一种采用细粒银箔进行低压固态键合的方法及键合结构技术

本发明专利技术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℃

【技术实现步骤摘要】
一种采用细粒银箔进行低压固态键合的方法及键合结构


[0001]本专利技术涉及微电子封装
，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。

技术介绍

[0002]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：
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。

技术实现思路

[0009]本专利技术针对现有技术中存在的缺点和不足，本专利技术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。
[0010]为实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案予以实现：本专利技术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：
[0011](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：
[0012]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
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100μm的细粒银箔；
[0013](2)固态原子键合连接
[0014]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℃
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350℃温度条件下，进行固态键合连接。
[0015]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。
[0016]优选的，步骤(1)中退火温度的保温时间为0.6h
‑
1.0h。
[0017]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
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10MPa的夹具固定在石墨加热台上，在石墨加热台5min
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8min加热至250℃
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350℃，等温保持5min
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8min进行固态键合连接。
[0018]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。
[0019]优选的，所述金属Cr薄膜的厚度为25nm
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35nm，所述金属Au薄膜的厚度为90nm
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150nm。
[0020]优选的，步骤(2)中，键合粘结前用0.8μm
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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。
[0021]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。
[0022]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。
[0023]本专利技术的有益效果：
[0024](1)本专利技术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，采用本专利技术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。
[0025]本专利技术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，使本专利技术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，满足实际生产本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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℃
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350℃，制得厚度为50μm
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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
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10MPa压力、250℃
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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)中轧制条件为：轧制过程采用多道次轧制，轧制道次为8个
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12个，各轧制道次的轧制方向与轧制面保持不变。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(1)中退火温度的保温时间为0.6h
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1.0h。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)中固态键合具体过程为：将所述键合结构通过压力为6MPa
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10MPa的夹具固...

【专利技术属性】
技术研发人员：方瀚楷，方瀚宽，侯丽丽，
申请(专利权)人：广东中实金属有限公司，
类型：发明
国别省市：