一种用于器件集成封装的低温键合方法技术

本发明专利技术提供了一种用于器件集成封装的低温键合方法，本发明专利技术基于纳米界面特殊的尺度效应、电流集聚效应、电迁移效应，在力电热多物理场循环载荷作用下实现低温低压的热压键合工艺，减少界面键合缺陷。该方法操作简单，与微电子工艺兼容，在微系统三维集成封装、光电集成器件等领域具有广泛应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微电子三维封装
，具体涉及一种用于器件集成封装的低温键合方法。
技术介绍
随着移动互联网等新一代信息技术的快速发展，集成电路(IC)向低功耗、小型化、多功能、高速化方向发展，更多具备感知和计算功能的器件需进行芯片级集成以满足更高集成度和更多功能要求。三维集成封装技术通过堆叠和垂直互连的方式提高芯片互连速度，增加集成度，成为微系统及芯片制造技术向“超越摩尔定律”方向发展的重要技术路径。在三维集成封装技术中，无论是芯片堆叠、封装堆叠，还是TSV(硅通孔)堆叠方式，金属-金属键合是实现多层堆叠和垂直集成的有效方法，形成牢固机械连接的同时，提供导热、导电通路。金属键合一般在一定温度、压力条件下，通过原子间相互扩散实现可靠连接。温度能够增强原子的活性，提高扩散率，压力则促进界面原子之间的接触。然而，键合前的器件一般已经制作微结构或集成其他器件，高温高压工艺会导致对准偏移、残余热应力(热失配)、机械损伤、键合层氧化等问题，尤其是高温会使异质金属键合层产生更大的热损伤，进而影响器件的寿命和可靠性。因此，金属键合已成为影响微系统工作性能、使用寿命以及阻碍芯片高集成化的关键问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种用于器件集成封装的低温键合方法，本专利技术提供的低温键合方法通过构建纳米键合层，并利用多物理场载荷，降低金属界面键合温度和压力，并利用电流的集聚效应和循环载荷减少界面键合缺陷。本专利技术提供了一种用于器件集成封装的低温键合方法，包括以下步骤：A)分别在两个待集成封装器件的键合目标面溅射金属，得到复合有金属基底的器件；B)在所述金属基底表面电化学沉积金属纳米针锥结构层，得到复合有键合层/金属基底的器件；C)将两个所述复合有键合层/金属基底的器件的键合层相对叠加后，按照以下步骤完成器件集成封装的低温键合：第一步：向所述两个键合层施加超声振动载荷；第二步：向所述两个键合层施加恒定压力和温度，并在两个金属基底间连接周期性脉冲电流，且每个周期包括两个同幅反向电流脉冲；第三步：向所述两个键合层施加恒定压力和温度；第四步：循环第二步和第三步；在所述第二步和第三步中，所述恒定压力为1～5MPa，温度为80～150℃。优选的，所述纳米针锥结构底面的直径为100～500nm。优选的，所述施加超声振动载荷的功率为15～40W，时间为2～5秒。优选的，所述周期性脉冲电流幅值为10～100安培，脉宽1～2毫秒，频率大于50赫兹，所述周期性脉冲电流施加时间为10～30秒。优选的，所述第三步的持续时间为2～6分钟。优选的，所述循环第二步和第三步的时间为30～80分钟。优选的，步骤A)中，金属为镍、铜或金。优选的，金属纳米针锥结构中金属为铜。优选的，向所述两个键合层施加恒定压力和温度的具体方法为：将两个热板分别叠加于两个复合有键合层/金属基底的器件的外层后，热板对两个复合有键合层/金属基底的器件进行加热，同时恒定的压力垂直施加于所述两个热板上。优选的，所述电化学沉积中所用的电镀液包括：五水硫酸铜1～2mol/L，硝酸铜0.1～0.4mol/L，乙二胺1～4mol/L，硼酸0.2～0.3mol/L，添加剂SPS10～20ppm、PEG1000～1500ppm，JGB30～50ppm；所述电镀液的溶液温度优选为30℃，pH值为5.0。与现有技术相比，本专利技术提供了用于器件集成封装的低温键合方法，包括以下步骤：A)分别在两个待集成封装器件的键合目标面溅射金属，得到复合有金属基底的器件；B)在所述金属基底表面电化学沉积金属纳米针锥结构层，得到复合有键合层/金属基底的器件；C)将两个所述复合有键合层/金属基底的器件的键合层相对叠加后，按照以下步骤完成器件集成封装的低温键合：第一步：向所述两个键合层施加超声振动载荷；第二步：向所述两个键合层施加恒定压力和温度，并在两个金属基底间连接周期性脉冲电流，且每个周期包括两个同幅反向电流脉冲；第三步：向所述两个键合层施加恒定压力和温度；第四步：循环第二步和第三步；在所述第二步和第三步中，所述恒定压力为1～5MPa，温度为80～150℃。本专利技术基于纳米界面特殊的尺度效应、电流集聚效应、电迁移效应，在力电热多物理场循环载荷作用下实现低温低压的热压键合工艺，减少界面键合缺陷。该方法操作简单，与微电子工艺兼容，在微系统三维集成封装、光电集成器件等领域具有广泛应用前景。附图说明图1为本专利技术提供的用于器件集成封装的低温键合方法的工艺流程图。具体实施方式本专利技术提供了一种用于器件集成封装的低温键合方法，包括以下步骤：A)分别在两个待集成封装器件的键合目标面溅射金属，得到复合有金属基底的器件；B)在所述金属基底表面电化学沉积金属纳米针锥结构层，得到复合有键合层/金属基底的器件；C)将两个所述复合有键合层/金属基底的器件的键合层相对叠加后，按照以下步骤完成器件集成封装的低温键合：第一步：向所述两个键合层施加超声振动载荷；第二步：向所述两个键合层施加恒定压力和温度，并在两个金属基底间连接周期性脉冲电流，且每个周期包括两个同幅反向电流脉冲；第三步：向所述两个键合层施加恒定压力和温度；第四步：循环第二步和第三步；在所述第二步和第三步中，所述恒定压力为1～5MPa，温度为80～150℃。本专利技术首先在两个待集成封装器件的键合目标面溅射金属，得到复合有金属基底的器件。其中，本专利技术对所述溅射的方法并没有特殊限制，本领域技术人员公知的溅射方法即可。在本专利技术中，溅射金属后得到的金属基底的厚度优选为500nm。所述金属的种类优选为镍、铜或金。得到复合有金属基底的器件后，在所述金属基底表面电化学沉积金属纳米针锥结构，得到复合有键合层/金属基底的器件。在进行电化学沉积之前，优选将所述金属基底进行除油和除锈处理。接着，将所述复合有金属基底的器件置于电镀溶液中进行电化学沉积。在本专利技术中，所述电镀液包括：五水硫酸铜1～2mol/L，硝酸铜0.1～0.4mol/L，乙二胺1～4mol/L，硼酸0.2～0.3mol/L，添加剂SPS10～20ppm、PEG1000～1500ppm，JGB30～50ppm；优选的，所述电镀液包括：五水硫酸铜1.5mol/L，硝酸铜0.2mol/L，乙二胺2mol/L，硼酸0.3mol/L，添加剂SPS15ppm、PEG1000ppm，JGB40ppm。所述电镀液的溶液温度优选为30℃，pH值为5.0。将金属基底作为阴极，将铜板或者不溶性极板作为阳极，并通过导线使基底、铜板与电镀电源构成回路。通过电镀电源对基底施加直流电流，所述电流大小优选为1～3A/dm2，所述电镀时间优选为150～300秒，电化学沉积结束之后，形成铜纳米针锥结构层，得到复合有键合层/金属基底的器件。所述纳米针锥结构底面的直径优选为100～500nm，更优选为200～400nm。金属纳米针锥结构中金属优选为铜。接着，将两个所述复合有键合层/金属基底的器件的键合层相对叠加，按照以下步骤完成器件集成封装的低温键合：第一步：向所述两个键合层施加超声振动载荷；第二步：向所述两个键合层施加恒定压力和温度，并在两个金属基底间连接周期性脉冲电流，且每个周期包括两个同幅反向电流脉冲；第三步：向所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于器件集成封装的低温键合方法，其特征在于，包括以下步骤：A)分别在两个待集成封装器件的键合目标面溅射金属，得到复合有金属基底的器件；B)在所述金属基底表面电化学沉积金属纳米针锥结构层，得到复合有键合层/金属基底的器件；C)将两个所述复合有键合层/金属基底的器件的键合层相对叠加后，按照以下步骤完成器件集成封装的低温键合：第一步：向所述两个键合层施加超声振动载荷；第二步：向所述两个键合层施加恒定压力和温度，并在两个金属基底间连接周期性脉冲电流，且每个周期包括两个同幅反向电流脉冲；第三步：向所述两个键合层施加恒定压力和温度；第四步：循环第二步和第三步；在所述第二步和第三步中，所述恒定压力为1～5MPa，温度为80～150℃。

【技术特征摘要】
1.一种用于器件集成封装的低温键合方法，其特征在于，包括以下步骤：A)分别在两个待集成封装器件的键合目标面溅射金属，得到复合有金属基底的器件；B)在所述金属基底表面电化学沉积金属纳米针锥结构层，得到复合有键合层/金属基底的器件；C)将两个所述复合有键合层/金属基底的器件的键合层相对叠加后，按照以下步骤完成器件集成封装的低温键合：第一步：向所述两个键合层施加超声振动载荷；第二步：向所述两个键合层施加恒定压力和温度，并在两个金属基底间连接周期性脉冲电流，且每个周期包括两个同幅反向电流脉冲；第三步：向所述两个键合层施加恒定压力和温度；第四步：循环第二步和第三步；在所述第二步和第三步中，所述恒定压力为1～5MPa，温度为80～150℃。2.根据权利要求1所述的低温键合方法，其特征在于，所述纳米针锥结构底面的直径为100～500nm。3.根据权利要求1所述的低温键合方法，其特征在于，所述施加超声振动载荷的功率为15～40W，时间为2～5秒。4.根据权利要求1所述的低温键合方法，其特征在于，所述周期性脉冲电流幅值为10～100安培，脉宽1～2毫秒，频率大于50赫兹，...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋晓辉，岳鹏飞，王建业，张伟，张松涛，宋超，梁楠，张鹰，
申请(专利权)人：河南省科学院应用物理研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：河南;41