[发明专利]一种电子元件封装中Cu-Cu直接互连方法

说明书

本发明公开了一种电子元件封装中Cu‑Cu直接互连方法，应用于高温的电子封装方法，包括：一、冷喷涂参数确定；二、待焊工件的装配；三、工件的氧化还原烧结连接，焊机进行焊接，在焊接的过程中始终采用稳定的压力，同时分段加热被焊Cu工件，使得被焊Cu工件在焊机中空气气氛下氧化，氧化完成后，再通入还原性气体进行还原，原位生成纳米的铜颗粒，再热压烧结，在预定的还原时间内加热、加压，随炉冷却，完成焊接。该方法利用冷喷涂处理Cu基板，施加压力，采用氧化还原反应原位生成纳米Cu颗粒实现Cu‑Cu直接互连短流程焊接方法，得到全Cu接头。

技术领域

本发明涉及电子封装技术领域，特别涉及一种电子元件封装中Cu-Cu直接互连方法。

背景技术

电子产品正向多功能、高密度、高可靠性以及绿色封装等方向特别是小型化(甚至是纳米尺寸)方向迅速发展，很多工业上要求大功率电子元件能够在500-600℃高温下保持高可靠性，比如飞机，汽车，太空飞行器，深层油气钻探等等，同时，连接件性能的要求愈来愈苛刻，需要微连接和纳米连接制造的结构件或元器件数量迅猛增多，微连接和纳米连接制造的重要性也愈突显。钎焊广泛用于电子器件和基板的焊接，芯片和基板的封装。钎焊接头的耐热程度取决于钎料的熔点。然而，绿色无铅封装材料如Sn基钎料难以承受500-600℃，其电性能相对较差，使得钎焊技术不能够满足先进电子电子系统的要求。

为了解决上述问题，有人发明了采用具有纳米尺度特征的材料作为中间层连接材料，利用纳米颗粒的极高的表面能，使得其烧结驱动力较高，致使在较低的烧结温度下形成可靠的互连接头。在这种方法中，纳米颗粒浆料相对价格昂贵，需要添加较高比例的分散剂，溶剂，和其他有机材料。而且，当采用这种浆料连接时，被加热去除后仍有部分有机材料容易残留在接头中，加热去除阶段通常需要5-10分钟，降低了生产效率，有机材料蒸发时会使接头产生很大的体积变化。而且，纳米颗粒浆料难于保存，需要即时使用。

进而，被连接基体为固体，烧结活性极低，使得基体与纳米颗粒的界面处形成有效的冶金结合较为困难，成为接头的薄弱区域，接头容易在界面处断裂，使接头力学性能较差，难于满足电子封装行业对接头力学性能的要求。为提高接头的强度，多对基板进行镀Ag和镀Au处理，大幅提高了连接成本，电镀工艺污染严重，Ag存在严重的电迁移现象。而Cu-Cu互连接头耐高温，导电性能好，连接成本相对贵金属价格大幅降低，为电子封装行业首选的连接方式。有人利用了冷喷涂技术在硅晶圆表面冷喷涂铜粉制备太阳能电池的电极，表明了冷喷涂技术在电子封装行业的应用潜力。

发明内容

为了解决现有采用纳米颗粒浆料烧结连接方法中浆料的有机溶剂残留和纳米颗粒与基体难于形成有效冶金结合致使接头力学性能降低，有机物的去除降低了连接工艺的生产效率，浆料难于保存问题，本发明提供一种电子元件封装中Cu-Cu直接互连方法，该方法利用冷喷涂处理Cu基板，仍然保持粉末颗粒状形貌，表面面积较大，而且冷喷涂涂层与基体的接合强度远远高于电子行业对于优质Cu-Cu连接接头剪切强度的要求，不需要对喷涂涂层进行氧化膜清除工序，施加压力，采用氧化还原反应原位生成纳米Cu颗粒实现Cu-Cu直接互连短流程焊接方法，得到全Cu接头。

为实现上述目的，本发明采用以下技术手段：

一种电子元件封装中Cu-Cu直接互连方法，包括以下步骤：

步骤一、工件表面冷喷涂Cu涂层：采用冷喷涂的方法将Cu粉喷涂到两个Cu工件的焊接端面上；

步骤二、工件的装配：将两个Cu工件的焊接端面对接，使其喷涂表面直接接触，再将组合好的两个Cu工件放到焊机的上下压力板中间，用于焊机通过压力板向工件施加压力；

步骤三、工件的氧化还原烧结连接：焊机进行焊接，在焊接的过程中始终采用稳定的压力，同时分段加热被焊Cu工件，使得被焊Cu工件在焊机中空气气氛下氧化，氧化完成后，再通入还原性气体进行还原，原位生成纳米的铜颗粒，再热压烧结，在预定的还原时间内加热、加压，随炉冷却，完成焊接。