一种金属互连的方法及其应用与流程

1.本发明属于电子封装领域，具体涉及金属互连工艺技术领域，特别是一种金属互连的方法及其应用。


背景技术：

2.近年来，自动驾驶、航空航天、高铁和油气勘探等领域的发展对芯片的要求越来越高，传统的硅基芯片已经不能满足现在的需求。目前急需一种耐高温、击穿电压高、能适应高电流密度和高开关频率的新型芯片，研究人员把目光投向了第三代半导体—宽禁隙半导体(例如sic和gan)，这些材料能很好的满足现阶段人们对高性能芯片的需求，其中所提到的耐高温特性通常意味着芯片需要承受的工作温度大于250℃，而传统的焊料如锡铅焊料，其熔点常常在250℃以下，这些以传统焊料为互连层的芯片在大于250℃的环境下工作会因为焊点融化而失效。因此产业界急需一种芯片焊接材料满足要求，实现封装器件在高温下的稳定服役。目前以纳米银颗粒为填充的焊料逐渐地引起科研人员的注意，纳米银颗粒具有非常小的尺寸，尺寸小意味着比表面积更大，表面能更高，在烧结过程中不必要达到纯银熔点也能够通过表面扩散表面能减小所带来的驱动力来实现金属间的扩散，从而实现烧结互连的效果。纳米银焊膏是面向第三代半导体芯片封装互连比较常用的材料，烧结之后形成的银焊接层具有导热性高、导电性高和耐高温的优点，但是在使用纳米银焊膏之前首先要经历纳米颗粒的制备；溶剂、分散剂、粘结剂等有机试剂的选取；纳米颗粒与有机试剂之间比例的调控、冷藏、运输、回温等步骤，最终导致纳米银焊膏的应用过程比较复杂繁琐，极大限制了银焊膏的大规模应用。
3.在消费电子产品领域，个人pc和智能手机不断地朝着轻薄化方向发展，其内置芯片越来越要求在尽可能小的物理尺寸下拥有尽可能高的处理性能，随着芯片集成度的提升，其特征尺寸已经接近物理极限。目前，基于tsv通孔和高密度微凸点互连的三维封装互连技术是提高芯片集成度最有效的途径，传统的铜-铜热压键合是连接高密度微凸点常用的手段，由于键合时锡元素与cu凸点发生化学反应成金属间化合物，保证了键合结构的热力稳定性，广泛应用于低温cu-cu键合领域，但是在使用过程中，亚稳态的金属间化合物cu6sn5会转化成稳态的cu3sn金属间化合物，以及sn元素的电迁移和较低的熔点，会导致键合层出现体积收缩、开裂和热应力过大等情况，特别是随着凸点尺寸减小、互连密度增加和器件高功率化的不断发展，sn基无铅焊料会不可避免地出现这些有关可靠性的问题，同时，三维集成电路互连采用的铜-铜键合工艺也越来越难以满足三维集成电路对散热、可靠性及耐热性能的要求。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种金属互连的方法及其应用，为了解决现有技术问题，采用的技术方案为：
5.本发明一个方面提供了一种金属互连的方法，包括以下步骤：
6.(1)在第一母材和/或第二母材的表面设置金属层，
7.(2)对第一母材和/或第二母材表面设置的金属层表面活化处理后，在金属层表面形成金属氧化物层；
8.(3)将第一母材和/或第二母材具有金属层的一面进行对接，获得层叠结构；
9.(4)将步骤(3)中获得的层叠结构进行烧结，即实现金属的互连。
10.进一步地，步骤(1)中，所述金属层为平坦的金属层平面，或者为金属柱层。
11.进一步地，步骤(1)中，所述金属层为由以下任意一种金属构成的金属单质层：金、银、铂、钯、铜、锡、铋。优选地，所述金属层为银层。
12.所述金属层或金属柱层中金属含量至少大于1％；
13.进一步地，步骤(1)中，所述金属层的厚度为10μm-1000μm，优选为20μm-500μm；例如为10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、200μm、300μm、400μm、500μm、600μm、700μm、800μm、900μm、1000μm。
14.进一步地，步骤(1)中，所述金属层层数至少为1层。
15.进一步地，步骤(1)中，设置金属层的方法为通过电镀、溅射、金属浆料烧结、化学镀法、以及上述方法结合制备的金属层。
16.进一步地，步骤(2)中，金属氧化物层厚度为5μm-100μm，优选为10μm-60μm。
17.进一步地，步骤(2)中，金属氧化物层中的氧含量为1％-20％，优选为3～10wt％。
18.进一步地，步骤(2)中，金属层表面活化处理的方法为等离子体氧化法。
19.进一步地，步骤(2)中，等离子体氧化法，所使用的处理的功率为50w-2000w；例如50w、100w、200w、300w、400w、500w、600w、700w、800w、900w、1000w、1100w、1200w、1300w、1400w、1500w、1600w、1700w、1800w、1900w、2000w。
20.进一步地，步骤(2)中，等离子体氧化法处理的时间为10s-3600s；例如10s、20s、30s、40s、50s、60s、70s、80s、90s、100s、200s、300s、400s、500s、600s、700s、800s、900s、1000s、1200s、1400s、1600s、1800s、2000s、2200s、2400s、2600s、2800s、3000s、3200s、3400s、3600s。
21.进一步地，步骤(2)中，等离子体氧化法处理气体流量为10sccm-1000sccm。例如为20sccm、30sccm、40sccm、50sccm、60sccm、70sccm、80sccm、90sccm、100sccm、120sccm、140sccm、160sccm、180sccm、200sccm、220sccm、240sccm、260sccm、280sccm、300sccm、400sccm、500sccm、600sccm、700sccm、800sccm、900sccm、1000sccm。
22.进一步地，步骤(2)中，所述金属氧化物层的厚度为5μm-100μm，优选为10μm-60μm；
23.进一步地，步骤(3)中，形成层叠结构的第一母材表面和第二母材中至少有一个表面进行了金属层表面活化处理。
24.进一步地，步骤(4)中，所述烧结温度为120℃-300℃；例如为150℃、175℃、200℃、225℃、250℃、300℃。
25.进一步地，步骤(4)中，所述烧结时间为5-3600s，例如为100s、200s、300s、400s、500s、600s、700s、800s、900s、1000s、1100s、1200s、1300s、1400s、1500s、2000s、3000s。
26.进一步地，步骤(4)中，互连方式为热压烧结，烧结时施加压力，优选压力为0.1mpa
–
20mpa。
27.进一步地，步骤(4)中，所述互连方式为基于热、压力或超声波等物理或化学作用
的焊接方法
28.进一步地，步骤(4)中，所述烧结气氛为真空、空气或还原性气氛；优选地，所述烧结气氛为空气气氛。
29.进一步地，步骤(3)中，还包括在层叠结构之间加入烧结促进物质的步骤；
30.所述烧结促进物质选自含有金属物质的烧结促进物质和/或不含金属物质的有机或无机烧结促进物质及两者的复配物等；
31.所述含有金属物质的烧结促进物质为金属浆料、金属片、金属膜和可还原或可分解的金属前驱物中的一种或多种；
32.所述不含金属物质的有机或无机烧结促进物质为有机酸、有机胺、醇类、醇醚类等物质。
33.本发明另一个方面提供了本发明上述金属互连的方法制备获得电子封装产品。
34.进一步地，所述电子封装产品为封装芯片。
35.本发明再一个方面提供了所述金属互连的方法在电子封装中的应用；
36.进一步地，所述金属互连的方法在半导体芯片封装互连中的应用；
37.进一步地，所述金属互连的方法在三维封装互连中的应用。
38.本发明取得的有益效果为：
39.(1)本发明提供的金属互连的方法，简化了芯片互连的过程，首先在第一母材和/或第二母材的表面涂覆金属层或金属柱层，将涂覆金属层或金属柱层的母材表面用含氧化性物质的气体进行氧化处理，使其表面产生金属氧化物层；将第一母材的金属氧化物层与不含金属氧化物的第二母材对接，或将第一母材的金属氧化物层与第二母材的金属氧化物层对接，形成第一母材-金属层及金属氧化物层-第二母材的层叠结构；最后对层叠结构进行加压烧结，例如采用银元素，则银氧化物分解产生高活性的单质银，形成可低温热分解和可低温还原的银氧化物层，从而促进烧结，使金属层之间形成良好的金属互连，具有良好的可靠性稳定性
40.(2)本发明不涉及金属纳米颗粒的制备、金属焊料的配制、金属焊料的存储、运输和印刷等过程，仅涉及金属的表面氧化处理，仅需将第一母材和第二母材的金属氧化物层对齐进行氧化物热分解即可实现金属互连，极大地简化了芯片互连的工艺过程，可以有效提高封装效率，并降低芯片的封装成本，有利于大规模应用。
41.(3)本发明提供了一种全新的互联方式，省略了常规使用的银焊膏，进而省了多个互联步骤，无需使用有机溶剂，更加绿色环保。
附图说明
42.图1为制备含银金属层和含银金属柱示意图；其中10为第一母材，20为第二母材，30为平坦的金属层，40为金属柱层。
43.图2为本发明金属互连结构示意图，其中a为平坦的金属层平面示意图，b为金属柱层示意图；10为第一母材，20为第二母材，50为平坦的金属层的互联，60为金属柱层的互联。
44.图3为实施例1断裂面sem图。
45.图4为实施例2断裂面sem图。
46.图5为实施例3断裂面sem图。
47.图6为实施例4断裂面sem图。
48.图7为实施例5断裂面sem图。
具体实施方式
49.为了更清楚地理解本发明，现参照下列实施例及附图进一步描述本发明。实施例仅用于解释而不以任何方式限制本发明。实施例中，各原始试剂材料均可商购获得，未注明具体条件的实验方法为所属领域熟知的常规方法和常规条件，或按照仪器制造商所建议的条件。
50.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。
51.实施例1
52.通过电镀在第一母材和第二母材上镀上一层厚度为70μm的银层，然后将第二母材和第一母材的银层朝上放置到等离子体清洗机中进一步处理，在银层表面形成一层厚度60μm含氧量为6-8wt％的银氧化物层，以等离子体处理的功率为300w，时间为600s，空气的流量为80sccm。将经过等离子体处理的第一母材的银层翻转放置到等离子体处理后的第二母材的银层上，形成如图2a所示的层叠结构，在压力5mpa，温度250℃下进行低温空气气氛烧结焊接，压力保持时间为1200s，上下两个银层经过加热之后形成了稳定的连接。
53.对本实施例的连接层进行剪切断裂测试(100μm/s)，本实施例烧结形成的连接层冷却后测得剪切力为35.47mpa(其中，按照本实施例制备获得5个测试样品，测试数据取5个测试样品的平均值)。图3是本实施例中的封装互连结构的剪切断面sem图，从图中可以获知，连接层的连接均匀致密，断裂点明显，表明在烧结后两银层间形成了稳定的连接。
54.实施例2
55.通过电镀在第一母材和第二母材上镀上一层厚度为40μm的银层，然后将第二母材和第一母材的银层朝上放置到等离子体清洗机中进一步处理，在银层表面形成一层厚度20μm含氧量为6-8wt％的银氧化物层，等离子体处理的功率为200w，时间为200s，空气流量为20sccm。将经过等离子体处理的第一母材的银层翻转放置到等离子体处理后的第二母材的银层上，形成如图2a所示的层叠结构，在压力2mpa，温度300℃下进行低温空气气氛烧结焊接，压力保持时间为600s，两个银层经过加热之后形成稳定的连接。
56.对本实施例的连接层进行剪切断裂测试，本实施例烧结形成的连接层冷却后测得剪切力为14.32mpa(其中，按照本实施例制备获得5个测试样品，测试数据取5个测试样品的平均值)。图4是本实施例中的封装互连结构的剪切断面sem图，两个铜层经过加热之后形成稳定的连接。
57.实施例3
58.通过电镀在第一母材和第二母材上镀上一层厚度为200μm的银层，然后将第二母材和第一母材的银层朝上放置到等离子体清洗机中进一步处理，在银层表面形成一层厚度30μm含氧量为6-8wt％的银氧化物层，等离子体处理的功率为1000w，时间为30s，空气的流量为500sccm。将经过等离子体处理的第一母材的银层翻转放置到等离子体处理后的第二母材的银层上，形成如图2a所示的层叠结构，在压力15mpa，温度150℃下进行低温空气气氛
烧结焊接，压力保持时间为2400s，两个银层经过加热之后形成稳定的连接。
59.对本实施例的连接层进行剪切断裂测试，本实施例烧结形成的连接层冷却后测得剪切力为12.39mpa(其中，按照本实施例制备获得5个测试样品，测试数据取5个测试样品的平均值)。图5是本实施例中的封装互连结构的剪切断面sem图，两个铜层经过加热之后形成稳定的连接。
60.实施例4
61.通过电镀在第一母材和第二母材上镀上一层厚度为400μm的银层，然后将第二母材和第一母材的银层朝上放置到等离子体清洗机中进一步处理，在银层表面形成一层厚度10μm含氧量为6-8wt％的银氧化物层，等离子体处理的功率为2000w，时间为10s，空气的流量为800sccm。将经过等离子体处理的第一母材的银层翻转放置到等离子体处理后的第二母材的银层上，形成如图2a所示的层叠结构，在压力1.5mpa，温度200℃下进行低温空气气氛烧结焊接，压力保持时间为3600s，两个银层经过加热之后形成稳定的连接。
62.对本实施例的连接层进行剪切断裂测试，本实施例烧结形成的连接层冷却后测得剪切力为25.47mpa(其中，按照本实施例制备获得5个测试样品，测试数据取5个测试样品的平均值)。图6是本实施例中的封装互连结构的剪切断面sem图，从图中可以获知，连接层的连接均匀致密，断裂点明显，表明在烧结后两银层间形成了稳定的连接。
63.实施例5
64.通过电镀在第一母材和第二母材上镀上一层厚度为500μm的银层，然后将第二母材和第一母材的银层朝上放置到等离子体清洗机中进一步处理，在银层表面形成一层厚度30μm含氧量为6-8wt％的银氧化物层，等离子体处理的功率为50w，时间为3600s，空气的流量为120sccm。将经过等离子体处理的第一母材的银层翻转放置到等离子体处理后的第二母材的银层上，形成如图2a所示的层叠结构，在压力20mpa，温度275℃下进行低温空气气氛烧结焊接，压力保持时间为1800s，两个银层经过加热之后形成稳定的连接。
65.对本实施例的连接层进行剪切断裂测试，本实施例烧结形成的连接层冷却后测得剪切力为45.38mpa(其中，按照本实施例制备获得5个测试样品，测试数据取5个测试样品的平均值)。图7是本实施例中的封装互连结构的剪切断面sem图，从图中可以获知，连接层的连接均匀致密，断裂点明显，表明在烧结后两银层间形成了稳定的连接。
66.实施例6
67.通过电镀在第一母材和第二母材上镀上为300um的铜层，然后将第二母材和第一母材的银柱朝上放置到等离子体清洗机中进一步处理，在铜层表面形成一层厚度60μm含氧量为6-8wt％的铜氧化物层，plasma处理的功率为60w，时间为900s，空气的流量为110sccm。将经过等离子体理的第一母材的铜层翻转放置到等离子体处理后的第二母材的铜层上，形成如图2a所示的层叠结构。在压力5mpa，温度为300℃下进行低温氢气气氛烧结焊接，压力保持时间为1200s，两个铜层经过加热之后形成稳定的连接。
68.实施例7
69.通过电镀在第一母材和第二母材上镀上为厚度300μm的银柱，然后将第二母材和第一母材的银柱朝上放置到等离子体清洗机中进一步处理，在银层表面形成一层厚度20μm含氧量为6-8wt％的银氧化物层，等离子体处理的功率为60w，时间为2000s，空气的流量为110sccm。将经过等离子体处理的第一母材的银层翻转放置到等离子体处理后的第二母材
的银层上，形成如图2b所示的层叠结构。
70.在压力5mpa，温度为300℃下进行低温空气气氛烧结焊接，压力保持时间为1200s，两个银层经过加热之后形成稳定的连接。
71.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：
1.一种金属互连的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在第一母材和/或第二母材的表面设置金属层；(2)对第一母材和/或第二母材表面设置的金属层表面活化处理后，在金属层表面形成金属氧化物层；(3)将第一母材和/或第二母材具有金属层的一面进行对接，获得层叠结构；(4)将步骤(3)中获得的层叠结构进行烧结，即实现金属的互连；优选地，步骤(1)中，所述金属层为平坦的金属层平面，或者为金属柱层。2.根据权利要求1所述的金属互连的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述金属层为由以下任意一种金属构成的金属单质层：金、银、铂、钯、铜、锡、铋；优选地，所述金属层为银层；优选地，所述金属层或金属柱层中金属含量至少大于1％；优选地，步骤(1)中，所述金属层的厚度为10μm-1000μm，优选为20μm-500μm；优选地，步骤(1)中，所述金属层层数至少为1层；优选地，步骤(1)中，设置金属层的方法为通过电镀、溅射、金属浆料烧结、化学镀法及其结合制备的金属层。3.根据权利要求1所述的金属互连的方法，其特征在于，步骤(2)中，金属氧化物层厚度为5μm-100μm，优选为10μm-60μm；优选地，步骤(2)中，金属氧化物层中的氧含量为1％-20％，更优选为3～10wt％。4.根据权利要求1所述的金属互连的方法，其特征在于，步骤(2)中，金属层表面活化处理的方法为等离子体氧化法；优选地，步骤(2)中，等离子体氧化法，所使用的处理的功率为50w-2000w；优选地，步骤(2)中，等离子体氧化法处理的时间为10s-3600s；优选地，步骤(2)中，等离子体氧化法处理气体流量为10sccm-1000sccm。5.根据权利要求1所述的金属互连的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述金属氧化物层的厚度为5μm-100μm，优选为10μm-60μm。6.根据权利要求1所述的金属互连的方法，其特征在于，步骤(3)中，形成层叠结构的第一母材表面和第二母材中至少有一个表面进行了金属层表面活化处理。7.根据权利要求1所述的金属互连的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述烧结温度为120℃-300℃；优选地，步骤(4)中，所述烧结时间为5-3600s；优选地，步骤(4)中，互连方式为热压烧结，烧结时施加压力，更优选压力为0.1mpa
–
20mpa；优选地，步骤(4)中，所述互连方式为基于热、压力或超声波等物理或化学作用的焊接方法；优选地，步骤(4)中，所述烧结气氛为真空、空气或还原性气氛；更优选地，所述烧结气氛为空气气氛。8.根据权利要求1所述的金属互连的方法，其特征在于，步骤(3)中，还包括在层叠结构之间加入烧结促进物质的步骤；优选地，所述烧结促进物质选自含有金属物质的烧结促进物质和/或不含金属物质的
有机或无机烧结促进物质及两者的复配物；优选地，所述含有金属物质的烧结促进物质为金属浆料、金属片、金属膜和可还原或可分解的金属前驱物中的一种或多种；优选地，所述不含金属物质的有机或无机烧结促进物质为有机酸、有机胺、醇类、醇醚类。9.权利要求1-8任一项所述属互连的方法制备获得电子封装产品；优选地，所述电子封装产品为封装芯片。10.权利要求1-8任一项所述金属互连的方法在电子封装中的应用；优选地，所述金属互连的方法在半导体芯片封装互连中的应用；优选地，所述金属互连的方法在三维封装互连中的应用。

技术总结
本发明提供了一种金属互连的方法及其应用。具体地，其包括以下步骤：(1)在第一母材和/或第二母材的表面设置金属层；(2)对第一母材和/或第二母材表面设置的金属层表面活化处理后，在金属层表面形成金属氧化物层；(3)将第一母材和/或第二母材具有金属层的一面进行对接，获得层叠结构；(4)将步骤(3)中获得的层叠结构进行烧结，即实现金属的互连；本发明的方法具有良好的可靠性稳定性，极大地简化了芯片互连的工艺过程，可以有效提高封装效率，降低封装成本。封装成本。封装成本。


技术研发人员：徐亮 王春成 赵涛 沈钦臣 朱朋莉 孙蓉
受保护的技术使用者：深圳先进电子材料国际创新研究院
技术研发日：2022.03.16
技术公布日：2023/9/22