一種3D芯片堆疊的含Eu、納米Au的互連材料的制作方法與工藝

本發明涉及一種3D芯片堆疊的含Eu、納米Au的互連材料，屬于芯片互連材料領域。該互連材料主要用于三維封裝高可靠性需求的領域，是一種具有高性能的新型互連材料。

背景技術：
隨著計算機、通訊、汽車、電子和航空等領域微電子封裝技術要求逐漸提高，電子器件向小型化、多功能和低成本方向發展，傳統的二維封裝很難滿足單一芯片高集成度的發展趨勢。而三維封裝芯片堆疊技術的出現，則可以使電子器件的尺寸達到微型化和多更能化。三維封裝，即將芯片在垂直方向實現芯片的逐層堆疊，具有實現減小芯片體積和提升數據傳輸速度的雙重作用。對于三維封裝芯片堆疊互連，為了實現其芯片的垂直互連，芯片之間主要靠焊點發揮電氣連接和芯片支撐的作用，故而焊點的可靠性直接決定了三維封裝芯片堆疊整體結構的可靠性，另外三維封裝芯片堆疊鍵合的焊點數量眾多，在服役期間焊點極容易成為應力集中區，極容易發生疲勞失效。而三維封裝芯片堆疊結構較為復雜，不像二維封裝可以通過修復恢復其特有的功能，因此三維封裝芯片堆疊焊點可靠性是整個結構的關鍵所在。為了實現三維封裝芯片堆疊鍵合，主要是采用低熔點材料在一定的溫度和壓力條件下，和高熔點金屬產生元素的互擴散，形成高熔點的金屬間化合物，以高熔點的金屬間化合物充當互連焊點實現三維芯片堆疊。高熔點金屬間化合物在三維封裝二次、三次等后期芯片鍵合的過程中不會發生熔化，保證鍵合結構的穩定性，因此這一方法也是目前電子工業中實現三維封裝芯片堆疊的主要方法。對于實現三維封裝芯片堆疊鍵合的金屬間化合物也有其自身的缺點，首先是金屬間化合物為硬脆相，由低熔點材料完全反應形成，在服役期間由于材料線膨脹系數的失配，極容易成為應力集中區，出現早期失效；其次在低熔點和高熔點材料反應過程中，因為體積收縮，容易在界面區域出現明顯的空洞。在服役期間，空洞容易成為裂紋萌生源。因為對于金屬間化合物而言，服役期間的低可靠性成為制約其發展的主要問題，因此也限制了其在三維封裝芯片堆疊中的應用，如何提高三維封裝結構金屬間化合物焊點可靠性成為電子封裝領域的重要課題。通過研究新型的互連材料可以實現三維封裝結構可靠性的顯著提高，但是目前針對該方面的研究報道相對較少。

技術實現要素：
本發明提供一種3D芯片堆疊的含Eu、納米Au的互連材料；本發明的另一目的是提供一種3D芯片堆疊的含Eu、納米Au的互連材料的制備方法；本發明的又一目的是提供一種3D芯片堆疊的含Eu、納米Au的互連材料形成高強度互連焊點的方法。本發明是以如下技術方案實現的：一種3D芯片堆疊的含Eu、納米Au的互連材料，其成分及質量百分比為：稀土Eu含量為0.01～0.5％，納米Au顆粒為5～8％，其余為In。本發明可以采用生產復合金屬材料的常規制備方法得到。本發明優選采用的制備方法是：首先制備In-Eu中間合金粉末，其次混合In-Eu粉末、In粉末、混合松香樹脂、觸變劑、穩定劑、活性輔助劑和活性劑并充分攪拌，最后添加納米Au顆粒，充分攪拌制備膏狀含Eu和納米Au顆粒的互連材料。利用3D芯片堆疊的含Eu、納米Au的互連材料形成高強度互連焊點的方法是，使用膏狀含Eu和納米Au顆粒的互連材料，采用精密絲網印刷和回流焊工藝在芯片表面制備凸點，在一定壓力(1MPa～10MPa)和溫度(170℃～260℃)條件下實現三維空間的芯片垂直互連，形成高強度互連焊點。本發明的機理是：通過匹配合適的互連材料，制備含稀土Eu元素、納米Au顆粒和In的膏狀互連材料，通過鍵合工藝形成互連焊點實現芯片堆疊互連。對于三維封裝芯片堆疊，例如Ni-In-Ni鍵合，形成Ni3In金屬間化合物焊點，因為在金屬間化合物形成過程中，元素發生互擴散，會形成體積收縮，致使焊點內部出現大量的空洞。另外在服役期間，金屬間化合物為硬脆相，因為材料線膨脹系數的失配，焊點極容易成為應力集中區，當應力達到一定程度焊點將發生疲勞失效。添加稀土元素Eu，主要通過Eu的添加影響Ni-In元素的互擴散平衡，形成Ni-In和Eu-In金屬間化合物，抑制界面空洞的形成。添加納米Au顆粒，主要起到彌散強化的作用，提高焊點的強度，另外在服役期間，納米顆粒具有釘扎位錯的作用，使互連焊點具有抵抗變形的作用。因此焊點在服役期間具有較高的使用壽命。考慮到高強度焊點的性能變化，最大程度發揮稀土元素Eu和納米Au顆粒的作用，故而控制稀土元素含量為0.01～0.5％，納米Au顆粒為5～8％，其余為In。與已有技術相比，本發明的有益效果在于：利用稀土Eu元素、納米Au顆粒和In三者耦合作用，通過三維封裝鍵合可以構建高強度互連焊點，可以顯著提高三維封裝結構的可靠性，服役期間具有高的使用壽命，使互連焊點具有抵抗變形的作用，能滿足三維封裝結構器件的高可靠性需求。附圖說明圖1是金屬間化合物焊點和高強度焊點在服役期間的使用壽命。圖2是金屬間化合物焊點和高強度焊點的剪切強度。具體實施方式下面結合實施例進一步說明本發明及效果。下述10個實施例所使用的材料為：首先制備In-Eu中間合金粉末，其次混合In-Eu粉末、In粉末、混合松香樹脂、觸變劑、穩定劑、活性輔助劑和活性劑并充分攪拌，最后添加納米Au顆粒，充分攪拌制備膏狀含Eu和納米Au顆粒的互連材料，采用精密絲網印刷和回流焊工藝在芯片表面制備凸點，在一定壓力(1MPa～10MPa)和溫度(170℃～260℃)條件下實現三維空間的芯片垂直互連，形成高強度互連焊點。本互連材料具有高可靠性，可用于三維封裝芯片堆疊。實施例1一種3D芯片堆疊的含Eu、納米Au的互連材料成分為：稀土元素Eu0.5％，納米Au顆粒5％，余量為In。鍵合(170℃，5MPa)后形成的高強度焊點使用壽命為3500次熱循環左右(考慮了試驗誤差)，膏狀互連材料具有優良的可焊性。實施例2一種3D芯片堆疊的含Eu、納米Au的互連材料成分為：稀土元素Eu0.01％，納米Au顆粒8％，余量為In。鍵合(26℃，5MPa)后形成的高強度焊點使用壽命為3750次熱循環左右(考慮了試驗誤差)，膏狀互連材料具有優良的可焊性。實施例3一種3D芯片堆疊的含Eu、納米Au的互連材料成分為：稀土元素Eu0.5％，納米Au顆粒8％，余量為In。鍵合(260℃，10MPa)后形成的高強度焊點使用壽命為4490次熱循環左右(考慮了試驗誤差)，膏狀互連材料具有優良的可焊性。實施例4一種3D芯片堆疊的含Eu、納米Au的互連材料成分為：稀土元素Eu0.02％，納米Au顆粒6％，余量為In。鍵合(200℃，6MPa)后形成的高強度焊點使用壽命為3700次熱循環左右(考慮了試驗誤差)，膏狀互連材料具有優良的可焊性。實施例5一種3D芯片堆疊的含Eu、納米Au的互連材料成分為：稀土元素Eu0.03％，納米Au顆粒8％，余量為In。鍵合(230℃，8MPa)后形成的高強度焊點使用壽命為4050次熱循環左右(考慮了試驗誤差)，膏狀互連材料具有優良的可焊性。實施例6一種3D芯片堆疊的含Eu、納米Au的互連材料成分為：稀土元素Eu0.1％，納米Au顆粒5％，余量為In。鍵合(240℃，9MPa)后形成的高強度焊點使用壽命為3450次熱循環左右(考慮了試驗誤差)，膏狀互連材料具有優良的可焊性。實施例7一種3D芯片堆疊的含Eu、納米Au的互連材料成分為：稀土元素Eu0.5％，納米Au顆粒8％，余量為In。鍵合(250℃，9MPa)后形成的高強度焊點使用壽命為4400次熱循環左右(考慮了試驗誤差)，膏狀互連材料具有優良的可焊性。實施例8一種3D芯片堆疊的含Eu、納米Au的互連材料成分為：稀土元素Eu0.4％，納米Au顆粒7％，余量為In。鍵合(210℃，8MPa)后形成的高強度焊點使用壽命為4200次熱循環左右(考慮了試驗誤差)，膏狀互連材料具有優良的可焊性。實施例9一種3D芯片堆疊的含Eu、納米Au的互連材料成分為：稀土元素Eu0.3％，納米Au顆粒6％，余量為In。鍵合(260℃，10MPa)后形成的高強度焊點使用壽命為4100次熱循環左右(考慮了試驗誤差)，膏狀互連材料具有優良的可焊性。實施例10一種3D芯片堆疊的含Eu、納米Au的互連材料成分為：稀土元素Eu0.05％，納米Au顆粒5％，余量為In。鍵合(260℃，5MPa)后形成的高強度焊點使用壽命為3400次熱循環左右(考慮了試驗誤差)，膏狀互連材料具有優良的可焊性。實驗例：在其他成分不變的情況下，金屬間化合物焊點和高強度焊點的使用壽命。結論：添加稀土Eu元素和納米Au顆粒可以顯著提高金屬間化合物焊點使用壽命，為金屬間化合物焊點的7.9～10.4倍。