及/或結合。
圖10C及圖10D展示分別在圖10B中所指示位置「A」及「B」處獲得的掃描電子顯微鏡(SEM)影像。圖10C展示在三種對應於供獲得圖10A之結果所採用彼等樣品之不同樣品的剪切測試之後，在位置「A」處的表面形態之SEM影像。無奈米線之樣品展示平坦且清潔的界面失效模式，且具有混合長度奈米線及均一長度奈米線的樣品分別展示混合及內聚失效模式。此等結果可說明奈米線預防裂痕擴張，並且長且均一奈米線與具有不同長度之奈米線混合物相比更有效。此等結果與圖10A之剪切強度結果充分一致。
圖10D展示在奈米Cu糊1026分散之後，在位置「B」處的表面之表面形態的SEM影像。無奈米線之樣品在表面上展示大量裂痕，但具有奈米線之樣品未展示裂痕或展示極少裂痕。
在各個具體實例中，當使用某一或預定尺寸之奈米粒子(例如5至20nm)時，發現最佳化重量比及奈米線之長度分別為約40：1(NPs：NWs)及約40μm。以類似方式，當應用不同尺寸之NPs及NWs時，最佳比率及長度亦可改變。
圖11展示具有Cu奈米粒子及具有Cu奈米線(結果1182)或無奈米線(結果1184)之奈米銅(Cu)糊之兩種不同樣品的原位電阻量測之繪圖1180。樣品在回流烘箱中退火，其中五個區域具有不同溫度概況，其為220℃、240℃、260℃、280℃及冷卻。繪圖1180展示具有奈米線之樣品的電阻(結果1182)比無奈米線之樣品(結果1184)下降更快速，且在240℃區域處達到<10Ω範圍，且電阻非常穩定。結果1182、結果1184展示具有奈米線之糊的製程溫度可低於無奈米線之糊。結果1182、結果1184展現奈米線有助於改良奈米Cu糊接合的電性質，與圖10A中展示之結果對應。
據估計，藉由晶圓凸塊方法之倒裝晶片技術的全球市場在2012年達到$189億。此市場估計在2013年為$201億，且在2018年預期增長至$365億。作為一個片段的銅(Cu)柱方法估計在2013年為$73億。在2018年進一步預期增長至幾乎$249億。各個具體實例可應用於封裝材料：三維積體電路(3D IC)接合、功率電子焊接、高可靠性結合。吾人預期含有昂貴新穎金屬(金(Au)、銀(Ag)、鉑(Pt))的高穩定性合金焊接材料 可用各個具體實例之材料替換，因為其展示可比較之電性質及機械性質及高得多的可靠性，甚至更低價格。另外，成本可藉由消除封裝方法中的一些程序減少：在Cu凸塊上形成罩蓋層或障壁層及在Cu凸塊或線上凸塊下金屬化(UBM)。
當參考特定具體實例，已具體地對本發明進行展示及描述時，熟習此項技術者應瞭解，在不脫離如所附申請專利範圍所定義之本發明的精神及範圍之情況下，其中可對形式及細節做多種改變。本發明之範圍因此藉由所附申請專利範圍指示，且因此意欲涵蓋在申請專利範圍之等效含義及範圍內出現的所有改變。
302‧‧‧奈米粒子
304‧‧‧Cu NWs
324‧‧‧基板
326‧‧‧結合層

Claims (30)

  1. 一種傳導性糊(conductive paste)，其具有包含複數個傳導性奈米粒子及複數個傳導性奈米線的組成物，其中該複數個傳導性奈米粒子與該複數個傳導性奈米線之重量比在約10：1與約50：1之間。
  2. 如申請專利範圍第1項之傳導性糊，其中該複數個傳導性奈米粒子與該複數個傳導性奈米線之該重量比在約10：1與約40：1之間。
  3. 如申請專利範圍第2項之傳導性糊，其中該複數個傳導性奈米粒子與該複數個傳導性奈米線之該重量比為約40：1。
  4. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項之傳導性糊，其中該複數個傳導性奈米粒子之各傳導性奈米粒子的尺寸在約5nm與約20nm之間。
  5. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項之傳導性糊，其中該複數個傳導性奈米線之各傳導性奈米線的長度在約5μm與約50μm之間。
  6. 如申請專利範圍第1項至第5項中任一項之傳導性糊，其中該複數個傳導性奈米線具有同一長度。
  7. 如申請專利範圍第1項至第6項中任一項之傳導性糊，其中該複數個傳導性奈米線之各傳導性奈米線的直徑在約100nm與約200nm之間。
  8. 如申請專利範圍第1項至第7項中任一項之傳導性糊，其中該複數個傳導性奈米線具有同一直徑。
  9. 如申請專利範圍第1項至第8項中任一項之傳導性糊，其中該複數個傳導性奈米線之各傳導性奈米線的縱橫比在約50與約500之間。
  10. 如申請專利範圍第1項至第9項中任一項之傳導性糊，其中該複數個傳導性奈米粒子包含金屬。
  11. 如申請專利範圍第1項至第10項中任一項之傳導性糊，其中該複數個傳導性奈米線包含金屬。
  12. 如申請專利範圍第10項或第11項之傳導性糊，其中該金屬係選自由銅、銀及金組成之群。
  13. 如申請專利範圍第1項至第12項中任一項之傳導性糊，其中該複數個傳導性奈米粒子及該複數個傳導性奈米線包含銅或基本上由銅組成。
  14. 如申請專利範圍第1項至第13項中任一項之傳導性糊，其中該複數個傳導性奈米粒子之各傳導性奈米粒子用有機層囊封。
  15. 如申請專利範圍第14項之傳導性糊，其中該有機層包含胺。
  16. 一種用於形成互連之方法，其包含：將如申請專利範圍第1項至第15項中任一項之傳導性糊塗覆於第一基板部分與第二基板部分之間；及使該傳導性糊之該複數個傳導性奈米粒子彼此融合以使該第一基板部分及該第二基板部分互連。
  17. 如申請專利範圍第16項之方法，其中使該傳導性糊之該複數個傳導性奈米粒子彼此融合包含使該傳導性糊經受加熱製程。
  18. 如申請專利範圍第17項之方法，其中該加熱製程進行約6分鐘與約30分鐘之間的預定持續時間。
  19. 如申請專利範圍第17項或第18項之方法，其中該加熱製程之預定峰值溫度在約200℃與約350℃之間。
  20. 如申請專利範圍第19項之方法，其中在該預定峰值溫度下之該加熱製程進行約90秒與約10分鐘之間的預定持續時間。
  21. 如申請專利範圍第16項至第20項中任一項之方法，其中該第一基板部分及該第二基板部分包含於單一連續基板中。
  22. 如申請專利範圍第16項至第20項中任一項之方法，其中該第一基板部分及該第二基板部分分別包含於一個配置在另一個之上的獨立基板中。
  23. 如申請專利範圍第16項至第22項中任一項之方法，其進一步包含形成該傳導性糊，包含以下：提供複數個傳導性奈米粒子；提供複數個傳導性奈米線；及在溶劑中混合該複數個傳導性奈米粒子及該複數個傳導性奈米線。
  24. 如申請專利範圍第23項之方法，其中該溶劑包含醇。
  25. 如申請專利範圍第24項之方法，其中該醇包含異丙醇、戊烷、庚醇或己醇中之至少一者。
  26. 如申請專利範圍第23項至第25項中任一項之方法，其中提供複數個傳導性奈米線包含藉助於電鍍方法使用陽極氧化鋁作為模板形成該複數個傳導性奈米線。
  27. 一種電子裝置，其包含：第一基板部分；第二基板部分；及經配置以使該第一基板部分及該第二基板部分互連的傳導性部件，其中該傳導性部件由如申請專利範圍第1項至第15項中任一項之傳導性糊製成，該傳導性糊經處理以使該傳導性糊之該複數個傳導性奈米粒 子彼此融合。
  28. 如申請專利範圍第27項之電子裝置，其中該第一基板部分及該第二基板部分包含於單一連續基板中。
  29. 如申請專利範圍第27項之電子裝置，其中該第一基板部分及該第二基板部分分別包含於一個配置在另一個之上的獨立基板中。
  30. 如申請專利範圍第27項至第29項中任一項之電子裝置，其中該傳導性部件包含凸塊或柱。
TW105103020A 2015-01-30 2016-01-30 傳導性糊、形成互連的方法及電子裝置 TW201638972A (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201562109785P 2015-01-30 2015-01-30

Publications (1)

Publication Number Publication Date
TW201638972A true TW201638972A (zh) 2016-11-01

Family

ID=56543863

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW105103020A TW201638972A (zh) 2015-01-30 2016-01-30 傳導性糊、形成互連的方法及電子裝置

Country Status (6)

Country Link
US (2) US9976042B2 (zh)
EP (1) EP3251129B1 (zh)
KR (1) KR20170134337A (zh)
CN (1) CN107430898B (zh)
TW (1) TW201638972A (zh)
WO (1) WO2016122412A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11652052B2 (en) 2021-03-29 2023-05-16 Tpk Advanced Solutions Inc. Contact structure and electronic device having the same

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015523760A (ja) * 2012-05-01 2015-08-13 ナノトン， インコーポレイテッド 無線周波数（ｒｆ）伝導媒体
TW201819553A (zh) * 2016-09-30 2018-06-01 南洋科技大學 油墨組成物，形成導電構件方法及導電裝置
CN108550658A (zh) * 2018-05-30 2018-09-18 电子科技大学 一种纳米线太阳能电池及其制备方法
CN111618475B (zh) * 2020-06-04 2021-06-18 重庆大学 焊膏材料、焊膏材料的制备方法和电子元件的封装方法
US11987717B2 (en) * 2020-07-10 2024-05-21 The Research Foundation For The State University Of New York Air-stable conductive ink
WO2023003297A1 (ko) * 2021-07-20 2023-01-26 (주)바이오니아 형상학적으로 상이한 금속을 포함하는 전자파 차폐용 조성물

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006049106A (ja) * 2004-08-05 2006-02-16 Mitsui Mining & Smelting Co Ltd 銀ペースト
JP4517230B2 (ja) * 2004-08-31 2010-08-04 三菱マテリアル株式会社 金属微粒子含有組成物、およびその用途
US7341680B2 (en) 2005-03-02 2008-03-11 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Printable composition with nanostructures of first and second types
JP2008269827A (ja) * 2007-04-17 2008-11-06 Matsushita Electric Ind Co Ltd 電気化学素子の電極材料およびその製造方法並びにそれを用いた電極極板および電気化学素子
US8486305B2 (en) 2009-11-30 2013-07-16 Lockheed Martin Corporation Nanoparticle composition and methods of making the same
US9072185B2 (en) 2009-07-30 2015-06-30 Lockheed Martin Corporation Copper nanoparticle application processes for low temperature printable, flexible/conformal electronics and antennas
US9011570B2 (en) 2009-07-30 2015-04-21 Lockheed Martin Corporation Articles containing copper nanoparticles and methods for production and use thereof
JP5246096B2 (ja) * 2009-08-10 2013-07-24 日立電線株式会社 複合金属微粒子材料、金属膜及び金属膜の製造方法、並びにプリント配線板及び電線ケーブル
TWI420540B (zh) * 2009-09-14 2013-12-21 Ind Tech Res Inst 藉由光能或熱能成形之導電材料、導電材料之製備方法以及導電組合物
WO2011071885A2 (en) * 2009-12-07 2011-06-16 Duke University Compositions and methods for growing copper nanowires
KR101193286B1 (ko) 2010-09-01 2012-10-19 삼성전기주식회사 전도성 페이스트, 그 제조방법 및 이를 이용한 전극
KR101795419B1 (ko) * 2011-01-26 2017-11-13 주식회사 잉크테크 투명 도전막의 제조방법 및 이에 의해 제조된 투명 도전막
US8889226B2 (en) * 2011-05-23 2014-11-18 GM Global Technology Operations LLC Method of bonding a metal to a substrate
KR101339845B1 (ko) 2012-04-05 2013-12-10 주식회사 케이씨씨 금속 나노와이어를 포함하는 태양전지 전극 형성용 금속 페이스트
US9530531B2 (en) * 2013-02-21 2016-12-27 Nanotek Instruments, Inc. Process for producing highly conducting and transparent films from graphene oxide-metal nanowire hybrid materials
US9607726B2 (en) * 2015-01-30 2017-03-28 Xerox Corporation Composition comprising silver nanowires
US9947430B2 (en) * 2015-01-30 2018-04-17 Xerox Corporation Transparent conductive film comprising silver nanowires

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11652052B2 (en) 2021-03-29 2023-05-16 Tpk Advanced Solutions Inc. Contact structure and electronic device having the same

Also Published As

Publication number Publication date
KR20170134337A (ko) 2017-12-06
EP3251129B1 (en) 2020-12-23
CN107430898A (zh) 2017-12-01
US20180002540A1 (en) 2018-01-04
EP3251129A1 (en) 2017-12-06
US20180237644A1 (en) 2018-08-23
WO2016122412A9 (en) 2017-06-29
CN107430898B (zh) 2020-04-28
US9976042B2 (en) 2018-05-22
WO2016122412A1 (en) 2016-08-04
US10202512B2 (en) 2019-02-12
EP3251129A4 (en) 2018-08-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TW201638972A (zh) 傳導性糊、形成互連的方法及電子裝置
TWI333688B (en) Carbon nanotubes solder composite for high performance interconnect
Bertheau et al. Effect of intermetallic compound thickness on shear strength of 25 μm diameter Cu-pillars
Lin et al. High-strength and thermal stable Cu-to-Cu joint fabricated with transient molten Ga and Ni under-bump-metallurgy
JP2019520220A (ja) 二元系において接合部を形成する方法及びその接合部
Hoivik et al. Wafer‐Level Solid–Liquid Interdiffusion Bonding
Zürcher et al. All-copper flip chip interconnects by pressureless and low temperature nanoparticle sintering
Pan et al. Microstructures of phased-in Cr–Cu/Cu/Au bump-limiting metallization and its soldering behavior with high Pb content and eutectic PbSn solders
Del Carro et al. Low-temperature dip-based all-copper interconnects formed by pressure-assisted sintering of copper nanoparticles
Yoon et al. Mechanical reliability of Sn-rich Au–Sn/Ni flip chip solder joints fabricated by sequential electroplating method
Kee et al. Copper-silicon carbide composite plating for inhibiting the extrusion of through silicon via (TSV)
Sosa et al. Cu pillar with nanocopper caps: the next interconnection node beyond traditional Cu pillar
Murugesan et al. Low-resistance Cu-Sn electroplated–evaporated microbumps for 3D chip stacking
Osborn et al. Electroless copper deposition with PEG suppression for all-copper flip-chip connections
Lee et al. Introduction of an electroless-plated Ni diffusion barrier in Cu/Sn/Cu bonding structures for 3D integration
Mohan et al. Demonstration of patternable all-Cu compliant interconnections with enhanced manufacturability in chip-to-substrate applications
Lee et al. A study on the breakdown mechanism of an electroless-plated Ni (P) diffusion barrier for Cu/Sn/Cu 3D interconnect bonding structures
Del Carro et al. Morphology of low-temperature all-copper interconnects formed by dip transfer
Jiang et al. Defect formation and mitigation in Cu/Cu joints formed through transient liquid phase bonding with Cu-Sn nanocomposite interlayer
Chien et al. Low temperature (< 180° C) wafer-level and chip-level In-to-Cu and Cu-to-Cu bonding for 3D integration
Hu et al. A low-temperature solid-state bonding method based on copper bump coated with nickel microcones and silver buffer
Guo et al. Sintering of hollow Ag particle paste on bare Cu substrate for die attachment under a nitrogen atmosphere
WO2019198328A1 (ja) 実装構造体およびナノ粒子実装材料
Dai et al. Newly developed in-situ formation of SnAg and SnAgCu solder on copper pillar bump
Rong et al. Low temperature Cu-Sn bonding by isothermal solidification technology