申请/专利权人：中南大学;湖南建之达节能科技有限公司

申请日：2018-03-09

公开（公告）日：2020-09-15

公开（公告）号：CN108428637B

主分类号：H01L21/603(20060101)

分类号：H01L21/603(20060101);H01L21/607(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.09.15#授权;2018.09.14#实质审查的生效;2018.08.21#公开

摘要：一种超声辅助微米银浆烧结实现微铜柱互连的方法，包括如下步骤：1）将上、下芯片分别清洗干净；2）将银浆涂覆在上芯片的微铜柱上，将助焊剂涂覆在下芯片的微铜柱上；3将上、下芯片通过超声吸附固定到超声吸头和基座上，对准，然后进行预热过程；4预热到180‑200°C，使上、下芯片接触，开始键合，并开始加压；5将超声吸头吸附在上芯片上进行超声振动，振动方向沿水平方向，下芯片随基座固定不动，超声振动的时间为1‑2s，温度持续上升至260‑300°C；6）保温保压1.5‑3min后，停止超声振动和加热，解除真空吸附，完成键合的芯片随基座冷却。本发明可实现烧结温度上升温和，不会对芯片造成热冲击损伤，并且还可实现微米银浆的低温、快速、有力的连接烧结。

主权项：1.一种超声辅助微米银浆烧结实现微铜柱互连的方法，其特征在于，包括如下步骤：1将上、下芯片分别清洗干净；2将银浆涂覆在上芯片的微铜柱上，将助焊剂涂覆在下芯片的微铜柱上；3将上、下芯片通过超声吸附固定到超声吸头和基座上，对准，然后进行预热过程；4预热到180-200℃，使上、下芯片接触，开始键合，并开始加压，加压过程的压强为35-45MPa；5将超声吸头吸附在上芯片上进行超声振动，振动方向沿水平方向，下芯片随基座固定不动，超声振动的时间为1-2s，此过程中烧结温度持续上升，直至温度上升至260-300℃，超声振动的振动频率为38.5-41.5KHz，其振动幅度为0.3-3.6μm，超声功率为50-70W；6保温保压1.5-3min后，停止超声振动和加热，解除真空吸附，完成键合的芯片随基座冷却。

全文数据：一种超声辅助微米银浆烧结实现微铜柱互连的方法技术领域[0001]本发明涉及一种采用银浆烧结实现半导体有力连接的方法，特别涉及一种超声辅助微米银浆烧结实现微铜柱互连的方法。背景技术[0002]微电子技术是高科技和信息产业的核心技术，形成了包括设计、制造、封装、测试共同发展的四大产业结构。芯片互连技术在微电子封装中扮演重要角色。传统的芯片互连焊料以锡铅合金为主。随着欧盟和中国相继颁布禁铅法令《限制有害物质》ROHS，铅已逐渐退出使用。然而，传统钎焊通过焊料的融化凝固来实现连接，加工时的温度要高于焊料的熔点，工作时的温度不能超过焊料熔点的75%，如果需要更高的工作温度，就需要熔点更高的焊料，就需要更高的加工温度。以锡基为主的焊料，工作温度不能超过200°C，只有少数含金的焊料，如Au80Sn20可以工作在250°C以上，价格昂贵。[0003]据有关文献报道，用于飞机，汽车，太空探索，油气深井钻探的电子设备可能需要3〇〇°C或更高的工作温度。随着消费电子的更新换代，其性能的提升伴随着集成度的增加，元器件的微型化，增强的用户界面，丰富的图形和卓越的音频质量需要更高的功能，更快的数据速率和更高的带宽，会产生更高的热量。宽带隙半导体WBG如GaN和SiC，被认为是下一代功率模块，由于其高电压阻断能力，高温工作，高开关频率和低功率损耗的优异性能，f其在高功率和高于300°C的高温度下而在功率电子学领域引起非常大关注，并且在一些高功率芯片领域，如功率M0SFET和IGBT,已经取代硅半导体。[0004]在新的形势下，钎焊已经很难满足需求。银浆烧结被认为是最有前景的钎焊替代物，已经得到普遍认可。根据Gibbs-Thomson方程，颗粒越小物质的熔点越低。2.4nm的银颗粒的熔点是350°C，块体银的熔点是961°C，银颗粒表面的熔点还会更低。然而，由于现有的银浆烧结方法还存在一些问题，还没有在生产实际中使用。[0005]传统烧结过程持续时间长达200分钟左右，针对这一问题，许多研究工作者提出了新的方法，如电流辅助银浆烧结、微波烧结、选择激光烧结等，这些烧结方法可以在1秒只能达到1000°C以上，实现了银浆的快速烧结，然而急剧的升温必然会对电子元器件产生热冲击。发明内容[0006]本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种超声辅助微米银浆烧结实现微铜柱互连的方法，它采用了超声辅助银浆烧结的方式，可实现烧结温度上升温和，不会对芯片造成热冲击损伤，并且还可实现微米银浆的低温、快速、有力的连接烧结。[0007]为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种超声辅助微米银浆烧结实现微铜柱互连的方法，包括如下步骤：1将上、下芯片分别清洗干净；2将银浆涂覆在上芯片的微铜柱上，将助焊剂涂覆在下芯片的微铜柱上；3将上、下芯片通过超声吸附固定到超声吸头和基座上，对准，然后进行预热过程；4预热到180-200°C，使上、下芯片接触，开始键合，并开始加压，在烧结进行之前要先去除银浆中的有机成分，为保证银浆中的有机成分尽可能去除和提高助焊剂活性，因此上、下芯片达到180-200°C时，开始接触；5将超声吸头吸附在上芯片上进行超声振动，振动方向沿水平方向，下芯片随基座固定不动，上、下芯片在接触面进行往复摩擦运动，超声振动的往复摩擦运动有利于微米银颗粒的重新排列，并形成致密结构，摩擦作用会产生一定的热量，促进微米颗粒的熔化。微米颗的一般粒烧结需要更高的温度或保温更长的时间，超声振动补偿了这部分能量;超声振动的时间为l-2s，超声的作用主要在于使银颗粒重新排列，作用时间长了，反而会对形成的强度产生破坏，此过程中烧结温度持续上升，直至温度上升至260_300°C;6保温保压1.5-3min后，停止超声振动和加热，解除真空吸附，完成键合的芯片随基座冷却。[0008]本发明提出的技术方案为:所述步骤1中的清洗过程为:先用稀盐酸后用乙醇进行超声清洗。[0009]进一步的，所述步骤2中所用银浆是指分散在有机溶剂中微米级的银颗粒，所述有机溶剂为醚脂类有机溶剂，所述银颗粒的直径为l-2um，银浆中银含量不低于82%，由于小颗粒具有高表面能，有自发聚集的特性，将银颗粒分散在有机溶剂中可保证银颗粒在芯片上涂覆均匀，微米银的表面能和尺寸效应远小于纳米颗粒，烧结难度远大于纳米颗粒，微米银浆可行，便可很容易推广到纳米银浆，微米银浆的成本远低于纳米银浆。[0010]进一步的，所述步骤3中上、下芯片分别通过真空吸附固定在超声头和基座上。[0011]进一步的，所述步骤4中的加压过程的压强为35-45MPa，压强对键合强度有非常大的影响，在一定范围，压力越大，键合强度越大，压力太大，会把银浆给挤出来，还会对芯片产生副作用，压力为2〇MPa时，强度为30MPa左右;压力达到40MPa，强度可以达到50Mpa，通过减小颗粒的尺寸来降低压强。[0012]进一步的，所述步骤5中超声振动的振动频率为38.5-41.5KHz，其振动幅度为0.3-3.6wii，超声键合过程中想要一种高频率低振幅的超声波，上述数据可通过激光多普勒测振仪测得。[0013]进一步的，所述步骤5中的超声功率为50-70W，功率越大振幅越大，振幅太大，不利于上下芯片凸点的对准，功率太小超声作用效果不明显。[0014]进一步的，所述步骤6完成后上、下芯片连接处的剪切强度不低于50MPa。[0015]进一步的，所述步骤3和步骤4中的烧结升温过程是在空气中通过热传导的方式进行加热。[0016]进一步的，所述步骤6中的冷却过程为：上、下芯片随基座在空气中进行自然冷却，有利于银和铜原子的扩散，有利于键合强度进一步的形成。[0017]与现有技术相比，本发明的优点在于：1、本发明可实现微米银浆低温快速烧结，并可实现微铜柱的有力互连，通过超声的振动作用使微米颗粒重新排列，颗粒表面的熔点远低于颗粒本身，重新排列使银颗粒致密堆叠，通过颗粒表面的扩散实现粘接;并在界面处摩擦生热，由界面向两边扩散，这部分能量补偿烧结过程所需的能量，降低烧结的温度，缩短烧结的时间；2、本发明解决了一般烧结中存在的费时问题，又不会像其他快速烧结对芯片产生热冲击，一般的烧结过程需要100-200分钟，超声辅助微米银浆烧结整个过程不超过10分钟，升温速度温和；3、本发明将银浆烧结和超声振动结合在一起，提供了一种新的微电子领域中的烧结方法，利于推动微电子领域的发展。附图说明[0018]图1是本发明的原理示意图。具体实施方式[0019]为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。[0020]实施例1:参见图1，一种超声辅助微米银浆烧结实现微铜柱互连的方法，包括如下步骤：1将上、下芯片分别清洗干净，除去表面的氧化物，保证表面清洁，便于提高下述步骤2中涂覆的均匀性及附着力，清洗过程为:先用稀盐酸后用乙醇进行超声清洗；2将银浆涂覆在上芯片的微铜柱上，微铜柱的直径为30um，将助焊剂涂覆在下芯片的微铜柱上，铜在空气中极易氧化，尤其加热的时候，因此通过涂敷助焊剂可隔绝空气，有助于去除表面氧化物;所用银浆是指分散在有机溶剂中微米级的银颗粒，所述有机溶剂为醚脂类有机溶剂，所述银颗粒的直径为lum，银浆中银含量不低于82%，由于小颗粒具有高表面能，有自发聚集的特性，将银颗粒分散在有机溶剂中可保证银颗粒在芯片上涂覆均匀，本实施例所用的银浆是昆山海斯电子公司生产型号为HS-TP-102;3将上、下芯片分别通过真空吸附固定在超声头和基座上，并使上、下芯片对准，然后进行预热过程，预热过程主要用于去除银浆中的有机成分，还可用于激发助焊剂的活性；4预热到180°C，使上、下芯片接触，开始键合，本实施例可采用AthleteFACorporation公司产的型号为CB-600的键合机进行键合，并开始逐渐加压，加压过程的压强为35MPa，烧结温度持续上升，直至温度上升至260°C，该过程中上、下芯片都在被加热；步骤3和步骤4中的烧结升温过程是在空气中通过热传导的方式进行加热，即接触式加热，也即加热超声头和基座来加热上、下芯片。[0021]5将超声吸头吸附在上芯片上进行超声振动，振动方向沿水平方向，下芯片随基座固定不动，上、下芯片在接触面进行往复摩擦运动，超声振动的时间为2s，超声功率为70W;超声振动的振动频率为38•5KHz，其振动幅度为〇•3wii，上述数据可通过激光多普勒测振仪测得；6保温保压1.5min后，停止超声振动和加热，关闭真空，上、下芯片随基座在空气中进行自然冷却，冷却完成后，使用剪力测试机Dage4000测得上、下芯片连接处的剪切强度不低于50MPa。[0022]实施例2:参见图1，一种超声辅助微米银浆烧结实现微铜柱互连的方法，包括如下步骤：1将上、下芯片分别清洗干净，除去表面的氧化物，保证表面清洁，便于提高下述步骤2中涂覆的均匀性及附着力，清洗过程为:先用稀盐酸后用乙醇进行超声清洗；2将银浆涂覆在上芯片的微铜柱上，微铜柱的直径为50um，将助焊剂涂覆在下芯片的微铜柱上，铜在空气中极易氧化，尤其加热的时候，因此通过涂敷助焊剂可隔绝空气，有助于去除表面氧化物;所用银浆是指分散在有机溶剂中微米级的银颗粒，所述有机溶剂为醚脂类有机溶剂，所述银颗粒的直径为2um，银浆中银含量不低于82%，由于小颗粒具有高表面能，有自发聚集的特性，将银颗粒分散在有机溶剂中可保证银颗粒在芯片上涂覆均匀，本实施例所用的银浆是昆山海斯电子公司生产型号为HS-TP-102;3将上、下芯片分别通过真空吸附固定在超声头和基座上，并使上、下芯片对准，然后进行预热过程，预热过程主要用于去除银浆中的有机成分，还可用于激发助焊剂的活性；4预热到200°C，使上、下芯片接触，开始键合，本实施例可采用AthleteFACorporation公司产的型号为CB-600的键合机进行键合，并开始逐渐加压，加压过程的压强为45MPa，烧结温度持续上升，直至温度上升至300°C，该过程中上、下芯片都在被加热；步骤3和步骤4中的烧结升温过程是在空气中通过热传导的方式进行加热，即接触式加热，也即加热超声头和基座来加热上、下芯片。[0023]5将超声吸头吸附在上芯片上进行超声振动，振动方向沿水平方向，下芯片随基座固定不动，上、下芯片在接触面进行往复摩擦运动，超声振动的时间为Is，超声功率为50W;超声振动的振动频率为41.5KHz，其振动幅度为3.6wn，上述数据可通过激光多普勒测振仪测得；6保温保压3min后，停止超声振动和加热，关闭真空，上、下芯片随基座在空气中进行自然冷却，冷却完成后，使用剪力测试机Dage4000测得上、下芯片连接处的剪切强度不低于50MPa〇[0024]实施例3:参见图1，一种超声辅助微米银浆烧结实现微铜柱互连的方法，包括如下步骤：1将上、下芯片分别清洗干净，除去表面的氧化物，保证表面清洁，便于提高下述步骤2中涂覆的均匀性及附着力，清洗过程为:先用稀盐酸后用乙醇进行超声清洗；2将银浆涂覆在上芯片的微铜柱上，微铜柱的直径为40um，将助焊剂涂覆在下芯片的微铜柱上，铜在空气中极易氧化，尤其加热的时候，因此通过涂敷助焊剂可隔绝空气，有助于去除表面氧化物;所用银浆是指分散在有机溶剂中微米级的银颗粒，所述有机溶剂为醚脂类有机溶剂，所述银颗粒的直径为1.5mn，银浆中银含量不低于82%，由于小颗粒具有高表面能，有自发聚集的特性，将银颗粒分散在有机溶剂中可保证银颗粒在芯片上涂覆均匀，本实施例所用的银浆是昆山海斯电子公司生产型号为HS-TP-102;3将上、下芯片分别通过真空吸附固定在超声头和基座上，并使上、下芯片对准，然后进行预热过程，预热过程主要用于去除银浆中的有机成分，还可用于激发助焊剂的活性；4预热到190°C，使上、下芯片接触，开始键合，本实施例可采用AthleteFACorporation公司产的型号为CB-600的键合机进行键合，并开始逐渐加压，加压过程的压强为40MPa，烧结温度持续上升，直至温度上升至280°C，该过程中上、下芯片都在被加热；步骤3和步骤4中的烧结升温过程是在空气中通过热传导的方式进行加热，即接触式加热，也即加热超声头和基座来加热上、下芯片。[0025]5将超声吸头吸附在上芯片上进行超声振动，振动方向沿水平方向，下芯片随基座固定不动，上、下芯片在接触面进行往复摩擦运动，超声振动的时间为1.5s，超声功率为60W;超声振动的振动频率为39KHz，其振动幅度为2um，上述数据可通过激光多普勒测振仪测得；_6保温保压1.5-3min后，停止超声振动和加热，关闭真空，上、下芯片随基座在空气中进行自然冷却，冷却完成后，使用剪力测试机Dage4〇00测得上、下芯片连接处的剪切强度不低于50MPa。

权利要求：1.一种超声辅助微米银浆烧结实现微铜柱互连的方法，其特征在于，包括如下步骤：1将上、下芯片分别清洗干净；2将银浆涂覆在上芯片的微铜柱上，将助焊剂涂覆在下芯片的微铜柱上；3将上、下芯片通过超声吸附固定到超声吸头和基座上，对准，然后进行预热过程；4预热到180-200°C，使上、下芯片接触，开始键合，并开始加压；5将超声吸头吸附在上芯片上进行超声振动，振动方向沿水平方向，下芯片随基座固定不动，超声振动的时间为l-2s，此过程中烧结温度持续上升，直至温度上升至260-300°C;6保温保压1.5-3min后，停止超声振动和加热，解除真空吸附，完成键合的芯片随基座冷却。2.根据权利要求1所述的超声辅助微米银浆烧结实现微铜柱互连的方法，其特征在于，所述步骤1中的清洗过程为：先用稀盐酸后用乙醇进行超声清洗，保证清洗后的上、下芯片的洁净度较高。3.根据权利要求1所述的超声辅助微米银浆烧结实现微铜柱互连的方法，其特征在于，所述步骤2中所用银浆是指分散在有机溶剂中微米级的银颗粒，所述有机溶剂为醚脂类有机溶剂，所述银颗粒的直径为l-2um，银浆中银含量不低于82%。4.根据权利要求1所述的超声辅助微米银浆烧结实现微铜柱互连的方法，其特征在于，所述步骤3中上、下芯片分别通过真空吸附固定在超声头和基座上。5.根据权利要求1所述的超声辅助微米银浆烧结实现微铜柱互连的方法，其特征在于，所述步骤4中的加压过程的压强为35-45MPa。6.根据权利要求1所述的超声辅助微米银浆烧结实现微铜柱互连的方法，其特征在于，所述步骤5中超声振动的振动频率为38.5-41.5KHz，其振动幅度为0.3-3.6wn。7.根据权利要求1-6中任一项所述的超声辅助微米银浆烧结实现微铜柱互连的方法，其特征在于，所述步骤5中的超声功率为50-70W。8.根据权利要求1-6中任一项所述的超声辅助微米银浆烧结实现微铜柱互连的方法，其特征在于，所述步骤6芫成后上、下芯片连接处的剪切强度不低于50MPa。9.根据权利要求1-6中任一项所述的超声辅助微米银浆烧结实现微铜柱互连的方法，其特征在于，所述步骤3和步骤4中的烧结升温过程是在空气中通过热传导的方式进行加热。10.根据权利要求1-6中任一项所述的超声辅助微米银浆烧结实现微铜柱互连的方法，其特征在于，所述步骤6中的冷却过程为:上、下芯片随基座在空气中进行自然冷却。

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