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一種用于3D封裝芯片堆疊的In基互連材料的制作方法

文檔序號:9419031閱讀:483來源:國知局
一種用于3D封裝芯片堆疊的In基互連材料的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于3D封裝芯片堆疊的In基互連材料,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]隨著超大規(guī)模集成電路的快速發(fā)展,芯片互連技術(shù)成為新一代制造技術(shù)的核心技術(shù),而3D封裝芯片堆疊鍵合技術(shù)成為互連技術(shù)中較為關(guān)鍵的技術(shù),因此三維封裝技術(shù)成為電子行業(yè)國內(nèi)外研究者探討的熱點。通過實現(xiàn)芯片在Z軸方向的堆疊,實現(xiàn)減小芯片體積和提升數(shù)據(jù)傳輸速度的雙重作用。因此,三維封裝芯片堆疊的互連技術(shù)成為三維封裝的關(guān)鍵技術(shù)。
[0003]芯片在三維空間的垂直堆疊,垂直結(jié)構(gòu)互連焊點直接決定了三維封裝結(jié)構(gòu)的可靠性和使用壽命。為了實現(xiàn)三維封裝芯片的互連,在芯片堆疊鍵合過程中形成數(shù)以百計甚至千計的互連焊點,單一焊點的失效直接導(dǎo)致三維封裝整體結(jié)構(gòu)功能的喪失。對于二維的電子器件單一焊點失效可以通過重熔進行修復(fù),而三維結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,單一焊點很難進行修復(fù),因此三維封裝互連焊點需要具有很高的可靠性。
[0004]在三維封裝結(jié)構(gòu)中,對于現(xiàn)有的互連技術(shù),主要是采用低熔點材料和高熔點材料在一定的壓力和溫度條件下,通過固-液元素互擴散形成金屬間化合物,通過高熔點金屬間化合物實現(xiàn)芯片互連。金屬間化合物熔化溫度較高,可以承受芯片的多次鍵合和后期的倒裝焊。這種鍵合方法可以實現(xiàn)三維封裝芯片堆疊互連,但是金屬間化合物自身的特性卻制約了三維封裝結(jié)構(gòu)的可靠性。
[0005]對于三維封裝芯片堆疊的金屬間化合物,其是在固-液元素互擴散過程中形成的,但是物相反應(yīng)過程伴隨著體積收縮發(fā)生,在界面區(qū)域出現(xiàn)明顯的空洞現(xiàn)象,空洞會成為焊點裂紋萌生源;另外在三維封裝結(jié)構(gòu)服役期間,由于封裝材料之間線膨脹系數(shù)的失配,金屬間化合物焊點容易成為應(yīng)力集中區(qū),當應(yīng)力集中到一定程度焊點將會發(fā)生疲勞失效。因此金屬間化合物焊點自身的缺點直接導(dǎo)致了三維封裝結(jié)構(gòu)的早期失效。因此如何提高三維封裝結(jié)構(gòu)可靠性成為電子封裝領(lǐng)域的重要課題。通過研究新型的互連材料可以實現(xiàn)三維封裝結(jié)構(gòu)可靠性的顯著提高,但是目前針對該方面的研究國際社會缺乏相關(guān)的報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供一種用于3D封裝芯片堆疊的In基互連材料,借助亞微米Co顆粒、SiC納米線和In三者耦合作用,在三維封裝芯片堆疊鍵合中在一定的壓力和溫度條件下可以反應(yīng)生成“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)焊點,可以顯著提高三維封裝結(jié)構(gòu)的可靠性。在服役期間焊點因為特殊的結(jié)構(gòu),可以保證具有高的使用壽命,滿足三維封裝結(jié)構(gòu)器件的高可靠性需求。主要解決以下關(guān)鍵性問題:優(yōu)化亞微米Co顆粒、SiC納米線和In的材料組分,得到具有優(yōu)良可焊性的互連材料,鍵合后形成的互連焊點具有高可靠性。
[0007]本發(fā)明是以如下技術(shù)方案實現(xiàn)的:一種用于3D封裝芯片堆疊的In基互連材料,其成分及質(zhì)量百分比為:亞微米Co顆粒含量為4?6%,SiC納米線為6?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)選采用的方法是:使用市售的In粉、混合松香樹脂、觸變劑、穩(wěn)定劑、活性輔助劑和活性劑并充分攪拌,然后添加亞微米Co顆粒,最后添加SiC納米線,充分攪拌制備膏狀含Co顆粒和SiC納米線的In基互連材料,采用噴印工藝在芯片表面制備凸點,在一定壓力(IMPa?1MPa)和溫度(170°C?260°C )條件下實現(xiàn)芯片的垂直堆疊互連,形成“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)焊點。
[0010]本發(fā)明的機理是:通過選擇亞微米Co顆粒、SiC納米線以及In粉,輔以混合松香樹脂、觸變劑、穩(wěn)定劑、活性輔助劑和活性劑并充分攪拌制備膏狀互連材料,在一定的壓力和溫度條件下鍵合實現(xiàn)三維封裝芯片堆疊互連。添加亞微米Co顆粒和SiC納米線,Co會與基體In反應(yīng),形成亞微米CoIn2顆粒,CoIn 2顆粒扮演“石子”角色,SiC納米線扮演“鋼筋”角色,因此焊點內(nèi)部結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu),當In-SiC納米線-亞微米Co顆粒材料應(yīng)用于三維封裝芯片堆疊互連時,形成的焊點內(nèi)部會出現(xiàn)“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)。對于三維封裝芯片堆疊,例如Cu-1n-Cu鍵合,形成Cu-1n金屬間化合物焊點,因為在元素互擴散形成金屬間化合物的過程中出現(xiàn)明顯的體積收縮導(dǎo)致的空洞效應(yīng),另外因為材料線膨脹系數(shù)的失配,焊點也容易成為應(yīng)力集中區(qū),二者導(dǎo)致焊點早期失效。添加亞微米Co顆粒和SiC納米線,在元素反應(yīng)過程中,可以通過影響元素擴散和異質(zhì)形核而抑制空洞形成,因為鋼筋混凝土的特殊結(jié)構(gòu),焊點所能承受的應(yīng)力極限也明顯大幅度增加。具有阻止焊點疲勞裂紋的擴展,抵抗焊點變形的作用,因此“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)焊點在服役期間具有較高的使用壽命??紤]到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)焊點的性能變化,最大程度發(fā)揮“鋼筋”和“石子”的作用,故而控制納米亞微米Co顆粒含量為4?6%,SiC納米線為6?8%,其余為In。
[0011 ] 與已有技術(shù)相比,本發(fā)明的有益效果在于:可以實現(xiàn)低溫鍵合,并且“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)焊點具有高使用壽命以及抵抗變形的作用。
【附圖說明】
[0012]圖1:金屬間化合物焊點和“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)焊點在服役期間的使用壽命。
【具體實施方式】
[0013]下面結(jié)合實施例進一步說明本發(fā)明及效果。
[0014]下述9個實施例所使用的材料為:使用市售的In粉、混合松香樹脂、觸變劑、穩(wěn)定劑、活性輔助劑和活性劑并充分攪拌,然后添加亞微米Co顆粒,最后添加SiC納米線,充分攪拌制備膏狀含亞微米Co顆粒和SiC納米線的In基互連材料,采用噴印工藝在芯片表面制備凸點,在一定壓力(IMPa?1MPa)和溫度(170°C?260°C )條件下實現(xiàn)芯片的垂直堆疊互連,形成“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)焊點。本互連材料具有高可靠性,可用三維封裝芯片堆疊。
[0015]實施例1
[0016]用于3D封裝芯片堆疊的In基互連材料成分為:亞微米Co顆粒4%,SiC納米線6%,余量為In。
[0017]鍵合(260°C,1MPa)后形成的“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)焊點使用壽命為3450次熱循環(huán)左右(考慮了試驗誤差),膏狀互連材料具有優(yōu)良的可焊性。
[0018]實施例2
[0019]用于3D封裝芯片堆疊的In基互連材料成分為:亞微米Co顆粒4%,SiC納米線8%,余量為In。
[0020]鍵合(255°C,5MPa)后形成的“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)焊點使用壽命為4000次熱循環(huán)左右(考慮了試驗誤差),膏狀互連材料具有優(yōu)良的可焊性。
[0021]實施例3
[0022]用于3D封裝芯片堆疊的In基互連材料成分為:亞微米Co顆粒4%,SiC納米線7%,余量為In。
[0023]鍵合(170°C,IMPa)后形成的“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)焊點使用壽命為3500次熱循環(huán)左右(考慮了試驗誤差),膏狀互連材料具有優(yōu)良的可焊性。
[0024]實施例4
[0025]用于3D封裝芯片堆疊的In基互連材料成分為:亞微米Co顆粒5%,SiC納米線6%,余量為In。
[0026]鍵合(255°C,8MPa)后形成的“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)焊點使用壽命為3800次熱循環(huán)左右(考慮了試驗誤差),膏狀互連材料具有優(yōu)良的可焊性。
[0027]實施例5
[0028]用于3D封裝芯片堆疊的In基互連材料成分為:亞微米Co顆粒5%,SiC納米線7%,余量為In。
[0029]鍵合(245°C,9MPa)后形成的“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)焊點使用壽命為3950次熱循環(huán)左右(考慮了試驗誤差),膏狀互連材料具有優(yōu)良的可焊性。
[0030]實施例6
[0031]用于3D封裝芯片堆疊的In基互連材料成分為:亞微米Co顆粒5%,SiC納米線8%,余量為In。
[0032]鍵合(200°C,7MPa)后形成的“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)焊點使用壽命為4150次熱循環(huán)左右(考慮了試驗誤差),膏狀互連材料具有優(yōu)良的可焊性。
[0033]實施例7
[0034]用于3D封裝芯片堆疊的In基互連材料成分為:亞微米Co顆粒6%,SiC納米線6%,余量為In。
[0035]鍵合(210°C,9MPa)后形成的“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)焊點使用壽命為3950次熱循環(huán)左右(考慮了試驗誤差),膏狀互連材料具有優(yōu)良的可焊性。
[0036]實施例8
[0037]用于3D封裝芯片堆疊的In基互連材料成分為:亞微米Co顆粒6%,SiC納米線7%,余量為In。
[0038]鍵合(230°C,1MPa)后形成的“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)焊點使用壽命為4050次熱循環(huán)左右(考慮了試驗誤差),膏狀互連材料具有優(yōu)良的可焊性。
[0039]實施例9
[0040]用于3D封裝芯片堆疊的In基互連材料成分為:亞微米Co顆粒6%,SiC納米線8%,余量為In。
[0041]鍵合(260°C,1MPa)后形成的“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)焊點使用壽命為4450次熱循環(huán)左右(考慮了試驗誤差),膏狀互連材料具有優(yōu)良的可焊性。
[0042]實驗例:在其他成分不變的情況下,金屬間化合物焊點和“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)焊點的使用壽命。
[0043]結(jié)論:添加亞微米Co顆粒和SiC納米線可以顯著提高金屬間化合物焊點使用壽命,提高幅度為金屬間化合物焊點的8?10倍。
【主權(quán)項】
1.一種用于3D封裝芯片堆疊的In基互連材料,其特征在于:其成分及質(zhì)量百分比為:亞微米Co顆粒含量為4?6%,SiC納米線為6?8%,其余為Sn。2.—種權(quán)利要求1所述的用于3D封裝芯片堆疊的In基互連材料的制備方法,其特征在于: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所述的用于3D封裝芯片堆疊的In基互連材料的制備方法,其特征在于:使用市售的In粉、混合松香樹脂、觸變劑、穩(wěn)定劑、活性輔助劑和活性劑并充分攪拌,然后添加亞微米Co顆粒,最后添加SiC納米線,充分攪拌制備膏狀含亞微米Co顆粒和SiC納米線的In基互連材料。4.一種利用權(quán)利要求1、或2、或3所述的3D封裝芯片堆疊的In基互連材料形成“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)焊點的方法,其特征在于:使用3D封裝芯片堆疊的In基互連材料,采用噴印工藝在芯片表面制備凸點,在壓力IMPa?1MPa和溫度170°C?260°C條件下實現(xiàn)芯片的垂直堆疊互連,形成“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)焊點。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于3D封裝芯片堆疊的In基互連材料,屬于芯片互連材料領(lǐng)域。該互連材料的亞微米Co顆粒含量為4~6%,SiC納米線為6~8%,其余為In。使用市售的In粉、混合松香樹脂、觸變劑、穩(wěn)定劑、活性輔助劑和活性劑并充分攪拌,然后添加亞微米Co顆粒,最后添加SiC納米線,充分攪拌制備膏狀含亞微米Co顆粒和SiC納米線的互連材料,采用噴印技術(shù)在芯片表面制備凸點,在一定壓力(1MPa~10MPa)和溫度(170℃~260℃)條件下實現(xiàn)芯片的垂直堆疊互連,形成“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)焊點。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】H01L21/768, H01L23/532
【公開號】CN105140209
【申請?zhí)枴緾N201510364023
【發(fā)明人】張亮, 郭永環(huán), 孫磊
【申請人】江蘇師范大學
【公開日】2015年12月9日
【申請日】2015年6月26日
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