本發(fā)明涉及一種低溫連接技術(shù)工藝，特別是涉及一種納米銀漿低溫燒結(jié)的方法和用于微電子互連材料無鉛化制備工藝，應(yīng)用于微電子互連材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

納米銀漿因具有燒結(jié)溫度低、導電率高、導熱率高、粘接強度高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，已成為國際研究的熱點方向之一?；诩{米銀漿燒結(jié)成形的低溫連接技術(shù)(ltjt，lowtemperaturejoiningtechnique)，是一種用于芯片互連材料無鉛化的替代技術(shù)，是目前國際上最有前景的電子封裝互連技術(shù)之一，是未來互連材料的發(fā)展趨勢，在航空、航天、武器、微電子等許多高新技術(shù)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。目前，基于納米銀漿低溫加熱燒結(jié)主要有以下方法：

一、在外界施加壓強的條件下燒結(jié)，加熱方式為加熱爐中燒結(jié)，通過設(shè)置加熱曲線來改變納米銀漿燒結(jié)過程，這種外界施加壓強的方法在納米銀漿實際應(yīng)用于互連材料中難以實施。

二、在無壓的條件下，將納米銀漿直接放置在加熱臺上燒結(jié)，這種方法會導致納米銀漿燒結(jié)過程中上下面受熱不均，且不能調(diào)節(jié)燒結(jié)過程中升溫速率，對研究納米銀漿燒結(jié)工藝有困難。

三、在無壓的條件下，在加熱爐中加熱燒結(jié)，這種方法由于加熱爐封閉，空間小，爐中氧氣不足，導致燒結(jié)不徹底，影響納米銀漿燒結(jié)后的導電性和機械性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)存在的不足，提供一種二步燒結(jié)納米銀漿制備微電子互連材料的方法，能夠提高燒結(jié)后制備的微電子互連材料的機械強度，一定程度地降低納米銀漿燒結(jié)后的空隙率，提高了微電子互連材料的導熱效率，保證了納米銀漿燒結(jié)過程中需要充足的氧氣來分解納米銀漿中的有機成分，使燒結(jié)更徹底，又改善了單一燒結(jié)過程中納米銀漿受熱不均的缺點，從而提高了納米銀漿的燒結(jié)成型微電子互連材料的品質(zhì)，具有重要的產(chǎn)業(yè)價值。

為達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種二步燒結(jié)納米銀漿制備微電子互連材料的方法，包括如下步驟：

a.主要采用納米銀粉和有機溶劑進行均勻混合，制備納米銀漿混合液體系；優(yōu)選納米銀粉的平均粒徑為20～30nm，優(yōu)選納米銀粉純度不低于99.9％；作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，在制備納米銀漿混合液體系時，采用分散劑、稀釋劑、有機載體、有機溶劑和納米銀粉經(jīng)機械攪拌15-30min和超聲20-30min，超聲儀中的水溫不超過30℃，進行充分混合，得到納米銀漿混合液體系；作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，稀釋劑采用松油醇，分子式為c10h18o，沸點為214-224℃；分散劑采用無水檸檬酸鈉，純度為98％；有機載體采用聚乙烯醇縮丁醛；

b.將在所述步驟a中制備的得到的納米銀漿混合液體系進行真空加熱烘干，去除有機溶劑，得到具有設(shè)定銀質(zhì)量分數(shù)和設(shè)定黏度的納米銀漿；作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，烘干后納米銀漿中ag質(zhì)量含量為82％-90％，烘干后納米銀漿(3)的粘度為18-25pa·s；采用真空蒸發(fā)方法，使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀在真空環(huán)境下，去除有機溶劑，得到所需的納米銀漿；

c.采用銅基板作為襯底，將在所述步驟b中制備的納米銀漿均勻地涂覆在銅基板上，在銅基板上形成納米銀漿膜，將芯片覆蓋在涂有納米銀漿的位置上，并壓緊銅基板和芯片，使芯片和銅基板緊密結(jié)合；作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，銅基板的基體材料為銅，在銅基體表面依次鍍有厚度不大于6μm的鎳層和厚度不大于3μm的銀層，形成具有界面材料的銅襯底；

d.將在所述步驟c中制備的銅基板連同芯片形成的待燒結(jié)組合體放入加熱爐中進行第一次低溫燒結(jié)，控制燒結(jié)時間為25-60min，并控制燒結(jié)溫度為240-280℃，得到初步樣品；作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，進行第一次低溫燒結(jié)時，打開加熱爐電源，設(shè)置加熱燒結(jié)曲線，將在所述步驟c中制備的銅基板連同芯片形成的待燒結(jié)組合體放入加熱爐中，關(guān)閉加熱爐室門，開始第一次低溫燒結(jié)；進行第一次低溫燒結(jié)時，優(yōu)選加熱爐設(shè)置加熱燒結(jié)曲線為：從室溫加熱到燒結(jié)溫度240-280℃，在經(jīng)歷時間為10-30min后，再在燒結(jié)溫度280℃下保溫15-30min，然后隨爐冷卻至室溫，得到初步樣品；

e.將在所述步驟d中完成第一次低溫燒結(jié)后的初步樣品放在加熱臺上進行加熱，繼續(xù)進行第二次低溫燒結(jié)，控制燒結(jié)時間為5-10min，并控制燒結(jié)溫度為250-280℃，在二步加熱燒結(jié)過程結(jié)束后，除去銅基板，在芯片最后得到具有設(shè)定導熱互連結(jié)構(gòu)的納米銀熱界面材料。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選的技術(shù)方案，先放樣后升溫，具體為：進行第二次低溫燒結(jié)時，在所述步驟d中完成第一次低溫燒結(jié)后，用鑷子將燒結(jié)后的初步樣品取出，然后將初步樣品放在加熱臺中央位置上，用玻璃罩將初步樣品蓋住，并為初步樣品留有設(shè)定大小的氣口，然后打開加熱臺電源，開始第二次低溫燒結(jié)。作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選的技術(shù)方案，先升溫后放樣，進行第二次低溫燒結(jié)時，接通加熱臺電源，設(shè)置加熱臺目標溫度為250-280℃，當加熱臺升至目標溫度時，再將初步樣品放置加熱臺上，加熱時間為5-10min。

作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，采用具有設(shè)定通孔分布形式的印刷板，作為納米銀漿膜圖案化的模板，將印刷板與銅基板對準，銅基板預(yù)先采用丙酮超聲清洗，然后用乙醇清洗后擦干，用鐵勺取出在所述步驟b中制備的納米銀漿涂覆在印刷板上，再用刮板反復(fù)涂刷至少1遍，保證納米銀漿涂抹均勻，在銅基板上形成圖案化的納米銀漿膜，再用鑷子將芯片覆蓋在涂有圖案化納米銀漿的位置上，并壓緊銅基板、印刷板和芯片形成的層狀組合裝置，使銅基板、印刷板和芯片緊密結(jié)合，形成待燒結(jié)組合體，備用；在所述步驟e中，在二步加熱燒結(jié)過程結(jié)束后，除去銅基板和印刷板，在芯片最后得到具有設(shè)定導熱互連結(jié)構(gòu)的納米銀熱界面材料。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點：

1.本發(fā)明采用納米銀漿的二步燒結(jié)工藝，該工藝將加熱爐和加熱臺兩種加熱方式結(jié)合起來，既保證納米銀漿燒結(jié)過程中需要充足的氧氣環(huán)境來分解納米銀漿中的有機物成分，使燒結(jié)更徹底，納米銀顆粒之間結(jié)合更加緊密，又改善了納米銀漿燒結(jié)過程中納米銀漿上下表面及內(nèi)部受熱不均的缺點，從而使納米銀漿燒結(jié)質(zhì)量提高，采用這種低溫混合加熱燒結(jié)方法可以提高納米銀漿燒結(jié)后的導熱性和機械性能；

2.本發(fā)明方法對納米銀漿燒結(jié)后的導熱、導電和機械性能都有加大的提高，這對納米銀漿作為微電子互連材料具有很大應(yīng)用價值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例一進行組裝銅基板、印刷板、芯片和涂覆納米銀漿的工藝原理圖。

圖2為本發(fā)明實施例一制備納米銀漿的制備工藝流程圖。

圖3為本發(fā)明實施例一采用的銅基板或芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明實施例一采用的印刷板的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明實施例一采用二步燒結(jié)納米銀漿制備成型的微電子互連材料樣品示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明的優(yōu)選實施例詳述如下：

實施例一：

在本實施例中，參見圖1～5，一種二步燒結(jié)納米銀漿制備微電子互連材料的方法，包括如下步驟：

a.采用乙醇作為有機溶劑，采用分子式為c10h18o的且沸點為214-224℃的松油醇作為稀釋劑，采用純度為98％的無水檸檬酸鈉作為分散劑，采用聚乙烯醇縮丁醛作為有機載體，量取50ml的乙醇，加熱至60℃，然后使用天平稱取檸檬酸鈉0.045g、聚乙烯醇縮丁醛0.5g、松油醇0.355g，再將檸檬酸鈉、聚乙烯醇縮丁醛和松油醇依次緩慢加入乙醇溶液中，并機械攪拌10min，待乙醇溶液冷卻住至室溫，加入4.1g的純度為99.9％的且平均銀顆粒粒徑為20nm的納米ag粉，然后機械攪拌20min，將裝有納米銀混合液體系的燒杯放入超聲儀中超聲20min，控制超聲儀中的水溫不超過30℃，期間控制超聲中水溫穩(wěn)定，納米銀粉和有機溶劑進行充分均勻混合，制備均勻分散的納米銀漿混合液體系，參見圖2；

b.采用真空蒸發(fā)方法，使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀在真空環(huán)境下進行蒸干工藝，將在所述步驟a中制備的得到的納米銀漿混合液體系進行真空加熱烘干，去除有機溶劑和水，得到具有ag質(zhì)量百分比含量為82％的黏度為18pa·s的納米銀漿(3)，即在真空環(huán)境中取出乙醇和水，得到烘干后的納米銀漿(3)；

c.采用銅基板(1)作為襯底，參見圖1和圖3，采用具有設(shè)定通孔(5)分布形式的印刷板(2)，作為納米銀漿膜圖案化的模板，參見圖1和圖4，將印刷板(2)與銅基板(1)對準，銅基板(1)預(yù)先采用丙酮超聲清洗，然后用乙醇清洗后擦干，用鐵勺從燒杯中取出在所述步驟b中制備的納米銀漿(3)涂覆在預(yù)先準備的印刷板(2)上，再用刮板反復(fù)涂刷2遍，保證納米銀漿(3)涂抹均勻在銅基板(1)上，保證納米銀漿3和銅基板1緊密接觸，在銅基板(1)上形成圖案化的納米銀漿膜，再用鑷子將芯片(4)覆蓋在涂有圖案化納米銀漿(3)的位置上，并壓緊銅基板(1)、印刷板(2)和芯片(4)形成的層狀組合裝置，使銅基板(1)、印刷板(2)和芯片(4)緊密結(jié)合，形成待燒結(jié)組合體，備用；

d.打開加熱爐電源，設(shè)置加熱燒結(jié)曲線，將在所述步驟c中制備的銅基板(1)連同芯片(4)形成的待燒結(jié)組合體放入加熱爐中，關(guān)閉加熱爐室門，開始第一次低溫燒結(jié)，進行第一次低溫燒結(jié)時，加熱爐設(shè)置加熱燒結(jié)曲線為：從室溫加熱到燒結(jié)溫度240℃，在經(jīng)歷時間為30min后，再在燒結(jié)溫度280℃下保溫30min，然后隨爐冷卻至室溫，得到初步樣品；

e.在所述步驟d中完成第一次低溫燒結(jié)后，用鑷子將燒結(jié)后的初步樣品取出，然后將初步樣品放在加熱臺中央位置上，用玻璃罩將初步樣品蓋住，并為初步樣品留有設(shè)定大小的氣口，然后打開加熱臺電源，開始第二次低溫燒結(jié)，控制燒結(jié)時間為5min，并控制燒結(jié)溫度為280℃，在二步加熱燒結(jié)過程結(jié)束后，除去銅基板(1)和印刷板(2)，在芯片(4)最后得到具有設(shè)定導熱互連結(jié)構(gòu)(6)的納米銀熱界面材料，參見圖5。

參見圖1～5，本實施例采用納米銀漿的二步燒結(jié)的方法，首先制備一定量的納米銀漿3；然后將納米銀漿3進行真空加熱烘干；再將烘干后的納米銀漿均勻地涂抹在銅基板1上，將芯片4覆蓋在涂有納米銀漿3的位置并壓緊，使芯片4與銅基板1緊密結(jié)合；然后將銅基板1連同芯片4一起放入加熱爐中燒結(jié)；再將燒結(jié)后樣品繼續(xù)放在加熱臺燒結(jié)，最后得到二步燒結(jié)的納米銀漿互連結(jié)構(gòu)。本實施例采用二步燒結(jié)方法，能夠提高燒結(jié)后制備的芯片互連材料的機械強度，一定程度地降低納米銀漿燒結(jié)后的空隙率，提高了芯片互連材料的導熱效率，保證了納米銀漿燒結(jié)過程中需要充足的氧氣來分解納米銀漿中的有機成分，使燒結(jié)更徹底，又改善了單一燒結(jié)過程中納米銀漿受熱不均的缺點，從而提高了納米銀漿的燒結(jié)成型芯片互連材料的品質(zhì)，具有重要的產(chǎn)業(yè)價值。

實施例二：

本實施例與實施例一基本相同，特別之處在于：

在本實施例中，一種二步燒結(jié)納米銀漿制備微電子互連材料的方法，包括如下步驟：

a.采用乙醇作為有機溶劑，采用分子式為c10h18o的且沸點為214-224℃的松油醇作為稀釋劑，采用純度為98％的無水檸檬酸鈉作為分散劑，采用聚乙烯醇縮丁醛作為有機載體，量取50ml的乙醇，加熱至60℃，然后使用天平稱取檸檬酸鈉0.045g、聚乙烯醇縮丁醛0.5g、松油醇0.355g，再將檸檬酸鈉、聚乙烯醇縮丁醛和松油醇依次緩慢加入乙醇溶液中，并機械攪拌5min，待乙醇溶液冷卻住至室溫，加入4.1g的純度為99.9％的且平均銀顆粒粒徑為30nm的納米ag粉，然后機械攪拌10min，將裝有納米銀混合液體系的燒杯放入超聲儀中超聲30min，期間控制超聲中水溫穩(wěn)定，納米銀粉和有機溶劑進行充分均勻混合，制備均勻分散的納米銀漿混合液體系；

b.采用真空蒸發(fā)方法，使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀在真空環(huán)境下進行蒸干工藝，將在所述步驟a中制備的得到的納米銀漿混合液體系進行真空加熱烘干，去除有機溶劑和水，得到具有ag質(zhì)量百分比含量為90％的黏度為25pa·s的納米銀漿(3)，即在真空環(huán)境中取出乙醇和水，得到烘干后的納米銀漿(3)；

c.采用銅基板(1)作為襯底，采用具有設(shè)定通孔(5)分布形式的印刷板(2)，作為納米銀漿膜圖案化的模板，將印刷板(2)與銅基板(1)對準，銅基板(1)預(yù)先采用丙酮超聲清洗，然后用乙醇清洗后擦干，用鐵勺從燒杯中取出在所述步驟b中制備的納米銀漿(3)涂覆在預(yù)先準備的印刷板(2)上，再用刮板反復(fù)涂刷3遍，保證納米銀漿(3)涂抹均勻在銅基板(1)上，保證納米銀漿3和銅基板1緊密接觸，在銅基板(1)上形成圖案化的納米銀漿膜，再用鑷子將芯片(4)覆蓋在涂有圖案化納米銀漿(3)的位置上，并壓緊銅基板(1)、印刷板(2)和芯片(4)形成的層狀組合裝置，使銅基板(1)、印刷板(2)和芯片(4)緊密結(jié)合，形成待燒結(jié)組合體，備用；

d.打開加熱爐電源，設(shè)置加熱燒結(jié)曲線，將在所述步驟c中制備的銅基板(1)連同芯片(4)形成的待燒結(jié)組合體放入加熱爐中，關(guān)閉加熱爐室門，開始第一次低溫燒結(jié)，進行第一次低溫燒結(jié)時，加熱爐設(shè)置加熱燒結(jié)曲線為：從室溫加熱到燒結(jié)溫度280℃，在經(jīng)歷時間為10min后，再在燒結(jié)溫度280℃下保溫15min，然后隨爐冷卻至室溫，得到初步樣品；

e.在所述步驟d中完成第一次低溫燒結(jié)后，用鑷子將燒結(jié)后的初步樣品取出，然后將初步樣品放在加熱臺中央位置上，用玻璃罩將初步樣品蓋住，并為初步樣品留有設(shè)定大小的氣口，然后打開加熱臺電源，開始第二次低溫燒結(jié)，控制燒結(jié)時間為10min，并控制燒結(jié)溫度為250℃，在二步加熱燒結(jié)過程結(jié)束后，除去銅基板(1)和印刷板(2)，在芯片(4)最后得到具有設(shè)定導熱互連結(jié)構(gòu)(6)的納米銀熱界面材料。

本實施例采用二步燒結(jié)方法，能夠提高燒結(jié)后制備的芯片互連材料的機械強度，一定程度地降低納米銀漿燒結(jié)后的空隙率，提高了芯片互連材料的導熱效率，保證了納米銀漿燒結(jié)過程中需要充足的氧氣來分解納米銀漿中的有機成分，使燒結(jié)更徹底，又改善了單一燒結(jié)過程中納米銀漿受熱不均的缺點，從而提高了納米銀漿的燒結(jié)成型芯片互連材料的品質(zhì)，具有重要的產(chǎn)業(yè)價值。

實施例三：

本實施例與前述實施例基本相同，特別之處在于：

在所述步驟e中，在所述步驟d中完成第一次低溫燒結(jié)后，接通加熱臺電源，設(shè)置加熱臺目標溫度，當加熱臺升至目標溫度時，用鑷子將燒結(jié)后的初步樣品取出，然后將初步樣品放在加熱臺中央位置上，用玻璃罩將初步樣品蓋住，并為初步樣品留有設(shè)定大小的氣口，在目標溫度下直接進行加熱，在二步加熱燒結(jié)過程結(jié)束后，除去銅基板(1)和印刷板(2)，在芯片(4)最后得到具有設(shè)定導熱互連結(jié)構(gòu)(6)的納米銀熱界面材料。本實施例采用二步燒結(jié)方法，在第二階段燒結(jié)過程中采用先升溫在放置樣品的方法，使樣品直接在目標溫度下進行低溫燒結(jié)，減少了過程升溫程序?qū)Y(jié)工藝的影響，加熱制度易于控制，能夠提高燒結(jié)后制備的芯片互連材料的機械強度，一定程度地降低納米銀漿燒結(jié)后的空隙率，提高了芯片互連材料的導熱效率，采用二步燒結(jié)方法得到的燒結(jié)試樣，相比于單一的燒結(jié)方法，其剪切強度提高了30％，導熱率增加了25％，保證了納米銀漿燒結(jié)過程中需要充足的氧氣來分解納米銀漿中的有機成分，使燒結(jié)更徹底，又改善了單一燒結(jié)過程中納米銀漿受熱不均的缺點，從而提高了納米銀漿的燒結(jié)成型芯片互連材料的品質(zhì)，具有重要的產(chǎn)業(yè)價值。

實施例四：

本實施例與前述實施例基本相同，特別之處在于：

在所述步驟c中，采用的銅基板(1)的基體材料為銅，在銅基體表面依次鍍有厚度為6μm的鎳層和厚度為3μm的銀層，銅基板(1)的尺寸為20×20mm，銅基板(1)的厚度為0.5mm，芯片4與銅基板1的尺寸相同，尺寸也為2×2mm，厚度也為0.5mm。本實施例在銅基板(1)表面制備熱界面材料層，能更加有效地保證在后續(xù)燒結(jié)工藝過程中涂覆的納米銀漿3受熱更加均勻，從而提高了納米銀漿的燒結(jié)成型芯片互連材料的品質(zhì)，采用二步燒結(jié)方法得到的燒結(jié)試樣，相比于單一的燒結(jié)方法，其剪切強度提高了30％，導熱率增加了25％。

上面結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例進行了說明，但本發(fā)明不限于上述實施例，還可以根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明創(chuàng)造的目的做出多種變化，凡依據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案的精神實質(zhì)和原理下做的改變、修飾、替代、組合或簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，只要符合本發(fā)明的發(fā)明目的，只要不背離本發(fā)明二步燒結(jié)納米銀漿制備微電子互連材料的方法的技術(shù)原理和發(fā)明構(gòu)思，都屬于本發(fā)明的保護范圍。