[发明专利]一种基于石墨烯/锡改性的铜纳米颗粒的铜-铜低温键合方法

说明书

本发明公开了一种基于石墨烯/锡改性的铜纳米颗粒的铜‑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。本发明的工艺简单、可靠性好，且工艺成本较低，具有高度产业利用的价值。

技术领域

本发明属于半导体器件领域，涉及三维封装中的方片键合，特别是涉及一种基于石墨烯/锡改性的铜纳米颗粒的铜-铜低温键合方法。

背景技术

摩尔定律揭示了微电子产品的发展速度，表明其性能与生产率都在不断的提升。但是随着电子产品不断地向高度集成和微型化发展，微纳器件的封装密度以及芯片之间的互连传输都逐渐成了限制集成电路发展的主要因素，鉴于传统的二维封装无法解决这些问题，所以封装工艺不可避免地向三维方向发展。随着半导体研究的发展，铜逐渐成为器件互连的主要材料。

在三维封装技术中，键合是实现芯片垂直方向堆叠及各向电互连的关键技术，其中以Cu-Cu金属键合实现芯片的堆叠是三维封装的研究核心。传统的Cu-Cu键合是在高温高压下对两个对准的铜衬底施加压力，使待键合面发生原子级接触并通过高温加剧Cu原子的相互扩散，以此产生键合强度。但温度过高会对温度敏感元器件产生不可逆的损伤，因此，对于Cu-Cu键合技术，关键在于降低键合过程中所需要的键合温度。Sn-Pb共晶焊膏曾经是Cu键合技术中常用的焊膏，Sn的存在可以在低温条件下形成高的键合强度而Pb可以有效抑制金属间化合物的生成，但是出于环境要求，已经逐步舍弃含铅焊料。而作为Sn-Pb焊膏替代品的SAC焊膏虽然可以应用于Cu键合，但是当器件长时间工作于高温条件下，铜锡化合物会过度生长，降低电子封装中焊点的机械性能和可靠性，影响使用寿命。铜纳米粒子具有成本低、导电性好等优点，是一种很有前途的替代现有锡基焊料的电子元件互连材料，也可用于高温电子器件。虽然小尺寸效应可以明显降低金属的烧结温度，但是对于器件来说，铜纳米颗粒的烧结温度依然相对较高。

石墨烯是一种由碳原子以SP²杂化轨道组成六角形呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，具有优异的光学、电学、力学和热学特性，在材料学、微纳加工、能源和生物医学等方面具有重要的应用前景，这一迄今导电性能最强的新型材料，被认为是一种未来革命性的材料。而且石墨烯具有良好的阻隔特性，有研究表明，具有完美晶格的石墨烯甚至对气体分子或原子都具有几乎完全阻隔的现象。通过石墨烯控制界面反应和金属间化合物的生长可以广泛用于许多系统中，以提高不同金属界面的机械可靠性。

发明内容

为避免上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供了一种基于石墨烯/锡改性的铜纳米颗粒的铜-铜低温键合的方法，旨在以石墨烯/锡改性的铜纳米颗粒作为中间层，低温下实现镀铜衬底的键合。

本发明为实现发明目的，采用如下技术方案：

本发明基于石墨烯/锡改性的铜纳米颗粒的铜-铜低温键合方法，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。具体包括如下步骤：

(1)将铜纳米颗粒、锡纳米颗粒、石墨烯微米片在无水乙醇中混合，并在真空搅拌机中搅拌均匀，获得键合材料；

(2)在第一待键合镀铜衬底的待键合表面涂抹所述键合材料，形成键合材料层；

(3)以第一待键合镀铜衬底的待键合面和第二待键合镀铜衬底的待键合面相对，将两待键合镀铜衬底对齐放入键合装置的上、下样品台上，形成由第一待键合镀铜衬底-键合材料层-第二待键合镀铜衬底组装成的待键合组件；

(4)将所述待键合组件在保护气体中进行低温烧结，使烧结后的键合材料层吸附在第一待键合镀铜衬底的待键合面上；然后再在保护气体中施压，进行低温键合，使第一待键合镀铜衬底的待键合面、键合材料层、第二待键合镀铜衬底的待键合面中的铜、锡原子相互扩散，形成铜锡化合物中间层，即实现两镀铜衬底的键合。