一种基于疏水性铜微米层的低温键合方法技术

本发明专利技术提供一种基于疏水性铜微米层的低温键合方法，先在铜基板上电沉积制备出的铜微米针层；在镀铟液中加入混合物；将铜微米针层放在含有混合物的镀铟液中进行电镀，在铜微米针层表层形成松木状的纳米铟层；得到具有松木状铜铟二级微纳米层基板；然后将石墨烯均匀覆盖在松木状铜铟二级微纳米层上；将其与Sn

【技术实现步骤摘要】
一种基于疏水性铜微米层的低温键合方法


[0001]本专利技术涉及半导体器件领域三维封装中的方片键合，具体涉及一种基于疏水性铜微米层的低温键合方法。

技术介绍

[0002]在电子封装中，一般使用锡等无铅焊料与铜连接，而锡与铜的焊接温度较高，熔化的锡焊料与焊盘直接接触时，铜与锡会发生界面反应，生成金属间化合物，由于金属间化合物具有较高的脆性，而金属间化合物的厚度越大，则会导致焊点的强度低、键合处的强度降低，进而影响封装的可靠性；为解决该问题，现有技术在铜锡之间插入一层镍层或Ni
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W镍基合金阻挡层限制铜原子扩散。如中国专利申请号CN202010942868.9，公告日为2022.10.04，其公开了一种基于石墨烯/锡改性的铜纳米颗粒的铜
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铜低温键合方法，其是以铜纳米颗粒、锡纳米颗粒和石墨烯微米片的复合物作为键合材料，在低温下实现两镀铜衬底的键合，该专利技术也是通过在键合材料中增加了锡纳米层以及石墨烯微米片结构实现低温键合。
[0003]对于镍层，若在铜锡之间插入薄纯镍层作为阻挡层，镍会与锡产生反应而快速消耗掉，薄阻挡层会消耗而失效；若在铜锡之间插入过厚的镍层会降低键合焊接的可靠性；对于Ni
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W镍基合金阻挡层，镍成为主要扩散元素，形成的Ni3Sn4使阻挡层受到拉应力作用，使薄阻挡层产生裂纹，进而会导致阻挡层失效。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种基于疏水性铜微米层的低温键合方法，加入化合物剂使镀铟液在铜微米针层表层形成松木状的纳米铟层，与焊料键合后的剪切强度大；加入石墨烯避免了铜与锡的直接接触，延缓了铜锡化合物的生长。
[0005]为达到上述目的，本专利技术的技术方案是：一种基于疏水性铜微米层的低温键合方法，包括以下步骤：S1、在铜基板上电沉积制备出的铜微米针层。
[0006]S2、在镀铟液中加入混合物，混合物包括电解液、聚乙二醇、健那绿和CI离子。
[0007]S3、将铜微米针层放在含有混合物的镀铟液中进行电镀，在铜微米针层表层形成松木状的微纳米铟层；得到具有松木状铜铟二级微纳米铟层基板。
[0008]S4、将石墨烯均匀覆盖在松木状铜铟二级微纳米铟层上。
[0009]S5、将涂有石墨烯的松木状铜铟二级微纳米铟层与Sn
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Ag
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Cu合金焊球相对设置在超声键合仪上，涂有石墨烯的松木状铜铟二级微纳米铟层与Sn
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Ag
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Cu合金焊球形成接触区域。
[0010]S6、启动超声键合仪和加载机，涂有石墨烯的松木状铜铟二级微纳米铟层与Sn
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Ag
‑
Cu合金焊球进行键合。
[0011]以上方法，混合物包含电解液、聚乙二醇、健那绿和CI离子；电解液中含有H2P02‑ꢀ
，由于将铜微米针层放在含有混合物的镀铟液中进行电镀，这样H2P02‑ꢀ
附着在铜微米针层
上，首先通过H2P02‑ꢀ
与In
3+ 反应，使得In
3+ 沉积在铜微米针层上；同时健那绿会与铜微米针层上的H2P02‑
反应，使得H2P02‑
减少，抑制H2P02‑ꢀ
与In
3+ 之间的过量反应，进而抑制In
3+
在铜微米针层上的沉积；在H2P02‑ꢀ
与In
3+ 反应、健那绿与H2P02‑ꢀ
反应的共同作用下形成细化晶粒；进而形成松木状铜铟二级微纳米层。然后在Sn
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Ag
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Cu合金焊球与松木状铜铟二级微纳米铟层基板设置石墨烯，避免了铜与锡的直接接触，延缓了铜锡化合物的生长，延缓组织老化效应；通过加入石墨烯阻止铜中位错扩张，提高剪切强度；同时松木状铜铟二级微纳米铟层能减少在石墨烯干燥过程中产生的表面张力。然后在超声键合仪的横向超声振动的作用以及加载机的压力下进行键合，由于铜微米针层的尖端具有针锥的微米结构，进行形成微纳米铟层的松木状铜铟二级微纳米铟层的尖端依然能保持锋利；进而松木状铜铟二级微纳米铟层容易插入到Sn
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Ag
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Cu合金焊球中，键合界面处微纳米铟层与铜微米针层形成的铜针阵列结构附着在一起；同时由于松木状的纳米铟层的表面积大，增大了松木状铜铟二级微纳米铟层基板与Sn
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Ag
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Cu合金焊球的接触面积；松木状铜铟二级微纳米铟层基板与焊料键合后的剪切强度大。同时在摩擦力的作用下，少量铜微米针层的铜针锥断裂分散在Sn
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Ag
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Cu合金焊球中。提高了整体的剪切强度；使得松木状铜铟二级微纳米铟层基板与Sn
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Ag
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Cu合金焊球可靠键合。通过使用超声键合仪进行键合，能降低键合温度，进而减低芯片热力变形的风险；同时超声波振动加速了松木状铜铟二级微纳米层基板上针锥凹面区域孔洞的收缩和充填，促进铜铟金属间化合物的形成，减少了键合时间。
[0012]进一步的，S4中，还包括：制备石墨烯，具体的：采用低压化学蒸汽在铜箔上沉积合成石墨烯，然后在石墨烯表面旋涂聚合物进行定型，然后对含有聚合物的石墨烯混合物进行烘烤，并将含有聚合物的石墨烯混合物放入铜刻蚀剂中移除铜箔，然后使用镀覆有纳米铟层后的松木状铜铟二级微纳米铟层基板舀出含有聚合物的石墨烯混合物，然后对承载含有聚合物的石墨烯混合物的松木状铜铟二级微纳米铟层基板进行干燥，然后将承载含有聚合物的石墨烯混合物的松木状铜铟二级微纳米铟层基板放入二甲苯中浸泡对聚合物进行去除，去除聚合物且定型后的石墨烯转移到松木状铜铟二级微纳米铟层上；所述聚合物为乙烯
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醋酸乙烯酯。
[0013]以上方法，由于松木状铜铟二级微纳米铟层的表面粗糙，为避免石墨烯覆盖在松木状铜铟二级微纳铟米层时留下空洞，通过乙烯
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醋酸乙烯酯对石墨烯进行支撑并转移到松木状铜铟二级微纳米铟层上；乙烯
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醋酸乙烯酯的弹性模量大，使得石墨烯的延展性能好，不容易发生撕裂，石墨烯在松木状铜铟二级微纳米铟层上的覆盖率大；然后再对乙烯
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醋酸乙烯酯进行去除，实现石墨烯粘附在松木状铜铟二级微纳米层上。
[0014]进一步的，S6中，加载机的加载速度设置为2.0 mm/min。
[0015]进一步的，S6中，超声键合仪的键合压力设置为0.5 MPa
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0.7 MPa，键合频率为10KHz
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40 KHz，键合时间2 s
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3s，键合温度为100℃
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130℃。
[0016]进一步的，S6中，超声键合仪的键合压力设置为0.6 MPa，键合频率为20KHz，键合时间为2 .5s，键合温度为120℃。
[0017]进一步的，铜微米针为锥形结构，铜微米针的高度为3μm~5μm，针根直径为1μm ~2μm；所述松木本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于疏水性铜微米层的低温键合方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、在铜基板上电沉积制备出的铜微米针层；S2、在镀铟液中加入混合物，混合物包括电解液、聚乙二醇、健那绿和CI离子；S3、将铜微米针层放在含有混合物的镀铟液中进行电镀，在铜微米针层表层形成松木状的微纳米铟层；得到具有松木状铜铟二级微纳米铟层基板；S4、将石墨烯均匀覆盖在松木状铜铟二级微纳米铟层上；S5、将涂有石墨烯的松木状铜铟二级微纳米铟层与Sn
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Ag
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Cu合金焊球相对设置在超声键合仪上，涂有石墨烯的松木状铜铟二级微纳米铟层与Sn
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Ag
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Cu合金焊球形成接触区域；S6、启动超声键合仪和加载机，涂有石墨烯的松木状铜铟二级微纳米铟层与Sn
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Ag
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Cu合金焊球进行键合。2.根据权利要求1所述的一种基于疏水性铜微米层的低温键合方法，其特征在于：S4中，还包括：制备石墨烯，具体的：采用低压化学蒸汽在铜箔上沉积合成石墨烯，然后在石墨烯表面旋涂聚合物进行定型，然后对含有聚合物的石墨烯混合物进行烘烤，并将含有聚合物的石墨烯混合物放入铜刻蚀剂中移除铜箔，然后使用镀覆有微纳米铟层后的松木状铜铟二级微纳米铟层基板舀出含有聚合物的石墨烯混合物，然后对承载含有聚合物的石墨烯混合物的松木状铜铟二级微纳米铟层基板...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖金，严继超，屈福康，李武初，
申请(专利权)人：广州华立学院，
类型：发明
国别省市：