金屬間化合物填充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，尤其涉及金屬間化合物填充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)，可實現(xiàn)芯片之間或芯片與基板之間的三維垂直互連，以彌補傳統(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，提高了芯片的運行速度并降低功耗，實現(xiàn)一個系統(tǒng)或某個功能在三維結(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。在制作TSV的過程中，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TSV制作的難點之一，也是影響垂直互連可靠性的關(guān)鍵問題。對于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)點是銅具有良好的導(dǎo)電性，缺點是電鍍需要良好的種子層、電鍍時間長和工藝復(fù)雜，電鍍填充難以實現(xiàn)孔徑小于5微米的孔；主要材料為鎢的化學(xué)氣相沉積，可以實現(xiàn)小孔徑的填充，缺點是工藝復(fù)雜、時間長和成本高；釬料填充是利用熔融態(tài)的低熔點釬料通過毛細(xì)作用填充微孔，具有快速、低成本的優(yōu)點，缺點是導(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)電膠可以簡化填充工藝，但導(dǎo)電性很差，難以填充微孔。專利[中國發(fā)明專利授權(quán)公告號: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低熔點釬料與高熔點金屬層進行釬焊反應(yīng)的方法形成，優(yōu)點是降低工藝復(fù)雜度和制作成本，但缺點是釬焊反應(yīng)時間長，制作效率低，形成的金屬間化合物取向隨機，后續(xù)服役過程中易與殘留金屬層反應(yīng)形成孔洞，帶來不確定的可靠性問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明解決的技術(shù)問題是提供一種通孔填充效率高、金屬間化合物沿電流方向具有單一取向的金屬間化合物填充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]金屬間化合物填充三維封裝垂直通孔的制備方法，包括對通孔中釬料和釬料外側(cè)的金屬進行加熱處理以進行釬焊反應(yīng)，在所述通孔內(nèi)形成金屬間化合物的過程，所述加熱處理時，在所述通孔中釬料外側(cè)的金屬之間施加直流電流，在釬料內(nèi)形成電流密度。
[0007]所述對通孔中釬料和釬料外側(cè)的金屬進行加熱處理以進行釬焊反應(yīng)，所述釬焊反應(yīng)過程中釬料全部反應(yīng)形成金屬間化合物，所述通孔中無剩余釬料。
[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)取向或多晶晶體結(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]所述加熱處理的溫度高于釬料熔點的溫度，優(yōu)選為高于釬料熔點20-30°C。
[0014]所述電流密度定義為I/S，所述I為通過釬料的電流值，所述S為釬料的橫截面積。
[0015]所述電流密度不小于0.5X 104A/cm2;優(yōu)選為(0.5?7.0) X 10 Vcm2；
[0016]進一步優(yōu)選為(0.5 ?1.0) X 104A/cm2；
[0017]進一步優(yōu)選為(1.0 ?2.0) X 104A/cm2；
[0018]進一步優(yōu)選為(2.0 ?3.0) X 104A/cm2；
[0019]進一步優(yōu)選為(3.0 ?4.0) X 104A/cm2；
[0020]進一步優(yōu)選為(4.0 ?6.0) X 104A/cm2。
[0021]本發(fā)明中，在電流密度存在的條件下進行加熱處理以進行釬焊反應(yīng)的過程中，金屬和釬料的材質(zhì)、電流密度和反應(yīng)溫度是影響金屬間化合物的生長速率和結(jié)構(gòu)的最主要因素，其它因素影響較??；金屬間化合物的生長速率隨電流密度的增大而增加。因此，本發(fā)明不限于下述實施方案中的結(jié)構(gòu)。
[0022]按照本發(fā)明的一個實施方案，所述金屬間化合物填充三維封裝垂直通孔的制備方法包括如下步驟:
[0023]步驟一:提供襯底，在襯底下表面制作金屬層；
[0024]步驟二:在襯底內(nèi)形成至少一個垂直貫通穿透襯底至金屬層的通孔；
[0025]步驟三:在襯底的上表面和通孔的內(nèi)壁表面沉積粘附層，以使所述粘附層僅覆蓋于襯底的上表面和通孔的內(nèi)壁表面；當(dāng)襯底為導(dǎo)體或半導(dǎo)體襯底時，先在襯底的上表面和襯底內(nèi)通孔的內(nèi)壁表面沉積絕緣層，再將粘附層覆蓋襯底及通孔的絕緣層表面；
[0026]步驟四:在通孔內(nèi)填充釬料，形成釬料填充體，所述釬料填充體的下端與金屬層相接觸，上端高出襯底的上表面以形成釬料凸點；
[0027]步驟五:在釬料凸點上放置金屬片；
[0028]步驟六:對金屬層、釬料填充體、金屬片進行加熱處理以進行釬焊反應(yīng)，所述加熱處理時，對金屬層和金屬片施加直流電流，使電流方向由金屬層指向金屬片，在釬料填充體內(nèi)形成電流密度，直至釬料填充體全部與金屬片反應(yīng)形成金屬間化合物；
[0029]步驟七，去除剩余金屬片，對所述襯底表面平整化，拋光襯底對應(yīng)的表面，以使通孔內(nèi)的金屬間化合物與拋光后的襯底上、下表面平齊。
[0030]所述步驟六中加熱處理的溫度高于釬料熔點的溫度，優(yōu)選為高于釬料熔點20-30。。。
[0031]所述電流密度定義為I/S，所述I為通過釬料填充體的電流值，所述S為釬料填充體的橫截面積。
[0032]所述步驟七中拋光襯底的表面包括將襯底下表面剩余金屬層去除干凈的過程。該過程可有效避免金屬間化合物填充三維封裝垂直通孔在后續(xù)服役過程中，金屬間化合物易與剩余金屬層反應(yīng)形成孔洞，帶來不確定的可靠性等問題。
[0033]本發(fā)明實施方案中，使電流方向由金屬層指向金屬片形成電流密度。電流密度的存在會引起電迀移現(xiàn)象的發(fā)生。電迀移的本質(zhì)是在高電流密度作用下發(fā)生的金屬原子定向擴散迀移的現(xiàn)象。在電迀移的作用下，大量金屬原子由陰極金屬片溶解到液態(tài)釬料中，并向陽極金屬層界面進行快速迀移、擴散，顯著提高陽極界面金屬間化合物的生長速度，而陰極界面金屬間化合物的生長受到抑制。同時，電迀移促使金屬間化合物從金屬層上向著金屬片連續(xù)生長，從而有效避免形成的金屬化合物中孔洞的出現(xiàn)。
[0034]本發(fā)明中形成電流密度所采用的加電裝置為直流電源。
[0035]所述通孔可以通過刻蝕工藝制作，其直徑可根據(jù)具體需求進行設(shè)定。
[0036]所述在通孔內(nèi)形成釬料填充體可以通過電鍍釬料或灌封熔融釬料的方法實現(xiàn)。
[0037]所述在襯底下表面制作金屬層的過程可以通過濺射的方法實現(xiàn)，也可以先在襯底下表面沉積金屬，然后再電鍍或化學(xué)鍍至所需的厚度。
[0038]優(yōu)選地，所述金屬層的厚度為I?20 μπι。
[0039]所述金屬片的厚度以在釬焊反應(yīng)中釬料全部反應(yīng)完畢