一种多层金属膜及其制备方法

摘要

本发明提供一种多层金属膜及其制备方法，包括：第一有机介质材料层，第二有机介质材料层；所述第一有机介质材料层中包含第一尺寸纳米金属颗粒，所述第二有机介质材料层中包含第二尺寸纳米金属颗粒；所述第一尺寸纳米金属颗粒与第二尺寸纳米金属颗粒直径不同。通过机械压合使不同层的不同尺寸颗粒快速混合，互填间隙，形成致密的烧结金属层，提高功率器件整体可靠性性能，具备易于装配的特点，可有效降低成本。

权利要求

1.一种多层金属膜的制备方法，其特征在于，所述多层金属膜包括：第一有机介质材料层，

第二有机介质材料层；

所述第一有机介质材料层中包含第一尺寸纳米金属颗粒，所述第二有机介质材料层中包含第二尺寸纳米金属颗粒；

所述第一尺寸纳米金属颗粒与所述第二尺寸纳米金属颗粒直径不同；

具体包括以下步骤：

步骤1：配置具有第一尺寸纳米金属颗粒溶液，及具有第二尺寸纳米金属颗粒溶液；所述第二尺寸纳米金属颗粒与第一尺寸纳米金属颗粒直径不同；

步骤2：采用第一尺寸纳米金属颗粒溶液制备第一金属膏，采用第二尺寸纳米金属颗粒溶液制备第二金属膏；

步骤3：采用第一金属膏制备第一金属膜；采用第二金属膏制备第二金属膜；

步骤4：将所述第一金属膜与所述第二金属膜贴合；烧结时，第一尺寸纳米金属颗粒移动并填充到第二尺寸纳米金属颗粒团簇的缝隙中，有机介质挥发，多层膜烧结形成完整的金属互连层。

2.如权利要求1所述的多层金属膜的制备方法，其特征在于，所述步骤3还包括：将所述第一金属膏设置于第一支撑基材上，然后进行干燥处理，形成第一金属膜。

3.如权利要求1所述的多层金属膜的制备方法，其特征在于，所述步骤3还包括：将所述第二金属膏设置于第二支撑基材上，然后进行干燥处理，形成第二金属膜。

4.如权利要求1所述的多层金属膜的制备方法，其特征在于，金属膏通过丝网印制、喷涂或涂覆方法施加到支撑基材上。

5.如权利要求1所述的多层金属膜的制备方法，其特征在于，所述纳米金属颗粒材料为铜。

6.如权利要求1所述的多层金属膜的制备方法，其特征在于：所述纳米金属颗粒材料为金、钯、银、铜、铝、银钯合金、金钯合金、铜银合金、铜银镍合金或铜铝合金。

7.一种多层金属膜的制备方法，其特征在于，所述多层金属膜包括：第一有机介质材料层，

第二有机介质材料层；

所述第一有机介质材料层中包含第一尺寸纳米金属颗粒，所述第二有机介质材料层中包含第二尺寸纳米金属颗粒；

所述第一尺寸纳米金属颗粒与所述第二尺寸纳米金属颗粒直径不同；

具体包括以下步骤：

步骤1：配置具有第一尺寸纳米金属颗粒溶液，及具有第二尺寸纳米金属颗粒溶液；所述第二尺寸纳米金属颗粒与第一尺寸纳米金属颗粒直径不同；

步骤2：采用第一尺寸纳米金属颗粒溶液制备第一金属膏，采用第二尺寸纳米金属颗粒溶液制备第二金属膏；

步骤3：采用第一金属膏制备第一金属膜；

步骤4：在第一金属膜上涂敷第二金属膏；烧结时，第一尺寸纳米金属颗粒移动并填充到第二尺寸纳米金属颗粒团簇的缝隙中，有机介质挥发，多层膜烧结形成完整的金属互连层。

8.一种利用如权利要求1-7任一所述多层金属膜的制备方法制备的多层金属膜互连芯片与基板的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1：将多层金属膜粘贴至待互连芯片底部；

步骤2：对贴好多层金属膜的芯片进行加热，混合多层纳米金属膜的各层，获得多层金属膜芯片；

步骤3：互连基板与多层金属膜芯片。

9.如权利要求8所述的多层金属膜互连芯片与基板方法，其特征在于，步骤1包括获取与芯片形状相同的多层金属膜，获取方式为：根据待互连芯片形状切割多层金属膜；

或，将芯片放置于加热的多层金属膜上，使得与芯片形状相同的多层金属膜粘附在芯片上。

10.如权利要求9所述的多层金属膜互连芯片与基板方法，其特征在于，步骤3包括：步骤3.1：剥离支撑基材；

步骤3.2：将所述多层金属膜芯片置于基板上；

步骤3.3：在烧结炉中对多层金属膜芯片进行加热，互连基板与多层金属膜芯片。

说明书

一种多层金属膜及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及芯片封装互连领域，更具体地涉及烧结用金属膜及其制备技术。

背景技术

[0002] 在功率半导体封装领域，寻求低温工艺、高温服役、热膨胀系数相匹配、高导热导电、低成本的互连材料成为现在急需解决的问题。以焊接及引线键合的传统材料工艺存在熔点低、高温蠕变失效、引线缠绕、寄生参数等无法解决的问题，新型互连材料正从焊接向烧结技术发展。通过减小烧结颗粒的尺寸，降低烧结温度，纳米金属颗粒烧结技术已经成为功率半导体器件新型互连材料中最有前景的技术。

[0003] 目前以纳米银烧结为代表的先进工艺已逐渐成为功率半导体器件封装互连的主流，国内外主要封装应用厂商已进入实用化和规模化使用中。然而纳米银烧结专利、材料、工艺及设备主要由国外厂商控制，在国内的发展受到较大限制。同时纳米银烧结技术也存在不足：1)银材料本身价格较高，限制其不能被广泛使用。2)银和SiC芯片背面材料热膨胀系数的不同，需要添加其它中间金属层提高互连性能，从而增加了工艺复杂性和成本。3)银层存在电迁移现象，不利于功率器件长期可靠应用。与纳米银近似的纳米铜颗粒可以在低温条件下熔融，烧结后熔点接近铜单质材料(1083℃)，可构筑稳定的金属互连层。其单组分金属的特性，避免了合金材料热循环效应下的服役可靠性问题，实现铜铜键合，解决芯片和基板之间热膨胀系数匹配的问题，同时避免电迁移现象导致可靠性问题。对比纳米银颗粒，有效降低互连封装的材料和加工成本。更重要的是能够从芯片封装应用领域，进一步推进“全铜化”(All copper)理念的实际应用和产业化，推动半导体产业的创新发展。

[0004] 专利文献CN103262172A，其技术方案如图1所示。公开了一种烧结材料和烧结材料制备的薄层，以及该材料的附着方法。薄层是由金属粉末、焊膏、粘合剂和溶剂组成。其中金属粉末包括金、钯、银、铜、铝、银钯合金或者金钯合金，可进一步包括一种或更多的功能性添加物。金属粉末包括纳米颗粒。金属粉末被适用到基片上，对基片上的材料进行干燥形成薄层。基片材料包括聚酯纤维，该现有技术的缺点在于基片上的纳米金属层成分尺寸单一，由此造成烧结后孔隙率较大，导电导热效果差等后果。

[0005] 专利文献CN105492198A，其技术方案如图2所示。公开了一种用于电气部件和机械部件的复合和多层银膜，其中在可烧结银层中加入了增强颗粒或纤维，以提高其强度。如图3、4所示，进一步在可稍解的银颗粒层上外加了增强金属箔层，其成分可以是银、铜、金或任何其他金属或任何合金，也可以是金属聚合物或陶瓷箔，还可以是复合的或具有不同金属和合金层的镀层结构。增强金属箔层可以固体的、穿孔或网格等形式施加。然而该现有技术的问题在于该多层复合金属膜、增强金属箔层的加入，增加了烧结后连接层的界面数，从而可能降低连接强度；此外，单一尺寸的银颗粒层，在烧结后孔隙率很大，会降低热导率、电导率和剪切应力，从而降低可靠性。

发明内容

[0006] 为克服现有技术的不足，避免原有银膜高孔隙率、低热导率、高成本、与Si或SiC基芯片热失配、高电迁移率等问题，提高功率器件整体可靠性性能，同时实现易于装配并有效降低成本的效果，本发明提供了一种多层金属膜，包括：

[0007] 第一有机介质材料层，

[0008] 第二有机介质材料层；

[0009] 所述第一有机介质材料层中包含第一尺寸纳米金属颗粒，

[0010] 所述第一有机介质材料层中包含第二尺寸纳米金属颗粒；

[0011] 所述第一尺寸纳米金属颗粒与所述第二尺寸纳米金属颗粒直径不同。

[0012] 优选的，所述纳米金属颗粒材料为铜。

[0013] 优选的，所述纳米金属颗粒材料为金、钯、银、铜、铝、银钯合金、金钯合金、铜银合金、铜银镍合金或铜铝合金。

[0014] 优选的，所述多层金属膜还包括支撑基材，其中支撑基材包括聚酯纤维、陶瓷、玻璃和/或金属材料。

[0015] 优选的，所述支撑基材和纳米金属颗粒接触的一面具有有机硅涂覆。

[0016] 优选的，所述介质材料层包括有机介质材料，所述有机介质材料为有机溶剂、助焊剂、焊膏、和/或粘合剂。

[0017] 优选的，所述第一尺寸纳米金属颗粒与所述第二尺寸纳米金属颗粒中，较大尺寸的纳米金属颗粒直径为1nm

[0018] 优选的，所述第一尺寸纳米金属颗粒与所述第二尺寸纳米金属颗粒中，较小尺寸的纳米金属颗粒直径为0.5nm

[0019] 一种多层金属膜的制备方法，具体包括以下步骤：

[0020] 步骤1：配置具有第一尺寸纳米金属颗粒溶液，及具有第二尺寸纳米金属颗粒溶液；所述第二尺寸纳米金属颗粒与第一尺寸纳米金属颗粒直径不同

[0021] 步骤2：采用第一尺寸纳米金属颗粒溶液制备第一金属膏，采用第二尺寸纳米金属颗粒溶液制备第二金属膏；

[0022] 步骤3：采用第一金属膏制备第一金属膜；采用第二金属膏制备第二金属膜；

[0023] 步骤4：将所述第一金属膜与所述第二金属膜贴合。

[0024] 优选的，所述步骤3还包括：

[0025] 将所述第一金属膏设置于第一支撑基材上，然后进行干燥处理，形成第一金属膜。

[0026] 优选的，所述步骤3还包括：

[0027] 将所述第二金属膏设置于第二支撑基材上，然后进行干燥处理，形成第二金属膜。

[0028] 优选的，所述金属膏通过丝网印制、喷涂或涂覆方法施加到所述支撑基材上。

[0029] 优选的，所述纳米金属颗粒材料为铜。

[0030] 优选的，所述纳米金属颗粒材料为金、钯、银、铜、铝、银钯合金、金钯合金、铜银合金、铜银镍合金或铜铝合金。

[0031] 优选的，所述支撑基材材料为聚酯纤维、陶瓷、玻璃和/或金属材料。

[0032] 优选的，所述纳米金属颗粒溶液中包含有机介质材料，所述有机介质材料为有机溶剂、助焊剂、焊膏、和/或粘合剂。

[0033] 一种多层金属膜的制备方法，具体包括以下步骤：

[0034] 步骤1：配置具有第一尺寸纳米金属颗粒溶液，及具有第二尺寸纳米金属颗粒溶液；所述第二尺寸纳米金属颗粒与第一尺寸纳米金属颗粒直径不同

[0035] 步骤2：采用第一尺寸纳米金属颗粒溶液制备第一金属膏，采用第二尺寸纳米金属颗粒溶液制备第二金属膏；

[0036] 步骤3：采用第一金属膏制备第一金属膜；

[0037] 步骤4：在第一金属膜上涂敷第二金属膏。

[0038] 优选的，所述步骤3还包括：

[0039] 将所述第一金属膏设置于第一支撑基材上，然后进行干燥处理，形成第一金属膜；

[0040] 所述制备方法还包括步骤5:在第一金属膜上涂敷第二金属膏之后，进行干燥处理，形成第二金属膜。

[0041] 优选的，所述金属膏通过丝网印制、喷涂或涂覆方法施加到所述支撑基材上。

[0042] 优选的，所述纳米金属颗粒材料为铜。

[0043] 优选的，所述纳米金属颗粒材料为金、钯、银、铜、铝、银钯合金、金钯合金、铜银合金、铜银镍合金或铜铝合金。

[0044] 优选的，所述支撑基材材料为聚酯纤维、陶瓷、玻璃和/或金属材料。

[0045] 优选的，所述纳米金属颗粒溶液中包含有机介质材料，所述有机介质材料为有机溶剂、助焊剂、焊膏、和/或粘合剂。

[0046] 一种利用多层金属膜互连芯片与基板的方法，具体包括以下步骤：

[0047] 步骤1：将多层金属膜粘贴至待互连芯片底部；

[0048] 步骤2：对所述贴好多层金属膜的芯片进行加热，混合多层纳米金属膜的各层，获得多层金属膜芯片；

[0049] 步骤3：互连基板与多层金属膜芯片。

[0050] 优选的，步骤1包括获取与芯片形状相同的多层金属膜，获取方式为[0051] 根据待互连芯片形状切割多层金属膜；

[0052] 或，将芯片放置于加热的多层金属膜上，使得与芯片形状相同的多层金属膜粘附在芯片上。

[0053] 优选的，步骤1还包括：粘合时选择有无压力辅助。

[0054] 优选的，步骤2还包括：加热时选择有无压力辅助。

[0055] 优选的，步骤3包括：

[0056] 步骤3.1：剥离支撑基材。

[0057] 步骤3.2：将所述多层金属膜芯片置于基板上；

[0058] 步骤3.3：在烧结炉中对多层金属膜芯片进行加热，选择有无压力辅助，互连基板与多层金属膜芯片。

[0059] 本发明通过设置多层、不同尺寸纳米铜颗粒层互叠放置的方式构建互连用纳米金属膜，在烧结时，小尺寸纳米金属颗粒移动并填充到大尺寸纳米金属颗粒团簇的缝隙中，有机介质则会挥发，多层膜烧结形成完整的金属互连层，相比较单一结构、单一层数的烧结金属膜，此技术方案将提升金属层的致密性，从而提升了互连层导电导热性质。亦可选则通过压力辅助以及提升扩散混合效果。

附图说明

[0060] 图1为现有技术一的烧结后纳米银薄层的结构图。

[0061] 图2为现有技术二的单层纳米银薄膜结构图。

[0062] 图3为现有技术二的双层纳米银薄膜结构图。

[0063] 图4为现有技术二的三层纳米银薄膜结构图。

[0064] 图5为本发明技术方案描述的多层纳米金属膜结构示意图。

[0065] 图6为本发明多层金属膜的制备流程图。

[0066] 图7为所述多层金属膜的制备流程示意图。

[0067] 图8为利用所述金属膜对芯片与基板烧结互连的工艺流程图。

[0068] 图9为所述烧结互连工艺流程示意图。

[0069] 图10为本发明制备多个不同纳米金属尺寸的单层金属膜制备流程图。

[0070] 图11为所述金属膜制备流程示意图。

[0071] 图中序号：铜膜中的小尺寸纳米铜颗粒1，铜膜中的大尺寸纳米铜颗粒2，支撑基材3，有机介质4，大尺寸纳米铜膏体中的纳米铜颗粒5，小尺寸纳米铜膏体中的纳米铜颗粒6，印刷刮刀7，印刷中的小尺寸纳米铜膏体8，印刷中的大尺寸纳米铜膏体9，多尺寸多层金属膜10，待互连芯片11，基板12，烧结设备13，单层大尺寸铜颗粒铜膜14，单层小尺寸纳米通颗粒铜膜15。

具体实施方式

[0072] 下面详细说明本发明的具体实施，有必要在此指出的是，以下实施只是用于本发明的进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出的一些非本质的改进和调整，仍然属于本发明的保护范围。

[0073] 本发明所提供的多层金属膜结构如图5所示，包括：

[0074] 至少2层有机介质材料；

[0075] 所述有机介质材料中具有纳米金属颗粒；

[0076] 各所述有机介质材料层中的所述纳米金属颗粒的尺寸不同。

[0077] 其中，纳米金属颗粒可采用金属混合物包括金、钯、银、铜、铝、银钯合金、金钯合金、铜银合金、铜银镍合金或铜铝合金；，优选采用铜材料，以取代金、银材料从而显著降低成本，并可以有效避免纳米银膜烧结后高电子迁移、高热失配。

[0078] 金属膜还包括支撑基材，所述支撑基材包括聚酯纤维、陶瓷、玻璃和/或金属材料。有机介质材料包括有机溶剂(如胺、醇、脂防酸、硫醇和表面活性剂等)、松香助焊剂、焊膏、和/或粘合剂。

[0079] 实施例一

[0080] 图6示出了本发明所提供的多层金属膜的制备方法及流程，包括以下步骤：

[0081] 一、按照比例配置具有第一尺寸的纳米金属颗粒溶液，制备第一金属膏；

[0082] 二、按照比例配置具有不同于所述第一尺寸的第二尺寸的纳米金属颗粒溶液，制备第二金属膏；

[0083] 三、将所述第一金属膏与所述第二金属膏贴合。

[0084] 在包含支撑基材的多层金属膜的制备流程中，可以通过两种方式实施：

[0085] (一)是在支撑基材上直接设置两层、三层或更多层不同尺寸纳米颗粒的金属金属膜，如图7所示，在支撑基材表面预先施加脱模涂层，执行步骤一制备一层小尺寸纳米金属颗粒的金属膏并设置在该支撑基材上，再执行步骤二制备一层较大尺寸纳米金属颗粒金属膏；如要构建更多层金属膜，则按照此顺序以此类推向上交替制备更多层不同尺寸纳米颗粒的金属膏。

[0086] 1、在罐中混合0至5％树脂或聚合物、0至1％成膜剂和30％溶剂混合物以得到均匀溶液。将0至2％润湿剂、0至2％有机过氧化物添加至此混合物。

[0087] 2、添加90％的前述小尺寸铜粉末(即具有从0.5nm

[0088] 3、在混合后，在研磨机中研磨、混合物持续几分钟以获得均匀的膏；

[0089] 4、使用相同比例和方式配置大尺寸(即具有从1nm

[0090] 5、将所述小尺寸颗粒的金属膏适用到例如有有机硅涂覆的聚醋片、陶瓷或玻璃支撑基材上；

[0091] 6、通过在100-130℃，10-15分钟的干燥，在所述支撑基材上形成小尺寸通颗粒的金属膜A；

[0092] 7、在所述金属膜A的表面适用大尺寸纳米铜膏；

[0093] 8、通过在100-130℃，10-15分钟的干燥，在形成双层纳米铜膜B；

[0094] 9、在所述金属膜B的表面适用小尺寸纳米铜膏；

[0095] 10、通过在100-130℃，10-15分钟的干燥，在形成三层纳米铜膜C。

[0096] 在本发明的一个优选实施例中，采用上述方式按照芯片尺寸剪切所述铜膜C成铜膜小片c；得到的铜膜c进行烧结互连工艺流程如图8、9所示。具体步骤包括：1)将待互连芯片底端与多层复合铜膜接触；2)可选择有无压力辅助，使得铜膜顶部与芯片底部粘合；3)移除铜膜底部支撑基材；4)将底部覆好多层复合铜膜的芯片放置于载板表面；5)通过有压或无压力烧结工艺，使得芯片与载板有效连接，同时互连铜层中的有机物挥发，不同尺寸的纳米铜颗粒相互填充并烧结成块体，最终形成致密的互连金属层。

[0097] 实施例二

[0098] 一种更加简易的包含支撑基材的多层金属膜的制备流程(二)如图10、11所示，在预先施用脱模涂层的支撑基材上，通过执行步骤一设置单层小尺寸纳米金属颗粒金属膏，在执行步骤三前，在另一支撑基材上设置单层较大尺寸纳米金属颗粒的金属膏，在使用时，可将两层金属膏依次粘结在芯片底部，通过烧结工艺，使得在烧结过过程中两膜中的颗粒相互混合，达到填充空隙，提升致密性的目的，此方案更大程度上的降低了操作难度。

[0099] 1、在罐中混合0至5％树脂或聚合物、0至1％成膜剂和30％溶剂混合物以得到均匀溶液。将0至2％润湿剂、0至2％有机过氧化物添加至此混合物。

[0100] 2、添加90％的前述小尺寸铜粉末(即具有从0.5nm

[0101] 3、在混合后，在研磨机中研磨、混合物持续几分钟以获得均匀的膏；

[0102] 4、使用相同比例和方式配置大尺寸(即具有从1nm

[0103] 5、将所述大、小尺寸颗粒的金属膏分别适用两块到例如有有机硅涂覆的聚醋片、陶瓷或玻璃支撑基材上；

[0104] 6、通过在100-130℃，10-15分钟的干燥，在所述支撑基材上形成大、小尺寸通颗粒的金属膜A和D；

[0105] 实施例三

[0106] 如图8所示，本发明进一步提供了一种利用所述多层纳米金属膜烧结互连芯片与基板的方法。具体包括以下步骤：

[0107] 一、按照芯片尺寸剪切所述铜膜C成铜膜小片c；

[0108] 二、将所述多层金属膜粘贴到待互连芯片底部；

[0109] 三、对芯片和铜膜体系可选的进行加热、加压，使得多层铜膜相互混合；剥离支撑基材；

[0110] 四、将该芯片/铜膜体系置于基板上；

[0111] 五、在烧结炉中对该体系可选的进行加热、加压，使得基板与芯片形成互连。

[0112] 本发明与现有技术获得的纳米金属膜的相关性能对比如下：

[0113]

[0114]

[0115] 表1

[0116] 封装领域通过化学方法制备的纳米金属颗粒直径通常在30nm以上，难以实现20nm以下甚至1nm以下粒径的纳米金属颗粒制备及后续的稳定留存。此外，采用化学制备方法制备的纳米金属颗粒，尽管对操作及环境严格控制，其同批次制备的粒径范围依然存在分布集中性差，离散程度大的技术问题，这将不同程度的影响金属膜的烧结后性能。本发明采用的物理法制备纳米金属粒径范围为0-20nm，为克服化学方法制备的粒径尺寸上的限制带来的烧结性能上的瓶颈，将物理法制备的小尺寸金属纳米金属颗粒与化学法制备的大尺寸金属颗粒结合，在90um的烧结厚度下，实现如上表所示的高热导率电导率，高剪切力的技术突破。

[0117] 本发明的纳米金属颗粒的较大和较小颗粒的尺寸的具体选择，使得小尺寸纳米金属颗粒在大尺寸纳米金属颗粒的间隙的填补效果好，致密性显著提升。上述金属颗粒尺寸的设计达到在烧结后提升金属层致密性、降低孔隙率的效果，是其他直径尺寸的纳米金属颗粒组合所不能达到的。当采用铜颗粒代替纳米银材料等贵重金属材料时，纳米铜颗粒可以在低温条件下熔融，烧结后熔点接近铜单质材料(1083℃)，可构筑稳定的金属互连层。其单组分金属的特性，避免了合金材料热循环效应下的服役可靠性问题，实现铜铜键合，解决芯片和基板之间热膨胀系数匹配的问题，同时避免电迁移现象导致可靠性问题。对比纳米银颗粒，可有效降低互连封装的材料和加工成本。由纳米铜粉体、膏体制成的烧结用纳米铜膜，在具备铜材料的优良特性同时，也同时具备金属烧结膜的便携性、易成型性等特点，是下一代电气互连首选方案。

[0118] 尽管为了说明的目的，已描述了本发明的示例性实施方式，但是本领域的技术人员将理解，不脱离所附权利要求中公开的发明的范围和精神的情况下，可以在形式和细节上进行各种修改、添加和替换等的改变，而所有这些改变都应属于本发明所附权利要求的保护范围，并且本发明要求保护的产品各个部门和方法中的各个步骤，可以以任意组合的形式组合在一起。因此，对本发明中所公开的实施方式的描述并非为了限制本发明的范围，而是用于描述本发明。相应地，本发明的范围不受以上实施方式的限制，而是由权利要求或其等同物进行限定。