[發明專利]一種低溫鍵合鋁包銅材料及其使用工藝

有效

• 申請號: 202010318138.1
• 申請日: 2020-04-21
• 公開（公告）號: CN111490028B
• 公開（公告）日: 2022-04-05
• 發明（設計）人: 張衛紅;唐宏浩;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: H01L23/52
• 分類號: H01L23/52;H01L21/768
• 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

本發明提供了一種低溫鍵合鋁包銅材料及其使用工藝，所述鋁包銅材料i)核部分是銅，殼部分是鋁；ii)核部分厚度尺寸在50nm～50um，殼部分厚度尺寸在5nm～5um。該材料通過施加超聲和壓力進行焊接。超聲焊接的過程短，相比于加熱燒結，大大節省封裝的工時。氧化鋁外層可以滿足銅顆粒的抗氧化保護，無需特別外層抗氧化包覆，且可以在超聲壓力下，該氧化鋁層破碎而暴露出新鮮的鋁表面而實現鋁?鋁結合，這個融合焊接可在較低加熱溫度甚至室溫情況下實現顆粒間的融合。

技術領域

本發明屬于半導體芯片封裝互連領域，具體為一種低溫鍵合鋁包銅材料及其使用工藝。

背景技術

在大功率電子封裝中，現今趨勢是用金屬基低溫燒結材料作為裝片材料替代高鉛焊料，不但滿足封裝材料無鉛的需求，還具有低溫使用且高溫服役的特性；但目前的燒結材料主要是銀燒結材料，面臨的主要問題是成本高。而納米銅燒結材料因其嚴重的氧化現象目前還不能有效地減輕成本，盡管它是用來作為降低材料成本的低溫燒結材料。

目前，作為低溫燒結的大部分包覆銅顆粒的金屬材料分兩種，一種是高熔點貴金屬，比如，金、銀等，通過傳導加熱或者輻射加熱等形式促成納米顆粒間原子擴散實現顆粒融合，另一種是錫、銦等低熔點，在200℃左右下瞬態液化，與銅形成高熔點金屬間化合物而實現顆粒融合。前者是有材料成本高和燒結溫度高的問題，后者有由于金屬間化合物造成的低導熱導電的問題。除此而外，它們還有各自在工藝上的現實困難。

發明內容

針對上述現有技術中所存在的技術問題，本發明提供了一種低溫鍵合鋁包銅材料，所述鋁包銅材料i)核部分是銅，殼部分是鋁；ii)核部分厚度尺寸在50nm～50um，殼部分厚度尺寸在5nm～5um。

優選地，所述殼表面與核表面到核心距離比例25％。

優選地，所述銅選自：零維結構球狀銅、一維結構線狀銅、二維結構片狀銅中的一種或多種。

所述的微納米銅顆粒尺寸形狀均一，或者，由多種尺寸或者多種形狀顆粒混合。

優選地，需要經過超聲或者輻照等一種或多種表面修飾方法進行分散處理。

本發明使用的是鋁包銅顆粒焊膏，是由現有大功率電子器件封裝中的鋁線鍵合工藝帶來的啟發，基于封裝鍵合工藝中鋁線與芯片表面的鋁焊盤的超聲冷焊接的原理。鋁的導熱和導電能力比較優秀，而銅核進一步提高了整體的導熱和導電性能，這種裝片材料可以滿足功率電子封裝中固晶的高導熱導電的需求。它也可成為一個很好的鋁帶和銅夾等與芯片鍵合的互聯材料。該材料可以具有低溫使用高溫服役的特點，服役溫度至少可以達到600℃。由于核心部分的銅高導熱導電，通過鋁殼將其連接起來，這種裝片材料可以滿足功率電子封裝中的高導熱導電的需求。鋁本身也具有較低彈性模量和較高的導熱導電性能，而且，鋁可以在銅顆粒表面可形成穩定致密的殼結構，這些對于半導體芯片封裝中減少封裝應力而提升可靠性很有幫助,另外，鋁材料的低成本特色也將會提升它的實際使用優勢，鋁包銅膏是金屬包銅低溫燒結材料的潛力軍。

上述一種低溫鍵合鋁包銅材料的使用工藝，包括以下制備步驟：

I)將所述鋁包銅材料與極性溶劑混合，優選地，含羰基(比如，醛、酮、羧酸、羧酸衍生物等)，按照摩爾比為65％～95％混合，得到第一混合膏體材料；

II)將所述第一混合膏體材料涂敷在基板上或者芯片上；優選地，在涂敷前，將該材料經過超聲處理足夠時間(比如，10分鐘)以均勻分散微納米顆粒。

III)通過同時施加超聲和壓力進行焊接。