一种纳米金属膜预制模块及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种纳米金属膜预制模块及其制备方法。本发明专利技术采用多层、不同尺寸纳米金属颗粒层互叠放置的方式构建互连用纳米铜膜预制模块，在烧结时，小尺寸纳米金属颗粒会移动并填充到大尺寸纳米金属颗粒团簇的缝隙中，有机介质则会挥发，多层膜烧结形成完整的金属互连层，相比较单一结构、单一层数的烧结金属膜，此技术方案将提升铜层的致密性，从而提升了互连层导电导热性质。预制模块具有可定制、易操作等特点。并且本发明专利技术优选采用纳米铜材料，可以有效地避免高电子迁移、高热失配、高成本等缺点。

A nanometer metal film prefabrication module and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种纳米金属膜预制模块及其制备方法
本专利技术涉及芯片封装领域，更具体地涉及烧结用金属膜的制备技术。
技术介绍
在功率半导体封装领域，寻求低温工艺、高温服役、热膨胀系数相匹配、高导热导电、低成本的互连材料成为现在急需解决的问题。以焊接及引线键合的传统材料工艺存在熔点低、高温蠕变失效、引线缠绕、寄生参数等无法解决的问题，新型互连材料正从焊接向烧结技术发展。通过减小烧结颗粒的尺寸，降低烧结温度，纳米金属颗粒烧结技术已经成为功率半导体器件新型互连材料中最有前景的技术。目前以纳米银烧结为代表的先进工艺已逐渐成为功率半导体器件封装互连的主流，国内外主要封装应用厂商已进入实用化和规模化使用中。然而纳米银烧结专利、材料、工艺及设备主要由国外厂商控制，在国内的发展受到较大限制。同时纳米银烧结技术也存在不足：1)银材料本身价格较高，限制其不能被广泛使用。2)银和SiC芯片背面材料热膨胀系数的不同，需要添加其它中间金属层提高互连性能，从而增加了工艺复杂性和成本。3)银层存在电迁移现象，不利于功率器件长期可靠应用。与纳米银近似的纳米铜颗粒可以在低温条件下熔融，烧结后熔点接近铜单质材料(1083℃)，可构筑稳定的金属互连层。其单组分金属的特性，避免了合金材料热循环效应下的服役可靠性问题，实现铜铜键合，解决芯片和基板之间热膨胀系数匹配的问题，同时避免电迁移现象导致可靠性问题。对比纳米银颗粒，有效降低互连封装的材料和加工成本。更重要的是能够从芯片封装应用领域，进一步推进“全铜化”(Allcopper)理念的实际应用和产业化，推动半导体产业的创新发展。例如公开号为CN103262172A的中国专利，其公开了一种用于电气部件和机械部件的烧结材料多层膜的材料和薄膜装配方式，以及通过锻压方式制备成如小方块等的离散外形，以便于在组装操作器件对所述薄层进行带和盘式分发。烧结薄层包括柔性基片(聚合物或金属，锻压过程期间可移除)、脱模涂层、干燥的烧结材料层(银纳米颗粒、金、钯、铜等)；烧结材料层包括金属粉末、粘合剂、溶剂；烧结材料层以离散外形被应用在柔性基片上。该方法的缺点在于使用纳米银材料制备单层烧结膜,由此造成用于烧结工艺后，孔隙率较大，导电导热效果差等后果。专利公开号为CN105492198A的中国专利申请，其公开了一种用于电气部件和机械部件的复合和多层银膜，其中在可烧结银层中加入了增强颗粒或纤维，以提高其强度。再可稍解的银颗粒层上外加了增强金属薄层，其成分可以是银、铜、金或任何其他金属或任何合金。也可是金属聚合物或陶瓷箔。可以是负荷的或具有不同金属和合金层的镀层结构。可以是固体的、穿孔的或以网格形式存在的。该多层复合金属膜的缺点在于，增强金属箔层的加入增加了烧结后连接层的界面数，从而可能降低连接强度；此外，单一尺寸的银颗粒层，烧结后孔隙率很大，会降低热导率、电导率和剪切应力，从而降低可靠性。专利公开号为CN106660120A的中国专利申请，其公开了一种烧结材料和使用其的固定方法。材料包括金属粉末和基材，金属粉末包括壳结构的纳米颗粒，基材包括聚合物。在聚合物基材上通过印刷或浇筑金属粉末膜，并使用特定方法使该材料形成离散形状的阵列。该方法的缺点在于直接使用印刷或浇筑方式制备离散形状可能导致离散小片的形状依赖印刷丝网的设计，变换形状困难；同时也会导致边缘粗糙、厚度不均、解析度低等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种纳米金属膜预制模块及其制备方法和应用。据研究，与纳米银颗粒近似的纳米铜颗粒可以在低温条件下熔融，烧结后熔点接近铜单质材料(1083℃)，可构筑稳定的金属互连层。其单组分金属的特性，避免了合金材料热循环效应下的服役可靠性问题，实现铜铜键合，解决芯片和基板之间热膨胀系数匹配的问题，同时避免电迁移现象导致可靠性问题。对比纳米银颗粒，有效降低互连封装的材料和加工成本。由纳米铜粉体、膏体制成的烧结用纳米铜膜，在具备铜材料的优良特性同时，也同时具备金属烧结膜的便携性、易成型性等特点，是下一代电气互连首选方案。为了解决纳米银烧结膜成本高、烧结后电迁移等问题，本专利技术的构思是1)使用纳米铜材料代替纳米银材料；2)通过锻压、激光切割等方式制备烧结膜分离结构；3)采用多层、不同尺寸纳米铜颗粒层互叠放置的方式构建互连用纳米金属膜，在烧结时，小尺寸纳米铜颗粒会移动并填充到大尺寸纳米铜颗粒团簇的缝隙中，有机介质则会挥发，多层膜烧结形成完整的铜互连层，相比较单一结构、单一层数的烧结金属膜，此技术方案将提升铜层的致密性，从而提升了互连层导电导热性质。亦可选则通过压力辅助以及提升扩散混合效果。为此，本专利技术提供了一种纳米金属膜预制模块，包括：第一有机介质材料层，第二有机介质材料层；所述第一有机介质材料层中包含第一尺寸纳米金属颗粒，所述第一有机介质材料层中包含第二尺寸纳米金属颗粒；所述第一尺寸纳米金属颗粒与第二尺寸纳米金属颗粒直径不同。优选的，所述纳米金属颗粒材料为铜。优选的，所述纳米金属颗粒材料为金、钯、银、铜、铝、银钯合金、金钯合金、铜银合金、铜银镍合金或铜铝合金。优选的，所述纳米金属膜预制模块还包括支撑基材，其中所述支撑基材包括聚酯纤维、陶瓷、玻璃、金属；所述介质材料包括有机介质材料，所述有机介质材料为：有机溶剂、助焊剂、焊膏、粘合剂；所述支撑基材和纳米金属颗粒接触的一面具有有机硅涂覆。优选的，所述第一尺寸纳米金属颗粒与所述第二尺寸纳米金属颗粒中，较大尺寸的纳米金属颗粒直径为1nm<D<10um；所述第一尺寸纳米金属颗粒与所述第二尺寸纳米金属颗粒中，较小尺寸的纳米金属颗粒直径为0.5nm<d<20nm。优选的，所述纳米金属膜预制模块通过锻压、剪切或可编程激光切割获得设定形状的离散结构膜片序列。优选的，所述设定形状为：正方形、长方形、雪花状、十字形、Y字形、Z字形、同心圆。优选的，所述离散结构膜片序列置于卷带式支撑基材上或置于特定离散多位置储存盒中。优选的，所述卷带式支撑基材使用贴片封装工艺中的飞达(Feeder)进料器。一种纳米金属膜预制模块的制备方法，具体制备步骤包括：步骤1：配置具有第一尺寸纳米金属颗粒溶液，制备第一纳米金属膏；配置具有第二尺寸纳米金属颗粒溶液，制备第二纳米金属膏；所述第二尺寸纳米金属颗粒与第一尺寸纳米金属颗粒直径不同；步骤2:制备第一纳米金属膜；在第一纳米铜膜上增设第二纳米金属膏，获得纳米金属膜；步骤3:根据设定形状切割纳米金属膜。优选的，所述步骤2还包括：步骤2.1：将第一纳米金属膏印制或涂覆于第一支撑基材上；步骤2.2：进行干燥处理，形成第一纳米金属膜。优选的，所述步骤2还包括：在所述第一纳米金属膜上通过涂覆或印刷方式形成第二纳米铜膏。优选的，所述步骤3还包括：步骤3.1:通过计算机设计纳米金属膜离散结构的设定形状；步骤3.2：将设定形状的设计文件导入激光切割仪，按照设计切割所述纳米金属膜。优选的，还包括：步骤4：将切割后获得的离散结构膜片序列置于带式支撑基材或置于特定离散多位置储存盒。一种纳米金属膜预制模块的制备方法，具体制备步骤包括：步骤1：配置具有第一尺寸纳米金属颗粒溶液，制备第一纳米金属膏；配置具有第二尺寸纳米金属颗粒溶液，制备第二纳米金属膏；所述第二尺寸纳米金属颗粒与本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米金属膜预制模块，其特征在于，包括：第一有机介质材料层，第二有机介质材料层；所述第一有机介质材料层中包含第一尺寸纳米金属颗粒，所述第一有机介质材料层中包含第二尺寸纳米金属颗粒；所述第一尺寸纳米金属颗粒与第二尺寸纳米金属颗粒直径不同。

【技术特征摘要】
1.一种纳米金属膜预制模块，其特征在于，包括：第一有机介质材料层，第二有机介质材料层；所述第一有机介质材料层中包含第一尺寸纳米金属颗粒，所述第一有机介质材料层中包含第二尺寸纳米金属颗粒；所述第一尺寸纳米金属颗粒与第二尺寸纳米金属颗粒直径不同。2.如权利要求1所述纳米金属膜预制模块，其特征在于，所述纳米金属颗粒材料为铜。3.如权利要求1所述纳米金属膜预制模块，其特征在于，所述纳米金属颗粒材料为金、钯、银、铜、铝、银钯合金、金钯合金、铜银合金、铜银镍合金或铜铝合金。4.如权利要求1所述纳米金属膜预制模块，其特征在于，所述纳米金属膜预制模块还包括支撑基材，其中所述支撑基材包括聚酯纤维、陶瓷、玻璃、金属；所述有机介质材料为：有机溶剂、助焊剂、焊膏、粘合剂；所述支撑基材和纳米金属颗粒接触的一面具有有机硅涂覆。5.如权利要求1所述纳米金属膜预制模块，其特征在于，所述介质材料包括有机介质材料，所述第一尺寸纳米金属颗粒与所述第二尺寸纳米金属颗粒中，较大尺寸的纳米金属颗粒直径为1nm<D<10um；所述第一尺寸纳米金属颗粒与所述第二尺寸纳米金属颗粒中，较小尺寸的纳米金属颗粒直径为0.5nm<d<20nm。6.如权利要求1-3任一项所述纳米金属膜预制模块，其特征在于，所述纳米金属膜预制模块通过锻压、剪切或可编程激光切割获得设定形状的离散结构膜片序列。7.如权利要求6任一项所述纳米金属膜预制模块，其特征在于，所述设定形状为：正方形、长方形、雪花状、十字形、Y字形、Z字形、同心圆。8.如权利要求6所述纳米金属膜预制模块，其特征在于，所述离散结构膜片序列置于卷带式支撑基材上或置于特定离散多位置储存盒中。9.一种纳米金属膜预制模块的制备方法，其特征在于，具体制备步骤包括：步骤1：配置具有第一尺寸纳米金属颗粒溶液，制备第一纳米金属膏；配置具有第二尺寸纳米金属颗粒溶液，制备第二纳米金属膏；所述第二尺寸纳米金属颗粒与第一尺寸纳米金属颗粒直径不同；步骤2:制备第一纳米金属膜；在第一纳米铜膜上增设第二纳米金属膏，获得纳米金属膜；步骤3:根据设定形状切割纳米金属膜。10.如权利要求9所述纳米金属膜预制模块的制备方法，其特征在于，所述步骤2还包括：步骤2.1：将第一纳米金属膏印制或涂覆于第一支撑基材上；步骤2.2：进行干燥处理，形成第一纳米金属膜。11.如权利要求9所述纳米金属膜预制模块的制备方法，其特征在于，所述步骤2还包括：在所述第一纳米金属膜上通过涂覆或印刷方式形成第二纳米铜膏。12.如权利要求9所述纳米金属膜预制模块的制备方法，其特征在于，所述步骤3还包括：步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘旭，叶怀宇，张国旗，
申请(专利权)人：深圳第三代半导体研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44