一種互連工藝的制作方法

本發明涉及電子材料技術領域，特別涉及一種互連工藝。

背景技術：

大功率電力電子器件或半導體器件需在高溫下具有良好的轉換特性和工作能力，除了器件中各組件自身的性能外，組件的封裝同樣影響電力電子器件或半導體器件的性能和長期可靠性。電力電子器件或半導體器件為電子互連件/電子組裝產品，即包括依次接觸的基板-互連材料-芯片，其是通過互連工藝將芯片與基板之間借助于互連材料進行連接封裝；隨著功率半導體器件小型化、低功耗、高溫高壓的發展趨勢，對互連工藝也提出了更苛刻的性能需求：(1)保證芯片與基板可靠的機械連接；(2)具有較高的電導率以實現芯片與基板之間的電信號傳輸；(3)具有較高的熱導率以使熱量能夠有效地從功率芯片傳導到封裝結構，提高功率芯片的散熱效果；(4)能夠匹配芯片與基板之間熱膨脹系數的差異，有效減小連接處應力；(5)極端工作環境下具有互連穩定性和可靠性。

傳統大功率器件互連工藝中，通常需要在高溫高壓下利用互連材料將芯片與基板的封裝互連。然而，隨著電子產品應用領域和范圍的擴大，對互連工藝也提出了越來越高的要求，逐漸傾向于向低溫低壓互連發展。一方面，互連溫度高，對互連設備、電子元件及基板材料的耐熱性能會提出嚴峻挑戰，對于一些耐熱性差的電子器件，在高互連溫度下容易造成器件損傷；而且，對于一些特殊的電子產品如太陽能薄膜、led、lcd、溫控元件等必須在低溫下互連；另一方面，互連溫度高還不利于節能減排，而電子元器件互連封裝又是現代主體行業，高溫互連勢必對能源環境造成不小的問題。因此，如何降低互連工藝的溫度和壓力已成為本領域關注的熱點之一。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種互連工藝，本發明的互連方法能夠實現在低溫無壓下條件下進行電子元器件或大功率半導體器件的互連。

本發明提供了一種互連工藝，包括：

將互連材料印刷至基板上，靜置，再將芯片蓋于所述互連材料表面，于100～200℃下燒結，得到互連器件；

所述互連材料包括咪唑類化合物包覆納米銅顆粒粉體和分散液；

所述咪唑類化合物包覆納米銅顆粒粉體中，包覆在納米銅顆粒表面的咪唑類化合物選自苯并三氮唑、烷基咪唑、苯并咪唑、烷基苯并咪唑和烷基苯基咪唑中的一種或幾種。

優選的，所述分散液選自乙醇、異丙醇、乙二醇、一縮二乙二醇、乙二醇甲醚和乙二醇丁醚中的一種或幾種。

優選的，所述咪唑類化合物包覆納米銅顆粒粉體占互連材料的質量比為50％～99％；

所述咪唑類化合物包覆納米銅顆粒粉體中，納米銅顆粒的粒徑為10～50nm。

優選的，所述靜置的時間為20～200min。

優選的，所述燒結的氣氛為氫氣與氮氣的混合氣氛、氫氣與氬氣的混合氣氛、氮氣氣氛或氬氣氣氛；

所述燒結的時間為10～120min。

優選的，所述互連材料通過以下方式獲得：

a)將微溶性銅源、保護劑、絡合劑、還原劑和溶劑混合，于50～150℃下反應，形成咪唑類化合物包覆納米銅顆粒粉體；

所述微溶性銅源選自氫氧化銅、乙酰丙酮酸銅、堿式碳酸銅、油酸銅、和草酸銅中的一種或幾種；

所述絡合劑選自苯并三氮唑、烷基咪唑、苯并咪唑、烷基苯并咪唑和烷基苯基咪唑中的一種或幾種；

b)漿所述咪唑包覆納米銅顆粒粉體與分散液混合，超聲分散及真空脫泡處理，得到納米銅膏互連材料。

優選的，所述步驟a)中，所述溶劑選自乙醇、乙二醇、一縮二乙二醇、二縮二乙二醇、一縮二丙二醇和丙三醇中的一種或幾種；

所述微溶性銅源在溶劑中的濃度為0.001～1mol/l；

所述保護劑選自聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、十六烷基三甲基溴化銨、十二烷基硫酸鈉和乙二胺四乙酸鈉中的一種或幾種；

所述還原劑選自l-抗壞血酸、檸檬酸、硼氫化鈉、硼氫化鉀、次磷酸鈉和水合肼中的一種或幾種。

優選的，所述步驟a)中，保護劑與微溶性銅源的摩爾比為1：(1～15)；

絡合劑與微溶性銅源的摩爾比為1：(1～15)；

還原劑與微溶性銅源的摩爾比為1：(1～10)。

優選的，所述步驟a)包括：

a1)將微溶性銅源、保護劑、絡合劑、還原劑和溶劑混合，于50～150℃下反應，得到反應液；

所述反應的時間為10min～3h；

a2)將所述反應液離心洗滌和干燥，形成咪唑類化合物包覆納米銅顆粒粉體。

優選的，所述步驟b)中，所述超聲分散的功率為400～600w，時間為10～30min；

所述真空脫泡處理的攪拌速度為1000～5000r/min，時間為1～10min，真空度為-80～-120kpa。

本發明提供了一種互連工藝，包括：將互連材料印刷至基板上，靜置，再將芯片蓋于所述互連材料表面，于100～200℃下燒結，得到互連器件；所述互連材料包括咪唑類化合物包覆納米銅顆粒粉體和分散液；所述咪唑類化合物包覆納米銅顆粒粉體中，包覆在納米銅顆粒表面的咪唑類化合物選自苯并三氮唑、烷基咪唑、苯并咪唑、烷基苯并咪唑和烷基苯基咪唑中的一種或幾種。本發明的互連方法能夠在低溫無壓下條件下將芯片與基板互連，完成電子元器件或大功率半導體器件的連接封裝，能夠較好的應用于高端電子器件的制造和半導體封裝等領域。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據提供的附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例1中互連工藝的流程示意圖。

具體實施方式

本發明提供了一種互連工藝，包括：

將互連材料印刷至基板上，靜置，再將芯片蓋于所述互連材料表面，于100～200℃下燒結，得到互連器件；

所述互連材料包括咪唑類化合物包覆納米銅顆粒粉體和分散液；

所述咪唑類化合物包覆納米銅顆粒粉體中，包覆在納米銅顆粒表面的咪唑類化合物選自苯并三氮唑、烷基咪唑、苯并咪唑、烷基苯并咪唑和烷基苯基咪唑中的一種或幾種。

本發明提供的互連方法能夠在低溫無壓下條件下將芯片與基板互連，完成電子元器件或大功率半導體器件的連接封裝。

按照本發明，首先提供互連材料。本發明中，所述互連材料包括咪唑類化合物包覆納米銅顆粒粉體和分散液。其中，所述咪唑類化合物包覆納米銅顆粒粉體中，核心部分是納米銅顆粒，納米銅顆粒表面包覆了咪唑類化合物有機層。本發明中，所述納米銅顆粒的粒徑優選為100nm以下，更優選為10～50nm。本發明中，包覆在納米銅顆粒表面的咪唑類化合物選自苯并三氮唑、烷基咪唑、苯并咪唑、烷基苯并咪唑和烷基苯基咪唑中的一種或幾種。采用所述咪唑類化合物能夠與納米銅顆粒結合，達到良好的分散性和抗氧化性；另外，在燒結制備互連器件時，能夠在適宜的低溫下燒結除去，達到優異的抗氧化效果，提高燒結后的電熱互連性能。

上述咪唑類化合物包覆納米銅顆粒粉體與所述分散液混合，形成納米銅膏互連材料。本發明中，所述分散液優選為揮發溫度或分解溫度低于200℃的化合物，更優選為揮發溫度或分解溫度低于150℃的化合物，進一步優選為乙醇、異丙醇、乙二醇、一縮二乙二醇、乙二醇甲醚和乙二醇丁醚中的一種或幾種。本發明對所述分散液的來源沒有特殊限制，為一般市售品即可。

本發明提供的互連材料中，咪唑類化合物包覆納米銅顆粒粉體占整體膏體互連材料的質量比優選為50％～99％，更優選為60％～99％。

本發明中，所述互連材料優選通過以下方式獲得：

a)將微溶性銅源、保護劑、絡合劑、還原劑和溶劑混合，于50～150℃下反應，形成咪唑類化合物包覆納米銅顆粒粉體；

所述微溶性銅源選自氫氧化銅、乙酰丙酮酸銅、堿式碳酸銅、油酸銅和草酸銅中的一種或幾種；

所述絡合劑選自苯并三氮唑、烷基咪唑、苯并咪唑、烷基苯并咪唑和烷基苯基咪唑中的一種或幾種；

b)將所述咪唑類化合物包覆納米銅顆粒粉體與分散液混合，超聲分散及真空脫泡處理，得到納米銅膏互連材料。

按照本發明，先將微溶性銅源、保護劑、絡合劑、還原劑和溶劑混合，于50～150℃下反應，形成咪唑類化合物包覆納米銅顆粒粉體。

本發明中，所述微溶性銅源優選選自氫氧化銅、乙酰丙酮酸銅、堿式碳酸銅、油酸銅和草酸銅中的一種或幾種。本發明對所述微溶性銅源的來源沒有特殊限制，為一般市售品即可。

本發明中，所述保護劑優選為聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、十六烷基三甲基溴化銨、十二烷基硫酸鈉和乙二胺四乙酸鈉中的一種或幾種。本發明對所述保護劑的來源沒有特殊限制，為一般市售品即可。本發明中，所述保護劑與上述微溶性銅源的摩爾比優選為1：(1～15)。

本發明中，所述絡合劑優選選自苯并三氮唑(即bta)、烷基咪唑(即ia)、苯并咪唑(即bia)、烷基苯并咪唑(即sba)和烷基苯基咪唑(即api)中的一種或幾種。本發明對所述絡合劑的來源沒有特殊限制，為一般市售品即可。本發明中，所述絡合劑與上述微溶性銅源的摩爾比優選為1：(1～15)。

本發明中，所述還原劑優選選自l-抗壞血酸、檸檬酸、硼氫化鈉、硼氫化鉀、次磷酸鈉和水合肼中的一種或幾種。本發明對所述還原劑的來源沒有特殊限制，為一般市售品即可。本發明中，所述還原劑與上述微溶性銅源的摩爾比優選為1：(1～10)。

本發明中，所述溶劑優選為乙醇、乙二醇、一縮二乙二醇、二縮二乙二醇、一縮二丙二醇和丙三醇中的一種或幾種。本發明對所述溶劑的來源沒有特殊限制，為一般市售品即可。本發明中，所述溶劑用量優選為使微溶性銅源在溶劑中的濃度為0.001～1mol/l。

本發明中，將微溶性銅源、保護劑、絡合劑、還原劑與溶劑混合的方式沒有特殊限制，能夠將各組分混合均勻即可，如可以利用攪拌的方式進行混合。本發明中，將混合均勻的原料液在50～150℃下反應，進而形成咪唑類化合物包覆納米銅顆粒粉體。本發明中，所述反應的時間優選為10min～3h。

本發明中，所述咪唑類化合物包覆納米銅顆粒中，核心部分是納米銅顆粒，納米銅顆粒表面包覆了咪唑類化合物有機層；其中，所述納米銅顆粒的粒徑優選為100nm以下，更優選為10～50nm。包覆在納米銅顆粒表面的咪唑類化合物為苯并三氮唑、烷基咪唑、苯并咪唑、烷基苯并咪唑和烷基苯基咪唑中的一種或幾種。

本發明中，具體的，將混合均勻的原料液在50～150℃下反應后，優先形成反應液，將反應液進行離心洗滌和干燥后，得到咪唑類化合物包覆納米銅顆粒粉體。

本發明中，在進行離心洗滌前，優選先將反應液冷卻至室溫。將冷卻至室溫的反應液進行離心洗滌時，優選在5000～10000r/min的離心條件下進行離心洗滌；所述離心洗滌所用的洗滌劑優選為去離子水、無水乙醇和丙酮中的一種或幾種。所述離心洗滌的次數沒有特殊限制，能夠將反應液中的咪唑類化合物包覆納米銅顆粒粉體洗滌干凈即可，優選離心洗滌5次以上。

在離心洗滌后，將所得沉淀物進行干燥；所述干燥優選為真空干燥，如可以在-101kpa的真空度下室溫干燥6h；在所述干燥后，得到咪唑類化合物包覆納米銅顆粒粉體。

按照本發明，在得到咪唑類化合物包覆納米銅顆粒粉體后，將所述咪唑類化合物包覆納米銅顆粒粉體與分散液混合，超聲分散及真空脫泡處理，得到納米銅膏互連材料。

本發明中，在得到咪唑類化合物包覆納米銅顆粒粉體后，優選先對其研磨；所述研磨的條件沒有特殊限制，能夠將粉體研磨分散即可。

在進行研磨后，將咪唑類化合物包覆納米銅顆粒粉體與分散液混合。本發明中，所述分散液優選為揮發溫度或分解溫度低于200℃的化合物，更優選為揮發溫度或分解溫度低于150℃的化合物，進一步優選為乙醇、異丙醇、乙二醇、一縮二乙二醇、乙二醇甲醚和乙二醇丁醚中的一種或幾種。

本發明中，在進行超聲分散時，優選在400～600w的功率下進行；所述超聲分散的時間優選為10～30min。

本發明中，在進行真空脫泡處理時，可以在真空脫泡攪拌機中進行；所述真空脫泡的攪拌速度優選為1000～5000r/min；所述真空脫泡處理的時間優選為1～10min；所述真空脫泡處理優選在-80～-120kpa的真空度下進行。

本發明中，在所述超聲分散和真空脫泡處理后，得到納米銅膏互連材料。其中，咪唑類化合物包覆納米銅顆粒粉體占整體膏體互連材料的質量比優選為50％～99％，更優選為60％～99％。

現有技術中的市售微納銅粉在應用時抗氧化性差、且易團聚成大尺寸顆粒；而按照本發明的制備方法制得的互連材料為納米銅膏互連材料，包含咪唑包覆銅顆粒粉體，所得膏體材料抗氧化性好，且互連材料膏體中咪唑包覆銅顆粒粉體分散均勻，不會團聚成大尺寸顆粒，而是為單分散性良好的納米尺度顆粒，使所得納米銅膏互連材料分散性好，能夠較好的應用于高端電子器件的制造和半導體封裝領域。而且，采用市售微納銅粉進行互連時，可使用性較差，對互連工藝中溫度和壓力要求較高，而采用本發明提供的互連材料，能夠實現在低溫且無需額外加壓條件下進行互連，滿足本領域對低溫低壓互連的需求。

按照本發明，提供互連材料后，將互連材料印刷至基板上。本發明中，所采用的基板優選為鍍銅基板，將互連材料印刷至基板的鍍銅層表面。本發明中，所述印刷的方式優選為絲網印刷、噴墨印刷、平版印刷或凹版印刷。

按照本發明，將互連材料印刷到基板后，靜置一定時間，使納米銅膏互連材料中的有機包覆層在燒結之前進行一定程度的揮發，并大大提高納米銅膏互連材料燒結組織的致密度。本發明中，所述靜置的時間優選為20～200min。

按照本發明，靜置后，將芯片蓋于所述互連材料表面。本發明中，在將芯片蓋于所述互連材料表面時，可將芯片一側傾斜緩緩蓋在互連材料表面，以防止芯片與互連材料之間產生氣泡。本發明中，所述芯片優選為鍍銅芯片，在蓋芯片時，優選將鍍銅層一面與互連材料接觸。

按照本發明，蓋設完芯片后，將所得試樣在100～200℃下燒結，得到互連器件。本發明中，所述燒結的氣氛優選為氫氣與氮氣的混合氣氛、氫氣與氬氣的混合氣氛、氮氣氣氛或氬氣氣氛；燒結氣氛為混合氣氛時，混合氣氛中兩種氣體的比例沒有特殊限制，對于氫氣與氮氣的混合氣氛，氫氣的體積含量優選為5％～10％；氫氣與氬氣的混合氣氛中，氫氣的體積含量優選為5％～10％。采用上述互連材料，在所述氣氛下進行低溫燒結，能夠成功得到功率半導體互連器件。本發明中，所述燒結的時間優選為10～120min。所述燒結無需施加外壓，在常壓下進行即可。

本發明提供的互連工藝能夠在低溫無壓條件下實現大功率器件中芯片與基板的互連封裝，本發明采用特殊的納米銅膏互連材料，該互連材料中，咪唑包覆銅顆粒粉體表面特殊的有機保護層有利于提高納米銅顆粒的抗團聚、抗氧化和助燒結性能，不僅有效防止納米銅顆粒被氧化，還可以起到清潔互連層表面的效果，大大提升了互連工藝的可靠性；在燒結過程中，咪唑有機層揮發或分解，還能達到免清洗焊料殘渣的效果。互連材料膏體中咪唑包覆銅顆粒粉體分散均勻，不會團聚成大尺寸顆粒，而是為單分散性良好的納米尺度顆粒，使所得納米銅膏互連材料分散性好，進一步提高互連工藝的可靠性。

為了進一步理解本發明，下面結合實施例對本發明優選實施方案進行描述，但是應當理解，這些描述只是為進一步說明本發明的特征和優點，而不是對本發明權利要求的限制。

實施例1

1.1互連材料的制備

在丙三醇溶劑中加入微溶性銅源乙酰丙酮酸銅、保護劑乙二胺四乙酸鈉、絡合劑苯并三氮唑、還原劑次磷酸鈉，其中，銅源在溶劑中的濃度為0.2mol/l，保護劑與銅源的摩爾比為1∶10，絡合劑與銅源的摩爾比為1∶6，還原劑與銅源的摩爾比為1∶5；將上述原料液攪拌均勻后緩慢加熱到150℃，同時保持勻速攪拌150min后，形成反應液；冷卻至室溫，在7000r/min下用丙酮離心洗滌5次，取沉淀物真空干燥，得到苯并三氮唑原位包覆的納米銅顆粒粉體，其中，納米銅顆粒的粒徑為50nm。將所得苯并三氮唑包覆的納米銅顆粒粉體研磨分散后，加入一定量的乙醇和乙二醇甲醚，在500w下超聲分散20min，之后在-101kpa的真空度下進行真空脫泡處理，在3000r/min攪拌速度下真空脫泡處理5min，得到納米銅膏互連材料，其中，苯并三氮唑原位包覆的納米銅顆粒粉體占整體互連材料的質量比為85％。

所得納米銅膏互連材料中，苯并三氮唑包覆的納米銅顆粒粉體中的銅顆粒的粒徑約為50nm，膏體分散性良好。所得納米銅膏互連材料在60天內不被氧化，具有良好的抗氧化性。

1.2互連器件的制備

通過絲網印刷將上述納米銅膏互連材料承印于鍍銅基板上，靜置60min后，將鍍銅芯片一側傾斜緩緩蓋在互連材料表面；將所得試樣置于氫氣體積含量為5％的氫氣-氮氣混合氣氛中，于175℃下燒結保溫80min，得到功率半導體互連器件。上述互連工藝過程如圖1所示。

實施例2

1.1互連材料的制備

在一縮二乙二醇溶劑中加入微溶性銅源油酸銅、保護劑十二烷基硫酸鈉、絡合劑烷基苯并咪唑、還原劑l-抗壞血酸，其中，銅源在溶劑中的濃度為0.012mol/l，保護劑與銅源的摩爾比為1∶5，絡合劑與銅源的摩爾比為1∶5，還原劑與銅源的摩爾比為1∶3；將上述原料液攪拌均勻后緩慢加熱到90℃，同時保持勻速攪拌110min后，形成反應液；冷卻至室溫，在7000r/min下用無水乙醇離心洗滌5次，取沉淀物真空干燥，得到烷基苯并咪唑原位包覆的納米銅顆粒粉體，其中，納米銅顆粒的粒徑為25nm。將所得烷基苯并咪唑包覆的納米銅顆粒粉體研磨分散后，加入乙二醇和乙二醇丁醚，在500w下超聲分散20min，之后在-101kpa的真空度下進行真空脫泡處理，在3000r/min攪拌速度下真空脫泡處理5min，得到納米銅膏互連材料，其中，烷基苯并咪唑原位包覆的納米銅顆粒粉體占整體互連材料的質量比為95％。

所得納米銅膏互連材料中，烷基苯并咪唑包覆的納米銅顆粒粉體中的銅顆粒的粒徑約為25nm，膏體分散性良好。所得納米銅膏互連材料在60天內不被氧化，具有良好的抗氧化性。

1.2互連器件的制備

通過絲網印刷將上述納米銅膏互連材料承印于鍍銅基板上，靜置120min后，將鍍銅芯片一側傾斜緩緩蓋在互連材料表面；將所得試樣置于氫氣體積含量為10％的氫氣-氬氣混合氣氛中，于165℃下燒結保溫50min，得到功率半導體互連器件。

實施例3

1.1互連材料的制備

在二縮二乙二醇溶劑中加入微溶性銅源草酸銅、保護劑十二烷基硫酸鈉、絡合劑烷基苯并咪唑、還原劑l-抗壞血酸，其中，銅源在溶劑中的濃度為0.008mol/l，保護劑與銅源的摩爾比為1∶10，絡合劑與銅源的摩爾比為1∶6，還原劑與銅源的摩爾比為1∶4；將上述原料液攪拌均勻后緩慢加熱到100℃，同時保持勻速攪拌110min后，形成反應液；冷卻至室溫，在9000r/min下用無水乙醇離心洗滌5次，取沉淀物真空干燥，得到烷基苯并咪唑原位包覆的納米銅顆粒粉體，其中，納米銅顆粒的粒徑為12nm。將所得烷基苯并咪唑包覆的納米銅顆粒粉體研磨分散后，加入異丙醇和乙二醇甲醚，在500w下超聲分散20min，之后在-101kpa的真空度下進行真空脫泡處理，在3000r/min攪拌速度下真空脫泡處理5min，得到納米銅膏互連材料，其中，烷基苯并咪唑原位包覆的納米銅顆粒粉體占整體互連材料的質量比為75％。

所得納米銅膏互連材料中，烷基苯并咪唑包覆的納米銅顆粒粉體中的銅顆粒的粒徑約為12nm，膏體分散性良好。所得納米銅膏互連材料在60天內不被氧化，具有良好的抗氧化性。

1.2互連器件的制備

通過絲網印刷將上述納米銅膏互連材料承印于鍍銅基板上，靜置50min后，將鍍銅芯片一側傾斜緩緩蓋在互連材料表面；將所得試樣置于氫氣體積含量為10％的氫氣-氮氣混合氣氛中，于125℃下燒結保溫120min，得到功率半導體互連器件。

以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。