一種含Sm、納米Mo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Sm、納米Mo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]對(duì)于電子行業(yè)的發(fā)展，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。而三維封裝芯片堆疊技術(shù)的出現(xiàn)，則可以使摩爾定律的失效時(shí)間大幅度推后，因此對(duì)于電子行業(yè)也進(jìn)入了后摩爾時(shí)代。三維封裝，即將芯片在三維空間的垂直堆疊，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)于二維封裝芯片堆疊鍵合，芯片主要通過貼裝實(shí)現(xiàn)芯片和基板的互連，盡管焊點(diǎn)數(shù)量較多，單一焊點(diǎn)的失效可以通過檢測(cè)和重熔實(shí)現(xiàn)焊點(diǎn)的修復(fù)，可以恢復(fù)整個(gè)電子器件的功能。但是對(duì)于三維封裝結(jié)構(gòu)，芯片是逐層鍵合，整個(gè)三維封裝結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，互連焊點(diǎn)數(shù)以百計(jì)，單一焊點(diǎn)的失效直接會(huì)使整體結(jié)構(gòu)功能的喪失，且焊點(diǎn)無法像二維的電子器件單一焊點(diǎn)失效可以通過重熔進(jìn)行修復(fù)，因此三維結(jié)構(gòu)焊點(diǎn)很難進(jìn)行修復(fù)要求焊點(diǎn)必須具有車父尚的可靠性。
[0004]對(duì)于三維封裝芯片堆疊鍵合，最主要是采取在一定的溫度和壓力條件下，通過低熔點(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)，逐漸形成單一的金屬間化合物層，金屬間化合物層的熔化溫度較高，可以保證三維封裝可以進(jìn)行下一級(jí)的芯片堆疊鍵合，前一級(jí)芯片鍵合的金屬間化合物仍然保持穩(wěn)定的微觀組織，且金屬間化合物不發(fā)生熔化。
[0005]對(duì)于三維封裝芯片堆疊鍵合，金屬間化合物可以實(shí)現(xiàn)芯片的垂直堆疊，同時(shí)可以保證后期的鍵合。但是金屬間化合物也有其自身的缺點(diǎn):(I)在瞬時(shí)液相鍵合的過程中，由于固-液互擴(kuò)散形成金屬間化合物伴隨著體積收縮，焊點(diǎn)內(nèi)部出現(xiàn)明顯的空洞，空洞的存在會(huì)成為焊點(diǎn)服役期間裂紋萌生源；(2)在服役期間，伴隨著電子產(chǎn)品的“開-關(guān)”，電子器件承受著交變的溫度載荷，因?yàn)榉庋b材料之間線膨脹系數(shù)的失配，焊點(diǎn)容易成為應(yīng)力集中區(qū)，當(dāng)應(yīng)力數(shù)值達(dá)到一定程度焊點(diǎn)將發(fā)生疲勞失效。因?yàn)橐陨系膬蓚€(gè)缺點(diǎn)導(dǎo)致金屬間化合物焊點(diǎn)是整個(gè)三維封裝薄弱區(qū)域，容易引起器件功能的喪失。因此如何提高金屬間化合物焊點(diǎn)的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(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Sm、納米Mo的芯片堆疊互連材料，利用稀土元素Sm、納米Mo和In三者耦合作用，通過三維封裝鍵合可以形成高強(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:一種含Sm、納米Mo的芯片堆疊互連材料，其成分及質(zhì)量百分比為:稀土元素Sm含量為0.01?0.5%，納米Mo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)選采用的方法是:首先采用機(jī)械研磨制備In-Sm中間合金粉末，其次混合In-Sm粉末、In粉末、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?jǐn)嚢?，最后添加納米Mo顆粒，充分?jǐn)嚢柚苽涓酄詈琒m和納米Mo顆粒的互連材料。
[0010]采用膏狀含Sm和納米Mo顆粒的互連材料，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]本發(fā)明主要解決的關(guān)鍵問題:優(yōu)化稀土元素Sm、納米Mo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:通過匹配合適的互連材料，制備含稀土元素Sm、納米Mo顆粒和In的膏狀互連材料，通過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)，在固-液元素互擴(kuò)散形成金屬間化合物過程中，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。在服役期間，因?yàn)榻蛔兊臏囟葏?shù)的變化和材料線膨脹系數(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Sm和納米Mo顆粒，Sm會(huì)與基體In反應(yīng)，打破基體中Cu和In元素?cái)U(kuò)散平衡，抑制焊點(diǎn)內(nèi)部空洞的形成，納米Mo顆粒的添加在基體中起到顆粒強(qiáng)化的作用，在焊點(diǎn)應(yīng)力集中到一定程度發(fā)生變形的過程中，納米Mo顆?？梢云鸬阶璧K位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的作用，因此具有增加焊點(diǎn)抵抗變形的能力，因此焊點(diǎn)在服役期間具有較高的使用壽命?？紤]到高強(qiáng)度焊點(diǎn)的性能變化，最大程度發(fā)揮稀土元素Sm和納米Mo顆粒的作用，故而控制稀土元素Sm含量為0.01?0.5%，納米Mo顆粒為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:一種含Sm、納米Mo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；使用壽命為現(xiàn)有金屬間化合物焊點(diǎn)的8.1?10.3倍。
【附圖說明】
[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-Sm中間合金粉末，其次混合In-Sm粉末、In粉末、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?jǐn)嚢瑁詈筇砑蛹{米Mo顆粒，充分?jǐn)嚢柚苽涓酄詈琒m和納米Mo顆粒的互連材料，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Sm、納米Mo的芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素Sm 0.5%，納米Mo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4450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Sm、納米Mo的芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素Sm 0.5%，納米Mo顆粒8%，余量為In。
[0023]鍵合(260°C，1MPa)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。
[0024]實(shí)施例3
[0025]—種含Sm、納米Mo的芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素Sm 0.02%，納米Mo顆粒4%，余量為In。
[0026]鍵合(220°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]—種含Sm、納米Mo的芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素Sm 0.03%，納米Mo顆粒5%，余量為In。
[0029]鍵合(240°C，6MPa)后形成的高強(qiáng)度焊點(diǎn)使用壽命為3810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Sm、納米Mo的芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素Sm 0.1%，納米Mo顆粒3%，余量為In。
[0032]鍵合(210°C，3MPa)后形成的高強(qiáng)度焊點(diǎn)使用壽命為3600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Sm、納米Mo的芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素Sm 0.2%，納米Mo顆粒
4%，余量為In。
[0035]鍵合(200°C，4MPa)后形成的高強(qiáng)度焊點(diǎn)使用壽命為3780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Sm、納米Mo的芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素Sm 0.3%，納米Mo顆粒5%，余量為In。
[0038]鍵合(170°C，IMPa)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。
[0039]實(shí)施例8
[0040]一種含Sm、納米Mo的芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素Sm 0.4%，納米Mo顆粒
8%，余量為In。
[0041]鍵合(260°C，1MPa)后形成的高強(qiáng)度焊點(diǎn)使用壽命為4250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Sm、納米Mo的芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素Sm 0.4%，納米Mo顆粒7%，余量為In。
[0044]鍵合(200°C，3MPa)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。
[0045]實(shí)施例10
[0046]—種含Sm、納米Mo的芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素Sm 0.4%，納米Mo顆粒
5%，余量為In。
[0047]鍵合(190°C，9MPa)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。
[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:添加稀土元素Sm和納米Mo顆?？梢燥@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?10.3倍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種含Sm、納米Mo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Sm含量為0.0l?0.5%，納米Mo顆粒為3?8%，其余為In。2.—種權(quán)利要求1所述的一種含Sm、納米Mo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Sm、納米Mo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-Sm中間合金粉末，其次混合In-Sm粉末、In粉末、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?jǐn)嚢?，最后添加納米Mo顆粒，充分?jǐn)嚢柚苽涓酄詈琒m和納米Mo顆粒的互連材料。4.一種利用權(quán)利要求3所述方法得到的一種含Sm、納米Mo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:使用膏狀含Sm和納米Mo顆粒的互連材料，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)明公開了一種含Sm、納米Mo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Sm含量為0.01～0.5％，納米Mo顆粒為3～8％，其余為In。首先采用機(jī)械研磨制備In-Sm中間合金粉末，其次混合In-Sm粉末、In粉末、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?jǐn)嚢瑁詈筇砑蛹{米Mo顆粒，充分?jǐn)嚢柚苽涓酄詈琒m和納米Mo顆粒的互連材料，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】H01L23/488
【公開號(hào)】CN105140204
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510476864
【發(fā)明人】張亮, 范希營(yíng), 閔勇
【申請(qǐng)人】江蘇師范大學(xué)
【公開日】2015年12月9日
【申請(qǐng)日】2015年8月6日