[发明专利]一种芯片互连结构及其制备方法

说明书

本发明提供一种芯片互连结构及其制备方法，结构包括：芯片，N个纳米金属膜小片，N≥2，基板，所述纳米金属膜小片包括第一尺寸纳米金属颗及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。解决了原有金属烧结膜高孔隙率、低热导率、芯片倾斜的问题，有利于烧结后致密性的提高，提升了互连层的热导率。

技术领域

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的制备技术。

背景技术

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。

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。

现有技术一为公开号为CN103262172A的专利文献，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。

现有技术二为公开号为CN105492198A专利文献，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。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。

现有技术三为专利公开号为CN106660120A的中国专利申请，其公开了一种离散的烧结材料和使用其的固定方法。材料包括金属粉末和基材，金属粉末包括壳结构的纳米颗粒，基材包括聚合物。在聚合物基材上通过印刷或浇筑金属粉末膜，并使用特定方法使该材料形成离散形状的阵列。该方法的缺点在于一方面使用的是大片烧结金属膜，烧结过程中，居中位置产生的气体没有有效的通道排除，由此可能造成烧结后互连层孔隙率大等问题；直接使用印刷或浇筑方式制备离散形状可能导致离散小片的形状依赖印刷丝网的设计，变换形状困难；同时也会导致边缘粗糙、厚度不均、解析度低等问题。

发明内容

为克服现有技术的不足，避免原有金属烧结膜膜高孔隙率、低热导率、芯片倾斜的问题，本发明提供了一种芯片互连结构，包括：

芯片，

N个纳米金属膜小片，N≥2，