一种金刚石散热片的表面平滑化及连接方法技术

一种金刚石散热片的表面平滑化及连接方法，涉及金刚石散热片的连接方法。本发明专利技术要解决利用纳米/微米金属烧结技术键合时，大尺寸连接存在压力过大对器件的可靠性影响大，若无压烧结则只能实现小尺寸连接，且烧结层孔隙率大，严重影响其导热性和可靠性的问题，解决利用原子扩散键合技术键合时，存在对金刚石材料表面粗糙度要求高，需要超真空，金刚石和硅片镀完金属层后未及时压合会导致键合效果不佳的问题。方法：一、沉积过渡层金属/金复合金属镀层；二、涂覆纳米金属浆料并热压烧结键合；三、模板剥离并保留金刚石上金属层；四、表面活化清洗；五、键合。本发明专利技术用于金刚石散热片的表面平滑化及连接。面平滑化及连接。面平滑化及连接。

【技术实现步骤摘要】
一种金刚石散热片的表面平滑化及连接方法


[0001]本专利技术涉及金刚石散热片的连接方法。

技术介绍

[0002]高密度、高功率以及高性能已成为芯片领域发展的必然趋势，但随之而来的便是由于发热造成的芯片损坏、设备失效等问题。传统散热材料由于存在热导率不佳、尺寸和架构不兼容等问题，还会导致热点分布不均，片上温差达到10度～20度，难以实现对于超高热流密度器件的高效散热。由于金刚石具有高导热、耐高温、抗腐蚀等优异性能，不但可以对芯片实现快速均温消除局部热点，有效降低整体结构的散热压力，还可以在相同散热能力下提升芯片可承载的规格/性能或维持规格/性能不变降低散热成本；增强合封芯片的功耗上限，提高芯片整体性能及可靠性，有望在高频和高功率微电子领域中实现高效散热。
[0003]金刚石散热技术不仅在超高热流密度器件散热方面具有巨大的应用价值，而且对于光模块散热、集成电路、高密度互连等关键领域也有着重要的技术支撑作用。但是该材料技术在芯片封装系统中仍然面临如下问题：
[0004]1、金刚石材料化学性能稳定、硬度高，采用化学机械抛光法(CMP)对它进行高效、优质的抛光以获得亚纳米粗糙度的光滑表面难度大、良品率不稳定、抛光耗时且成本较高、存在与前后端工艺流程部分不兼容等问题，在一定程度上限制其应用。此外，CMP工艺不适用于三维结构化基板表面，例如用于基于微机电系统(MEMS)的传感设备的蚀刻腔的底面。
[0005]2、金刚石材料需要与异质材料形成高精度的键合，以实现高效散热。采用目前常规的键合工艺，例如表面活化键合(SAB)、原子扩散键合(ADB)、熔融键合(fusion bonding) 等，对键合的材料表面粗糙度要求极高，一般要求达到1nm～2nm，同时键合需要超高真空、施加压力、升高温度等过程，工艺复杂度大、一致性差，成本高。另外，为了降低界面热阻而加入的过渡层一般厚度小、应力大，容易造成分层、断裂等风险，影响器件可靠性。
[0006]3、传统焊料键合被广泛用于设备集成，因为它支持相对较低的温度过程并且可以耐受表面粗糙度。然而，作为一种热界面材料，传统焊料的热导率比金刚石低两个数量级，并且焊料层的厚度通常大于100μm，这会引入高的界面热阻，因此该方法通常被认为不适用于将功率器件集成到金刚石上。
[0007]金属纳米颗粒由于比表面积大、活性高、热导率高，可以实现低温下的快速烧结键合。同时对键合材料的表面粗糙度要求不高，键合工艺复杂度低，良品率高。可避免复杂工艺装备带来的高成本等问题。因此，采用纳米材料实现金刚石材料与器件的高品质键合被认为是解决目前高热流密度散热的重要方向，但是由于金刚石材料的特殊性，纳米材料粘接键合工艺仍然存在技术难点。该技术利用纳米/微米级金属颗粒具有低的烧结温度和较高的热导率，在一定温度和压力下将两个材料表面通过金属浆料烧结在一起，从而实现两种材料的键合。通常情况下，需要在烧结过程中增加压力，以增强两个界面的连接强度，实现较低的孔隙率。但其实现芯片与基板的连接工艺主要存在如下问题：(1)通常对于大尺寸表面的连接需要施加10～30MPa的压力以降低界面孔隙率(无压或者低压情况界面孔隙率
约25％)和提高连接强度，上述压力过大对器件的可靠性影响大。(2)而无压烧结通常仅适用于小尺寸连接(＜5
×
5mm2)，并且烧结层孔隙率大，严重影响其导热性和可靠性。
[0008]金刚石与半导体芯片材料的原子扩散键合技术：该技术通过对待键合材料表面镀制纳米级超薄金属层，在低温甚至室温下把两种待键合材料直接接触，利用金属原子扩散原理，实现两种材料的高强度键合。该技术可以在一定程度上解决键合过程中对材料表面粗糙度要求高、需要超真空等严格的工艺问题，但是表面粗糙度依然要求达到10纳米以下，对于金刚石来说，抛光的难度和成本较高。实现金刚石与硅的原子扩散键合工艺虽然可以实现常温下的键合，但是仍然存在如下问题：(1)现有技术要求键合的材料表面粗糙度达到10 纳米以内，但是对于金刚石材料，实现这个量级的抛光，技术难度依然较大，成品率不高。 (2)对于金刚石和半导体芯片材料镀完金属层之后，为防止金属表面发生氧化或吸附，需快速转移至键合设备内，或在真空舱体直接压合。整个过程没有准确的操作流程，不确定性及风险较大，对于键合产品的良率无法提供足够保证。

技术实现思路

[0009]本专利技术要解决利用纳米/微米金属烧结技术键合时，大尺寸连接存在压力过大对器件的可靠性影响大，若无压烧结则只能实现小尺寸连接，且烧结层孔隙率大，严重影响其导热性和可靠性的问题，解决利用原子扩散键合技术键合时，存在对金刚石材料表面粗糙度要求高，需要超真空，金刚石和半导体芯片材料镀完金属层后未及时压合会导致键合效果不佳的问题。进而提供一种金刚石散热片的表面平滑化及连接方法。
[0010]一种金刚石散热片的表面平滑化及连接方法，它是按以下步骤进行的：
[0011]一、沉积过渡层金属/金复合金属镀层：
[0012]对模板、金刚石片和半导体芯片材料依次进行清洗及氩等离子清洗，然后采用高真空度磁控溅射系统分别在模板、金刚石片和半导体芯片材料上依次镀过渡层金属层 10nm～20nm及金层100nm～200nm，得到沉积过渡层金属/金复合金属镀层的模板、沉积过渡层金属/金复合金属镀层的金刚石片和沉积过渡层金属/金复合金属镀层的半导体芯片材料；
[0013]二、涂覆纳米金属浆料并热压烧结键合：
[0014]将纳米金属浆料分别涂覆在沉积过渡层金属/金复合金属镀层的模板及沉积过渡层金属/金复合金属镀层的金刚石片镀金属的一侧表面，在温度为120℃～160℃的条件下，保温 30min～60min，然后对准粘接，并在温度为180℃～280℃及表面施加压力不小于20MPa的条件下，保温0.5h～1h，得到热压烧结键合后的材料；
[0015]三、模板剥离并保留金刚石上金属层：
[0016]将热压烧结键合后的材料浸渍于剥离溶液中，将模板溶解剥离掉，得到留有纳米金属层及过渡层金属/金复合金属镀层的金刚石片；
[0017]四、表面活化清洗：
[0018]将留有纳米金属层及过渡层金属/金复合金属镀层的金刚石片清洗烘干，然后将留有纳米金属层及过渡层金属/金复合金属镀层的金刚石片及沉积过渡层金属/金复合金属镀层的半导体芯片材料进行氩等离子清洗，得到表面活化清洗的金刚石片及表面活化清洗的半导体芯片材料；
[0019]五、键合：
[0020]将表面活化清洗的金刚石片及表面活化清洗的半导体芯片材料贴合，然后转入热压设备内键合连接，完成金刚石散热片的表面平滑化及连接方法。
[0021]本专利技术的有益效果是：
[0022]本专利技术基于膜转移的一步平滑方法，提出在大表面粗糙度金刚石与半导体芯片材料之间采用纳米金属实现高质量的键合，实现纳米金属颗粒在低温、常压大气环境下烧结原理，从而实现金刚石与半导体芯片材料的高可靠键合连接。
[0023]本专利技术技术方案对金刚石进行快速的平滑本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金刚石散热片的表面平滑化及连接方法，其特征在于它是按以下步骤进行的：一、沉积过渡层金属/金复合金属镀层：对模板、金刚石片和半导体芯片材料依次进行清洗及氩等离子清洗，然后采用高真空度磁控溅射系统分别在模板、金刚石片和半导体芯片材料上依次镀过渡层金属层10nm～20nm及金层100nm～200nm，得到沉积过渡层金属/金复合金属镀层的模板、沉积过渡层金属/金复合金属镀层的金刚石片和沉积过渡层金属/金复合金属镀层的半导体芯片材料；二、涂覆纳米金属浆料并热压烧结键合：将纳米金属浆料分别涂覆在沉积过渡层金属/金复合金属镀层的模板及沉积过渡层金属/金复合金属镀层的金刚石片镀金属的一侧表面，在温度为120℃～160℃的条件下，保温30min～60min，然后对准粘接，并在温度为180℃～280℃及表面施加压力不小于20MPa的条件下，保温0.5h～1h，得到热压烧结键合后的材料；三、模板剥离并保留金刚石上金属层：将热压烧结键合后的材料浸渍于剥离溶液中，将模板溶解剥离掉，得到留有纳米金属层及过渡层金属/金复合金属镀层的金刚石片；四、表面活化清洗：将留有纳米金属层及过渡层金属/金复合金属镀层的金刚石片清洗烘干，然后将留有纳米金属层及过渡层金属/金复合金属镀层的金刚石片及沉积过渡层金属/金复合金属镀层的半导体芯片材料进行氩等离子清洗，得到表面活化清洗的金刚石片及表面活化清洗的半导体芯片材料；五、键合：将表面活化清洗的金刚石片及表面活化清洗的半导体芯片材料贴合，然后转入热压设备内键合连接，完成金刚石散热片的表面平滑化及连接方法。2.根据权利要求1所述的一种金刚石散热片的表面平滑化及连接方法，其特征在于步骤一中所述的模板为粗糙度小于1nm的石英片；步骤一中所述的半导体芯片材料为硅、碳化硅、氮化镓或氧化镓；步骤一中所述的过渡层金属为Ti、Mo、Cr、Ni和W中的一种或其中几种；步骤一中所述的金刚石片表面粗糙度为1微米以下。3.根据权利要求1所述的一种金刚石散热片的表面平滑化及连接方法，其特征在于步骤一中所述的清洗为依次用丙酮及酒精超声清洗5min～10min，再用去离子水冲洗，最后烘干。4.根据权利要求1所述的一种金刚石散热片的表...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵柯臣，赵继文，代兵，曹文鑫，朱嘉琦，韩杰才，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：