含Y、納米Ag的3D芯片堆疊互連材料的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及含Y、納米Ag的3D芯片堆疊互連材料，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】
[0002]隨著電子工業的快速發展，單一芯片集成度的日益增加似乎使摩爾定律很難繼續使用。而三維封裝芯片堆疊技術的出現，則可以使摩爾定律的失效時間大幅度推后。使電子行業進入了后摩爾時代，三維封裝技術，即將芯片在二維封裝的基礎上在垂直空間逐層堆疊，可以實現減小芯片體積和提升數據傳輸速度的雙重作用。
[0003]對于三維封裝而言，芯片主要在垂直方向獲得堆疊和互連，芯片之間的互連主要是靠焊點實現的。而焊點數量眾多，數以百計，單一焊點的失效即可引起整個三維封裝結構功能的喪失。對于二維封裝，可以通過單一焊點的重新熔化實現整個產品的修復，而三維封裝結構復雜，很難通過單一焊點的修復實現電子產品功能的恢復。因此三維封裝結構芯片堆疊要求互連焊點具有高的可靠性。
[0004]為了實現三維芯片的堆疊互連，目前電子工業主要是通過在一定的溫度和壓力條件下，使低熔點材料和高熔點材料之間形成元素互擴散，反應形成金屬間化合物。金屬間化合物熔化溫度較高，在進行二次鍵合時，一次鍵合的金屬間化合物不發生熔化，保持穩定的組織。形成高熔點金屬間化合物互連焊點也是目前三維封裝芯片堆疊的主要互連方式。
[0005]盡管金屬間化合物互連焊點可以實現芯片的垂直堆疊互連，但是金屬間化合物自身的缺點對于三維封裝也是致命的。在鍵合過程中，在低熔點材料熔化過程中，低熔點材料和高熔點材料之間形成固-液互擴散系統，低熔點材料逐漸消耗殆盡形成高熔點金屬間化合物，但是由于在物相反應中的體積收縮，會在金屬間化合物焊點內部形成空洞，在服役期間空洞容易成為裂紋的萌生源。另外，在服役期間，由于材料之間線膨脹系數的失配和環境的交變溫度變化，焊點極容易成為應力集中區，當應力增加到一定程度焊點將發生早期失效。因此金屬間化合物焊點的缺點容易導致三維封裝結構的早期失效。因此如何提高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相對較少。
【發明內容】
[0006]本發明提供含Y、納米Ag的3D芯片堆疊互連材料，利用稀土元素Y、納米Ag顆粒和In三者耦合作用，通過三維封裝鍵合可以形成高強度焊點，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，能滿足三維封裝結構器件的高可靠性需求。主要解決以下關鍵性問題:優化稀土元素Y、納米Ag顆粒和In的材料組分，得到高可靠性的互連材料。
[0007]本發明是以如下技術方案實現的:含Y、納米Ag的3D芯片堆疊互連材料，其成分及質量百分比為:稀土元素Y含量為0.01?0.5%，納米Ag顆粒為2?7%，其余為In。
[0008]本發明可以采用生產復合金屬材料的常規制備方法得到。
[0009]本發明優選米用的制備方法是:首先制備In-Y中間合金粉末，其次混合In-Y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Ag顆粒，充分攪拌制備膏狀含Y和納米Ag顆粒的互連材料。
[0010]采用膏狀含Y和納米Ag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(IMPa?1MPa)和溫度(170°C?260°C )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。
[0011]本發明的機理是:通過匹配合適的互連材料，制備含稀土元素Y、納米Ag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Cu-1n-Cu鍵合，形成Cu3In金屬間化合物焊點，因為在Cu和In反應金屬間化合物形成過程中，固-液相之間發生元素互擴散，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，因為材料線膨脹系數的失配，在交變的環境溫度條件下，焊點極容易成為應力集中區，在應力增加到一定程度焊點將發生早期失效。添加稀土元素Y和納米Ag顆粒，稀土 Y會與基體In反應，影響Cu和In元素擴散形成金屬間化合物的相平衡，達到抑制空洞的形成，納米Ag顆粒在焊點內部可以起到顆粒強化的作用，提高焊點強度，另外在焊點應力集中發生變形的過程中，納米Ag顆粒可以阻礙位錯的運動，起到釘扎位錯的作用，使焊點具有抵抗變形的作用，因此可以提高焊點的使用壽命。考慮到高強度焊點的性能變化，最大程度發揮稀土 Y和納米Ag顆粒的作用，故而控制稀土元素Y含量為0.01?0.5 %，納米Ag顆粒為2?7%，其余為In。
[0012]與已有技術相比，本發明的有益效果在于:含Y、納米Ag的3D芯片堆疊互連材料形成的高強度焊點具有高使用壽命以及抵抗變形的作用。
【附圖說明】
[0013]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。
[0014]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】
[0015]下面結合實施例進一步說明本發明及效果。
[0016]下述10個實施例所使用的材料為:首先制備In-Y中間合金粉末，其次混合In-Y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Ag顆粒，充分攪拌制備膏狀含Y和納米Ag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(IMPa?1MPa)和溫度(170°C?260°C )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，可用三維封裝芯片堆疊。
[0017]實施例1
[0018]含Y、納米Ag的3D芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素Y 0.01%，納米Ag顆粒2%，余量為In。
[0019]鍵合(170°C，5MPa)后形成的高強度焊點使用壽命為3600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。
[0020]實施例2
[0021]含Y、納米Ag的3D芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素Y 0.02%，納米Ag顆粒
3%，余量為In。
[0022]鍵合(200°C，8MPa)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。
[0023]實施例3
[0024]含Y、納米Ag的3D芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素Y 0.5%，納米Ag顆粒7%，余量為In。
[0025]鍵合(260°C，1MPa)后形成的高強度焊點使用壽命為4600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。
[0026]實施例4
[0027]含Y、納米Ag的3D芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素Y 0.4%，納米Ag顆粒6%，余量為In。
[0028]鍵合(250°C，IMPa)后形成的高強度焊點使用壽命為4300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。
[0029]實施例5
[0030]含Y、納米Ag的3D芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素Y 0.4%，納米Ag顆粒5%，余量為In。
[0031]鍵合(260°C，6MPa)后形成的高強度焊點使用壽命為4250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。
[0032]實施例6
[0033]含Y、納米Ag的3D芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素Y 0.3%，納米Ag顆粒5%，余量為In。
[0034]鍵合(210°C，7MPa)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。
[0035]實施例7
[0036]含Y、納米Ag的3D芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素Y 0.3%，納米Ag顆粒7%，余量為In。
[0037]鍵合(220°C，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。
[0038]實施例8
[0039]含Y、納米Ag的3D芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素Y 0.2%，納米Ag顆粒7%，余量為In。
[0040]鍵合(190°C，3MPa)后形成的高強度焊點使用壽命為4180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。
[0041]實施例9
[0042]含Y、納米Ag的3D芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素Y 0.2%，納米Ag顆粒
4%，余量為In。
[0043]鍵合(180°C，4MPa)后形成的高強度焊點使用壽命為4000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。
[0044]實施例10
[0045]含Y、納米Ag的3D芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素Y 0.1%，納米Ag顆粒
3%，余量為In。
[0046]鍵合(240°C，8MPa)后形成的高強度焊點使用壽命為3900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。
[0047]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。
[0048]結論:添加稀土 Y和納米Ag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8.4?10.7倍。
【主權項】
1.一種含Y、納米Ag的3D芯片堆疊互連材料，其特征在于:其成分及質量百分比為:稀土元素Y含量為0.0l?0.5%，納米Ag顆粒為2?7%，其余為In。2.—種權利要求1所述的含Y、納米Ag的3D芯片堆疊互連材料的制備方法，其特征在于:采用生產復合金屬材料的常規制備方法得到。3.—種權利要求1所述的含Y、納米Ag的3D芯片堆疊互連材料的制備方法，其特征在于:首先制備In-Y中間合金粉末，其次混合In-Y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Ag顆粒，充分攪拌制備膏狀含Y和納米Ag顆粒的互連材料。4.一種利用權利要求3所述方法得到的含Y、納米Ag的3D芯片堆疊互連材料形成高強度焊點的方法，其特征在于:使用膏狀含Y和納米Ag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，在壓力IMPa?1MPa和溫度170°C?260°C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。
【專利摘要】本發明公開了含Y、納米Ag的3D芯片堆疊互連材料，屬于芯片互連材料領域。該互連材料的稀土元素Y含量為0.01～0.5％，納米Ag顆粒為2～7％，其余為In。首先制備In-Y中間合金粉末，其次混合In-Y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Ag顆粒，充分攪拌制備膏狀含Y和納米Ag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。
【IPC分類】H01L21/60, H01L21/768, H01L23/532, H01L23/488
【公開號】CN105047646
【申請號】CN201510478767
【發明人】張亮, 郭永環, 孫磊
【申請人】江蘇師范大學
【公開日】2015年11月11日
【申請日】2015年8月6日