[发明专利]一种低温键合铝包铜材料及其使用工艺

说明书

本发明提供了一种低温键合铝包铜材料及其使用工艺，所述铝包铜材料i)核部分是铜，壳部分是铝；ii)核部分厚度尺寸在50nm～50um，壳部分厚度尺寸在5nm～5um。该材料通过施加超声和压力进行焊接。超声焊接的过程短，相比于加热烧结，大大节省封装的工时。氧化铝外层可以满足铜颗粒的抗氧化保护，无需特别外层抗氧化包覆，且可以在超声压力下，该氧化铝层破碎而暴露出新鲜的铝表面而实现铝‑铝结合，这个融合焊接可在较低加热温度甚至室温情况下实现颗粒间的融合。

技术领域

本发明属于半导体芯片封装互连领域，具体为一种低温键合铝包铜材料及其使用工艺。

背景技术

在大功率电子封装中，现今趋势是用金属基低温烧结材料作为装片材料替代高铅焊料，不但满足封装材料无铅的需求，还具有低温使用且高温服役的特性；但目前的烧结材料主要是银烧结材料，面临的主要问题是成本高。而纳米铜烧结材料因其严重的氧化现象目前还不能有效地减轻成本，尽管它是用来作为降低材料成本的低温烧结材料。

目前，作为低温烧结的大部分包覆铜颗粒的金属材料分两种，一种是高熔点贵金属，比如，金、银等，通过传导加热或者辐射加热等形式促成纳米颗粒间原子扩散实现颗粒融合，另一种是锡、铟等低熔点，在200℃左右下瞬态液化，与铜形成高熔点金属间化合物而实现颗粒融合。前者是有材料成本高和烧结温度高的问题，后者有由于金属间化合物造成的低导热导电的问题。除此而外，它们还有各自在工艺上的现实困难。

发明内容

针对上述现有技术中所存在的技术问题，本发明提供了一种低温键合铝包铜材料，所述铝包铜材料i)核部分是铜，壳部分是铝；ii)核部分厚度尺寸在50nm～50um，壳部分厚度尺寸在5nm～5um。

优选地，所述壳表面与核表面到核心距离比例25％。

优选地，所述铜选自：零维结构球状铜、一维结构线状铜、二维结构片状铜中的一种或多种。

所述的微纳米铜颗粒尺寸形状均一，或者，由多种尺寸或者多种形状颗粒混合。

优选地，需要经过超声或者辐照等一种或多种表面修饰方法进行分散处理。

本发明使用的是铝包铜颗粒焊膏，是由现有大功率电子器件封装中的铝线键合工艺带来的启发，基于封装键合工艺中铝线与芯片表面的铝焊盘的超声冷焊接的原理。铝的导热和导电能力比较优秀，而铜核进一步提高了整体的导热和导电性能，这种装片材料可以满足功率电子封装中固晶的高导热导电的需求。它也可成为一个很好的铝带和铜夹等与芯片键合的互联材料。该材料可以具有低温使用高温服役的特点，服役温度至少可以达到600℃。由于核心部分的铜高导热导电，通过铝壳将其连接起来，这种装片材料可以满足功率电子封装中的高导热导电的需求。铝本身也具有较低弹性模量和较高的导热导电性能，而且，铝可以在铜颗粒表面可形成稳定致密的壳结构，这些对于半导体芯片封装中减少封装应力而提升可靠性很有帮助,另外，铝材料的低成本特色也将会提升它的实际使用优势，铝包铜膏是金属包铜低温烧结材料的潜力军。

上述一种低温键合铝包铜材料的使用工艺，包括以下制备步骤：

I)将所述铝包铜材料与极性溶剂混合，优选地，含羰基(比如，醛、酮、羧酸、羧酸衍生物等)，按照摩尔比为65％～95％混合，得到第一混合膏体材料；

II)将所述第一混合膏体材料涂敷在基板上或者芯片上；优选地，在涂敷前，将该材料经过超声处理足够时间(比如，10分钟)以均匀分散微纳米颗粒。

III)通过同时施加超声和压力进行焊接。