一种互连工艺的制作方法

本发明涉及电子材料技术领域，特别涉及一种互连工艺。

背景技术：

大功率电力电子器件或半导体器件需在高温下具有良好的转换特性和工作能力，除了器件中各组件自身的性能外，组件的封装同样影响电力电子器件或半导体器件的性能和长期可靠性。电力电子器件或半导体器件为电子互连件/电子组装产品，即包括依次接触的基板-互连材料-芯片，其是通过互连工艺将芯片与基板之间借助于互连材料进行连接封装；随着功率半导体器件小型化、低功耗、高温高压的发展趋势，对互连工艺也提出了更苛刻的性能需求：(1)保证芯片与基板可靠的机械连接；(2)具有较高的电导率以实现芯片与基板之间的电信号传输；(3)具有较高的热导率以使热量能够有效地从功率芯片传导到封装结构，提高功率芯片的散热效果；(4)能够匹配芯片与基板之间热膨胀系数的差异，有效减小连接处应力；(5)极端工作环境下具有互连稳定性和可靠性。

传统大功率器件互连工艺中，通常需要在高温高压下利用互连材料将芯片与基板的封装互连。然而，随着电子产品应用领域和范围的扩大，对互连工艺也提出了越来越高的要求，逐渐倾向于向低温低压互连发展。一方面，互连温度高，对互连设备、电子元件及基板材料的耐热性能会提出严峻挑战，对于一些耐热性差的电子器件，在高互连温度下容易造成器件损伤；而且，对于一些特殊的电子产品如太阳能薄膜、led、lcd、温控元件等必须在低温下互连；另一方面，互连温度高还不利于节能减排，而电子元器件互连封装又是现代主体行业，高温互连势必对能源环境造成不小的问题。因此，如何降低互连工艺的温度和压力已成为本领域关注的热点之一。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种互连工艺，本发明的互连方法能够实现在低温无压下条件下进行电子元器件或大功率半导体器件的互连。

本发明提供了一种互连工艺，包括：

将互连材料印刷至基板上，静置，再将芯片盖于所述互连材料表面，于100～200℃下烧结，得到互连器件；

所述互连材料包括咪唑类化合物包覆纳米铜颗粒粉体和分散液；

所述咪唑类化合物包覆纳米铜颗粒粉体中，包覆在纳米铜颗粒表面的咪唑类化合物选自苯并三氮唑、烷基咪唑、苯并咪唑、烷基苯并咪唑和烷基苯基咪唑中的一种或几种。

优选的，所述分散液选自乙醇、异丙醇、乙二醇、一缩二乙二醇、乙二醇甲醚和乙二醇丁醚中的一种或几种。

优选的，所述咪唑类化合物包覆纳米铜颗粒粉体占互连材料的质量比为50％～99％；

所述咪唑类化合物包覆纳米铜颗粒粉体中，纳米铜颗粒的粒径为10～50nm。

优选的，所述静置的时间为20～200min。

优选的，所述烧结的气氛为氢气与氮气的混合气氛、氢气与氩气的混合气氛、氮气气氛或氩气气氛；

所述烧结的时间为10～120min。

优选的，所述互连材料通过以下方式获得：

a)将微溶性铜源、保护剂、络合剂、还原剂和溶剂混合，于50～150℃下反应，形成咪唑类化合物包覆纳米铜颗粒粉体；

所述微溶性铜源选自氢氧化铜、乙酰丙酮酸铜、碱式碳酸铜、油酸铜、和草酸铜中的一种或几种；

所述络合剂选自苯并三氮唑、烷基咪唑、苯并咪唑、烷基苯并咪唑和烷基苯基咪唑中的一种或几种；

b)浆所述咪唑包覆纳米铜颗粒粉体与分散液混合，超声分散及真空脱泡处理，得到纳米铜膏互连材料。

优选的，所述步骤a)中，所述溶剂选自乙醇、乙二醇、一缩二乙二醇、二缩二乙二醇、一缩二丙二醇和丙三醇中的一种或几种；

所述微溶性铜源在溶剂中的浓度为0.001～1mol/l；

所述保护剂选自聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基硫酸钠和乙二胺四乙酸钠中的一种或几种；

所述还原剂选自l-抗坏血酸、柠檬酸、硼氢化钠、硼氢化钾、次磷酸钠和水合肼中的一种或几种。

优选的，所述步骤a)中，保护剂与微溶性铜源的摩尔比为1：(1～15)；

络合剂与微溶性铜源的摩尔比为1：(1～15)；

还原剂与微溶性铜源的摩尔比为1：(1～10)。

优选的，所述步骤a)包括：

a1)将微溶性铜源、保护剂、络合剂、还原剂和溶剂混合，于50～150℃下反应，得到反应液；

所述反应的时间为10min～3h；

a2)将所述反应液离心洗涤和干燥，形成咪唑类化合物包覆纳米铜颗粒粉体。

优选的，所述步骤b)中，所述超声分散的功率为400～600w，时间为10～30min；

所述真空脱泡处理的搅拌速度为1000～5000r/min，时间为1～10min，真空度为-80～-120kpa。

本发明提供了一种互连工艺，包括：将互连材料印刷至基板上，静置，再将芯片盖于所述互连材料表面，于100～200℃下烧结，得到互连器件；所述互连材料包括咪唑类化合物包覆纳米铜颗粒粉体和分散液；所述咪唑类化合物包覆纳米铜颗粒粉体中，包覆在纳米铜颗粒表面的咪唑类化合物选自苯并三氮唑、烷基咪唑、苯并咪唑、烷基苯并咪唑和烷基苯基咪唑中的一种或几种。本发明的互连方法能够在低温无压下条件下将芯片与基板互连，完成电子元器件或大功率半导体器件的连接封装，能够较好的应用于高端电子器件的制造和半导体封装等领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中互连工艺的流程示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种互连工艺，包括：

将互连材料印刷至基板上，静置，再将芯片盖于所述互连材料表面，于100～200℃下烧结，得到互连器件；

所述互连材料包括咪唑类化合物包覆纳米铜颗粒粉体和分散液；

所述咪唑类化合物包覆纳米铜颗粒粉体中，包覆在纳米铜颗粒表面的咪唑类化合物选自苯并三氮唑、烷基咪唑、苯并咪唑、烷基苯并咪唑和烷基苯基咪唑中的一种或几种。

本发明提供的互连方法能够在低温无压下条件下将芯片与基板互连，完成电子元器件或大功率半导体器件的连接封装。

按照本发明，首先提供互连材料。本发明中，所述互连材料包括咪唑类化合物包覆纳米铜颗粒粉体和分散液。其中，所述咪唑类化合物包覆纳米铜颗粒粉体中，核心部分是纳米铜颗粒，纳米铜颗粒表面包覆了咪唑类化合物有机层。本发明中，所述纳米铜颗粒的粒径优选为100nm以下，更优选为10～50nm。本发明中，包覆在纳米铜颗粒表面的咪唑类化合物选自苯并三氮唑、烷基咪唑、苯并咪唑、烷基苯并咪唑和烷基苯基咪唑中的一种或几种。采用所述咪唑类化合物能够与纳米铜颗粒结合，达到良好的分散性和抗氧化性；另外，在烧结制备互连器件时，能够在适宜的低温下烧结除去，达到优异的抗氧化效果，提高烧结后的电热互连性能。

上述咪唑类化合物包覆纳米铜颗粒粉体与所述分散液混合，形成纳米铜膏互连材料。本发明中，所述分散液优选为挥发温度或分解温度低于200℃的化合物，更优选为挥发温度或分解温度低于150℃的化合物，进一步优选为乙醇、异丙醇、乙二醇、一缩二乙二醇、乙二醇甲醚和乙二醇丁醚中的一种或几种。本发明对所述分散液的来源没有特殊限制，为一般市售品即可。

本发明提供的互连材料中，咪唑类化合物包覆纳米铜颗粒粉体占整体膏体互连材料的质量比优选为50％～99％，更优选为60％～99％。

本发明中，所述互连材料优选通过以下方式获得：

a)将微溶性铜源、保护剂、络合剂、还原剂和溶剂混合，于50～150℃下反应，形成咪唑类化合物包覆纳米铜颗粒粉体；

所述微溶性铜源选自氢氧化铜、乙酰丙酮酸铜、碱式碳酸铜、油酸铜和草酸铜中的一种或几种；

所述络合剂选自苯并三氮唑、烷基咪唑、苯并咪唑、烷基苯并咪唑和烷基苯基咪唑中的一种或几种；

b)将所述咪唑类化合物包覆纳米铜颗粒粉体与分散液混合，超声分散及真空脱泡处理，得到纳米铜膏互连材料。

按照本发明，先将微溶性铜源、保护剂、络合剂、还原剂和溶剂混合，于50～150℃下反应，形成咪唑类化合物包覆纳米铜颗粒粉体。

本发明中，所述微溶性铜源优选选自氢氧化铜、乙酰丙酮酸铜、碱式碳酸铜、油酸铜和草酸铜中的一种或几种。本发明对所述微溶性铜源的来源没有特殊限制，为一般市售品即可。

本发明中，所述保护剂优选为聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基硫酸钠和乙二胺四乙酸钠中的一种或几种。本发明对所述保护剂的来源没有特殊限制，为一般市售品即可。本发明中，所述保护剂与上述微溶性铜源的摩尔比优选为1：(1～15)。

本发明中，所述络合剂优选选自苯并三氮唑(即bta)、烷基咪唑(即ia)、苯并咪唑(即bia)、烷基苯并咪唑(即sba)和烷基苯基咪唑(即api)中的一种或几种。本发明对所述络合剂的来源没有特殊限制，为一般市售品即可。本发明中，所述络合剂与上述微溶性铜源的摩尔比优选为1：(1～15)。

本发明中，所述还原剂优选选自l-抗坏血酸、柠檬酸、硼氢化钠、硼氢化钾、次磷酸钠和水合肼中的一种或几种。本发明对所述还原剂的来源没有特殊限制，为一般市售品即可。本发明中，所述还原剂与上述微溶性铜源的摩尔比优选为1：(1～10)。

本发明中，所述溶剂优选为乙醇、乙二醇、一缩二乙二醇、二缩二乙二醇、一缩二丙二醇和丙三醇中的一种或几种。本发明对所述溶剂的来源没有特殊限制，为一般市售品即可。本发明中，所述溶剂用量优选为使微溶性铜源在溶剂中的浓度为0.001～1mol/l。

本发明中，将微溶性铜源、保护剂、络合剂、还原剂与溶剂混合的方式没有特殊限制，能够将各组分混合均匀即可，如可以利用搅拌的方式进行混合。本发明中，将混合均匀的原料液在50～150℃下反应，进而形成咪唑类化合物包覆纳米铜颗粒粉体。本发明中，所述反应的时间优选为10min～3h。

本发明中，所述咪唑类化合物包覆纳米铜颗粒中，核心部分是纳米铜颗粒，纳米铜颗粒表面包覆了咪唑类化合物有机层；其中，所述纳米铜颗粒的粒径优选为100nm以下，更优选为10～50nm。包覆在纳米铜颗粒表面的咪唑类化合物为苯并三氮唑、烷基咪唑、苯并咪唑、烷基苯并咪唑和烷基苯基咪唑中的一种或几种。

本发明中，具体的，将混合均匀的原料液在50～150℃下反应后，优先形成反应液，将反应液进行离心洗涤和干燥后，得到咪唑类化合物包覆纳米铜颗粒粉体。

本发明中，在进行离心洗涤前，优选先将反应液冷却至室温。将冷却至室温的反应液进行离心洗涤时，优选在5000～10000r/min的离心条件下进行离心洗涤；所述离心洗涤所用的洗涤剂优选为去离子水、无水乙醇和丙酮中的一种或几种。所述离心洗涤的次数没有特殊限制，能够将反应液中的咪唑类化合物包覆纳米铜颗粒粉体洗涤干净即可，优选离心洗涤5次以上。

在离心洗涤后，将所得沉淀物进行干燥；所述干燥优选为真空干燥，如可以在-101kpa的真空度下室温干燥6h；在所述干燥后，得到咪唑类化合物包覆纳米铜颗粒粉体。

按照本发明，在得到咪唑类化合物包覆纳米铜颗粒粉体后，将所述咪唑类化合物包覆纳米铜颗粒粉体与分散液混合，超声分散及真空脱泡处理，得到纳米铜膏互连材料。

本发明中，在得到咪唑类化合物包覆纳米铜颗粒粉体后，优选先对其研磨；所述研磨的条件没有特殊限制，能够将粉体研磨分散即可。

在进行研磨后，将咪唑类化合物包覆纳米铜颗粒粉体与分散液混合。本发明中，所述分散液优选为挥发温度或分解温度低于200℃的化合物，更优选为挥发温度或分解温度低于150℃的化合物，进一步优选为乙醇、异丙醇、乙二醇、一缩二乙二醇、乙二醇甲醚和乙二醇丁醚中的一种或几种。

本发明中，在进行超声分散时，优选在400～600w的功率下进行；所述超声分散的时间优选为10～30min。

本发明中，在进行真空脱泡处理时，可以在真空脱泡搅拌机中进行；所述真空脱泡的搅拌速度优选为1000～5000r/min；所述真空脱泡处理的时间优选为1～10min；所述真空脱泡处理优选在-80～-120kpa的真空度下进行。

本发明中，在所述超声分散和真空脱泡处理后，得到纳米铜膏互连材料。其中，咪唑类化合物包覆纳米铜颗粒粉体占整体膏体互连材料的质量比优选为50％～99％，更优选为60％～99％。

现有技术中的市售微纳铜粉在应用时抗氧化性差、且易团聚成大尺寸颗粒；而按照本发明的制备方法制得的互连材料为纳米铜膏互连材料，包含咪唑包覆铜颗粒粉体，所得膏体材料抗氧化性好，且互连材料膏体中咪唑包覆铜颗粒粉体分散均匀，不会团聚成大尺寸颗粒，而是为单分散性良好的纳米尺度颗粒，使所得纳米铜膏互连材料分散性好，能够较好的应用于高端电子器件的制造和半导体封装领域。而且，采用市售微纳铜粉进行互连时，可使用性较差，对互连工艺中温度和压力要求较高，而采用本发明提供的互连材料，能够实现在低温且无需额外加压条件下进行互连，满足本领域对低温低压互连的需求。

按照本发明，提供互连材料后，将互连材料印刷至基板上。本发明中，所采用的基板优选为镀铜基板，将互连材料印刷至基板的镀铜层表面。本发明中，所述印刷的方式优选为丝网印刷、喷墨印刷、平版印刷或凹版印刷。

按照本发明，将互连材料印刷到基板后，静置一定时间，使纳米铜膏互连材料中的有机包覆层在烧结之前进行一定程度的挥发，并大大提高纳米铜膏互连材料烧结组织的致密度。本发明中，所述静置的时间优选为20～200min。

按照本发明，静置后，将芯片盖于所述互连材料表面。本发明中，在将芯片盖于所述互连材料表面时，可将芯片一侧倾斜缓缓盖在互连材料表面，以防止芯片与互连材料之间产生气泡。本发明中，所述芯片优选为镀铜芯片，在盖芯片时，优选将镀铜层一面与互连材料接触。

按照本发明，盖设完芯片后，将所得试样在100～200℃下烧结，得到互连器件。本发明中，所述烧结的气氛优选为氢气与氮气的混合气氛、氢气与氩气的混合气氛、氮气气氛或氩气气氛；烧结气氛为混合气氛时，混合气氛中两种气体的比例没有特殊限制，对于氢气与氮气的混合气氛，氢气的体积含量优选为5％～10％；氢气与氩气的混合气氛中，氢气的体积含量优选为5％～10％。采用上述互连材料，在所述气氛下进行低温烧结，能够成功得到功率半导体互连器件。本发明中，所述烧结的时间优选为10～120min。所述烧结无需施加外压，在常压下进行即可。

本发明提供的互连工艺能够在低温无压条件下实现大功率器件中芯片与基板的互连封装，本发明采用特殊的纳米铜膏互连材料，该互连材料中，咪唑包覆铜颗粒粉体表面特殊的有机保护层有利于提高纳米铜颗粒的抗团聚、抗氧化和助烧结性能，不仅有效防止纳米铜颗粒被氧化，还可以起到清洁互连层表面的效果，大大提升了互连工艺的可靠性；在烧结过程中，咪唑有机层挥发或分解，还能达到免清洗焊料残渣的效果。互连材料膏体中咪唑包覆铜颗粒粉体分散均匀，不会团聚成大尺寸颗粒，而是为单分散性良好的纳米尺度颗粒，使所得纳米铜膏互连材料分散性好，进一步提高互连工艺的可靠性。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

实施例1

1.1互连材料的制备

在丙三醇溶剂中加入微溶性铜源乙酰丙酮酸铜、保护剂乙二胺四乙酸钠、络合剂苯并三氮唑、还原剂次磷酸钠，其中，铜源在溶剂中的浓度为0.2mol/l，保护剂与铜源的摩尔比为1∶10，络合剂与铜源的摩尔比为1∶6，还原剂与铜源的摩尔比为1∶5；将上述原料液搅拌均匀后缓慢加热到150℃，同时保持匀速搅拌150min后，形成反应液；冷却至室温，在7000r/min下用丙酮离心洗涤5次，取沉淀物真空干燥，得到苯并三氮唑原位包覆的纳米铜颗粒粉体，其中，纳米铜颗粒的粒径为50nm。将所得苯并三氮唑包覆的纳米铜颗粒粉体研磨分散后，加入一定量的乙醇和乙二醇甲醚，在500w下超声分散20min，之后在-101kpa的真空度下进行真空脱泡处理，在3000r/min搅拌速度下真空脱泡处理5min，得到纳米铜膏互连材料，其中，苯并三氮唑原位包覆的纳米铜颗粒粉体占整体互连材料的质量比为85％。

所得纳米铜膏互连材料中，苯并三氮唑包覆的纳米铜颗粒粉体中的铜颗粒的粒径约为50nm，膏体分散性良好。所得纳米铜膏互连材料在60天内不被氧化，具有良好的抗氧化性。

1.2互连器件的制备

通过丝网印刷将上述纳米铜膏互连材料承印于镀铜基板上，静置60min后，将镀铜芯片一侧倾斜缓缓盖在互连材料表面；将所得试样置于氢气体积含量为5％的氢气-氮气混合气氛中，于175℃下烧结保温80min，得到功率半导体互连器件。上述互连工艺过程如图1所示。

实施例2

1.1互连材料的制备

在一缩二乙二醇溶剂中加入微溶性铜源油酸铜、保护剂十二烷基硫酸钠、络合剂烷基苯并咪唑、还原剂l-抗坏血酸，其中，铜源在溶剂中的浓度为0.012mol/l，保护剂与铜源的摩尔比为1∶5，络合剂与铜源的摩尔比为1∶5，还原剂与铜源的摩尔比为1∶3；将上述原料液搅拌均匀后缓慢加热到90℃，同时保持匀速搅拌110min后，形成反应液；冷却至室温，在7000r/min下用无水乙醇离心洗涤5次，取沉淀物真空干燥，得到烷基苯并咪唑原位包覆的纳米铜颗粒粉体，其中，纳米铜颗粒的粒径为25nm。将所得烷基苯并咪唑包覆的纳米铜颗粒粉体研磨分散后，加入乙二醇和乙二醇丁醚，在500w下超声分散20min，之后在-101kpa的真空度下进行真空脱泡处理，在3000r/min搅拌速度下真空脱泡处理5min，得到纳米铜膏互连材料，其中，烷基苯并咪唑原位包覆的纳米铜颗粒粉体占整体互连材料的质量比为95％。

所得纳米铜膏互连材料中，烷基苯并咪唑包覆的纳米铜颗粒粉体中的铜颗粒的粒径约为25nm，膏体分散性良好。所得纳米铜膏互连材料在60天内不被氧化，具有良好的抗氧化性。

1.2互连器件的制备

通过丝网印刷将上述纳米铜膏互连材料承印于镀铜基板上，静置120min后，将镀铜芯片一侧倾斜缓缓盖在互连材料表面；将所得试样置于氢气体积含量为10％的氢气-氩气混合气氛中，于165℃下烧结保温50min，得到功率半导体互连器件。

实施例3

1.1互连材料的制备

在二缩二乙二醇溶剂中加入微溶性铜源草酸铜、保护剂十二烷基硫酸钠、络合剂烷基苯并咪唑、还原剂l-抗坏血酸，其中，铜源在溶剂中的浓度为0.008mol/l，保护剂与铜源的摩尔比为1∶10，络合剂与铜源的摩尔比为1∶6，还原剂与铜源的摩尔比为1∶4；将上述原料液搅拌均匀后缓慢加热到100℃，同时保持匀速搅拌110min后，形成反应液；冷却至室温，在9000r/min下用无水乙醇离心洗涤5次，取沉淀物真空干燥，得到烷基苯并咪唑原位包覆的纳米铜颗粒粉体，其中，纳米铜颗粒的粒径为12nm。将所得烷基苯并咪唑包覆的纳米铜颗粒粉体研磨分散后，加入异丙醇和乙二醇甲醚，在500w下超声分散20min，之后在-101kpa的真空度下进行真空脱泡处理，在3000r/min搅拌速度下真空脱泡处理5min，得到纳米铜膏互连材料，其中，烷基苯并咪唑原位包覆的纳米铜颗粒粉体占整体互连材料的质量比为75％。

所得纳米铜膏互连材料中，烷基苯并咪唑包覆的纳米铜颗粒粉体中的铜颗粒的粒径约为12nm，膏体分散性良好。所得纳米铜膏互连材料在60天内不被氧化，具有良好的抗氧化性。

1.2互连器件的制备

通过丝网印刷将上述纳米铜膏互连材料承印于镀铜基板上，静置50min后，将镀铜芯片一侧倾斜缓缓盖在互连材料表面；将所得试样置于氢气体积含量为10％的氢气-氮气混合气氛中，于125℃下烧结保温120min，得到功率半导体互连器件。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。