一种基于可自修复铜纳米颗粒浆料的低温铜铜键合方法技术

本发明专利技术属于铜互连键合技术领域，更具体地，涉及一种基于可自修复铜纳米颗粒浆料的低温铜铜键合方法。该方法包括下列步骤：(a)配制可自修复的铜纳米颗粒浆料，其中包括将铜纳米颗粒在甲酸中预处理，以及将预处理的铜纳米颗粒与还原剂、表面活性剂和粘度调节剂的混合溶剂混合；(b)将可自修复的铜纳米颗粒浆料均匀涂覆在两块铜基底之间，以此形成待键合样品，在真空或者惰性气体氛围中，使得可自修复的铜纳米颗粒浆料中的铜纳米颗粒与两块铜基底之间产生互连，实现铜铜键合，在键合过程中，还原剂将甲酸铜分解还原为铜实现铜纳米颗粒的自修复。通过本发明专利技术，实现键合过程中无需还原性气氛，同时具备工艺要求简单、易储存、低成本。

A Low Temperature Copper-Copper Bonding Method Based on Self-repairable Copper Nanoparticle Slurry

The invention belongs to the technical field of copper interconnection bonding, and more specifically relates to a low temperature copper-copper bonding method based on self-repairing copper nanoparticle slurry. The method comprises the following steps: (a) preparation of self-repairing copper nanoparticle slurry, which includes pretreatment of copper nanoparticles in formic acid and mixing of the pre-treated copper nanoparticles with a mixture of reducing agent, surfactant and viscosity regulator; (b) uniform coating of self-repairing copper nanoparticle slurry between two copper substrates to form bonding samples. In vacuum or inert gas atmosphere, copper nanoparticles in self-repairable copper nanoparticle slurry are interconnected with two copper substrates to realize copper-copper bonding. In the bonding process, the reductant decomposes copper formate into copper to realize self-repairing of copper nanoparticles. The invention realizes the bonding process without reducing atmosphere, and has the advantages of simple process requirements, easy storage and low cost.

【技术实现步骤摘要】
一种基于可自修复铜纳米颗粒浆料的低温铜铜键合方法
本专利技术属于铜互连键合
，更具体地，涉及一种基于可自修复铜纳米颗粒浆料的低温铜铜键合方法。
技术介绍
由于锡材料成本低、熔点低、工艺简单等特性，锡互连技术被广泛应用于微电子封装行业中。然而，随着微电子器件的高度集成化以及一些高功率器件的诞生，传统的锡互连技术面临巨大挑战。例如，在IC芯片封装中，微凸点尺寸微缩，节距变小，铜-锡-铜互连面临窄节距下锡溢出短路、服役过程中锡须生长、电迁移热迁移失效等一系列问题，严重影响了集成电路封装的可靠性，阻碍了集成电路微型化的进一步发展。再例如，随着高功率微电子器件在航空航天、汽车、船舶中的应用，面临着电流密度增幅显著，局部工作执行温度可能会超过300℃等问题，锡互连材料难以承受高温、高压、高电流密度等严苛的工作环境，急需其他高性能互连材料替代。现阶段，微电子器件与集成电路中通常使用铜作为导电电路、引线触点及键合凸点的材料，这主要归功于铜的低成本、高电导、高热导等特性。因此，直接将铜作为互连材料，不仅能保证互连处的导电导热性能，还能实现铜铜之间的同质连接，最大程度地提升抗电迁移特性与服役可靠性。然而，由于铜的高熔点与易氧化特征，使得铜作为互连材料需要高键合温度、高真空度或者还原性键合气氛，从而难以实现大规模应用。近年来，随着纳米技术的发展，使用铜纳米颗粒浆料进行铜互连成为了一种有效降低键合温度的方法。随着铜纳米颗粒尺度的降低，其产生表面扩散的激发能量也越低，从而可实现低温烧结。但是，尺寸越小的铜纳米颗粒越容易产生氧化，会阻碍扩散的正常进行。因此，使用铜纳米颗粒的铜铜键合研究，通常对纳米颗粒合成的纯度要求很高，不宜长期存放，并且依赖键合过程中的还原性气氛，大大增加了材料制备及键合工艺成本。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于可自修复铜纳米颗粒浆料的低温铜铜键合方法，其通过在配制可自修复铜纳米颗粒浆料的过程中，使得铜纳米颗粒表面的铜氧化物在键合前经甲酸处理生成甲酸铜，然后在键合过程中被浆料中的还原剂还原为铜，以此实现铜纳米颗粒的自修复烧结键合。相较于其他使用铜纳米颗粒的键合方法，此方法对铜纳米颗粒的纯度无严苛要求，且无需还原性键合气氛，具备易制备、易储存、工艺要求低、成本低廉等优势，在先进电子封装中具有较强的应用前景。为实现上述目的，按照本专利技术，提供了一种基于可自修复铜纳米颗粒浆料的低温铜铜键合方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：(a)配制可自修复的铜纳米颗粒浆料(a1)选取铜纳米颗粒进行预处理，该预处理过程包括先将所述铜纳米颗粒置于甲酸中反应，使得该铜纳米颗粒表层的铜氧化物与所述甲酸反应生成甲酸铜，然后将所述铜纳米颗粒进行真空干燥，使得反应剩余的甲酸挥发；(a2)选取还原剂、表面活性剂和粘度调节剂混合获得混合溶剂，将所述预处理后的铜纳米颗粒与所述混合溶剂中混合，混合均匀后获得可自修复的铜纳米颗粒浆料；(b)选取两块铜基底，将所述可自修复的铜纳米颗粒浆料均匀涂覆两块所述铜基底之间，以此形成待键合样品，在真空或者惰性气体氛围中，对所述待键合样品施加压力，使得可自修复的铜纳米颗粒浆料中的铜纳米颗粒与两块铜基底之间产生互连，以此实现铜铜键合，其中，在所述键合过程中，所述还原剂将加速所述甲酸铜分解还原为铜，避免将所述铜纳米颗粒表面的氧化物带入所述键合过程中，以此实现所述铜纳米颗粒的自修复。进一步优选地，在步骤(a1)中，所述铜纳米颗粒的平均粒径优选为不超过200nm。进一步优选地，在步骤(a2)中，获得的可自修复的铜纳米颗粒浆料中所述铜纳米颗粒、甲酸、还原剂、表面活性剂和粘度调节剂的质量分数依次为：40％～60％，1％～10％，1％～10％，0％～5wt％和15％～60％。进一步优选地，在步骤(a2)中，所述还原剂优选为乙胺、乙二胺、1,2丙二胺、乙醇胺、正丙醇胺、异丙醇胺、异丁醇胺中的一种或多种的组合。进一步优选地，在步骤(a2)中，所述粘度调节剂优选为甲醇、乙醇、乙二醇、聚乙二醇100、聚乙二醇200、聚乙二醇400、一缩二乙二醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、叔丁醇、松油醇中的一种或多种的组合。进一步优选地，在步骤(a2)中，所述表面活性剂优选为聚乙烯吡咯烷酮、十六烷基三甲基溴化铵、溴化十六烷基吡啶、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二醇聚氧乙烯醚硫酸钠中的一种或者多种的组合。进一步优选地，在步骤(b)中，所述铜基底优选为具有平整表面的铜片、铜柱以及表面电镀有铜层的硅晶片、碳化硅晶片或氮化镓晶片。进一步优选地，在步骤(b)中，所述键合温度优选为160℃～300℃，键合压力优选为1MPa～20MPa，键合时间优选为10min～90min。进一步优选地，在步骤(a2)中，所述选取还原剂、表面活性剂和粘度调节剂混合优选在500rpm～1500rpm的转速下进行磁力搅拌10min～60min，以此获得溶解均匀的混合溶剂。进一步优选地，在步骤(a2)中，所述将所述预处理后的铜纳米颗粒与所述混合溶剂中混合优选在在真空脱泡机中以800rpm～2000rpm的转速混合2min～10min。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：1、本专利技术利用可自修复铜纳米颗粒浆料实现键合，相较于现阶段其他关于铜纳米颗粒浆料的研究，本专利技术中可自修复铜纳米颗粒浆料中铜纳米颗粒的表层氧化物可通过被甲酸反应生成甲酸铜，然后在烧结或键合的过程中被浆料中的还原剂加速分解、还原为铜，以此实现铜纳米颗粒的自行修复，因此该方法对浆料中铜纳米颗粒的纯度要求不高，可实现纳米浆料的生产效率、存储稳定性的大幅提升；2、本专利技术利用可自修复铜纳米颗粒浆料实现烧结及键合，可摆脱现阶段其他基于铜纳米颗粒浆料的烧结及键合过程对还原性气氛的依赖，使得在烧结与键合中无需在还原气氛中进行，以此降低烧结与键合的处理成本、工艺要求、工艺成本的大幅降低；3、本专利技术对可自修复铜纳米颗粒浆料的成分及配比进行了研究与设计，具体的，可自修复铜纳米颗粒浆料由40～60wt％铜纳米颗粒、1～10wt％甲酸、1～10wt％还原剂、0～5wt％表面活性剂以及15～60wt％粘度调节有机溶剂混合而成，由此使得铜纳米颗粒浆料中部分氧化的铜纳米颗粒可以充分还原成金属铜，并保证浆料整体的分散性、粘附性、润湿性；4、本专利技术通过选取甲酸对铜纳米颗粒表面的氧化物反应，使得铜纳米颗粒表面的反应生成甲酸铜，相较于采用其它酸生成的产物，甲酸铜的分解温度更低，且在本专利技术所述还原剂的作用下，更易加速分解、还原为铜；5、本专利技术进行铜铜键合时，键合环境为真空环境或者惰性气氛，如氩气、氮气，以此防止铜纳米颗粒自修复后的再次氧化，另外选取的键合温度为160℃～300℃，键合压力为1MPa～20MPa，键合时间为10min～90min，上述键合温度低，适宜工业应用，键合温度和键合压力根据不通过粒径的铜纳米颗粒进行设定，适宜于不同粒径的铜纳米颗粒，在上述工艺下，铜纳米颗粒浆料可实现有效修复，铜纳米颗粒可实现高质量烧结、融合，并与两边铜基底实现充分扩散，形成可靠的互连键合结构。附图说明图1是按照专利技术的优选实施例所构建的基于可自修复铜纳米颗粒浆料低温铜铜键合方法的键合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于可自修复铜纳米颗粒浆料的低温铜铜键合方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：(a)配制可自修复的铜纳米颗粒浆料(a1)选取铜纳米颗粒进行预处理，该预处理过程包括先将所述铜纳米颗粒置于甲酸中反应，使得该铜纳米颗粒表层的铜氧化物与所述甲酸反应生成甲酸铜，然后将所述铜纳米颗粒进行真空干燥，使得反应剩余的甲酸挥发；(a2)选取还原剂、表面活性剂和粘度调节剂混合获得混合溶剂，将所述预处理后的铜纳米颗粒与所述混合溶剂中混合，混合均匀后获得可自修复的铜纳米颗粒浆料；(b)选取两块铜基底，将所述可自修复的铜纳米颗粒浆料均匀涂覆两块所述铜基底之间，以此形成待键合样品，在真空或者惰性气体氛围中，对所述待键合样品施加压力，使得可自修复的铜纳米颗粒浆料中的铜纳米颗粒与两块铜基底之间产生互连，以此实现铜铜键合，其中，在所述键合过程中，所述还原剂将加速所述甲酸铜分解还原为铜，避免将所述铜纳米颗粒表面的氧化物带入所述键合过程中，以此实现所述铜纳米颗粒的自修复。

【技术特征摘要】
1.一种基于可自修复铜纳米颗粒浆料的低温铜铜键合方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：(a)配制可自修复的铜纳米颗粒浆料(a1)选取铜纳米颗粒进行预处理，该预处理过程包括先将所述铜纳米颗粒置于甲酸中反应，使得该铜纳米颗粒表层的铜氧化物与所述甲酸反应生成甲酸铜，然后将所述铜纳米颗粒进行真空干燥，使得反应剩余的甲酸挥发；(a2)选取还原剂、表面活性剂和粘度调节剂混合获得混合溶剂，将所述预处理后的铜纳米颗粒与所述混合溶剂中混合，混合均匀后获得可自修复的铜纳米颗粒浆料；(b)选取两块铜基底，将所述可自修复的铜纳米颗粒浆料均匀涂覆两块所述铜基底之间，以此形成待键合样品，在真空或者惰性气体氛围中，对所述待键合样品施加压力，使得可自修复的铜纳米颗粒浆料中的铜纳米颗粒与两块铜基底之间产生互连，以此实现铜铜键合，其中，在所述键合过程中，所述还原剂将加速所述甲酸铜分解还原为铜，避免将所述铜纳米颗粒表面的氧化物带入所述键合过程中，以此实现所述铜纳米颗粒的自修复。2.如权利要求1所述的一种基于可自修复铜纳米颗粒浆料的低温铜铜键合方法，其特征在于，在步骤(a1)中，所述铜纳米颗粒的平均粒径优选为不超过200nm。3.如权利要求1或2所述的一种基于可自修复铜纳米颗粒浆料的低温铜铜键合方法，其特征在于，在步骤(a2)中，获得的可自修复的铜纳米颗粒浆料中所述铜纳米颗粒、甲酸、还原剂、表面活性剂和粘度调节剂的质量分数依次为：40％～60％，1％～10％，1％～10％，0％～5wt％和15％～60％。4.如权利要求1-3任一项所述的一种基于可自修复铜纳米颗粒浆料的低温铜铜键合方法，其特征在于，在步骤(a2)中，所述还原剂优选为乙胺、乙二胺、1,2丙二胺、乙醇胺、正丙醇胺、异丙醇胺、异丁醇胺中的一种或多...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤自荣，李俊杰，梁琦，史铁林，冯辰，廖广兰，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42