二步烧结纳米银浆制备微电子互连材料的方法与流程

本发明涉及一种低温连接技术工艺，特别是涉及一种纳米银浆低温烧结的方法和用于微电子互连材料无铅化制备工艺，应用于微电子互连材料技术领域。

背景技术：

纳米银浆因具有烧结温度低、导电率高、导热率高、粘接强度高、性能稳定等优点，已成为国际研究的热点方向之一。基于纳米银浆烧结成形的低温连接技术(ltjt，lowtemperaturejoiningtechnique)，是一种用于芯片互连材料无铅化的替代技术，是目前国际上最有前景的电子封装互连技术之一，是未来互连材料的发展趋势，在航空、航天、武器、微电子等许多高新技术领域具有重要的应用价值。目前，基于纳米银浆低温加热烧结主要有以下方法：

一、在外界施加压强的条件下烧结，加热方式为加热炉中烧结，通过设置加热曲线来改变纳米银浆烧结过程，这种外界施加压强的方法在纳米银浆实际应用于互连材料中难以实施。

二、在无压的条件下，将纳米银浆直接放置在加热台上烧结，这种方法会导致纳米银浆烧结过程中上下面受热不均，且不能调节烧结过程中升温速率，对研究纳米银浆烧结工艺有困难。

三、在无压的条件下，在加热炉中加热烧结，这种方法由于加热炉封闭，空间小，炉中氧气不足，导致烧结不彻底，影响纳米银浆烧结后的导电性和机械性能。

技术实现要素：

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种二步烧结纳米银浆制备微电子互连材料的方法，能够提高烧结后制备的微电子互连材料的机械强度，一定程度地降低纳米银浆烧结后的空隙率，提高了微电子互连材料的导热效率，保证了纳米银浆烧结过程中需要充足的氧气来分解纳米银浆中的有机成分，使烧结更彻底，又改善了单一烧结过程中纳米银浆受热不均的缺点，从而提高了纳米银浆的烧结成型微电子互连材料的品质，具有重要的产业价值。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种二步烧结纳米银浆制备微电子互连材料的方法，包括如下步骤：

a.主要采用纳米银粉和有机溶剂进行均匀混合，制备纳米银浆混合液体系；优选纳米银粉的平均粒径为20～30nm，优选纳米银粉纯度不低于99.9％；作为本发明优选的技术方案，在制备纳米银浆混合液体系时，采用分散剂、稀释剂、有机载体、有机溶剂和纳米银粉经机械搅拌15-30min和超声20-30min，超声仪中的水温不超过30℃，进行充分混合，得到纳米银浆混合液体系；作为本发明优选的技术方案，稀释剂采用松油醇，分子式为c10h18o，沸点为214-224℃；分散剂采用无水柠檬酸钠，纯度为98％；有机载体采用聚乙烯醇缩丁醛；

b.将在所述步骤a中制备的得到的纳米银浆混合液体系进行真空加热烘干，去除有机溶剂，得到具有设定银质量分数和设定黏度的纳米银浆；作为本发明优选的技术方案，烘干后纳米银浆中ag质量含量为82％-90％，烘干后纳米银浆(3)的粘度为18-25pa·s；采用真空蒸发方法，使用旋转蒸发仪在真空环境下，去除有机溶剂，得到所需的纳米银浆；

c.采用铜基板作为衬底，将在所述步骤b中制备的纳米银浆均匀地涂覆在铜基板上，在铜基板上形成纳米银浆膜，将芯片覆盖在涂有纳米银浆的位置上，并压紧铜基板和芯片，使芯片和铜基板紧密结合；作为本发明优选的技术方案，铜基板的基体材料为铜，在铜基体表面依次镀有厚度不大于6μm的镍层和厚度不大于3μm的银层，形成具有界面材料的铜衬底；

d.将在所述步骤c中制备的铜基板连同芯片形成的待烧结组合体放入加热炉中进行第一次低温烧结，控制烧结时间为25-60min，并控制烧结温度为240-280℃，得到初步样品；作为本发明优选的技术方案，进行第一次低温烧结时，打开加热炉电源，设置加热烧结曲线，将在所述步骤c中制备的铜基板连同芯片形成的待烧结组合体放入加热炉中，关闭加热炉室门，开始第一次低温烧结；进行第一次低温烧结时，优选加热炉设置加热烧结曲线为：从室温加热到烧结温度240-280℃，在经历时间为10-30min后，再在烧结温度280℃下保温15-30min，然后随炉冷却至室温，得到初步样品；

e.将在所述步骤d中完成第一次低温烧结后的初步样品放在加热台上进行加热，继续进行第二次低温烧结，控制烧结时间为5-10min，并控制烧结温度为250-280℃，在二步加热烧结过程结束后，除去铜基板，在芯片最后得到具有设定导热互连结构的纳米银热界面材料。作为本发明的一种优选的技术方案，先放样后升温，具体为：进行第二次低温烧结时，在所述步骤d中完成第一次低温烧结后，用镊子将烧结后的初步样品取出，然后将初步样品放在加热台中央位置上，用玻璃罩将初步样品盖住，并为初步样品留有设定大小的气口，然后打开加热台电源，开始第二次低温烧结。作为本发明的另一种优选的技术方案，先升温后放样，进行第二次低温烧结时，接通加热台电源，设置加热台目标温度为250-280℃，当加热台升至目标温度时，再将初步样品放置加热台上，加热时间为5-10min。

作为本发明优选的技术方案，采用具有设定通孔分布形式的印刷板，作为纳米银浆膜图案化的模板，将印刷板与铜基板对准，铜基板预先采用丙酮超声清洗，然后用乙醇清洗后擦干，用铁勺取出在所述步骤b中制备的纳米银浆涂覆在印刷板上，再用刮板反复涂刷至少1遍，保证纳米银浆涂抹均匀，在铜基板上形成图案化的纳米银浆膜，再用镊子将芯片覆盖在涂有图案化纳米银浆的位置上，并压紧铜基板、印刷板和芯片形成的层状组合装置，使铜基板、印刷板和芯片紧密结合，形成待烧结组合体，备用；在所述步骤e中，在二步加热烧结过程结束后，除去铜基板和印刷板，在芯片最后得到具有设定导热互连结构的纳米银热界面材料。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明采用纳米银浆的二步烧结工艺，该工艺将加热炉和加热台两种加热方式结合起来，既保证纳米银浆烧结过程中需要充足的氧气环境来分解纳米银浆中的有机物成分，使烧结更彻底，纳米银颗粒之间结合更加紧密，又改善了纳米银浆烧结过程中纳米银浆上下表面及内部受热不均的缺点，从而使纳米银浆烧结质量提高，采用这种低温混合加热烧结方法可以提高纳米银浆烧结后的导热性和机械性能；

2.本发明方法对纳米银浆烧结后的导热、导电和机械性能都有加大的提高，这对纳米银浆作为微电子互连材料具有很大应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例一进行组装铜基板、印刷板、芯片和涂覆纳米银浆的工艺原理图。

图2为本发明实施例一制备纳米银浆的制备工艺流程图。

图3为本发明实施例一采用的铜基板或芯片的结构示意图。

图4为本发明实施例一采用的印刷板的结构示意图。

图5为本发明实施例一采用二步烧结纳米银浆制备成型的微电子互连材料样品示意图。

具体实施方式

本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

在本实施例中，参见图1～5，一种二步烧结纳米银浆制备微电子互连材料的方法，包括如下步骤：

a.采用乙醇作为有机溶剂，采用分子式为c10h18o的且沸点为214-224℃的松油醇作为稀释剂，采用纯度为98％的无水柠檬酸钠作为分散剂，采用聚乙烯醇缩丁醛作为有机载体，量取50ml的乙醇，加热至60℃，然后使用天平称取柠檬酸钠0.045g、聚乙烯醇缩丁醛0.5g、松油醇0.355g，再将柠檬酸钠、聚乙烯醇缩丁醛和松油醇依次缓慢加入乙醇溶液中，并机械搅拌10min，待乙醇溶液冷却住至室温，加入4.1g的纯度为99.9％的且平均银颗粒粒径为20nm的纳米ag粉，然后机械搅拌20min，将装有纳米银混合液体系的烧杯放入超声仪中超声20min，控制超声仪中的水温不超过30℃，期间控制超声中水温稳定，纳米银粉和有机溶剂进行充分均匀混合，制备均匀分散的纳米银浆混合液体系，参见图2；

b.采用真空蒸发方法，使用旋转蒸发仪在真空环境下进行蒸干工艺，将在所述步骤a中制备的得到的纳米银浆混合液体系进行真空加热烘干，去除有机溶剂和水，得到具有ag质量百分比含量为82％的黏度为18pa·s的纳米银浆(3)，即在真空环境中取出乙醇和水，得到烘干后的纳米银浆(3)；

c.采用铜基板(1)作为衬底，参见图1和图3，采用具有设定通孔(5)分布形式的印刷板(2)，作为纳米银浆膜图案化的模板，参见图1和图4，将印刷板(2)与铜基板(1)对准，铜基板(1)预先采用丙酮超声清洗，然后用乙醇清洗后擦干，用铁勺从烧杯中取出在所述步骤b中制备的纳米银浆(3)涂覆在预先准备的印刷板(2)上，再用刮板反复涂刷2遍，保证纳米银浆(3)涂抹均匀在铜基板(1)上，保证纳米银浆3和铜基板1紧密接触，在铜基板(1)上形成图案化的纳米银浆膜，再用镊子将芯片(4)覆盖在涂有图案化纳米银浆(3)的位置上，并压紧铜基板(1)、印刷板(2)和芯片(4)形成的层状组合装置，使铜基板(1)、印刷板(2)和芯片(4)紧密结合，形成待烧结组合体，备用；

d.打开加热炉电源，设置加热烧结曲线，将在所述步骤c中制备的铜基板(1)连同芯片(4)形成的待烧结组合体放入加热炉中，关闭加热炉室门，开始第一次低温烧结，进行第一次低温烧结时，加热炉设置加热烧结曲线为：从室温加热到烧结温度240℃，在经历时间为30min后，再在烧结温度280℃下保温30min，然后随炉冷却至室温，得到初步样品；

e.在所述步骤d中完成第一次低温烧结后，用镊子将烧结后的初步样品取出，然后将初步样品放在加热台中央位置上，用玻璃罩将初步样品盖住，并为初步样品留有设定大小的气口，然后打开加热台电源，开始第二次低温烧结，控制烧结时间为5min，并控制烧结温度为280℃，在二步加热烧结过程结束后，除去铜基板(1)和印刷板(2)，在芯片(4)最后得到具有设定导热互连结构(6)的纳米银热界面材料，参见图5。

参见图1～5，本实施例采用纳米银浆的二步烧结的方法，首先制备一定量的纳米银浆3；然后将纳米银浆3进行真空加热烘干；再将烘干后的纳米银浆均匀地涂抹在铜基板1上，将芯片4覆盖在涂有纳米银浆3的位置并压紧，使芯片4与铜基板1紧密结合；然后将铜基板1连同芯片4一起放入加热炉中烧结；再将烧结后样品继续放在加热台烧结，最后得到二步烧结的纳米银浆互连结构。本实施例采用二步烧结方法，能够提高烧结后制备的芯片互连材料的机械强度，一定程度地降低纳米银浆烧结后的空隙率，提高了芯片互连材料的导热效率，保证了纳米银浆烧结过程中需要充足的氧气来分解纳米银浆中的有机成分，使烧结更彻底，又改善了单一烧结过程中纳米银浆受热不均的缺点，从而提高了纳米银浆的烧结成型芯片互连材料的品质，具有重要的产业价值。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，一种二步烧结纳米银浆制备微电子互连材料的方法，包括如下步骤：

a.采用乙醇作为有机溶剂，采用分子式为c10h18o的且沸点为214-224℃的松油醇作为稀释剂，采用纯度为98％的无水柠檬酸钠作为分散剂，采用聚乙烯醇缩丁醛作为有机载体，量取50ml的乙醇，加热至60℃，然后使用天平称取柠檬酸钠0.045g、聚乙烯醇缩丁醛0.5g、松油醇0.355g，再将柠檬酸钠、聚乙烯醇缩丁醛和松油醇依次缓慢加入乙醇溶液中，并机械搅拌5min，待乙醇溶液冷却住至室温，加入4.1g的纯度为99.9％的且平均银颗粒粒径为30nm的纳米ag粉，然后机械搅拌10min，将装有纳米银混合液体系的烧杯放入超声仪中超声30min，期间控制超声中水温稳定，纳米银粉和有机溶剂进行充分均匀混合，制备均匀分散的纳米银浆混合液体系；

b.采用真空蒸发方法，使用旋转蒸发仪在真空环境下进行蒸干工艺，将在所述步骤a中制备的得到的纳米银浆混合液体系进行真空加热烘干，去除有机溶剂和水，得到具有ag质量百分比含量为90％的黏度为25pa·s的纳米银浆(3)，即在真空环境中取出乙醇和水，得到烘干后的纳米银浆(3)；

c.采用铜基板(1)作为衬底，采用具有设定通孔(5)分布形式的印刷板(2)，作为纳米银浆膜图案化的模板，将印刷板(2)与铜基板(1)对准，铜基板(1)预先采用丙酮超声清洗，然后用乙醇清洗后擦干，用铁勺从烧杯中取出在所述步骤b中制备的纳米银浆(3)涂覆在预先准备的印刷板(2)上，再用刮板反复涂刷3遍，保证纳米银浆(3)涂抹均匀在铜基板(1)上，保证纳米银浆3和铜基板1紧密接触，在铜基板(1)上形成图案化的纳米银浆膜，再用镊子将芯片(4)覆盖在涂有图案化纳米银浆(3)的位置上，并压紧铜基板(1)、印刷板(2)和芯片(4)形成的层状组合装置，使铜基板(1)、印刷板(2)和芯片(4)紧密结合，形成待烧结组合体，备用；

d.打开加热炉电源，设置加热烧结曲线，将在所述步骤c中制备的铜基板(1)连同芯片(4)形成的待烧结组合体放入加热炉中，关闭加热炉室门，开始第一次低温烧结，进行第一次低温烧结时，加热炉设置加热烧结曲线为：从室温加热到烧结温度280℃，在经历时间为10min后，再在烧结温度280℃下保温15min，然后随炉冷却至室温，得到初步样品；

e.在所述步骤d中完成第一次低温烧结后，用镊子将烧结后的初步样品取出，然后将初步样品放在加热台中央位置上，用玻璃罩将初步样品盖住，并为初步样品留有设定大小的气口，然后打开加热台电源，开始第二次低温烧结，控制烧结时间为10min，并控制烧结温度为250℃，在二步加热烧结过程结束后，除去铜基板(1)和印刷板(2)，在芯片(4)最后得到具有设定导热互连结构(6)的纳米银热界面材料。

本实施例采用二步烧结方法，能够提高烧结后制备的芯片互连材料的机械强度，一定程度地降低纳米银浆烧结后的空隙率，提高了芯片互连材料的导热效率，保证了纳米银浆烧结过程中需要充足的氧气来分解纳米银浆中的有机成分，使烧结更彻底，又改善了单一烧结过程中纳米银浆受热不均的缺点，从而提高了纳米银浆的烧结成型芯片互连材料的品质，具有重要的产业价值。

实施例三：

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在所述步骤e中，在所述步骤d中完成第一次低温烧结后，接通加热台电源，设置加热台目标温度，当加热台升至目标温度时，用镊子将烧结后的初步样品取出，然后将初步样品放在加热台中央位置上，用玻璃罩将初步样品盖住，并为初步样品留有设定大小的气口，在目标温度下直接进行加热，在二步加热烧结过程结束后，除去铜基板(1)和印刷板(2)，在芯片(4)最后得到具有设定导热互连结构(6)的纳米银热界面材料。本实施例采用二步烧结方法，在第二阶段烧结过程中采用先升温在放置样品的方法，使样品直接在目标温度下进行低温烧结，减少了过程升温程序对烧结工艺的影响，加热制度易于控制，能够提高烧结后制备的芯片互连材料的机械强度，一定程度地降低纳米银浆烧结后的空隙率，提高了芯片互连材料的导热效率，采用二步烧结方法得到的烧结试样，相比于单一的烧结方法，其剪切强度提高了30％，导热率增加了25％，保证了纳米银浆烧结过程中需要充足的氧气来分解纳米银浆中的有机成分，使烧结更彻底，又改善了单一烧结过程中纳米银浆受热不均的缺点，从而提高了纳米银浆的烧结成型芯片互连材料的品质，具有重要的产业价值。

实施例四：

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在所述步骤c中，采用的铜基板(1)的基体材料为铜，在铜基体表面依次镀有厚度为6μm的镍层和厚度为3μm的银层，铜基板(1)的尺寸为20×20mm，铜基板(1)的厚度为0.5mm，芯片4与铜基板1的尺寸相同，尺寸也为2×2mm，厚度也为0.5mm。本实施例在铜基板(1)表面制备热界面材料层，能更加有效地保证在后续烧结工艺过程中涂覆的纳米银浆3受热更加均匀，从而提高了纳米银浆的烧结成型芯片互连材料的品质，采用二步烧结方法得到的烧结试样，相比于单一的烧结方法，其剪切强度提高了30％，导热率增加了25％。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明二步烧结纳米银浆制备微电子互连材料的方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。