一种液相辅助空气中烧结高性能互连接头的方法

1.本发明涉及材料工程技术领域，尤其涉及一种液相辅助空气中烧结高性能互连接头的方法。


背景技术：

2.随着电子封装密度的提高和宽禁带半导体功率器件的迅猛发展，尤其是在汽车电子、涡轮机、航空航天、工业电子、深井挖掘等领域中半导体功率器件均面临高温应用需求。相应的对于芯片的互连工艺要求也越来越高，传统的锡铅焊料的熔点比较的低(230℃左右)，因此在超过的250℃的情况下，传统的焊料已经不能够胜任。
3.作为一种拥有小尺寸效应、成本低、抗电迁移性强、导电导热性优良和耐高温等优势的新型互连材料，纳米铜浆料、复合微纳米铜浆料以及铜基浆料(包括纳米铜银混合浆料、银包铜复合浆料、纳米铜银合金浆料、纳米铜铝混合浆料、纳米铜锌合金浆料、纳米铜锡合金浆料和石墨烯纳米铜复合浆料等)都可以很好地应用于“低温互连，高温服役”的封装领域。但纳米铜由于其尺寸小而表面能高，在烧结过程中容易发生氧化。因此在铜纳米焊膏的应用过程中一般会采用一些技术手段对铜纳米颗粒的氧化进行抑制，例如在特殊气氛条件和采用特殊的烧结设备进行烧结，这些技术手段会导致烧结条件要求高，一般企业难以实现生产，同时会大大增加成本。专利cn114043123a公布了一种在纳米铜焊膏中加入还原剂和有机溶剂载体从而使得纳米铜在烧结过程中防止发生氧化的方法；专利cn107267938a公布了一种通过采用磁控溅射工艺在纳米铜粉末表面均匀包覆金属膜从而使得纳米铜在烧结过程中防止发生氧化的方法。由于纳米材料本身具有活性高、易团聚的特点，尤其纳米铜更是易氧化，在上述两个专利的烧结过程中，纳米铜与外界空气都没有做到完全隔离，容易导致在烧结时纳米铜与空气接触，从而发生氧化而使得烧结完成后块体致密性不高，从而达不到芯片互连要求。


技术实现要素：

4.针对背景技术提出的问题，本发明的目的在于提出一种液相辅助空气中烧结高性能互连接头的方法，通过将有机溶液或者底部填充胶涂覆在芯片和基板的连接处的四周，将互连材料与外界空气实现物理分隔，能够有效避免互连材料在烧结过程中发生氧化，本发明液相辅助空气中烧结高性能互连接头的方法的烧结条件和步骤简单，烧结过程高效，生产成本低。
5.本发明的另一目的在于提出一种高性能互连接头，由上述液相辅助空气中烧结高性能互连接头的方法制得，具有具有高互连性能。
6.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
7.一种液相辅助空气中烧结高性能互连接头的方法，包括以下步骤：
8.(1)将互连材料涂覆在基板上，将芯片盖在互连材料的表面；
9.(2)将包覆材料涂覆在芯片和基板的连接处的四周，互连材料被包覆在由基板、芯
片和包覆材料所形成的密闭空间内，包覆材料为有机溶液或底部填充胶，得到互连结构样品；
10.(3)将互连结构样品在空气中进行烧结，烧结的温度小于包覆材料中有机物分解的温度，得到高性能互连接头。
11.进一步的，互连材料为纳米铜浆料、复合微纳米铜浆料和铜基合金材料中的任意一种或多种的组合，其中，铜基合金材料为纳米铜银混合浆料、银包铜复合浆料、纳米铜银合金浆料、纳米铜铝混合浆料、纳米铜锌合金浆料、纳米铜锡合金浆料和石墨烯纳米铜复合浆料中的任意一种或多种的组合。
12.进一步的，在所述步骤(2)中，所述有机溶液的溶质为环氧树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯、热塑性酚醛树脂、脲醛树脂、聚醋酸乙烯树脂、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚马来酸酐、聚季胺盐、聚乙二醇、阿拉伯胶、藻蛋白酸钠、明胶、干酪素、羧甲基纤维素、甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素、聚碳酸酯、聚氨基酸、聚乳酸、乙交酯丙交酯共聚物、聚乳酸聚乙二醇嵌段共聚物、ε-己内酯与丙交酯共聚物中的任意一种或多种的组合。
13.进一步的，当所述有机溶液的溶质为固体时，使用溶剂配制为溶液，所述溶剂为二乙二醇、三乙二醇、三乙醇胺、间氯苯胺、n,n-二甲基乙酰胺、n-甲基吡咯烷酮、间硝基甲苯、对硝基甲苯、对硝基乙苯、环丁砜、辛醇、乙酸辛酯、二苯醚、丙三醇、异佛尔酮、二苄醚、邻苯二甲酸二正丁酯、磷酸三正丁酯、己酸酐、油酸、亚油酸、十六烷和喹啉中的任意一种或多种的组合。
14.进一步的，在所述步骤(3)中，烧结的温度为20℃～500℃，烧结的时间为5min～180min。
15.进一步的，在所述步骤(3)中，进行烧结时，烧结装置施加给互连材料的压强为0mpa～50mpa。
16.进一步的，在所述步骤(3)中，所述烧结方式采用常压烧结法、热压烧结法、高温等静压法、反应烧结法、再结晶烧结法、电铸法、水热法、热铸造法、热压延法、微波烧结和自烧结法中的任意一种。
17.进一步的，在所述步骤(2)中，涂覆的方式包括点涂法、静电喷涂法、高压无空气喷涂法、浸涂法和电泳涂装法中的任意一种。
18.进一步的，所述基板包括金属基板、半导体基板、有机薄膜类柔性基板、无机薄膜类柔性基板和多孔基底中的任意一种。
19.一种高性能互连接头，由上述的液相辅助空气中烧结高性能互连接头的方法制备得到。
20.上述技术方案具有以下有益效果：本技术方案首先将互连材料涂覆在基板上，再盖上芯片，使得互连材料、基板和芯片三者之间形成三明治结构，互连材料夹在基板和芯片之间，然后，将包覆材料涂覆在芯片和基板连接处的四周，使得互连材料被包覆在由基板、芯片和包覆材料所形成的密闭空间内，从而使互连材料与外界空气实现物理分隔，避免互连材料和空气接触，同时，由于烧结的温度小于包覆材料中有机物分解的温度，在烧结过程中，可以保证包覆材料不被分解，从而可以保证在烧结时，包覆材料依然具备隔绝空气的作用，使得在烧结过程中，互连材料因为完全被分隔开而不会接触到空气，可以有效防止互连
材料发生氧化，使得互连材料烧结完成后形成的块体的致密性好，确保了高性能互连接符合芯片互连要求。本技术方案的液相辅助空气中烧结高性能互连接头的方法降低了样品对烧结环境和烧结设备的要求，烧结过程可以直接在空气中进行，无需增加特殊气氛条件，使得烧结过程更为简便，烧结过程更为高效，也能更好的节约成本。
附图说明
21.图1是本发明一个实施例的高性能互连接头的结构示意图；
22.图2是图1所示高性能互连接头的截面图；
23.其中，基板1、包覆材料2、芯片3和互连材料4。
具体实施方式
24.下面结合附图及具体实施方式进一步说明本发明的技术方案。
25.一种液相辅助空气中烧结高性能互连接头的方法，包括以下步骤：
26.(1)将互连材料涂覆在基板上，将芯片盖在互连材料的表面；
27.(2)将包覆材料涂覆在芯片和基板的连接处的四周，互连材料被包覆在由基板、芯片和包覆材料所形成的密闭空间内，包覆材料为有机溶液或底部填充胶，得到互连结构样品；
28.(3)将互连结构样品在空气中进行烧结，烧结的温度小于包覆材料中有机物分解的温度，得到高性能互连接头。
29.为了避免在烧结过程中互连材料氧化，现在技术通常是在特殊气氛条件或采用特殊的烧结设备进行烧结，使得烧结条件要求高且大大增加生产成本，一般企业难以实现大规模生产，而且，现有技术难以做到使互连材料与外界空气完全隔离，在烧结过程中仍容易导致互连材料与空气接触，从而发生氧化而使得烧结完成后块体致密性不高，从而达不到芯片互连要求。
30.如图1和和图2所示，本技术方案首先将互连材料4涂覆在基板1上，再盖上芯片3，使得互连材料4、基板1和芯片3三者之间形成三明治结构，互连材料4夹在基板1和芯片3之间，然后，将包覆材料2(配制好的有机溶液或者底部填充胶)涂覆在芯片3和基板1连接处的四周，使得互连材料4被包覆在由基板1、芯片3和包覆材料2所形成的密闭空间内，从而使互连材料与外界空气实现物理分隔，避免互连材料和空气接触，同时，由于烧结的温度小于包覆材料中有机物分解的温度，在烧结过程中，可以保证包覆材料不被分解，从而可以保证在烧结时，包覆材料依然具备隔绝空气的作用，使得在烧结过程中，互连材料因为完全被分隔开而不会接触到空气，可以有效防止互连材料发生氧化，使得互连材料烧结完成后形成的块体的致密性好，确保了高性能互连接符合芯片互连要求。本技术方案的液相辅助空气中烧结高性能互连接头的方法降低了样品对烧结环境和烧结设备的要求，烧结过程可以直接在空气中进行，无需增加特殊气氛条件，使得烧结过程更为简便，烧结过程更为高效，也能更好的节约成本。
31.具体来说，当包覆材料为有机溶液时，烧结完成后，将高性能互连接头取出，需要用毛巾或小刷子等工具清除掉多余辅助烧结的有机溶液，防止多余的有机溶液影响后续加工工艺；当包覆材料为底部填充胶时，则无需进行清除处理，因为底部填充胶除了具有在烧
结时隔绝空气的作用，同时对于芯片的互连是有加固作用的，所以不用进行清除处理。
32.值得指出的是，底部填充胶可以从市面上直接购买得到，因此在本技术方案中不做过多的说明。
33.具体来说，本技术方案中所用的基板为任意所需的基板。
34.具体来说，刚涂覆上去的互连材料为膏体形态，烧结后，形成致密的块体。
35.进一步的说明，互连材料为纳米铜浆料、复合微纳米铜浆料和铜基合金材料中的任意一种或多种的组合，其中，铜基合金材料为纳米铜银混合浆料、银包铜复合浆料、纳米铜银合金浆料、纳米铜铝混合浆料、纳米铜锌合金浆料、纳米铜锡合金浆料和石墨烯纳米铜复合浆料中的任意一种或多种的组合。
36.值得说明的是，纳米铜浆料、复合微纳米铜浆料、纳米铜银混合浆料、银包铜复合浆料、纳米铜银合金浆料、纳米铜铝混合浆料、纳米铜锌合金浆料、纳米铜锡合金浆料和石墨烯纳米铜复合浆料这些互连材料具有尺寸小、成本低、抗电迁移性强、导电导热性优良和耐高温等优势，可以很好地应用于封装领域。
37.进一步的说明，在步骤(2)中，有机溶液的溶质为环氧树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯、热塑性酚醛树脂、脲醛树脂、聚醋酸乙烯树脂、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚马来酸酐、聚季胺盐、聚乙二醇、阿拉伯胶、藻蛋白酸钠、明胶、干酪素、羧甲基纤维素、甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素、聚碳酸酯、聚氨基酸、聚乳酸、乙交酯丙交酯共聚物、聚乳酸聚乙二醇嵌段共聚物、ε-己内酯与丙交酯共聚物中的任意一种或多种的组合。
38.具体来说，本技术方案的有机溶液的溶质均为水溶性或者醇溶性的有机物，相对于其他溶质，这些溶质不会对互连材料的烧结产生影响。
39.值得说明的是，本技术方案中有机溶液的浓度范围为0.1mol/l～饱和溶液浓度，有机溶液的浓度不宜过低，若有机溶液的浓度过低，则有机溶液中溶质含量太少，起不到隔绝空气的效果。
40.进一步的说明，当有机溶液的溶质为固体时，使用溶剂配制为溶液，溶剂为二乙二醇、三乙二醇、三乙醇胺、间氯苯胺、n,n-二甲基乙酰胺、n-甲基吡咯烷酮、间硝基甲苯、对硝基甲苯、对硝基乙苯、环丁砜、辛醇、乙酸辛酯、二苯醚、丙三醇、异佛尔酮、二苄醚、邻苯二甲酸二正丁酯、磷酸三正丁酯、己酸酐、油酸、亚油酸、十六烷和喹啉中的任意一种或多种的组合。
41.值得指出的是，本技术方案中所选用的这些溶剂均属于高沸点溶剂，可以保证在烧结时不会因为溶剂挥发而影响有机溶液隔绝空气的作用，而且不会对互连材料的烧结产生影响。
42.值得指出的是，当有机溶液的溶质为液体时，可直接使用，也可以添加适量的溶剂使用。
43.进一步的说明，在步骤(3)中，烧结的温度为20℃～500℃，烧结的时间为5min～180min。
44.具体来说，对于纳米铜锡合金材料，在烧结时辅以较高压强，可以在烧结温度为20℃时进行烧结。对于纳米铜浆料、复合微纳米铜浆料，在小压强或者无压条件烧结时，可以提高烧结温度(500℃)。
45.进一步的说明，在步骤(3)中，进行烧结时，烧结装置施加给互连材料的压强为0mpa～50mpa。
46.值得说明的是，本技术方案可以在无压或者有压的条件下进行烧结，但烧结压强不能超过超过50mpa，烧结的压强过大会导致互连材料烧结成块体时出现开裂等缺陷。烧结压强大小需要根据互连材料来进行选择，不同烧结压强下互连材料烧结形成的烧结块体结构、致密度等方面会不同，从而会影响互连强度。
47.进一步的说明，在步骤(3)中，烧结方式采用常压烧结法、热压烧结法、高温等静压法、反应烧结法、再结晶烧结法、电铸法、水热法、热铸造法、热压延法、微波烧结和自烧结法中的任意一种。
48.进一步的说明，在步骤(2)中，涂覆的方式包括点涂法、静电喷涂法、高压无空气喷涂法、浸涂法和电泳涂装法中的任意一种。
49.进一步的说明，基板包括金属基板、半导体基板、有机薄膜类柔性基板、无机薄膜类柔性基板和多孔基底中的任意一种。
50.一种高性能互连接头，由上述的液相辅助空气中烧结高性能互连接头的方法制备得到。
51.值得说明的是，本技术方案制备得到的高性能互连接头中互连材料烧结完成后形成的块体的致密性好，保证了高性能互连接头的质量。
52.下面结合实施例进一步阐述本技术方案。
53.实施例1
54.本实施例中液相辅助空气中烧结高性能互连接头的方法，包括以下步骤：
55.(1)将互连材料(纳米铜浆料)涂覆在基板上，将芯片盖在互连材料的表面；
56.(2)将有机溶液(环氧树脂溶液)采用点涂法涂覆在芯片和基板的连接处的四周，互连材料(纳米铜浆料)被包覆在由基板、芯片和有机溶液所形成的密闭空间内，确保互连材料(纳米铜浆料)在烧结过程中与外界空气实现物理隔离，得到互连结构样品；
57.(3)将互连结构样品放入热压烧结装置中，通过热压烧结法对纳米铜浆料进行烧结，热压炉压力设置为20mpa，烧结温度为300℃，烧结时间为90min，烧结完成后，冷却至室温，取出，清除掉多余的辅助烧结的有机溶液，得到高性能互连接头。
58.实施例2
59.本实施例中液相辅助空气中烧结高性能互连接头的方法，包括以下步骤：
60.(1)将互连材料(复合微纳米铜浆料)涂覆在基板上，将芯片盖在互连材料的表面；
61.(2)将有机溶液(聚乙二醇与溶剂三乙二醇配制成的溶液)采用静电喷涂法涂覆在芯片和基板的连接处的四周，互连材料(复合微纳米铜浆料)被包覆在由基板、芯片和有机溶液所形成的密闭空间内，确保互连材料(复合微纳米铜浆料)在烧结过程中与外界空气实现物理隔离，得到互连结构样品；
62.(3)将互连结构样品放入微波烧结装置中，通过微波烧结法对互连材料(复合微纳米铜浆料)进行烧结，烧结的压力设置为15mpa，烧结的温度为370℃，烧结的时间为120min，烧结完成后，冷却至室温，取出，清除掉多余的辅助烧结的有机溶液，得到高性能互连接头。
63.实施例3
64.本实施例中液相辅助空气中烧结高性能互连接头的方法，包括以下步骤：
65.(1)将互连材料(纳米铜银混合浆料)涂覆在基板上，将芯片盖在互连材料的表面；
66.(2)将有机溶液(脲醛树脂与溶剂丙三醇配制成的溶液)采用高压无空气喷涂法涂覆在芯片和基板的连接处的四周，互连材料(纳米铜银混合浆料)被包覆在由基板、芯片和有机溶液所形成的密闭空间内，确保互连材料(纳米铜银混合浆料)在烧结过程中与外界空气实现隔离，得到互连结构样品；
67.(3)将互连结构样品放入高温等静压烧结装置中，通过高温等静压法对互连材料(纳米铜银混合浆料)进行烧结，烧结的压力设置为10mpa，烧结的温度为240℃，烧结的时间为100min，烧结完成后，冷却至室温，取出，清除掉多余的辅助烧结的有机溶液，得到高性能互连接头。
68.实施例4
69.本实施例中液相辅助空气中烧结高性能互连接头的方法，包括以下步骤：
70.(1)将互连材料(石墨烯纳米铜复合浆料)涂覆在基板上，将芯片盖在互连材料的表面；
71.(2)将有机溶液(聚氨基酸与溶剂磷酸三正丁脂配制成的溶液)采用电泳涂装法涂覆在芯片和基板的连接处的四周，互连材料(石墨烯纳米铜复合浆料)被包覆在由基板、芯片和有机溶液所形成的密闭空间内，确保互连材料(石墨烯纳米铜复合浆料)在烧结过程中与外界空气实现物理隔离，得到互连结构样品；
72.(3)将互连结构样品放入常压烧结装置中，通过常压烧结法对互连材料(石墨烯纳米铜复合浆料)进行烧结，烧结的压力设置为0mpa，烧结的温度为250℃，烧结的时间为120min，烧结完成后，冷却至室温，取出，清除掉多余的辅助烧结的有机溶液，得到高性能互连接头。
73.实施例5
74.本实施例中液相辅助空气中烧结高性能互连接头的方法，包括以下步骤：
75.(1)将互连材料(纳米银包铜复合浆料)涂覆在基板上，将芯片盖在互连材料的表面；
76.(2)将底部填充胶采用点涂法涂覆在芯片和基板的连接处的四周，互连材料(纳米银包铜复合浆料)被包覆在由基板、芯片和底部填充胶所形成的密闭空间内，确保互连材料(纳米银包铜复合浆料)在烧结过程中与外界空气实现物理隔离，得到互连结构样品；
77.(3)将互连结构样品放入热压烧结装置中，通过热压烧结法对互连材料(纳米银包铜复合浆料)进行烧结，烧结的压力设置为15mpa，烧结的温度为280℃，烧结的时间为150min，烧结完成后，冷却至室温，得到高性能互连接头。
78.以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。