连接散热片和芯片的方法和芯片结构技术

本申请实施例公开了一种连接散热片和芯片的方法和芯片结构，属于芯片散热技术领域。所述方法包括：在散热片的第一表面形成第一金属层；在芯片的第二表面形成第二金属层；在所述第一金属层和所述第二金属层中的至少一层上涂覆纳米金属颗粒粘接材料，形成纳米金属颗粒粘接材料层；将所述散热片和所述芯片相对重叠，使得所述纳米金属颗粒粘接材料层夹设于所述第一金属层和所述第二金属层之间；对重叠在一起的所述散热片和所述芯片加温加压，使得所述纳米金属颗粒粘接材料烧结，以将所述散热片和所述芯片连接在一起，增加连接的可靠性，提高产品良率。高产品良率。高产品良率。

【技术实现步骤摘要】
连接散热片和芯片的方法和芯片结构


[0001]本申请涉及芯片散热
，特别涉及一种连接散热片和芯片的方法和芯片结构。

技术介绍

[0002]对于有较高散热需求的芯片，通常会在芯片上连接散热片，通过散热片对芯片进行快速散热并且减小芯片的片上温差，提高芯片的可靠性。
[0003]相关技术中，芯片与散热片之间采用键合工艺连接。芯片与散热片的连接过程如下：首先，在散热片的第一表面形成第一金属层，并且在芯片的第二表面形成第二金属层；然后利用金属原子扩散的原理，将第一金属层和第二金属层键合连接，从而将散热片和芯片连接在一起。采用该连接方式连接芯片和散热片所得到的产品良率较低。

技术实现思路

[0004]本申请提供了一种连接散热片和芯片的方法和芯片结构，能够对散热片和芯片进行可靠连接，提高产品的良率，所述技术方案如下：
[0005]一方面，提供了一种连接散热片和芯片的方法，该方法包括：在散热片的第一表面形成第一金属层；在芯片的第二表面形成第二金属层；在所述第一金属层和所述第二金属层中的至少一层上涂覆纳米金属颗粒粘接材料，形成纳米金属颗粒粘接材料层；将所述散热片和所述芯片相对重叠，使得所述纳米金属颗粒粘接材料层夹设于所述第一金属层和所述第二金属层之间；对重叠在一起的散热片和芯片加温加压，使得纳米金属颗粒粘接材料烧结，以将散热片和芯片连接在一起。
[0006]在本申请中，先在形成有第一金属层的散热片和形成有第二金属层的芯片中的至少一个上涂覆纳米粘接材料，然后再将散热片和芯片相对重叠，使得第一金属层和第二金属层之间夹设有纳米金属颗粒粘接材料层，利用纳米金属颗粒粘接材料的烧结原理，通过加温加压就能够实现散热片和芯片的可靠连接，从而提高产品良率。
[0007]可选地，对重叠在一起的所述散热片和所述芯片加温加压，包括：在第一温度下采用第一压力对重叠在一起的所述散热片和所述芯片加压，保持第一时长；在第二温度下采用第二压力对重叠在一起的所述散热片和所述芯片加压，保持第二时长，使得所述纳米金属颗粒粘接材料烧结，从而将所述散热片和所述芯片连接在一起。其中，第一温度不低于20℃，所述第一温度低于所述第二温度，所述第二温度不高于260℃，所述第一压力大于或者等于1个标准大气压，所述第一压力小于所述第二压力，所述第二压力不超过20MPa，所述第一时长小于或等于所述第二时长。
[0008]在本申请中，将加温加压的过程分为两个阶段，从而在不高于260℃的温度下，以不超过20MPa的压力就能够实现散热片和芯片的可靠连接，工艺条件简单，容易实现。
[0009]可选地，所述第一温度的取值范围为40℃～100℃，所述第一压力的取值范围为0.3MPa～1MPa，所述第一时长为15分钟～60分钟；所述第二温度的取值范围为180℃～260
℃，所述第二压力的取值范围为1MPa～20MPa，所述第二时长为60分钟～120分钟。试验证明，该参数条件下，纳米金属颗粒粘接材料能烧结均匀，能够将散热片和芯片良好连接。
[0010]可选地，在所述将所述散热片和所述芯片相对重叠之前，所述方法还包括：对纳米金属颗粒粘接材料层进行预烘干。通过预烘干处理，能够将纳米金属颗粒粘接材料中的部分成分挥发掉，有利于提高后续连接效果。示例性地，所述预烘干的温度为120℃～180℃，所述预烘干的时长为15分钟～30分钟。
[0011]在本申请中，芯片包括但不限于硅片、SiC芯片、GaN基芯片等。散热片采用高热导率材料制成，例如，所述散热片为金刚石散热片，利用高导热金刚石散热片的高导热性能够实现芯片上局部热点的快速降温，并且，利用金刚石各向异性导热的特点能够实现片上均温。
[0012]可选地，在本申请中，第一表面的粗糙度为10nm～200nm。对于硬度较高的散热片而言，例如金刚石散热片，对金刚石散热片的表面进行打磨十分困难，因此，对金刚石散热片的表面粗糙度的要求越低，工艺实现难度越低，成本越低。如果采用相关技术中的其他键合工艺来连接金刚石散热片和芯片，对表面粗糙度的要求都较高，例如原子扩散键合(atom diffusion bondign，ADB)要求散热片的表面粗糙度在10nm以内，又例如，表面活化键合(surface activated bonding，SAB)要求散热片的表面粗糙度为1nm～2nm，这导致连接金刚石散热片和芯片的难度较大且成本较高。而在本申请实施例中，第一表面的粗糙度在10nm以上，甚至可以达到100nm级，与其他常规键合方式相比，本申请的方法对金刚石散热片的表面粗糙度的要求显著降低，大大降低了连接金刚石散热片和芯片的的实现难度，并且降低了成本。
[0013]可选地，所述纳米金属颗粒粘接材料层为纳米银颗粒粘接材料层、纳米金颗粒粘接材料层或纳米铜颗粒粘接材料层。该纳米金属颗粒粘接材料为油溶性或者水溶性纳米金属颗粒粘接材料，本申请对此不做限制。
[0014]可选地，在所述散热片和所述芯片相对重叠之后，位于所述第一金属层和所述第二金属层之间的纳米金属颗粒粘接材料层的厚度为5μm～40μm。根据热阻的计算公式，材料层的热阻与材料层的厚度成正比，与材料层所用材料的导热系数和材料层的面积成反比，在本申请中，将纳米金属颗粒粘接材料层的厚度设置地较小，使得纳米金属颗粒粘接材料层的热阻较小，有利于芯片的散热。
[0015]可选地，所述第一金属层包括依次层叠在所述第一表面的粘接子层和烧结子层，所述粘接子层采用以下材料中的任一种形成：钛、铬、镍或钒；所述烧结子层采用以下材料中的任一种形成：金、银或铜。
[0016]可选地，所述第二金属层包括依次层叠在所述第二表面的粘接子层和烧结子层，所述粘接子层采用以下材料中的任一种形成：钛、铬、镍或钒；所述烧结子层采用以下材料中的任一种形成：金、银或铜。
[0017]可选地，所述粘接子层的厚度为3nm～20nm，所述烧结子层的厚度为5nm～50nm。
[0018]可选地，第一金属层和第二金属层还包括缓冲子层，该缓冲子层夹设在粘接子层和烧结子层之间。示例性地，该缓冲子层采用以下材料中的任一种形成：铝、铜、镍或钒。可选地，缓冲子层的厚度为3nm～30nm。
[0019]可选地，为了保证连接效果，在散热片的第一表面形成第一金属层和在芯片的第
二表面形成第二金属层之前，需要对散热片和芯片进行清洁，以去除散热片和芯片表面的杂质。
[0020]在一种可能的实施方式中，清洁散热片和芯片的过程如下：采用去离子水清洗散热片和芯片；采用浓度为1％的HF清洗散热片和芯片；采用王水清洗散热片和芯片；采用体积比为4:1的硫酸和双氧水的混合液清洗散热片和芯片；采用体积比为1:1:5的氨气、双氧水和水的混合液清洗散热片和芯片；干燥清洗后的所述散热片和所述芯片。试验证明，该清洗方式能够对金刚石散热片达到较好的清洗效果，有利于后续过程中金刚石散热片与芯片的连接。
[0021]在另一种可能的实施方式中，清洁散热片和芯片的过程如下：采用体积比为4:1的硫酸和双氧水本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种连接散热片和芯片的方法，其特征在于，所述方法包括：在散热片的第一表面形成第一金属层；在芯片的第二表面形成第二金属层；在所述第一金属层和所述第二金属层中的至少一层上涂覆纳米金属颗粒粘接材料，形成纳米金属颗粒粘接材料层；将所述散热片和所述芯片相对重叠，使得所述纳米金属颗粒粘接材料层夹设于所述第一金属层和所述第二金属层之间；对重叠在一起的所述散热片和所述芯片加温加压，使得所述纳米金属颗粒粘接材料烧结，以将所述散热片和所述芯片连接在一起。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对重叠在一起的所述散热片和所述芯片加温加压，包括：在第一温度下采用第一压力对重叠在一起的所述散热片和所述芯片加压，保持第一时长；在第二温度下采用第二压力对重叠在一起的所述散热片和所述芯片加压，保持第二时长；其中，所述第一温度不低于20℃，所述第一温度低于所述第二温度，所述第二温度不高于260℃，所述第一压力大于或者等于1个标准大气压，所述第一压力小于所述第二压力，所述第二压力不超过20MPa，所述第一时长小于或等于所述第二时长。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一温度的取值范围为40℃～100℃，所述第一压力的取值范围为0.3MPa～1MPa，所述第一时长为15分钟～60分钟；所述第二温度的取值范围为180℃～260℃，所述第二压力的取值范围为1MPa～20MPa，所述第二时长为60分钟～120分钟。4.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，在所述将所述散热片和所述芯片相对重叠之前，所述方法还包括：对所述纳米金属颗粒粘接材料层进行预烘干。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述预烘干的温度为120℃～180℃，所述预烘干的时长为15分钟～30分钟。6.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，所述散热片为金刚石散热片，所述第一表面的粗糙度为10nm～200nm。7.根据权利要求1至6任一项所述的方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏潇赟，代兵，赵柯臣，邓抄军，杨勇，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：