專利名稱：納米金屬粒實(shí)現(xiàn)led的低溫金屬界面連接的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及LED芯片制備領(lǐng)域，尤其涉及一種納米金屬顆粒實(shí)現(xiàn)LED的低溫金屬界面連接的制備方法。
背景技術(shù)：
隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，電子產(chǎn)品向輕、薄、短、小并且功能多樣化以及高可靠性方向發(fā)展，從而對(duì)電子封裝技術(shù)提出新的要求。為了適應(yīng)這種特殊需要，倒裝芯片技術(shù)日益得到廣泛的應(yīng)用。倒裝晶片技術(shù)是通過(guò)在芯片表面形成凸點(diǎn)，晶片翻轉(zhuǎn)與地板形成連接，減小了封裝尺寸，滿足了電子產(chǎn)品的高性能(如高速、高頻、更小的引腳)，并且封裝密度高，而且使產(chǎn)品具有良好的電學(xué)性能和傳熱性能?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，倒裝芯片技術(shù)成為最有潛力的能夠適應(yīng)高密度電子封裝要求的一種重要技術(shù)。概括起來(lái)，F(xiàn)C技術(shù)的主要特點(diǎn)是:基板上直接安裝芯片；對(duì)應(yīng)的互連位置必須有焊點(diǎn)-凸點(diǎn)；羈絆和芯片的焊點(diǎn)成鏡像對(duì)稱；同時(shí)實(shí)現(xiàn)電氣和機(jī)械連接?？梢?jiàn)，在倒裝芯片封裝過(guò)程中，凸點(diǎn)形成是工藝過(guò)程中的關(guān)鍵。圖1所示為傳統(tǒng)倒裝芯片凸點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，其組成包括:芯片1、鈍化層2、鋁焊盤3、凸點(diǎn)下金屬層UBM(Under-Bump Metallurgy)4、凸點(diǎn)5。凸點(diǎn)5即是在芯片招電極焊區(qū)上形成的凸起電極，通過(guò)該電極使芯片實(shí)裝在PCB等封裝基板上。為達(dá)到凸點(diǎn)金屬5與鋁焊盤3及鈍化層2良好的粘附性，又要防止凸點(diǎn)金屬5與鋁焊盤3生成不希望有的金屬間化合物，一般應(yīng)先在凸點(diǎn)金屬下制備有粘附層、擴(kuò)散阻擋層和導(dǎo)電層的多層金屬化層4。典型的粘附金屬有Cr、T1、N1、TiN等，擴(kuò)散阻擋層金屬有W、Mo、Ni等，導(dǎo)電金屬則常用Au、Cu、Pb/Sn等，這種多種金屬化層常采用濺射、蒸發(fā)、化學(xué)鍍、電鍍等方法來(lái)完成。凸點(diǎn)金屬5的制作材料多為Au、Cu、Pb/Sn、In或它們的組合。形成凸點(diǎn)5的方法主要有電鍍法、化學(xué)鍍法、釘頭凸點(diǎn)形成法、模板印刷焊料法及熱注射焊料法等。在這些凸點(diǎn)中，Pb/Sn焊料凸點(diǎn)因具有突出優(yōu)點(diǎn)而備受重視。由于它是半球形，在倒裝焊時(shí)隨著焊料熔化可自對(duì)準(zhǔn)定位，能控制Pb/Sn焊料的塌陷程度及凸點(diǎn)高度，所以又稱為可控塌陷芯片連接技術(shù)(C4)。合金焊料雖然具有較高的熱導(dǎo)率和可靠性，但是合金焊料的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能不如純金屬好，并且由于釬焊過(guò)程中釬劑揮發(fā)等因素會(huì)產(chǎn)生空洞的存在，以及釬料與銅焊盤之間會(huì)生成金屬界面化合物層從而存在著較大的界面熱阻。基于上述原因，合金釬料作為熱界面材料，并不能很好的滿足大規(guī)模集成高密度封裝的導(dǎo)熱需要。更重要的是，當(dāng)封裝密度增加凸點(diǎn)的尺寸減小時(shí)，合金凸點(diǎn)會(huì)被焊盤金屬吃掉，形成厚厚的金屬間化合物層，尤其是在器件工作過(guò)程中，也即在通電和高溫的情況下，金屬間化合物不斷生長(zhǎng)，有可能整個(gè)凸點(diǎn)全部變成了金屬間化合物，這樣不僅增大了界面熱阻，降低了導(dǎo)熱能力。而且由于元素的遷移、空洞的產(chǎn)生等因素，有可能造成焊點(diǎn)機(jī)械連接失效，因此焊料合金已經(jīng)不能滿足高密度互連小尺寸凸點(diǎn)的需求。傳統(tǒng)焊料以SnPb合金為主，隨著工業(yè)領(lǐng)域環(huán)境保護(hù)意思的不斷增強(qiáng)，歐盟WEEE、R0HS等禁Pb法令相繼實(shí)施，我國(guó)也開(kāi)始頒布無(wú)Pb法令，封裝產(chǎn)業(yè)開(kāi)始對(duì)無(wú)Pb焊料提出更高的要求，但是目前的無(wú)Pb焊料并不能很好的滿足高密度封裝的需要。
聚合物凸點(diǎn)是一種導(dǎo)電聚合物，主要是用環(huán)氧樹(shù)脂導(dǎo)電膠來(lái)連接。其特點(diǎn)是凸點(diǎn)制作工藝簡(jiǎn)單，連接溫度低于160攝氏度，并可采用廉價(jià)的基板，是一種高效、低成本的互連凸點(diǎn)。但是任何膠黏劑都不能直接與Al電極相連接，要采用金焊盤，界面接觸電阻大，而且主題是環(huán)氧樹(shù)脂等有機(jī)物，其可靠性沒(méi)有金屬凸點(diǎn)理想。而且存在熱阻不穩(wěn)定從而升溫時(shí)會(huì)導(dǎo)致電路參數(shù)漂移，容易吸潮導(dǎo)致焊接時(shí)模塊開(kāi)裂等失效行為。
發(fā)明內(nèi)容
基于上述問(wèn)題，本發(fā)明所要解決的問(wèn)題在于提供一種納米金屬顆粒實(shí)現(xiàn)LED的低溫金屬界面連接的制備方法?！N納米金屬顆粒實(shí)現(xiàn)LED的低溫金屬界面連接的制備方法，包括如下步驟:S1、將納米金屬顆粒漿料制備在金屬熱沉的熱沉鍍層表面；S2、將經(jīng)擴(kuò)晶處理的LED芯片放置在金屬熱沉上，并使芯片背面的金屬層與納米金屬漿料充分接觸。S3、無(wú)氧氣氛下，對(duì)步驟S2進(jìn)行低溫回流處理，獲得LED芯片與熱沉的低熱阻金屬界面連接；所述納米金屬顆粒實(shí)現(xiàn)LED的低溫金屬界面連接的制備方法，步驟SI中:所述熱沉鍍層為銀鍍層或者金鍍層；納米金屬顆粒漿料中，金屬顆粒的粒徑為幾十納米 幾百納米；所述納米金屬顆粒漿料是通過(guò)點(diǎn)膠機(jī)將納米金屬顆粒制備在熱沉鍍層表面的或通過(guò)印刷方式將納米金屬顆粒制備在熱沉鍍層表面的；所述納米金屬顆粒衆(zhòng)料為納米銀顆粒衆(zhòng)料、納米SnAgCu合金衆(zhòng)料或者納米Sn顆粒漿料。所述納米金屬顆粒實(shí)現(xiàn)LED的低溫金屬界面連接的制備方法，步驟S3中，低溫回流處理時(shí)，回流溫度為100 150°C，回流保溫時(shí)間為2 60秒。所述納米金屬顆粒實(shí)現(xiàn)LED的低溫金屬界面連接的制備方法，步驟S3中，所述焊接技術(shù)包括在現(xiàn)有的固晶機(jī)臺(tái)上的回流焊接或在回流爐中的回流焊接；LED芯片背面的金屬層為銀、Au-Sn或者Sn。本發(fā)明采用微納米金屬顆粒漿料作為熱界面材料，可以與現(xiàn)有的封裝設(shè)備與生產(chǎn)線相匹配，也就是說(shuō)可以直接取代現(xiàn)有的Sn基焊料，在較低的溫度下獲得金屬凸點(diǎn)，可以有效地降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率。本發(fā)明獲得金屬凸點(diǎn)與凸點(diǎn)下金屬層(UBM)之間通過(guò)原子擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)金屬連接，而傳統(tǒng)的焊料凸點(diǎn)與UBM層之間形成厚厚的合金層，從而可以有效地降低界面熱阻和接觸電阻，提高LED芯片工作時(shí)的熱量散出能力。本發(fā)明在低溫下獲得金屬凸點(diǎn)，但是經(jīng)歷第一低溫回流焊后，已經(jīng)不再是微納米顆粒，從而具有較高的熔化溫度，可以承受后續(xù)的高溫工作環(huán)境，該種工藝可以有效地避免液態(tài)熱界面材料或者低溫焊料所存在的缺點(diǎn)。
圖1為傳統(tǒng)倒裝芯片凸點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖2為本發(fā)明納米金屬顆粒實(shí)現(xiàn)LED的低溫金屬界面連接的制備工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式一種納米金屬顆粒實(shí)現(xiàn)LED的低溫金屬界面連接的制備方法，如圖2所示，包括如下步驟:S1、將納米金屬顆粒漿料制備在金屬熱沉的熱沉鍍層(也就是凸點(diǎn)下金屬層，Under-Bump Metallurgy,即 UBM)表面；S2、將經(jīng)擴(kuò)晶處理的LED芯片放置在金屬熱沉上，并使芯片背面的金屬層與納米金屬漿料充分接觸。S3、無(wú)氧氣氛下，對(duì)步驟S2進(jìn)行低溫回流處理，獲得LED芯片與熱沉的低熱阻金屬界面連接；所述納米金屬顆粒實(shí)現(xiàn)LED的低溫金屬界面連接的制備方法，步驟SI中:所述熱沉鍍層為銀鍍層或者金鍍層；納米金屬顆粒漿料中，金屬顆粒的粒徑為幾個(gè)納米 幾百納米；所述納米金屬顆粒漿料是通過(guò)點(diǎn)膠機(jī)將納米金屬顆粒制備在熱沉鍍層表面的或通過(guò)印刷方式將納米金屬顆粒制備在熱沉鍍層表面的；其中，后者比前者有更高的生產(chǎn)效率，并且成本也會(huì)低一些，但是前者適用于高密度小尺寸凸點(diǎn)的制作；用模板印刷的方法，采用不同的模板，控制印刷壓力間隙高度等控制凸點(diǎn)尺寸大??；采用點(diǎn)膠的方式，用不同的點(diǎn)膠頭、控制壓力等參數(shù)獲得不同尺寸的凸點(diǎn)；所述納米金屬顆粒衆(zhòng)料為納米銀顆粒衆(zhòng)料、納米SnAgCu合金衆(zhòng)料或者納米Sn顆粒漿料。所述納米金屬顆粒實(shí)現(xiàn)LED的低溫金屬界面連接的制備方法，步驟S2中，低溫回流處理時(shí)，回流溫度為100 150°C，回流保溫時(shí)間為2 60秒；根據(jù)漿料成分的不同，鑒于漿料中含有揮發(fā)性助劑，直接回流焊即可，為了保護(hù)凸點(diǎn)不被氧化也可以選擇在氫氣或者惰性氣氛保護(hù)下(即無(wú)氧氣氛)低溫回流處理；由于微納米金屬顆粒漿料的熔點(diǎn)比較低，在較低溫度(100 150°C )下納米金屬顆粒漿料就可以熔化，冷卻后變成金屬凸點(diǎn)；根據(jù)漿料成分的不同，選擇合適的最佳的回流溫度，納米金屬顆粒漿料熔化的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)與熱沉鍍層熔合連接，同時(shí)凸點(diǎn)也具有比較好的質(zhì)量。通過(guò)保溫一段時(shí)間，使納米金屬顆粒充分熔化，有機(jī)物充分揮發(fā)，減少凸點(diǎn)內(nèi)部的空洞等缺陷。所述納米金屬顆粒實(shí)現(xiàn)LED的低溫金屬界面連接的制備方法，步驟S3中，所述焊接技術(shù)包括在現(xiàn)有的共晶機(jī)臺(tái)上的回流焊接或在回流爐中的回流焊接；LED芯片背面的金屬層為銀、Au-Sn或者Sn。所述納米金屬顆粒實(shí)現(xiàn)LED的低溫金屬界面連接的制備方法，步驟S3中結(jié)束后，還需進(jìn)行清洗處理:所述發(fā)明根據(jù)微納米金屬漿料種類的不同，所含的助劑等載體的不同，在回流焊接后如果有有機(jī)物殘留，為了減少這些有機(jī)物的腐蝕性和提高LED的可靠性，可以添加清洗工藝，通常采用工業(yè)酒精、丙酮或者去離子水進(jìn)行清洗。焊接完畢，根據(jù)納米銀漿的組分，如果有有機(jī)殘留，則需要對(duì)固晶后的支架進(jìn)行等離子清洗，最后烘干以備下一道工序。實(shí)驗(yàn)證明，燒結(jié)后的接合金屬層致密，熱導(dǎo)率高可以達(dá)到200W/K.m，其導(dǎo)熱性能明顯優(yōu)于現(xiàn)有的銀膠、銀漿和焊料共晶連接。接合金屬界面還具有較高的剪切強(qiáng)度，能夠滿足LED晶片的機(jī)械連接要求，并且接合界面主要成分是Ag，在老化過(guò)程中基本不存在金屬間化合物的生長(zhǎng)和接合界面金屬層的消耗問(wèn)題，可以很好的解決現(xiàn)有的焊料連接界面的金屬間化合物生長(zhǎng)導(dǎo)致界面熱阻變大甚至連接界面失效問(wèn)題。本發(fā)明采用微納米金屬顆粒漿料作為熱界面材料，可以與現(xiàn)有的封裝設(shè)備與生產(chǎn)線相匹配，也就是說(shuō)可以直接取代現(xiàn)有的Sn基焊料，在較低的溫度下獲得金屬凸點(diǎn)，可以有效地降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率。本發(fā)明獲得金屬凸點(diǎn)與凸點(diǎn)下金屬層(UBM)之間通過(guò)原子擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)金屬連接，而傳統(tǒng)的焊料凸點(diǎn)與UBM層之間形成厚厚的合金層，從而可以有效地降低界面熱阻和接觸電阻，提高LED芯片工作時(shí)的熱量散出能力。本發(fā)明在低溫下獲得金屬凸點(diǎn)，但是經(jīng)歷第一低溫回流焊后，已經(jīng)不再是微納米顆粒，從而具有較高的熔化溫度，可以承受后續(xù)的高溫工作環(huán)境，該種工藝可以有效地避免液態(tài)熱界面材料或者低溫焊料所存在的缺點(diǎn)。下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例1一種納米金屬顆粒實(shí)現(xiàn)LED的低溫金屬界面連接的制備方法，包括如下步驟:S1、將粒徑為數(shù)十納米的銀顆粒漿料制備在熱沉鍍層表面；S2、將經(jīng)擴(kuò)晶處理的LED芯片背面的銀層放置在熱沉上的納米金屬漿料層上，并使LED芯片背面的金屬層與熱沉表面的鍍層充分接觸；S3、氫氣氣氛下，100°C下，對(duì)步驟SI進(jìn)行銀顆粒漿料進(jìn)行低溫回流處理30秒，獲得銀凸點(diǎn)。實(shí)施例2一種納米金屬顆粒實(shí)現(xiàn)LED的低溫金屬界面連接的制備方法，包括如下步驟:S1、將粒徑為數(shù)十納米SnAgCu合金衆(zhòng)料制備在金屬基板電極層表面；S2、氮?dú)鈿夥障拢?80°C下，對(duì)步驟SI進(jìn)行SnAgCu合金漿料進(jìn)行低溫回流處理I分鐘，獲得SnAgCu合金凸點(diǎn)；S3、將經(jīng)擴(kuò)晶處理的LED芯片背面的Au-Sn合金層放置在SnAgCu合金凸點(diǎn)上，并通過(guò)超聲焊接技術(shù)，使LED芯片背面的Au-Sn合金層與SnAgCu合金凸點(diǎn)焊接成一體,納米SnAgCu合金顆粒實(shí)現(xiàn)LED的低溫金屬界面連接。實(shí)施例3一種納米金屬顆粒實(shí)現(xiàn)LED的低溫金屬界面連接的制備方法，包括如下步驟:S1、將粒徑為數(shù)十納米Sn漿料制備在陶瓷電極層表面；S2、氮?dú)鈿夥障拢?00°C下，對(duì)步驟SI進(jìn)行Sn漿料進(jìn)行低溫回流處理10分鐘，獲得Sn凸點(diǎn)；S3、將經(jīng)擴(kuò)晶處理的LED芯片背面的Sn層放置在Sn凸點(diǎn)上，并通過(guò)超聲焊接技術(shù),使LED芯片背面的Sn合金層與Sn凸點(diǎn)焊接成一體,納米Sn顆粒實(shí)現(xiàn)LED的低溫金屬界面連接。應(yīng)當(dāng)理解的是，上述針對(duì)本發(fā)明較佳實(shí)施例的表述較為詳細(xì)，并不能因此而認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明專利保護(hù)范圍的限制，本發(fā)明的專利保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種納米金屬顆粒實(shí)現(xiàn)LED的低溫金屬界面連接的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: 51、將納米金屬顆粒漿料制備在金屬熱沉的熱沉鍍層表面； 52、將經(jīng)擴(kuò)晶處理的LED芯片放置在金屬熱沉上，并使芯片背面的金屬層與納米金屬漿料充分接觸。
53、無(wú)氧氣氛下，對(duì)步驟S2進(jìn)行低溫回流處理，獲得LED芯片與熱沉的低熱阻金屬界面連接；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米金屬顆粒實(shí)現(xiàn)LED的低溫金屬界面連接的制備方法，其特征在于，步驟SI中，所述熱沉鍍層為Ag鍍層、Au鍍層等。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米金屬顆粒實(shí)現(xiàn)LED的低溫金屬界面連接的制備方法，其特征在于，步驟SI中，納米金屬顆粒漿料中，金屬顆粒的粒徑為幾個(gè)納米 幾百納米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米金屬顆粒實(shí)現(xiàn)LED的低溫金屬界面連接的制備方法，其特征在于，步驟SI中，所述納米金屬顆粒漿料是通過(guò)點(diǎn)膠機(jī)將納米金屬顆粒制備在熱沉鍍層表面的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米金屬顆粒實(shí)現(xiàn)LED的低溫金屬界面連接的制備方法，其特征在于，步驟SI中，所述納米金屬顆粒漿料是通過(guò)印刷方式將納米金屬顆粒制備在熱沉鍍層表面的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一所述的納米金屬顆粒實(shí)現(xiàn)LED的低溫金屬界面連接的制備方法，其特征在于，步驟SI中,所述納米金屬顆粒衆(zhòng)料為納米銀顆粒衆(zhòng)料、納米SnAgCu合金衆(zhòng)料或者納米Sn顆粒衆(zhòng)料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米金屬顆粒實(shí)現(xiàn)LED的低溫金屬界面連接的制備方法，其特征在于，步驟S2中，低溫回流處理時(shí)，回流溫度為100 150°C，回流保溫時(shí)間為5 60秒。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米金屬顆粒實(shí)現(xiàn)LED的低溫金屬界面連接的制備方法，其特征在于，步驟S3中，所述焊接技術(shù)包括在現(xiàn)有的共晶機(jī)臺(tái)上的回流焊接或在回流路中的回流焊接。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米金屬顆粒實(shí)現(xiàn)LED的低溫金屬界面連接的制備方法，其特征在于，步驟S3中，LED芯片背面的金屬層為銀、Au-Sn或者Sn。
全文摘要
本發(fā)明屬于LED芯片制備領(lǐng)域，其公開(kāi)了一種納米金屬顆粒實(shí)現(xiàn)LED的低溫金屬界面連接的制備方法，包括如下步驟將納米金屬顆粒漿料制備在金屬熱沉的熱沉鍍層表面；將LED芯片放置在納米顆粒漿料上，并且使LED芯片背面的金屬層與納米顆粒漿料充分接觸；無(wú)氧氣氛下，對(duì)步驟S1進(jìn)行低溫回流處理，實(shí)現(xiàn)LED芯片與金屬熱沉的金屬界面連接。本發(fā)明采用微納米金屬顆粒漿料作為熱界面材料，可以與現(xiàn)有的封裝設(shè)備與生產(chǎn)線相匹配，也就是說(shuō)可以直接取代現(xiàn)有的Sn基焊料，(SnPb焊料、SnAgCu焊料等)，在較低的溫度下獲得LED晶片與金屬熱沉的金屬界面連接，可以有效地降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率。
文檔編號(hào)H01L33/00GK103151430SQ20111040373
公開(kāi)日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2011年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月6日
發(fā)明者劉葳, 金鵬 申請(qǐng)人:北京大學(xué)深圳研究生院