一種金屬間化合物填充的三維封裝垂直通孔及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電子封裝三維集成技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種三維封裝垂直通孔及其制備方法，尤其涉及一種金屬間化合物填充的三維封裝垂直通孔及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電子封裝器件不斷追求高頻高速、多功能、高性能和小體積，要求電子封裝技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)更高的集成密度和更小的封裝尺寸，封裝結(jié)構(gòu)逐漸由二維向三維方向發(fā)展。三維封裝的核心技術(shù)之一是娃通孔(Through Silicon Via，TSV)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)芯片之間或芯片與基板之間的三維垂直互連，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)半導(dǎo)體芯片二維布線的局限性。這種互連方式具有三維方向堆疊密度大、封裝后外形尺寸小、電路可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，提高了芯片的運(yùn)行速度并降低功耗，實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)或某個(gè)功能在三維結(jié)構(gòu)上的集成。TSV技術(shù)被廣泛認(rèn)為是繼引線鍵合(Wire Bonding)、載帶自動(dòng)焊(Tape Automated Bonding)和倒裝芯片(Flip Chip)之后的第四代封裝技術(shù)，逐漸成為高密度封裝領(lǐng)域的主流技術(shù)。
[0003]TSV技術(shù)在應(yīng)用方面主要存在工藝復(fù)雜和成本高的缺點(diǎn)。在制作TSV的過(guò)程中，深孔側(cè)壁呈垂直形貌的TSV可以控制在極小的尺寸，導(dǎo)致通孔填充技術(shù)成為T(mén)SV制作的難點(diǎn)之一，也是影響垂直互連可靠性的關(guān)鍵問(wèn)題。對(duì)于TSV的填充材料和方式大致有如下幾種:電鍍填充、化學(xué)氣相沉積、液態(tài)釬料填充和導(dǎo)電膠填充等。主要以電鍍銅為主的電鍍填孔優(yōu)點(diǎn)是銅具有良好的導(dǎo)電性，缺點(diǎn)是電鍍需要良好的種子層、電鍍時(shí)間長(zhǎng)和工藝復(fù)雜，電鍍填充難以實(shí)現(xiàn)孔徑小于5微米的孔；主要材料為鎢的化學(xué)氣相沉積，可以實(shí)現(xiàn)小孔徑的填充，缺點(diǎn)是工藝復(fù)雜、時(shí)間長(zhǎng)和成本高；釬料填充是利用熔融態(tài)的低熔點(diǎn)釬料通過(guò)毛細(xì)作用填充微孔，具有快速、低成本的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是導(dǎo)電性較差，與硅材料的熱膨脹系數(shù)相差較大易造成熱失配形成應(yīng)力；導(dǎo)電膠可以簡(jiǎn)化填充工藝，但導(dǎo)電性很差，難以填充微孔。專利[中國(guó)發(fā)明專利授權(quán)公告號(hào):CN102569251，授權(quán)公告日:2014年7月2日]采用金屬間化合物填充通孔，金屬間化合物是通過(guò)低熔點(diǎn)釬料與高熔點(diǎn)金屬層進(jìn)行釬焊反應(yīng)的方法形成，優(yōu)點(diǎn)是降低工藝復(fù)雜度和制作成本，但缺點(diǎn)是所需釬焊反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，制作效率低，形成的金屬間化合物由于體積收縮而產(chǎn)生空洞，且取向隨機(jī)，并在后續(xù)服役過(guò)程中易與殘留金屬層反應(yīng)形成孔洞，帶來(lái)不確定的可靠性問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種通孔填充效率高、金屬間化合物沿溫度梯度方向具有單一取向的金屬間化合物填充的三維封裝垂直通孔及其制備方法。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下，
[0006]一種金屬間化合物填充的三維封裝垂直通孔的制備方法，包括對(duì)通孔中釬料和釬料外側(cè)的金屬進(jìn)行加熱處理以進(jìn)行釬焊反應(yīng)，在所述通孔內(nèi)形成金屬間化合物的過(guò)程，其特征在于，所述加熱處理時(shí)，在所述通孔中釬料外側(cè)的金屬之間形成溫度梯度。
[0007]所述對(duì)通孔中釬料和釬料外側(cè)的金屬進(jìn)行加熱處理以進(jìn)行釬焊反應(yīng)，所述釬焊反應(yīng)過(guò)程中釬料全部反應(yīng)形成金屬間化合物，所述通孔中無(wú)剩余釬料。
[0008]本發(fā)明所述金屬和釬料的種類為本領(lǐng)域進(jìn)行釬焊反應(yīng)形成金屬間化合物通用的材料，其中，所述金屬優(yōu)選為Cu、Ni或Ag中的一種，金屬的結(jié)構(gòu)為單晶、擇優(yōu)取向或多晶結(jié)構(gòu)均可；所述釬料優(yōu)選為 Sn、In、SnCu> SnAg> SnB1、SnPb> SnAgCu> InAg 或 SnIn 中的一種。
[0009]優(yōu)選地，所述金屬為單晶或擇優(yōu)取向Cu，釬料為Sn、In或SnCu中的一種；
[0010]優(yōu)選地，所述金屬為單晶或擇優(yōu)取向Ni，釬料為Sn或In中的一種；
[0011]優(yōu)選地，所述金屬為單晶或擇優(yōu)取向Ag，釬料為Sn、In、SnAg或InAg中的一種。
[0012]本發(fā)明所述金屬的形態(tài)可以為金屬層、金屬片等可與釬料形成金屬間化合物的任意形態(tài)。
[0013]所述形成溫度梯度的金屬溫度較低的一側(cè)的溫度高于釬料熔點(diǎn)的溫度，優(yōu)選為高于釬料熔點(diǎn)20-30°C。
[0014]所述溫度梯度定義為ΛΤ/Ad，所述ΔΤ為金屬之間的溫度差，所述Ad為金屬之間的距離。
[0015]所述溫度梯度不小于20°C /cm ;優(yōu)選為溫度梯度為20_200°C /cm ;
[0016]進(jìn)一步優(yōu)選為20?50°C/cm ;
[0017]進(jìn)一步優(yōu)選為50?60°C/cm ;
[0018]進(jìn)一步優(yōu)選為60?80°C /cm ；
[0019]進(jìn)一步優(yōu)選為80?90 °C/cm;
[0020]進(jìn)一步優(yōu)選為90?165°C /cm ；
[0021]進(jìn)一步優(yōu)選為165 ?175°C/cm。
[0022]本發(fā)明中，在溫度梯度存在的條件下進(jìn)行加熱處理以進(jìn)行釬焊反應(yīng)的過(guò)程中，金屬和釬料的材質(zhì)、溫度梯度和反應(yīng)溫度是影響金屬間化合物的生長(zhǎng)速率和結(jié)構(gòu)的最主要因素，其它因素影響較小；金屬間化合物的生長(zhǎng)速率隨溫度梯度的增大而增加。因此，本發(fā)明不限于下述兩種實(shí)施方案中的結(jié)構(gòu)。
[0023]按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，所述金屬間化合物填充的三維封裝垂直通孔的制備方法包括如下步驟:
[0024]步驟一:提供襯底，在襯底內(nèi)形成至少一個(gè)垂直貫通穿透襯底的通孔；
[0025]步驟二:在所述襯底的上表面和通孔的內(nèi)壁表面沉積粘附層；當(dāng)襯底為導(dǎo)體或半導(dǎo)體襯底時(shí)，先在襯底的上表面和通孔的內(nèi)壁表面沉積絕緣層，再在絕緣層表面沉積粘附層；
[0026]步驟三:在所述粘附層的表面形成金屬層I ;
[0027]步驟四:在所述通孔內(nèi)填充釬料，形成釬料填充體I ;
[0028]步驟五:對(duì)所述金屬層I和釬料填充體I進(jìn)行加熱處理以進(jìn)行釬焊反應(yīng)，形成金屬間化合物，所述加熱處理時(shí)，在平行于所述通孔的直徑方向形成溫度梯度；
[0029]步驟六:對(duì)所述襯底表面平整化，拋光襯底的表面，以使通孔內(nèi)的金屬間化合物與拋光后的襯底表面平齊。
[0030]所述步驟五中加熱處理時(shí)，在平行于所述通孔的直徑方向形成溫度梯度，其中，金屬層I溫度較低的一側(cè)的溫度高于釬料熔點(diǎn)的溫度，優(yōu)選為高于釬料熔點(diǎn)20-30°C。
[0031]所述溫度梯度定義為ΛΤ/Ad，所述Δ T為通孔I直徑方向上的溫度差，所述Ad為通孔I的直徑。
[0032]按照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案，所述金屬間化合物填充的三維封裝垂直通孔的制備方法包括如下步驟:
[0033]步驟一’:提供襯底，在襯底下表面形成金屬層II ;
[0034]步驟二’:在襯底內(nèi)形成至少一個(gè)垂直貫通穿透襯底至金屬層II的通孔；
[0035]步驟三’:在襯底的上表面和通孔的內(nèi)壁表面沉積粘附層；當(dāng)襯底為導(dǎo)體或半導(dǎo)體襯底時(shí)，先在襯底的上表面和通孔的內(nèi)壁表面沉積絕緣層，再在絕緣層表面沉積粘附層；
[0036]步驟四’:在所述通孔內(nèi)填充釬料，形成釬料填充體II ;所述釬料填充體II的下端與金屬層II相接觸，上端高出襯底的上表面以形成釬料凸點(diǎn)；
[0037]步驟五’:在所述釬料凸點(diǎn)上放置金屬片；
[0038]步驟六’:對(duì)所述金屬片、釬料填充體I1、金屬層II進(jìn)行加熱處理以進(jìn)行釬焊反應(yīng)，在所述通孔內(nèi)形成金屬間化合物，所述加熱處理時(shí)，在垂直于所述通孔的直徑方向形成溫度梯度，溫度梯度的方向由金屬層II指向金屬片；
[0039]步驟七’:對(duì)所述襯底表面平整化，拋光襯底的表面，以使通孔內(nèi)的金屬間化合物與拋光后的襯底表面平齊。
[0040]所述步驟六’中加熱處理時(shí)使金屬層II的溫度低于金屬片的溫度以形成溫度梯度，其中，金屬層II的溫度高于釬料熔點(diǎn)的溫度，優(yōu)選為高于釬料熔點(diǎn)20-30°C。
[0041]所述溫度梯度定義為Λ T/Λ d，所述Δ T為金屬片上表面與金屬層II下表面之間的溫度差，所述Ad為金屬片上表面與金屬層II下表面之間的距離。
[0042]所述步驟七’中拋光襯底的表面包括將襯底下表面殘余金屬層去除干凈的過(guò)程。該過(guò)程可