本發(fā)明屬于電子制造領(lǐng)域，更具體地，涉及一種覆錫納米多孔銅低溫鍵合的方法。

背景技術(shù)：

隨著電子器件集成化、微型化和多功能化的程度不斷提高，摩爾定律受到極大地挑戰(zhàn)，現(xiàn)有的二維封裝難以滿足封裝集成的技術(shù)要求，與二維封裝相比，三維封裝具有集成度高、體積小、信號延遲短、互連線路短等優(yōu)點，同時，三維封裝能實現(xiàn)異質(zhì)集成和降低成本，使得產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更優(yōu)良和功能更多元化，材料鍵合是三維封裝的關(guān)鍵性技術(shù)之一，并嚴重制約著三維封裝技術(shù)發(fā)展，如何實現(xiàn)低溫鍵合、高溫服役是三維封裝技術(shù)亟待解決的技術(shù)難題。

目前，鍵合技術(shù)主要分為直接鍵合和間接鍵合，直接鍵合主要包括si-si直接鍵合和陽極鍵合，分別需要高溫和高電壓來實現(xiàn)鍵合，難以應(yīng)用于三維封裝，間接鍵合是指借助中間層以焊料熔化或原子擴散形式實現(xiàn)的鍵合，主要包括焊料鍵合和金屬熱壓鍵合，焊料層一般通過絲網(wǎng)印刷等方式制備，而金屬層主要通過濺射、蒸鍍、電鍍或化學鍍等方式制備，在一定的溫度、壓力和氣氛條件下，鍵合層金屬原子相互擴散而實現(xiàn)鍵合，當前應(yīng)用于三維封裝的熱壓鍵合存在鍵合溫度較高(＞400℃)、鍵合壓力偏大(＞10mpa)、鍵合層殘余熱應(yīng)力大等問題，嚴重影響了電子器件性能與使用壽命；專利cn101853795a提供了一種應(yīng)用納米多孔銅的低溫鍵合方法，但納米多孔銅在空氣中極易氧化，阻礙了原子間相互擴散，使得納米多孔銅極的納米尺寸效應(yīng)(納米金屬材料熔點隨著顆粒尺寸減小而降低)不顯著，降低熱壓鍵合溫度有限。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種覆錫納米多孔銅低溫鍵合的方法，通過在納米多孔銅結(jié)構(gòu)表面覆錫，由此解決納米多孔銅易于氧化、納米尺寸效應(yīng)不顯著和鍵合溫度高的技術(shù)問題。

為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明，提供了一種覆錫納米多孔銅低溫鍵合的方法，其特征在于，該方法包括下列步驟：

(a)對初始襯底進行超聲清洗，然后在其表面電鍍或濺射沉積銅合金，最后熱處理得到附著一層銅合金薄膜的新襯底；

(b)將新襯底置于腐蝕液中，該腐蝕液將腐蝕所述銅合金薄膜中比銅活潑的金屬元素，由此得到納米多孔銅結(jié)構(gòu)；

(c)將帶有所述納米多孔銅結(jié)構(gòu)的新襯底置于鍍錫液中鍍錫，得到覆錫納米多孔銅結(jié)構(gòu)的復合層狀襯底；

(d)將多個所述復合層狀襯底面對面貼合，使得彼此間的覆錫納米多孔銅結(jié)構(gòu)相接觸發(fā)生鍵合反應(yīng)，由此實現(xiàn)銅和錫的瞬時液相鍵合，其中，所述鍵合反應(yīng)的鍵合溫度大于100℃，鍵合壓力大于5mpa。

進一步優(yōu)選地，在步驟(a)中，所述銅合金薄膜中銅合金采用cu-zn合金、cu-mg合金、cu-al合金、cu-au-zn合金和cu-sn-zn合金。

進一步優(yōu)選地，在步驟(b)中，所述選擇性腐蝕液采用為hcl溶液、h2so4溶液、hno3溶液、naoh溶液、酒石酸或乙酸。

進一步優(yōu)選地，在步驟(b)中，所述納米級的孔洞的直徑為5nm～80nm，進一步優(yōu)選為5nm～40nm。

進一步優(yōu)選地，在步驟(c)中，所述鍍錫采用的方法為電鍍或化學鍍。

進一步優(yōu)選地，在步驟(c)中，所述鍍錫的鍍錫層厚度為300nm～1000nm。

進一步優(yōu)選地，在步驟(d)中，所述鍵合反應(yīng)發(fā)生在真空或者氮氣、氫氣或者甲酸蒸氣中。

進一步優(yōu)選地，在步驟(d)中，所述鍵合壓力進一步優(yōu)選為5～20mpa，所述鍵合溫度進一步優(yōu)選為100℃～300℃。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果：

1、本發(fā)明通過在納米多孔銅材料表面鍍錫，降低銅表面易氧化的特點，同時有利于金屬原子間易于相互擴散，從而使得納米尺寸效應(yīng)更加明顯，顯著地降低鍵合溫度，同時降低鍵合過程中產(chǎn)生的殘余熱壓力；

2、本發(fā)明通過利用低熔點金屬sn(熔點為232℃)與cu在低溫下實現(xiàn)cu/sn瞬時液相鍵合的鍵合反應(yīng)，從而形成cu3sn和cu6sn5兩種高熔點金屬間化合物，使得材料具有低溫鍵合，高溫使用的性能；

3、本發(fā)明通過納米多孔銅的納米尺寸效應(yīng)和cu/sn瞬時液相鍵合來降低鍵合溫度和壓力，此外，與au和ag相比，cu價格便宜，能降低生產(chǎn)成本，同時也也保證了優(yōu)良的導電導熱性能；

4、本發(fā)明提供的制備方法整體工藝簡單、成本低廉，反應(yīng)過程便于質(zhì)量控制，能高溫服役，性能優(yōu)良，使用壽命長，適用于工業(yè)化生產(chǎn)。

附圖說明

圖1是按照本發(fā)明的優(yōu)選實施例所構(gòu)建的覆錫納米多孔銅低溫鍵合方法的流程圖；

圖2是按照本發(fā)明的優(yōu)選實施例所構(gòu)建的覆錫納米多孔銅低溫鍵合方法的詳細流程圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

圖1是按照本發(fā)明的優(yōu)選實施例所構(gòu)建的覆錫納米多孔銅低溫鍵合方法的流程圖，圖2是按照本發(fā)明的優(yōu)選實施例所構(gòu)建的覆錫納米多孔銅低溫鍵合方法的詳細流程圖，如圖1和2所示。首先在初始的襯底上通過超聲清洗、濺射、熱處理等工藝制備出銅合金薄膜；再通過選擇性腐蝕工藝制備出納米多孔銅結(jié)構(gòu)；最后將錫膜沉積于納米多孔銅結(jié)構(gòu)表面，形成覆錫納米多孔銅結(jié)構(gòu)；利用該覆錫納米多孔銅結(jié)構(gòu)作為鍵合層，在低溫低壓下實現(xiàn)鍵合。

下面將參照圖1的工藝流程，并結(jié)合以下多個實施例來進一步具體說明本發(fā)明。

實施例1

(1)將硅片置于標準rca清洗液中超聲10min進行清洗，再依次濺射沉積ti層(100nm)、cu層(500nm)和zn層(1μm)，然后進行熱處理(150℃，時間3h)得到cu-zn合金層。

(2)將上述含cu-zn合金層的硅片置于濃度為20％的naoh溶液中，低溫(-20℃)下腐蝕2h，去掉cu-zn合金層的zn元素，在硅片表面得到孔洞尺寸為20-30nm的納米多孔銅結(jié)構(gòu)。

(3)將上述含納米多孔銅的硅片置于鍍錫液中，采用電鍍方法將錫沉積于納米多孔銅表面，電鍍時間為20min，錫層厚度為300nm，得到覆錫納米多孔銅結(jié)構(gòu)。

(4)將上述含覆錫納米多孔銅的兩塊硅片面對面貼合，一起置于鍵合機內(nèi)的熱板上，抽真空，并填充氫氣。當熱板溫度升高到250℃，鍵合壓力為5mpa時，保溫保壓30min，完成鍵合。

實施例2

(1)將氮化鋁陶瓷基板置于于標準rca清洗液中，超聲10min進行清洗，再依次濺射沉積ti層(200nm)和cu層(500nm)，電鍍zn層(2μm)，然后進行熱處理(200℃，時間2h)得到cu-zn合金層。

(2)將上述含cu-zn合金層的氮化鋁陶瓷基板置于濃度為1％的h2so4溶液中，室溫下腐蝕2h，去掉cu-zn合金層的zn元素，在氮化鋁陶瓷基板表面得到孔洞尺寸為60-80nm的納米多孔銅結(jié)構(gòu)。

(3)將上述含納米多孔銅的氮化鋁陶瓷基板置于鍍錫液中，采用電鍍方法將錫沉積于納米多孔銅表面，電鍍時間為30min，錫層厚度為1000nm，得到覆錫納米多孔銅結(jié)構(gòu)。

(4)將上述含覆錫納米多孔銅的兩塊氮化鋁陶瓷基板面對面貼合，一起置于鍵合機內(nèi)的熱板上，抽真空，并填充氮氣。當熱板溫度升高到150℃，鍵合壓力為7mpa時，保溫保壓120min，完成鍵合。

實施例3

(1)清洗氧化鋁陶瓷基板，再依次濺射沉積ti層(100nm)、cu層(500m)和mg層(1μm)，然后進行熱處理(250℃，時間1h)得到cu-mg合金層。

(2)將上述氧化鋁基板置于濃度為1％酒石酸溶液中，低溫(-5℃)下腐蝕1h，去掉cu-zn合金層的mg元素，在氧化鋁基板表面得到孔洞尺寸為10-25nm的納米多孔銅層。

(3)將上述含納米多孔銅層的氧化鋁陶瓷基板置于鍍錫液中，采用化學鍍方法將錫膜沉積于納米多孔銅層表面，鍍錫層厚度為800nm，化學鍍時間為20min。

(4)將兩塊表面為覆錫納米多孔銅的氧化鋁陶瓷基板面對面貼合，一起置于鍵合機的熱板上，抽真空，并填充甲酸氣體。當熱板溫度升高到200℃，鍵合壓力為15mpa，保溫保壓60min，完成鍵合。

實施例4

(1)將硅片置于標準rca清洗液中超聲10min進行清洗，再依次濺射沉積ti層(200nm)、cu層(800nm)和al層(800nm)，然后進行熱處理(150℃，時間3h)得到cu-zn合金層。

(2)將上述含cu-zn合金層的硅片置于濃度為1％的hcl溶液中，室溫下腐蝕1h，去掉cu-al合金層的al元素，在硅片表面得到孔洞尺寸為40-60nm的納米多孔銅結(jié)構(gòu)。

(3)將上述含納米多孔銅的硅片置于鍍錫液中，采用電鍍方法將錫沉積于納米多孔銅表面，電鍍時間為25min，錫層厚度為500nm，得到覆錫納米多孔銅結(jié)構(gòu)。

(4)將上述含覆錫納米多孔銅的兩塊硅片面對面貼合，一起置于鍵合機內(nèi)的熱板上，抽真空，并填充氫氣。當熱板溫度升高到300℃，鍵合壓力為20mpa時，保溫保壓60min，完成鍵合。

實施例5

(1)將氧化鋁陶瓷基板置于清洗液中超聲10min進行清洗，再依次濺射沉積ti層(200nm)、cu層(600nm)、au層(100nm)和zn層(1000nm)，然后進行熱處理(250℃，時間3h)得到cu-au-zn合金層。

(2)將上述含cu-au-zn合金層的氧化鋁陶瓷基板置于濃度為2％的hno3溶液中，室溫下腐蝕2h，去掉cu-au-zn合金層的zn元素，在氧化鋁陶瓷基板表面得到孔洞尺寸為5-30nm的納米多孔銅金結(jié)構(gòu)。

(3)將上述含納米多孔銅金的氧化鋁陶瓷基板置于鍍錫液中，采用電鍍方法將錫沉積于納米多孔銅表面，電鍍時間為30min，錫層厚度為500nm，得到覆錫納米多孔銅金結(jié)構(gòu)。

(4)將上述含覆錫納米多孔銅金的兩塊氧化鋁陶瓷基板面對面貼合，一起置于鍵合機內(nèi)的熱板上，抽真空，并填充氫氣。當熱板溫度升高到200℃，鍵合壓力為8mpa時，保溫保壓60min，完成鍵合。

實施例6

(1)將氮化鋁陶瓷基板置于清洗液中超聲10min進行清洗，再依次濺射沉積ti層(100nm)、cu層(500nm)、sn層(100nm)和zn層(500nm)，然后進行熱處理(250℃，時間3h)得到cu-sn-zn合金層。

(2)將上述含cu-sn-zn合金層的氮化鋁陶瓷基板置于濃度為5％的乙酸溶液中，室溫下腐蝕3h，去掉cu-sn-zn合金層的sn和zn元素，在氮化鋁陶瓷基板表面得到孔洞尺寸為5-30nm的納米多孔結(jié)構(gòu)。

(3)將上述含納米多孔銅的氮化鋁陶瓷基板置于鍍錫液中，采用電鍍方法將錫沉積于納米多孔銅表面，電鍍時間為40min，錫層厚度為700nm，得到覆錫納米多孔銅結(jié)構(gòu)。

(4)將上述含覆錫納米多孔銅金的兩塊氮化鋁陶瓷基板面對面貼合，一起置于鍵合機內(nèi)的熱板上，抽真空，并填充氫氣。當熱板溫度升高到100℃，鍵合壓力為20mpa時，保溫保壓120min，完成鍵合。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。