[发明专利]一种覆锡纳米多孔铜低温键合的方法

说明书

技术领域

本发明属于电子制造领域，更具体地，涉及一种覆锡纳米多孔铜低温键合的方法。

背景技术

随着电子器件集成化、微型化和多功能化的程度不断提高，摩尔定律受到极大地挑战，现有的二维封装难以满足封装集成的技术要求，与二维封装相比，三维封装具有集成度高、体积小、信号延迟短、互连线路短等优点，同时，三维封装能实现异质集成和降低成本，使得产品结构更优良和功能更多元化，材料键合是三维封装的关键性技术之一，并严重制约着三维封装技术发展，如何实现低温键合、高温服役是三维封装技术亟待解决的技术难题。

目前，键合技术主要分为直接键合和间接键合，直接键合主要包括Si-Si直接键合和阳极键合，分别需要高温和高电压来实现键合，难以应用于三维封装，间接键合是指借助中间层以焊料熔化或原子扩散形式实现的键合，主要包括焊料键合和金属热压键合，焊料层一般通过丝网印刷等方式制备，而金属层主要通过溅射、蒸镀、电镀或化学镀等方式制备，在一定的温度、压力和气氛条件下，键合层金属原子相互扩散而实现键合，当前应用于三维封装的热压键合存在键合温度较高(＞400℃)、键合压力偏大(＞10MPa)、键合层残余热应力大等问题，严重影响了电子器件性能与使用寿命；专利CN101853795A提供了一种应用纳米多孔铜的低温键合方法，但纳米多孔铜在空气中极易氧化，阻碍了原子间相互扩散，使得纳米多孔铜极的纳米尺寸效应(纳米金属材料熔点随着颗粒尺寸减小而降低)不显著，降低热压键合温度有限。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种覆锡纳米多孔铜低温键合的方法，通过在纳米多孔铜结构表面覆锡，由此解决纳米多孔铜易于氧化、纳米尺寸效应不显著和键合温度高的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种覆锡纳米多孔铜低温键合的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)对初始衬底进行超声清洗，然后在其表面电镀或溅射沉积铜合金，最后热处理得到附着一层铜合金薄膜的新衬底；

(b)将新衬底置于腐蚀液中，该腐蚀液将腐蚀所述铜合金薄膜中比铜活泼的金属元素，由此得到纳米多孔铜结构；

(c)将带有所述纳米多孔铜结构的新衬底置于镀锡液中镀锡，得到覆锡纳米多孔铜结构的复合层状衬底；

(d)将多个所述复合层状衬底面对面贴合，使得彼此间的覆锡纳米多孔铜结构相接触发生键合反应，由此实现铜和锡的瞬时液相键合，其中，所述键合反应的键合温度大于100℃，键合压力大于5MPa。

进一步优选地，在步骤(a)中，所述铜合金薄膜中铜合金采用Cu-Zn合金、Cu-Mg合金、Cu-Al合金、Cu-Au-Zn合金和Cu-Sn-Zn合金。

进一步优选地，在步骤(b)中，所述选择性腐蚀液采用为HCl溶液、H₂SO₄溶液、HNO₃溶液、NaOH溶液、酒石酸或乙酸。

进一步优选地，在步骤(b)中，所述纳米级的孔洞的直径为5nm～80nm，进一步优选为5nm～40nm。

进一步优选地，在步骤(c)中，所述镀锡采用的方法为电镀或化学镀。

进一步优选地，在步骤(c)中，所述镀锡的镀锡层厚度为300nm～1000nm。

进一步优选地，在步骤(d)中，所述键合反应发生在真空或者氮气、氢气或者甲酸蒸气中。

进一步优选地，在步骤(d)中，所述键合压力进一步优选为5～20MPa，所述键合温度进一步优选为100℃～300℃。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明通过在纳米多孔铜材料表面镀锡，降低铜表面易氧化的特点，同时有利于金属原子间易于相互扩散，从而使得纳米尺寸效应更加明显，显著地降低键合温度，同时降低键合过程中产生的残余热压力；

2、本发明通过利用低熔点金属Sn(熔点为232℃)与Cu在低温下实现Cu/Sn瞬时液相键合的键合反应，从而形成Cu₃Sn和Cu₆Sn₅两种高熔点金属间化合物，使得材料具有低温键合，高温使用的性能；

3、本发明通过纳米多孔铜的纳米尺寸效应和Cu/Sn瞬时液相键合来降低键合温度和压力，此外，与Au和Ag相比，Cu价格便宜，能降低生产成本，同时也也保证了优良的导电导热性能；

4、本发明提供的制备方法整体工艺简单、成本低廉，反应过程便于质量控制，能高温服役，性能优良，使用寿命长，适用于工业化生产。