一種低溫熱壓鍵合方法

2023-04-24 19:41:16 2

專利名稱：一種低溫熱壓鍵合方法
技術領域：
本發明屬於電子製造領域，特別涉及一種低溫熱壓鍵合方法。
背景技術：
隨著微電子器件高集成度，多功能化的要求，現有的2D封裝技術難以滿足要求， 而三維封裝、系統級封裝具有尺寸小、重量輕，通過縮短互連線長度減少信號延遲，提高效 率等優點，正成為電子封裝的主流技術。鍵合是實現三維封裝的關鍵工藝，也是制約三維封 裝技術發展的一個瓶頸。目前應用於三維封裝的鍵合技術大體可以分為兩類一類是無中 間層的直接鍵合技術，主要包括矽_矽直接鍵合和矽_玻璃陽極鍵合。由於矽矽直接鍵合 涉及到高溫(大於800°C)，而陽極鍵合涉及高電壓(大於400V)，在三維封裝中受到一定 限制；另一類是有中間層的間接鍵合技術，如利用焊料作為中間層的焊料鍵合和利用金屬 層作為中間層的熱壓鍵合。現有的熱壓鍵合技術，一般採用金屬Cu或Au薄膜作為中間層， 在一定的溫度、壓力和時間作用下，由於界面原子間的相互擴散作用而實現鍵合，如圖1所 示。對於現有熱壓鍵合技術而言，存在的主要問題表現為溫度較高(350°C 450°C)，壓力 過大(大於lOMPa)。而對於三維封裝而言，如果在鍵合過程中引入過大的壓力和過高的溫 度，會顯著增加封裝後器件內部的熱應力，降低器件的性能和使用壽命，因此降低熱壓鍵合 過程中的溫度和壓力極其重要。由於尺度效應，納米材料的熔點會隨著顆粒尺寸的減小而降低。如金的熔點是 1064°C，而尺寸為2nm的納米金顆粒熔點為327°C ；銀的熔點是960. 5°C，而銀納米顆粒在低 於100°C時就開始熔化。有鑑於此，將現有熱壓鍵合中的金屬薄膜層替換成納米結構薄膜， 可以大大降低熱壓鍵合的溫度和壓力。

發明內容
本發明的目的在於克服現有熱壓鍵合技術的不足，提供一種低溫熱壓鍵合技術， 有效降低溫度和壓力對鍵合工藝的不利影響。本發明公布的一種低溫熱壓鍵合方法，首先在襯底上製作一層合金薄膜，然後通 過選擇性腐蝕工藝去除合金中的部分組分，使合金薄膜變成一層多孔納米結構薄膜。利 用該多孔納米結構薄膜作為鍵合層，在較低的溫度和壓力下實現熱壓鍵合。具體技術方案 為一種低溫熱壓鍵合方法，首先在襯底上製作一層合金薄膜，然後通過選擇性腐蝕 工藝腐蝕掉該合金薄膜中的部分組分，使上述合金薄膜變成一層多孔納米結構，利用該多 孔納米結構作為鍵合層，實施熱壓鍵合。進一步地，本發明所述合金為二元合金，所述選擇性腐蝕工藝腐蝕掉所述合金薄 膜中的一種組分，使所述的多孔納米結構為由另一種組分構成的多孔納米結構。進一步地，本發明所述的二元合金為Cu-Zn合金、Cu-Al合金或Au_Ag合金，相應 地，所述選擇性腐蝕工藝腐蝕掉的組分分別為Zn、Al或Ag。
進一步地，本發明所述的熱壓鍵合的溫度為150_300°C，壓強為1-lOMPa。進一步地，本發明所述的選擇性腐蝕選用的腐蝕液為NaOH溶液、HC1溶液或HN03 溶液。進一步地，本發明所述的合金薄膜厚度為0. 5 lOilm。進一步地，本發明所述的多孔納米結構的孔洞尺寸和韌帶尺寸在lnm lOOnm之間。與現有熱壓鍵合技術相比，將原有的金屬薄膜層替換成多孔的納米結構層，利用 納米材料的尺度效應，能夠有效降低熱壓鍵合過程中的溫度和壓力，減少熱應力和熱形變， 提高封裝器件的性能，滿足光電集成、三維封裝的要求。而且多孔納米結構的製備採用合金 選擇性腐蝕的方法，操作方便，工藝簡單。


圖1為現有熱壓鍵合技術示意圖。其中11為熱板，12為矽片，13為金屬層(Cu或 Au)，14為蓋板，15為鍵合壓力；圖2為本發明熱壓鍵合示意圖。其中21為熱板，22為矽片，23為多孔納米金屬層， 24為蓋板，25為鍵合壓力；圖3為本發明實施例1熱壓鍵合工藝流程圖；圖4為本發明實施例2熱壓鍵合工藝流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步說明。實施例11.採用標準RCA工藝清洗矽片31，然後通過濺射工藝在矽片上沉積Ni層 32 (30nm)和 Au-Ag 合金層 33 (3 u m)；2.將矽片放入濃度為75%的HN03溶液中，室溫下腐蝕20分鐘，腐蝕Au_Ag合金 中的Ag，然後用去離子水清洗，氮氣吹乾，在矽片表面得到孔洞尺寸為20-30nm的多孔金納 米結構層34 ；3.將帶有多孔金納米結構層34的兩矽片面對面置於熱板35上，將熱板升溫到 150°C，然後施加IMPa的壓力，保溫保壓30分鐘，完成熱壓鍵合。實施例2本實施例與實施例1工藝流程基本相同，不同之處是合金層變為Cu-Al合金，腐蝕 採用5%的HC1溶液。鍵合溫度為220°C，壓力為5MPa。實施例31.清洗玻璃片41，然後通過濺射工藝在玻璃表面沉積Ni層42 (30nm)和Cu層 43(lum)；2.將濺射完Cu層的玻璃片置於5%的HC1溶液中清洗1分鐘，去除表面氧化物， 再用去離子水清洗，之後放入氯化氨鍍鋅溶液中，室溫下在Cu層上電鍍Zn層44，電鍍時間 為10分鐘。電鍍完畢後用去離子水清洗玻璃片，用氮氣吹乾後置於退火爐中熱處理，退火 溫度為150°C，保溫時間為2h，使金屬Zn和Cu發生原子擴散，得到厚度為5 y m的Cu_Zn合金層45 ；3.將製作好Cu-Zn合金層的玻璃片放入8%的NaOH溶液中，腐蝕10小時，腐蝕 Cu-Zn合金中的Zn，然後用去離子水清洗，氮氣吹乾，得到孔洞尺寸為30-50nm的多孔銅納 米結構層46 ；4.將帶有多孔銅納米結構層46的兩玻璃片面對面置於熱板47上，然後一起置於 充填氮氣48保護的鍵合腔49中，將熱板升溫到300°C，然後施加5MPa的壓力，保溫保壓30 分鐘，完成熱壓鍵合。
權利要求
一種低溫熱壓鍵合方法，首先在襯底上製作一層合金薄膜，然後通過選擇性腐蝕工藝腐蝕掉該合金薄膜中的部分組分，使上述合金薄膜變成一層多孔納米結構，利用該多孔納米結構作為鍵合層，實施熱壓鍵合。
2.如權利要求1所述的一種低溫熱壓鍵合方法，其特徵在於，所述合金為二元合金，所 述選擇性腐蝕工藝腐蝕掉所述合金薄膜中的一種組分，使所述的多孔納米結構為由另一種 組分構成的多孔納米結構。
3.如權利要求1或2所述的一種低溫熱壓鍵合方法，其特徵在於，所述的二元合金為 Cu-Zn合金、Cu-Al合金或Au-Ag合金，相應地，所述選擇性腐蝕工藝腐蝕掉的組分分別為 Zn、Al 或 Ag。
4.如權利要求1-3之一所述的一種低溫熱壓鍵合方法，其特徵在於，所述熱壓鍵合的 溫度為150-300°C，壓強為l-10MPa。
5.如權利要求1-4之一所述的一種低溫熱壓鍵合方法，其特徵在於，所述選擇性腐蝕 選用的腐蝕液為NaOH溶液、HCl溶液或HNO3溶液。
6.如權利要求1-5之一所述的一種低溫熱壓鍵合方法，其特徵在於，所述合金薄膜厚 度為0. 5 10 μ m。
7.如權利要求1-6之一所述的一種低溫熱壓鍵合方法，其特徵在於，所述多孔納米結 構的孔洞尺寸和韌帶尺寸在Inm IOOnm之間。
全文摘要
本發明提供了一種低溫熱壓鍵合方法。首先在襯底上製作一層合金薄膜，然後通過選擇性腐蝕工藝去除合金中的部分組分，使合金薄膜變成一層多孔納米結構。利用該多孔納米結構作為鍵合層，由於納米尺度效應，可以在較低的溫度和壓力下實現熱壓鍵合。本發明工藝簡單，操作方便，特別是較低的溫度和壓力顯著降低了鍵合過程中的熱應力與熱變形，在光電集成、三維封裝、系統封裝等領域具有廣泛應用。
文檔編號H01L21/603GK101853795SQ20101016525
公開日2010年10月6日 申請日期2010年5月7日 優先權日2010年5月7日
發明者劉勝, 彭聰, 蔡明先, 陳明祥 申請人:華中科技大學