[發明專利]一種多尺寸混合納米顆粒膏體及其制備方法

有效

• 申請號: 201910265529.9
• 申請日: 2019-04-03
• 公開（公告）號: CN109935563B
• 公開（公告）日: 2021-06-22
• 發明（設計）人: 劉旭;葉懷宇;張國旗
• 申請（專利權）人: 深圳第三代半導體研究院
• 主分類號: H01L23/488
• 分類號: H01L23/488;H01L21/60
• 代理公司: 北京華創智道知識產權代理事務所(普通合伙) 11888
• 代理人: 彭隨麗

本發明提供一種多尺寸混合納米顆粒膏體及其制備方法，通過化學法制備大尺寸納米銅膏體，再通過物理沖擊的方法賦予小尺寸納米金屬顆粒動能，使其被打入大尺寸納米銅膏體中，配置大小尺寸混合的納米金屬復合膏體。該膏體在使用于燒結工藝時，小尺寸納米金屬顆粒會填補在大尺寸納米金屬顆粒的間隙之中，有利于在無壓力輔助的情況下實現納米銅連結，提升燒結后金屬層的致密性。同時，物理法打入小尺寸納米金屬顆粒的含量可控，操作簡便，適于量產。

技術領域

本發明涉及芯片封裝領域，更具體地涉及金屬膏體的制備技術。

背景技術

在功率半導體封裝領域，尋求低溫工藝、高溫服役、熱膨脹系數相匹配、高導熱導電、低成本的互連材料成為現在急需解決的問題。以焊接及引線鍵合的傳統材料工藝存在熔點低、高溫蠕變失效、引線纏繞、寄生參數等無法解決的問題，新型互連材料正從焊接向燒結技術發展。通過減小燒結顆粒的尺寸，降低燒結溫度，納米金屬顆粒燒結技術已經成為功率半導體器件新型互連材料中最有前景的技術。

目前以納米銀燒結為代表的先進工藝已逐漸成為功率半導體器件封裝互連的主流，國內外主要封裝應用廠商已進入實用化和規模化使用中。然而納米銀燒結專利、材料、工藝及設備主要由國外廠商控制，在國內的發展受到較大限制。同時納米銀燒結技術也存在不足：1)銀材料本身價格較高，限制其不能被廣泛使用。2)銀和SiC芯片背面材料熱膨脹系數的不同，需要添加其它中間金屬層提高互連性能，從而增加了工藝復雜性和成本。3)銀層存在電遷移現象，不利于功率器件長期可靠應用。與納米銀近似的納米銅顆粒可以在低溫條件下熔融，燒結后熔點接近銅單質材料(1083℃)，可構筑穩定的金屬互連層。其單組分金屬的特性，避免了合金材料熱循環效應下的服役可靠性問題，實現銅銅鍵合，解決芯片和基板之間熱膨脹系數匹配的問題，同時避免電遷移現象導致可靠性問題。對比納米銀顆粒，有效降低互連封裝的材料和加工成本。更重要的是能夠從芯片封裝應用領域，進一步推進“全銅化”(All copper)理念的實際應用和產業化，推動半導體產業的創新發展。

公開號為CN102651249A的中國專利申請，其公開了一種納米銅膏、形成其的方法和利用其形成電極的方法。納米銅膏主要由0.1-30wt％粘合劑、10wt％添加劑、1-95wt％銅顆粒構成，其中納米金屬顆粒具有150nm或更小粒徑(更優選的是20nm)，其表面用帽化材料涂覆。形成納米金屬顆粒的方法步驟主要為：1)向反應器中提供銅化合物、還原劑、溶劑來形成混合溶液；2)加入帽化材料；3)在降低施加于所述反應器的溫度時，加入具有10nm或更小粒徑的銅納米顆粒。其缺點在于：1)單一尺寸納米金屬顆粒，制成的銅膏在燒結時有很大可能性產生較大孔隙率；2)納米金屬顆粒都由化學還原的方法制備，制備最小尺寸有限制。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種用于電氣互連的可燒結多尺寸混合納米顆粒膏體及其制備方法和應用，可以在無壓力輔助的情況下實現納米銅連結，提升燒結后金屬層的致密性。同時由于采用納米銅材料，可以避免原有復合多層銀膜高孔隙率、低熱導率、高成本、與Si或SiC基芯片熱失配、高電遷移率等問題，提高功率器件整體可靠性性能，同時具備易于裝配的特點，可有效降低成本。

本發明提供了一種多尺寸混合納米顆粒膏體，包括：

第一材料膏體，所述第一材料膏體中包含第一尺寸納米金屬顆粒；

第二尺寸納米金屬顆粒；

所述第二尺寸納米金屬顆粒填補至所述第一尺寸納米金屬顆粒間隙；

所述第一尺寸納米金屬顆粒與所述第二尺寸納米金屬顆粒直徑不同。

優選的，所述納米金屬顆粒材料為銅。

優選的，所述納米金屬顆粒材料為金、鈀、銀、銅、鋁、銀鈀合金、金鈀合金、銅銀合金、銅銀鎳合金或銅鋁合金。

優選的，所述第一尺寸納米金屬顆粒直徑為1nmD10um。