[发明专利]一种多尺寸纳米颗粒混合金属膜及其制备方法

说明书

本发明提供一种多尺寸纳米颗粒混合膜及其制备方法，包括形成有机包覆层的有机介质材料，所述有机介质材料中配置至少两种尺寸的纳米金属颗粒；通过在大尺寸纳米金属颗粒的间隙中用物理冲击方式打入小尺寸纳米金属颗粒，实现大尺寸纳米铜颗粒间的空隙填充，所述纳米金属颗粒优选使用纳米铜材料，避免现有复合银膜高孔隙率、低热导率、高成本、与Si、SiC基芯片热失配、高电迁移率等问题，提高功率器件整体可靠性性能，同时具备易于装配的特点，可有效降低成本。

技术领域

本发明涉及芯片封装互连领域，更具体地涉及烧结用金属膜及其制备技术。

背景技术

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”(All copper)理念的实际应用和产业化，推动半导体产业的创新发展。

专利文献CN103262172A，其公开了一种烧结材料和烧结材料制备的薄层，以及该材料的附着方法，薄层是由金属粉末、焊膏、粘合剂和溶剂组成。其中金属粉末包括金、钯、银、铜、铝、银钯合金或者金钯合金，可进一步包括一种或更多的功能性添加物。金属粉末包括纳米颗粒。金属粉末被适用到基片上，对基片上的材料进行干燥形成薄层。基片材料包括聚酯纤维，该现有技术的缺点在于基片上的纳米金属层成分尺寸单一，由此造成烧结后孔隙率较大，导电导热效果差等后果。

专利文献CN105492198A，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。然而该现有技术的问题的多层银膜的纳米银烧结材料存在诸多不足：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。

专利文献CN107705869A，其公开了一种导电材料、打印墨水以及导电结构的制备方法。该导电材料是由多个导电金属纳米片和填充在所述多个导电金属纳米片之间的间隙中的导电金属纳米颗粒制成，可以提高烧接后致密度。然而，一方面该文献所述材料混合是在墨水制备之前，在后续保存中，纳米颗粒有团聚风险。

本发明解决的技术问题在于提供一种多尺寸纳米颗粒混合金属膜的快速、高效、简易的制备方法。利用金属膜可省略在应用端印刷干燥、步骤，直接用于电气互连的可烧结；由该方法制备的金属膜，可以方便准确的控制大小尺寸纳米铜颗粒混合比例，避免现有复合金属膜高孔隙率、低热导率、高成本、与Si基芯片热失配、高电迁移率等问题，提高功率器件整体可靠性性能，同时具备易于装配、低烧结温度的特点，可有效降低成本。

发明内容

本发明提供一种多尺寸纳米颗粒混合金属膜，包括：

有机介质材料，形成有机包覆层；