[发明专利]一种利用表面微纳米结构的低温固态键合方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体芯片封装领域，具体是通过纤维状纳米银金属层与表面特殊针锥形貌金属层的使用，实现低温互连键合的方法。

背景技术

目前电子封装向小型化、高密度化和多芯片化发展，电互连技术是电子封装技术中的核心技术。根据摩尔定律，封装组件功率不断攀升、引脚密度持续增加，使其需要在越来越高的温度下服役，保证长时间可靠。然而，传统的再流焊工艺需要将温度加热到焊料熔点以上，高的温度环境对芯片本身会产生恶劣的影响，大大降低产品的可靠性，同时伴随着较大的能量消耗。例如Cu-Cu热压键合往往需要较高的键合温度，典型值约在350-400℃将给封装带来很大的技术障碍。

在先进封装形式的设计中需要对互连进行多方面的技术考量(如电气性能、机械性能、间距)，而人们孜孜不倦地追求的互连工艺温度的降低，正是实现先进封装的一项关键性技术以及重大挑战。苛刻的工艺条件将给封装带来很大的技术障碍。寻求低焊接温度、高焊接强度的工艺已经成为互连技术的发展趋势。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种利用表面微纳米结构的低温固态键合方法，克服了现有封装互连工艺中的焊接温度高、焊接强度低的问题。

为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：

本发明提供一种利用表面微纳米结构的低温固态键合方法，包括以下步骤：

S1：选择具有相互匹配的电互连焊盘的两个或多个待键合元件，两两形成一个待键合偶；

S2：在待键合偶的一侧焊盘上形成纤维状纳米银金属层；

S3：在待键合偶的另一侧焊盘上形成微米级针锥阵列结构的金属层；

S4：将待键合偶表面焊盘对准，使得所述待键合偶的一侧表面带有纤维状纳米银金属层的区域与另一侧表面带有微米级针锥阵列结构的金属层区域匹配；把接触区域加热到不超过金属熔点的某一键合温度同时向待键合偶一侧或双侧施加键合压力并保持一定时间，使得纤维状纳米银金属层与微米级针锥阵列结构的金属层固态键合。

本发明的纤维状纳米银金属层为纳米银片，压缩时具有良好塑性变形性，比使用纳米银颗粒时的结合性能更佳、孔隙率更小，能够达到更好的键合效果。

较佳地，所述纤维状纳米银金属层的制备方法为电沉积法或化学方法合成，所述纳米银金属层的长度为0.5μm到3μm，厚度为0.1μm到3μm。

较佳地，所述微米级针锥阵列结构的金属层利用电沉积或化学方法合成；通过控制添加剂浓度、时间、电沉积温度、电流密度等参数，所述微米级针锥阵列结构的金属层的针锥高度为0.3μm到3μm，针锥直径为0.1μm到1μm。

较佳地，所述微米级针锥阵列结构的金属层材质为金、银、铜、镍、钯、钴、钨或它们的合金。

较佳地，所述微米级针锥阵列的金属层的针锥高度基本保持一致。

较佳地，在所述微米级针锥阵列的金属层表面制备防氧化层或硬质层；所述防氧化层或硬质层为金、铂、银、钯、钨、镍等金属单质或合金，所述防氧化层或硬质层的厚度为数纳米至数十纳米。

一般，键合温度为100°C～400°C，键合压力为10MPa～100 Mpa，所述键合压力保持的时间为数秒到数分钟。

相较于现有技术，本发明具有以下优点：

本发明提供的利用表面微纳米结构的低温固态键合方法，通过改变键合偶的表面形貌，达到了降低键合温度的效果。根据纳米结构的热力学性质，熔点随着纳米结构尺寸的减小而降低，可以获得高稳定性的焊点。同时针锥阵列材料由于其针尖结构可以破坏焊料氧化层，被运用在热压键合中，键合后形成嵌入式的界面，可获得较为理想的键合强度。本发明将现有热压键合中的金属薄膜替换成纳米结构的银片和针锥结构的金属层，传导率、电导率更高，并且可以大大减低热压键合的温度，提高键合强度。

附图说明

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：

图1为本发明的纤维状纳米银金属层和微米级针锥金属层的结构图；

图2为本发明的实施例的两个待键合元件完成固态键合后的结构图；

图3所示为本发明的利用表面微纳米结构的低温固态键合方法的工艺流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明提供一种利用表面微纳米结构的低温固态键合方法，包括以下步骤：