一種含Lu、碳納米管的芯片堆疊互連材料的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種含Lu、碳納米管的芯片堆疊互連材料，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]在電子工業(yè)中，摩爾定律一直被認(rèn)為是指引電子器件技術(shù)的發(fā)展方向，但是隨著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。而三維封裝技術(shù)的出現(xiàn)，則可以使摩爾定律的失效時(shí)間大幅度推后，從此進(jìn)入了后摩爾時(shí)代。三維封裝可以實(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)于三維封裝結(jié)構(gòu)，主要是通過(guò)芯片的堆疊實(shí)現(xiàn)其特定的功能，首先需要對(duì)芯片垂直堆疊實(shí)現(xiàn)互連鍵合。因此互連焊點(diǎn)的可靠性也直接決定了整個(gè)三維封裝結(jié)構(gòu)的性能，實(shí)現(xiàn)電氣連接作用。在三維封裝芯片堆疊鍵合結(jié)構(gòu)中，互連焊點(diǎn)數(shù)以百計(jì)，單一焊點(diǎn)的失效即會(huì)導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的功能的喪失。并且，三維封裝結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不像二維封裝的電子器件單一焊點(diǎn)失效可以通過(guò)檢測(cè)和重熔進(jìn)行修復(fù)，因此三維結(jié)構(gòu)互連焊點(diǎn)要求必須具有較高的可靠性。
[0004]三維封裝結(jié)構(gòu)芯片堆疊鍵合，主要是通過(guò)在一定的溫度和壓力條件下，可以使低熔點(diǎn)材料熔化，和高熔點(diǎn)材料之間形成固-液互擴(kuò)散系統(tǒng)，在一定的時(shí)間內(nèi)形成單一的高熔點(diǎn)金屬間化合物，一般比低熔點(diǎn)材料高300°C左右，因此可以保證在進(jìn)行二次芯片鍵合時(shí)，第一層芯片表面的金屬間化合物焊點(diǎn)不會(huì)熔化，并且保持焊點(diǎn)組織的穩(wěn)定性，從而金屬間化合物焊點(diǎn)可以承受在服役期間芯片的多次鍵合和后期的倒裝焊。
[0005]金屬間化合物有其自身的缺點(diǎn):(I)在固-液元素互擴(kuò)散形成金屬間化合物過(guò)程中，會(huì)伴隨著發(fā)生體積收縮，在金屬間化合物界面區(qū)域出現(xiàn)明顯的空洞現(xiàn)象，空洞會(huì)成為焊點(diǎn)裂紋萌生源；(2)對(duì)于三維封裝結(jié)構(gòu)，在服役期間因?yàn)榻蛔兊臏囟妊h(huán)載荷的變化和材料線膨脹系數(shù)的失配，金屬間化合物焊點(diǎn)容易成為應(yīng)力集中區(qū)，當(dāng)應(yīng)力集中到一定程度焊點(diǎn)將會(huì)發(fā)生疲勞失效。因?yàn)橐陨系膬蓚€(gè)缺點(diǎn)致使金屬間化合物焊點(diǎn)成為三維封裝結(jié)構(gòu)最為薄弱的環(huán)節(jié)。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)明提供一種含Lu、碳納米管的芯片堆疊互連材料，利用稀土元素Lu、碳納米管和In三者耦合作用，通過(guò)三維封裝鍵合可以構(gòu)建高強(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:一種含Lu、碳納米管的芯片堆疊互連材料，其成分及質(zhì)量百分比為:稀土元素Lu含量為0.01?0.5%，碳納米管為0.05?5%，其余為In0
[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:首先采用機(jī)械研磨制備In-Lu中間合金粉末，其次混合In-Lu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)嚢瑁詈筇砑犹技{米管，充分?jǐn)嚢柚苽涓酄詈琇u和碳納米管的互連材料。
[0010]使用制備膏狀含Lu和碳納米管的互連材料，采用噴印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)。
[0011]上述技術(shù)方案主要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是:優(yōu)化稀土元素Lu、碳納米管和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，制備含稀土元素Lu、碳納米管和In的膏狀互連材料，通過(guò)瞬時(shí)液相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)樵诠?液互擴(kuò)散形成金屬間化合物的過(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)榻蛔兊沫h(huán)境溫度和材料線膨脹系數(shù)的失配，焊點(diǎn)極容易成為應(yīng)力集中區(qū)。添加稀土元素Lu和碳納米管，稀土元素Lu會(huì)與基體In反應(yīng)，打破原先Cu-1n元素互擴(kuò)散平衡，抑制焊點(diǎn)內(nèi)部空洞的形成，碳納米管可以起到強(qiáng)化的作用，提高焊點(diǎn)的強(qiáng)度，另外還扮演“鋼筋”角色，聯(lián)合金屬間化合物顆粒在焊點(diǎn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)，當(dāng)In-稀土 Lu-碳納米管應(yīng)用于三維封裝芯片堆疊互連時(shí)，焊點(diǎn)內(nèi)部形成“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)，具有抵抗焊點(diǎn)變形的作用，因此焊點(diǎn)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(diǎn)的性能變化，最大程度發(fā)揮稀土元素Lu和碳納米管的作用，故而控制稀土元素Lu含量為0.01?0.5%，碳納米管為0.05?5%，其余為In。
[0013]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:一種含Lu、碳納米管的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；焊點(diǎn)使用壽命為現(xiàn)有金屬間化合物焊點(diǎn)的9.1?12.3倍。
【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:首先采用機(jī)械研磨制備In-Lu中間合金粉末，其次混合In-Lu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?，最后添加碳納米管，充分?jǐn)嚢柚苽涓酄詈琇u和碳納米管的互連材料，采用噴印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，可用于三維封裝芯片堆疊。
[0018]實(shí)施例1
[0019]—種含Lu、碳納米管的芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素Lu 0.5%，碳納米管5%，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5300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]—種含Lu、碳納米管的芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素Lu 0.01%，碳納米管0.05%，余量為In。
[0023]鍵合(250°C，9MPa)后形成的高強(qiáng)度焊點(diǎn)使用壽命為3900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]—種含Lu、碳納米管的芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素Lu 0.02%，碳納米管0.06%，余量為In。
[0026]鍵合(240°C，8MPa)后形成的高強(qiáng)度焊點(diǎn)使用壽命為3910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]—種含Lu、碳納米管的芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素Lu 0.05%，碳納米管1%，余量為In。
[0029]鍵合(220°C，7MPa)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。
[0030]實(shí)施例5
[0031]—種含Lu、碳納米管的芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素Lu 0.1%，碳納米管2%，余量為In。
[0032]鍵合(180°C，5MPa)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。
[0033]實(shí)施例6
[0034]—種含Lu、碳納米管的芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素Lu 0.2%，碳納米管
3%，余量為In。
[0035]鍵合(170°C，IMPa)后形成的高強(qiáng)度焊點(diǎn)使用壽命為4600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]—種含Lu、碳納米管的芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素Lu 0.3%，碳納米管
4%，余量為In。
[0038]鍵合(200°C，4MPa)后形成的高強(qiáng)度焊點(diǎn)使用壽命為4890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]一種含Lu、碳納米管的芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素Lu 0.4%，碳納米管5%，余量為In。
[0041]鍵合(230°C，6MPa)后形成的高強(qiáng)度焊點(diǎn)使用壽命為5100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]—種含Lu、碳納米管的芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素Lu 0.4%，碳納米管
4%，余量為In。
[0044]鍵合(210°C，3MPa)后形成的高強(qiáng)度焊點(diǎn)使用壽命為5000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]—種含Lu、碳納米管的芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素Lu 0.4%，碳納米管3%，余量為In。
[0047]鍵合(190°C，2MPa)后形成的高強(qiáng)度焊點(diǎn)使用壽命為4800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)度結(jié)構(gòu)焊點(diǎn)的使用壽命O
[0049]結(jié)論:添加稀土元素Lu和碳納米管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9.1?12.3倍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種含Lu、碳納米管的芯片堆疊互連材料，其特征在于:其成分及質(zhì)量百分比為:稀土元素Lu含量為0.0l?0.5%，碳納米管為0.05?5%，其余為In。2.—種權(quán)利要求1所述的一種含Lu、碳納米管的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所述的一種含Lu、碳納米管的芯片堆疊互連材料的制備方法，其特征在于:首先采用機(jī)械研磨制備In-Lu中間合金粉末，其次混合In-Lu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?，最后添加碳納米管，充分?jǐn)嚢柚苽涓酄詈琇u和碳納米管的互連材料。4.一種利用權(quán)利要求3所述方法得到的一種含Lu、碳納米管的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:使用制備膏狀含Lu和碳納米管的互連材料，采用噴印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)。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種含Lu、碳納米管的芯片堆疊互連材料，屬于芯片互連材料領(lǐng)域。該互連材料的稀土元素Lu含量為0.01～0.5％，碳納米管為0.05～5％，其余為In。首先采用機(jī)械研磨制備In-Lu中間合金粉末，其次混合In-Lu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)嚢瑁詈筇砑犹技{米管，充分?jǐn)嚢柚苽涓酄詈琇u和碳納米管的互連材料，采用噴印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, H01B1/02, H01L21/60, H01B1/04, H01B13/00
【公開(kāi)號(hào)】CN105047248
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510477481
【發(fā)明人】張亮, 姜海波, 郭永環(huán)
【申請(qǐng)人】江蘇師范大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年11月11日
【申請(qǐng)日】2015年8月6日