含Er、納米Al的3D芯片堆疊互連材料的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及含Er、納米Al的3D芯片堆疊互連材料，屬于芯片互連材料領(lǐng)域。該互連材料主要用于三維封裝高可靠性需求的領(lǐng)域，是一種具有高性能的新型互連材料。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電子工業(yè)的快速發(fā)展，單一芯片集成度的日益增加似乎使摩爾定律很難繼續(xù)使用。為了延續(xù)摩爾定律的增長(zhǎng)趨勢(shì)，芯片封裝技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了后摩爾時(shí)代，即3D集成時(shí)代。三維封裝技術(shù)的出現(xiàn)，使電子器件向微型化和多功能化方向發(fā)展，三維封裝，即將芯片在三維空間逐層堆疊，可以實(shí)現(xiàn)減小芯片體積和提升數(shù)據(jù)傳輸速度的雙重作用。
[0003]對(duì)于二維封裝，主要通過(guò)芯片表面貼裝實(shí)現(xiàn)連接，芯片之間的面陣列焊點(diǎn)在失效后，可以通過(guò)X射線檢測(cè)，然后通過(guò)重熔恢復(fù)整個(gè)芯片的功能。但是對(duì)于三維封裝芯片堆疊，結(jié)構(gòu)是完全不同于二維封裝，三維封裝主要在二維的基礎(chǔ)上在垂直方向進(jìn)行芯片堆疊，兩層芯片之間由大量的焊點(diǎn)連接，單個(gè)焊點(diǎn)的失效直接導(dǎo)致三維封裝結(jié)構(gòu)功能的喪失，另外三維封裝結(jié)構(gòu)相對(duì)二維封裝結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，很難通過(guò)檢測(cè)進(jìn)行修復(fù)，因此三維封裝芯片堆疊互連焊點(diǎn)的可靠性直接決定了三維封裝結(jié)構(gòu)的可靠性。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)三維封裝芯片的垂直堆疊，主要采用在一定的壓力和溫度條件下，通過(guò)低熔點(diǎn)材料熔化和高熔點(diǎn)材料之間形成固-液互擴(kuò)散，形成金屬間化合物焊點(diǎn)，一般比低熔點(diǎn)材料高300°C左右，在二次鍵合的過(guò)程中，一次鍵合的金屬間化合物仍然保持高熔點(diǎn)特性，不會(huì)熔化，能夠承受后期的多次鍵合，保持焊點(diǎn)組織的穩(wěn)定性。
[0005]金屬間化合物可以實(shí)現(xiàn)三維封裝芯片堆疊鍵合，但是金屬間化合物有其自身的缺點(diǎn):(1)在低熔點(diǎn)材料和高熔點(diǎn)材料之間固-液元素互擴(kuò)散過(guò)程中，界面區(qū)域會(huì)因?yàn)槲锵囿w積收縮出現(xiàn)大量的空洞，在服役期間空洞容易成為裂紋的萌生源；(2)在服役期間，因?yàn)槿S封裝結(jié)構(gòu)材料線膨脹系數(shù)失配以及環(huán)境交變的熱循環(huán)載荷，金屬間化合物焊點(diǎn)容易成為應(yīng)力集中區(qū)，當(dāng)應(yīng)力增加到一定程度焊點(diǎn)會(huì)發(fā)生疲勞失效。以上兩個(gè)缺點(diǎn)決定了金屬間化合物焊點(diǎn)是影響三維封裝結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵所在。因此如何提高金屬間化合物焊點(diǎn)可靠性成為電子封裝領(lǐng)域的重要課題。通過(guò)研究新型的互連材料可以實(shí)現(xiàn)三維封裝結(jié)構(gòu)可靠性的顯著提高，但是目前針對(duì)該方面的研究國(guó)際社會(huì)缺乏相關(guān)的報(bào)道。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明提供含Er、納米Al的3D芯片堆疊互連材料，利用稀土元素Er、納米Al顆粒和In三者耦合作用，通過(guò)三維封裝鍵合形成高強(qiáng)度焊點(diǎn)，可以顯著提高三維封裝結(jié)構(gòu)的可靠性。服役期間具有高的使用壽命，能滿足三維封裝結(jié)構(gòu)器件的高可靠性需求。
[0007]本發(fā)明是以如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:含Er、納米Al的3D芯片堆疊互連材料，其成分及質(zhì)量百分比為:稀土 Er含量為0.01?0.5%，納米Al顆粒為3?8%，其余為In。
[0008]本發(fā)明可以采用生產(chǎn)復(fù)合金屬材料的常規(guī)制備方法得到。
[0009]本發(fā)明優(yōu)選米用的制備方法是:首先制備In-Er中間合金粉末，其次混合In-Er粉末、In粉末、混合松香樹(shù)脂、觸變劑、穩(wěn)定劑、活性輔助劑和活性劑并充分?jǐn)嚢?，最后添加納米Al顆粒，充分?jǐn)嚢柚苽涓酄詈珽r和納米Al顆粒的互連材料。
[0010]使用膏狀含Er和納米Al顆粒的互連材料，采用精密絲網(wǎng)印刷和回流焊工藝在芯片表面制備凸點(diǎn)，在壓力(IMPa?1MPa)和溫度(170°C?260°C )條件下實(shí)現(xiàn)三維空間的芯片垂直互連，形成高強(qiáng)度互連焊點(diǎn)。
[0011]上述技術(shù)方案主要的主要?jiǎng)?chuàng)造點(diǎn)在于:優(yōu)化稀土元素Er、納米Al顆粒和In的材料組分，得到高可靠性的互連材料。
[0012]本發(fā)明的機(jī)理是:通過(guò)匹配合適的互連材料，制備稀土元素Er、納米Al顆粒和In的膏狀互連材料，通過(guò)鍵合工藝形成互連焊點(diǎn)實(shí)現(xiàn)芯片堆疊互連。對(duì)于三維封裝芯片堆疊，例如Cu-1n-Cu鍵合，形成Cu3In金屬間化合物焊點(diǎn)，因?yàn)樵贑u和In元素發(fā)生互擴(kuò)散形成金屬間化合物過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)體積收縮，致使焊點(diǎn)內(nèi)部出現(xiàn)大量的空洞。另外在服役期間，因?yàn)椴牧暇€膨脹系數(shù)的失配，焊點(diǎn)極容易成為應(yīng)力集中區(qū)，當(dāng)應(yīng)力集中到一定程度焊點(diǎn)將發(fā)生早期失效。添加稀土元素Er和納米Al顆粒，稀土 Er會(huì)與基體In反應(yīng)，打破Cu和In元素互擴(kuò)散平衡，抑制界面空洞的形成，納米Al顆?？梢云鸬筋w粒強(qiáng)化的作用，提高焊點(diǎn)強(qiáng)度，另外在應(yīng)力集中達(dá)到一定程度發(fā)生變形的過(guò)程中，納米顆?？梢云鸬阶璧K位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的作用，發(fā)揮抵抗焊點(diǎn)變形的作用，因此可以提高焊點(diǎn)在服役期間的使用壽命?？紤]到高強(qiáng)度焊點(diǎn)的性能變化，最大程度發(fā)揮稀土 Er和納米Al的作用，故而控制稀土 Er含量為0.01?0.5%,納米Al顆粒含量為3?8%，其余為In。
[0013]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:用含Er、納米Al的3D芯片堆疊互連材料形成的高強(qiáng)度焊點(diǎn)具有高使用壽命以及抵抗變形的作用。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是金屬間化合物焊點(diǎn)和高強(qiáng)度焊點(diǎn)在服役期間的使用壽命。
[0015]圖2是金屬間化合物焊點(diǎn)和高強(qiáng)度焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明及效果。
[0017]下述10個(gè)實(shí)施例所使用的材料為:首先制備In-Er中間合金粉末，其次混合In-Er粉末、In粉末、混合松香樹(shù)脂、觸變劑、穩(wěn)定劑、活性輔助劑和活性劑并充分?jǐn)嚢?，最后添加納米Al顆粒，充分?jǐn)嚢柚苽涓酄詈珽r和納米Al顆粒的互連材料，采用精密絲網(wǎng)印刷和回流焊工藝在芯片表面制備凸點(diǎn)，在一定壓力(IMPa?1MPa)和溫度(170°C?260°C)條件下實(shí)現(xiàn)三維空間的芯片垂直互連，形成高強(qiáng)度互連焊點(diǎn)。本互連材料具有高可靠性，可用三維封裝芯片堆疊。
[0018]實(shí)施例1
[0019]含Er、納米Al的3D芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素Er 0.5%，納米Al顆粒8%，余量為In。
[0020]鍵合(260°C，1MPa)后形成的高強(qiáng)度焊點(diǎn)使用壽命為4500次熱循環(huán)左右(考慮了試驗(yàn)誤差)，膏狀互連材料具有優(yōu)良的可焊性。
[0021]實(shí)施例2
[0022]含Er、納米Al的3D芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素Er 0.01%，納米Al顆粒
3%，余量為In。
[0023]鍵合(200°C，8MPa)后形成的高強(qiáng)度焊點(diǎn)使用壽命為3550次熱循環(huán)左右(考慮了試驗(yàn)誤差)，膏狀互連材料具有優(yōu)良的可焊性。
[0024]實(shí)施例3
[0025]含Er、納米Al的3D芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素Er 0.02%，納米Al顆粒
4%，余量為In。
[0026]鍵合(250°C，7MPa)后形成的高強(qiáng)度焊點(diǎn)使用壽命為3700次熱循環(huán)左右(考慮了試驗(yàn)誤差)，膏狀互連材料具有優(yōu)良的可焊性。
[0027]實(shí)施例4
[0028]含Er、納米Al的3D芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素Er 0.03%，納米Al顆粒
5%，余量為In。
[0029]鍵合(220°C，6MPa)后形成的高強(qiáng)度焊點(diǎn)使用壽命為3800次熱循環(huán)左右(考慮了試驗(yàn)誤差)，膏狀互連材料具有優(yōu)良的可焊性。
[0030]實(shí)施例5
[0031]含Er、納米Al的3D芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素Er 0.1%，納米Al顆粒8%，余量為In。
[0032]鍵合(230°C，9MPa)后形成的高強(qiáng)度焊點(diǎn)使用壽命為4100次熱循環(huán)左右(考慮了試驗(yàn)誤差)，膏狀互連材料具有優(yōu)良的可焊性。
[0033]實(shí)施例6
[0034]含Er、納米Al的3D芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素Er 0.2%，納米Al顆粒7%，余量為In。
[0035]鍵合(170°C，1MPa)后形成的高強(qiáng)度焊點(diǎn)使用壽命為4000次熱循環(huán)左右(考慮了試驗(yàn)誤差)，膏狀互連材料具有優(yōu)良的可焊性。
[0036]實(shí)施例7
[0037]含Er、納米Al的3D芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素Er 0.3%，納米Al顆粒6%，余量為In。
[0038]鍵合(190°C，3MPa)后形成的高強(qiáng)度焊點(diǎn)使用壽命為3850次熱循環(huán)左右(考慮了試驗(yàn)誤差)，膏狀互連材料具有優(yōu)良的可焊性。
[0039]實(shí)施例8
[0040]含Er、納米Al的3D芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素Er 0.4%，納米Al顆粒
8%，余量為In。
[0041]鍵合(260°C，IMPa)后形成的高強(qiáng)度焊點(diǎn)使用壽命為4150次熱循環(huán)左右(考慮了試驗(yàn)誤差)，膏狀互連材料具有優(yōu)良的可焊性。
[0042]實(shí)施例9
[0043]含Er、納米Al的3D芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素Er 0.05%，納米Al顆粒
2%，余量為In。
[0044]鍵合(210°C，4MPa)后形成的高強(qiáng)度焊點(diǎn)使用壽命為3500次熱循環(huán)左右(考慮了試驗(yàn)誤差)，膏狀互連材料具有優(yōu)良的可焊性。
[0045]實(shí)施例10
[0046]含Er、納米Al的3D芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素Er 0.5%，納米Al顆粒7%，余量為In。
[0047]鍵合(260°C，1MPa)后形成的高強(qiáng)度焊點(diǎn)使用壽命為4300次熱循環(huán)左右(考慮了試驗(yàn)誤差)，膏狀互連材料具有優(yōu)良的可焊性。
[0048]實(shí)驗(yàn)例:在其他成分不變的情況下，金屬間化合物焊點(diǎn)和高強(qiáng)度焊點(diǎn)的使用壽命。
[0049]結(jié)論:添加稀土Er和納米Al顆粒可以顯著提高金屬間化合物焊點(diǎn)使用壽命，為金屬間化合物焊點(diǎn)的8.1?10.5倍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種含Er、納米Al的3D芯片堆疊互連材料，其特征在于:其成分及質(zhì)量百分比為:稀土 Er含量為0.0l?0.5%，納米Al顆粒為3?8%，其余為In。2.—種權(quán)利要求1所述的含Er、納米Al的3D芯片堆疊互連材料的制備方法，其特征在于:可以采用生產(chǎn)復(fù)合金屬材料的常規(guī)制備方法得到。3.—種權(quán)利要求1所述的含Er、納米Al的3D芯片堆疊互連材料的制備方法，其特征在于:首先制備In-Er中間合金粉末，其次混合In-Er粉末、In粉末、混合松香樹(shù)脂、觸變劑、穩(wěn)定劑、活性輔助劑和活性劑并充分?jǐn)嚢?，最后添加納米Al顆粒，充分?jǐn)嚢柚苽涓酄詈珽r和納米Al顆粒的互連材料。4.一種利用權(quán)利要求3所述方法得到的含Er、納米Al的3D芯片堆疊互連材料形成高強(qiáng)度焊點(diǎn)的方法，其特征在于:使用膏狀含Er和納米Al顆粒的互連材料，采用精密絲網(wǎng)印刷和回流焊工藝在芯片表面制備凸點(diǎn)，在壓力IMPa?1MPa和溫度170°C?260°C條件下實(shí)現(xiàn)三維空間的芯片垂直互連，形成高強(qiáng)度互連焊點(diǎn)。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了含Er、納米Al的3D芯片堆疊互連材料，屬于芯片互連材料領(lǐng)域。該互連材料的稀土Er含量為0.01～0.5％，納米Al顆粒為3～8％，其余為In。首先制備In-Er中間合金粉末，其次混合In-Er粉末、In粉末、混合松香樹(shù)脂、觸變劑、穩(wěn)定劑、活性輔助劑和活性劑并充分?jǐn)嚢?，最后添加納米Al顆粒，充分?jǐn)嚢柚苽涓酄詈珽r和納米Al顆粒的互連材料，采用精密絲網(wǎng)印刷和回流焊工藝在芯片表面制備凸點(diǎn)，在一定壓力(1MPa～10MPa)和溫度(170℃～260℃)條件下實(shí)現(xiàn)三維空間的芯片垂直互連，形成高強(qiáng)度互連焊點(diǎn)。本互連材料具有高可靠性，可用于三維封裝芯片堆疊。
【IPC分類】H01L23/532, H01L23/488, H01L21/60, H01L21/768
【公開(kāi)號(hào)】CN105185770
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510477235
【發(fā)明人】張亮, 郭永環(huán), 孫磊
【申請(qǐng)人】江蘇師范大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年12月23日
【申請(qǐng)日】2015年8月6日