本發(fā)明屬于電子封裝領(lǐng)域，具體涉及一種表面納米化銅柱空氣環(huán)境中鍵合的方法。

背景技術(shù)：

1、隨電子產(chǎn)品微型化趨勢(shì)的發(fā)展，芯片以及其他電子元器件的尺寸越來(lái)越小，對(duì)電子封裝互連接頭的要求也越來(lái)越高。傳統(tǒng)的sn基焊料接頭在互連間距微縮時(shí)會(huì)出現(xiàn)焊料擠壓、橋接以及脆性cu-sn金屬間化合物斷裂等重大可靠性問(wèn)題，難以滿足新興產(chǎn)業(yè)(如人工智能、自動(dòng)駕駛、物聯(lián)網(wǎng)、5g網(wǎng)絡(luò)等)中極高i/o密度芯片的封裝要求，亟待探索更合適的互連方案。

2、cu-cu凸點(diǎn)互連被認(rèn)為是具有更高密度和可靠性的互連技術(shù)。與sn基焊料接頭相比，cu-cu接頭相鄰焊盤(pán)之間不會(huì)發(fā)生橋接，能夠承載的互連密度更高；且cu具有更卓越的抗電遷移、導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，加工性好、成本低。盡管cu-cu接頭具很大的優(yōu)勢(shì)，但其互連需要高溫、高壓、高表面平整度以及高真空或還原環(huán)境，限制了其在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用。

3、如何降低銅-銅互連溫度、壓力、氣氛和平整度等條件對(duì)該技術(shù)的推廣應(yīng)用十分重要。研究者通過(guò)制備納米晶銅層來(lái)降低鍵合溫度，利用一些有機(jī)物來(lái)防止銅表面被氧化，利用納米多孔或納米線結(jié)構(gòu)來(lái)降低對(duì)平整度的要求。盡管已經(jīng)降低了銅-銅鍵合技術(shù)所需的苛刻條件，但仍存在銅納米線制備工藝復(fù)雜(需要h2等還原)、有機(jī)保護(hù)層作用單一(只有防止銅氧化作用)、鍵合后基板之間存在縫隙導(dǎo)致散熱效果不佳等問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種利用有機(jī)層保護(hù)納米銅線在低溫、低壓力的空氣環(huán)境中實(shí)現(xiàn)cu-cu直接鍵合的互連方法。本方法中，銅納米線通過(guò)電化學(xué)方法制備，有機(jī)物膜可以防止納米銅線氧化，結(jié)合相應(yīng)的熱壓工藝有機(jī)物層不會(huì)阻礙鍵合界面銅原子的擴(kuò)散，銅納米線互連結(jié)構(gòu)無(wú)需化學(xué)機(jī)械拋光處理，所得接頭強(qiáng)度高，電學(xué)性能優(yōu)良。

2、本發(fā)明可以制備圖案化銅納米線陣列凸點(diǎn)，并結(jié)合耐高溫光刻膠作為導(dǎo)熱介質(zhì)無(wú)需額外填充步驟；可在低溫空氣環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量銅-銅互連，克服銅互連溫度過(guò)高和對(duì)鍵合環(huán)境的依賴；一定高度的銅納米線在互連時(shí)實(shí)現(xiàn)垂直基板方向的壓縮，降低了對(duì)表面平整度的要求，無(wú)需化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程，同時(shí)改善了對(duì)準(zhǔn)偏差造成的互連缺陷。本發(fā)明制備工藝簡(jiǎn)單、成本低，適用于三維封裝和超細(xì)間距封裝用的低溫互連技術(shù)。

3、本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

4、一種表面納米化銅柱空氣環(huán)境中鍵合的方法，包括如下步驟：

5、(1)在硅基片上先沉積一層金屬ti種子層，再沉積一層金屬cu種子層；然后將光刻膠用旋轉(zhuǎn)涂布的方法涂在硅基片上，依次進(jìn)行烘烤、曝光顯影，形成圓柱；

6、(2)配制制備氫氧化銅(cu(oh)2)的納米線溶液：將氫氧化鈉加入到去離子水中進(jìn)行攪拌，至氫氧化鈉完全溶解；

7、(3)電沉積銅柱陣列：對(duì)步驟(1)中的光刻后的硅基片進(jìn)行電鍍銅填充，電鍍完成后用去離子水清洗，氮?dú)獯蹈桑?/p>

8、(4)cu(oh)2納米線的制備：將步驟(3)中得到的硅基片作為陽(yáng)極，以鉑片作為陰極，ag/agcl飽和氯化鉀電極作為參比電極，將陰、陽(yáng)極和參比電極放入步驟(2)獲得的納米線溶液的電解槽中，采用電化學(xué)工作站三電極體系氧化，恒電位的方法進(jìn)行陽(yáng)極氧化；陽(yáng)極氧化完成后關(guān)掉電源，將陽(yáng)極的硅基片從納米線溶液中取出，用去離子水沖洗后進(jìn)行干燥處理，銅柱頂端形成cu(oh)2納米線；

9、(5)將步驟(4)得到的cu(oh)2納米線在空氣退火，使cu(oh)2納米線熱分解為cuo納米線；

10、(6)配置氫氧化鉀電還原液：將氫氧化鉀加入去離子水中攪拌至完全溶解；

11、(7)將cuo納米線電還原為cu納米線：以步驟(5)得到的生長(zhǎng)有cuo納米線的硅基片為陰極、石墨為陽(yáng)極，ag/agcl飽和氯化鉀電極為參比電極，在步驟(6)得到的氫氧化鉀電還原液中，利用電化學(xué)工作站進(jìn)行恒電位極化，至電流穩(wěn)定，陰極表面由黑色轉(zhuǎn)變?yōu)榧t褐色，cuo納米線被電還原為cu納米線，硅基片上得到表面為cu納米線的銅柱陣列凸點(diǎn)；

12、(8)將電還原后得到具有cu納米線陣列凸點(diǎn)的硅基片放入有機(jī)還原劑中，在低于0.1mpa的低真空環(huán)境中，使有機(jī)物在cu納米線上形成致密的保護(hù)膜，然后將生長(zhǎng)有cu納米線陣列凸點(diǎn)的硅基片取出，將兩個(gè)硅基片上下凸點(diǎn)對(duì)凸點(diǎn)對(duì)齊，放入鍵合機(jī)中，在150～300℃、0-20mpa下進(jìn)行10-30min熱壓燒結(jié)。

13、所述的cu(oh)2納米線和cuo納米線的直徑為50-200nm。

14、進(jìn)一步優(yōu)選，步驟(1)中，金屬ti種子層的厚度是10-100nmti、金屬cu種子層的厚度是100-500nm。

15、進(jìn)一步優(yōu)選，步驟(2)中，氫氧化鈉的濃度為0.1～1m/l。

16、進(jìn)一步優(yōu)選，步驟(4)中所施加的工作電壓相對(duì)參比電極為-200mv～-100mv。

17、進(jìn)一步優(yōu)選，步驟(5)中cu(oh)2納米線時(shí)間退火溫度為180-220℃，退火時(shí)間為1-3h。

18、進(jìn)一步優(yōu)選，步驟(7)中，氫氧化鉀的濃度為0.1-1m/l。

19、進(jìn)一步優(yōu)選，步驟(7)中所施加的工作電壓相對(duì)參比電極為-0.8v～-1.2v。

20、進(jìn)一步優(yōu)選，步驟(8)所使用的有機(jī)還原劑為：乙二醇、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、抗壞血酸、檸檬酸、甘油、3-二甲氨基-1,2-丙二醇(dmapd)、甲酸、乙酸的一種或兩種以上混合。

21、本發(fā)明的有益效果：

22、(1)本發(fā)明用熱氧化分解結(jié)合電化學(xué)還原方法在硅基片上制備了直徑為50～200nm范圍的銅納米線陣列凸點(diǎn)，降低了銅-銅直接鍵合所需的溫度、壓力等條件。

23、(2)有機(jī)物膜在銅納米線表面的涂覆，能夠防止銅納米線在空氣環(huán)境中發(fā)生氧化，同時(shí)有機(jī)物在加熱時(shí)能夠還原氧化銅，使得銅納米線陣列在空氣環(huán)境中進(jìn)行熱壓鍵合時(shí)不易產(chǎn)生cuo，從而避免了真空或還原性環(huán)境的需要。

24、(3)銅納米線陣列凸點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)垂直于基板方向上的壓縮變形，鍵合之前不需要進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光處理，同時(shí)可以改善因?qū)?zhǔn)偏差造成的互連缺陷。

25、(4)本發(fā)明制備工藝簡(jiǎn)單、成本低、具有極大的應(yīng)用價(jià)值，適用于三維封裝和超細(xì)間距封裝用的低溫互連技術(shù)。

技術(shù)特征：

1.一種表面納米化銅柱空氣環(huán)境中鍵合的方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種表面納米化銅柱空氣環(huán)境中鍵合的方法，其特征在于，步驟(1)中，金屬ti種子層的厚度是10-100nmti、金屬cu種子層的厚度是100-500nm。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種表面納米化銅柱空氣環(huán)境中鍵合的方法，其特征在于，步驟(2)中，氫氧化鈉的濃度為0.1～1m/l。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種表面納米化銅柱空氣環(huán)境中鍵合的方法，其特征在于，步驟(4)中所施加的工作電壓相對(duì)參比電極為-200mv～-100mv。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種表面納米化銅柱空氣環(huán)境中鍵合的方法，其特征在于，步驟(5)中cu(oh)2納米線時(shí)間退火溫度為180-220℃，退火時(shí)間為1-3h。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種表面納米化銅柱空氣環(huán)境中鍵合的方法，其特征在于，步驟(7)中，氫氧化鉀的濃度為0.1-1m/l。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種表面納米化銅柱空氣環(huán)境中鍵合的方法，其特征在于，步驟(7)中所施加的工作電壓相對(duì)參比電極為-0.8v～-1.2v。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種表面納米化銅柱空氣環(huán)境中鍵合的方法，其特征在于，步驟(8)所使用的有機(jī)還原劑為：乙二醇、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、抗壞血酸、檸檬酸、甘油、3-二甲氨基-1,2-丙二醇、甲酸、乙酸的一種或兩種以上混合。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種表面納米化銅柱空氣環(huán)境中鍵合的方法，其特征在于，所述的cu(oh)2納米線和cuo納米線的直徑為50-200nm。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)一種表面納米化銅柱空氣環(huán)境中鍵合的方法，其屬于電子封裝領(lǐng)域。本方法包括以下步驟：在硅基片上沉積金屬Ti、Cu；光刻顯影制備陣列圖形；電沉積得到銅柱陣列；陽(yáng)極氧化電化學(xué)還原制備Cu納米線陣列；有機(jī)還原劑制備、涂覆及熱壓鍵合。本發(fā)明可以制備圖案化銅納米線陣列凸點(diǎn)，并結(jié)合耐高溫光刻膠作為導(dǎo)熱介質(zhì)無(wú)需額外填充步驟；可在低溫空氣環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量銅?銅互連，克服銅互連溫度過(guò)高和對(duì)鍵合環(huán)境的依賴；一定高度的銅納米線在互連時(shí)實(shí)現(xiàn)垂直基板方向的壓縮，降低了對(duì)表面平整度的要求，無(wú)需化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程，同時(shí)改善了對(duì)準(zhǔn)偏差造成的互連缺陷。本發(fā)明制備工藝簡(jiǎn)單、成本低，適用于三維封裝和超細(xì)間距封裝用的低溫互連技術(shù)。

技術(shù)研發(fā)人員：郭天浩,馬浩然,譚維,馬海濤,梁紅偉,王云鵬,張振中
受保護(hù)的技術(shù)使用者：大連理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9