CN105047645A - 一种用于三维封装芯片堆叠的Sn基互连材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于三维封装芯片堆叠的Sn基互连材料，属于芯片互连材料领域。该互连材料的纳米石墨烯颗粒含量为5～8％，SiC纳米线为6～10％，其余为Sn。使用市售的Sn粉、混合松香树脂、触变剂、稳定剂、活性辅助剂和活性剂并充分搅拌，然后添加纳米石墨烯颗粒，最后添加SiC纳米线，充分搅拌制备膏状含纳米石墨烯颗粒和SiC纳米线的互连材料，采用喷印方法在芯片表面制备凸点，在一定压力(1MPa～10MPa)和温度(235℃～260℃)条件下实现芯片的垂直堆叠互连，形成“钢筋混凝土”结构焊点。本互连材料具有高可靠性，可用于三维封装芯片堆叠。

Description

一种用于三维封装芯片堆叠的Sn基互连材料
技术领域
本发明涉及一种用于三维封装芯片堆叠的Sn基互连材料，属于芯片互连材料领域。该互连材料主要用于三维封装高可靠性需求的领域，是一种具有高性能的新型互连材料。
背景技术
随着便携式电子产品的快速发展，电子器件逐渐向低功率、轻型以及小型封装方向发展。二维组装密度已经达到理论最大值的情况下，三维封装芯片堆叠技术已经成为国际社会追逐的热点。三维封装，即将芯片在三维空间逐层堆叠，可以实现减小芯片体积和提升数据传输速度的双重作用。
由于芯片在Z轴方向堆叠，芯片会出现明显的接触点，这些接触点国际社会的研究者主要通过键合产生互连焊点，以实现芯片的垂直堆叠互连。随着芯片层数的增加，芯片之间的互连焊点数也明显增加，单一焊点的失效会导致整个结构的失效。对于二维组装，焊点容易维修，而三维封装结构过于复杂，结构尺寸较小，目前工业的尺寸可以达到10μm左右，无疑三维封装很难通过维修单个焊点恢复整体结构的功能。因此，三维封装芯片堆叠需要互连焊点具有较高的可靠性。
对于业界的研究成果，实现三维封装芯片堆叠的常规方法是采用低熔点材料和高熔点材料通过固-液互扩散形成高熔点金属间化合物，实现芯片的堆叠，金属间化合物的熔化温度较高，一般比低熔点材料高300℃左右，因此可以保证在进行二次芯片键合时，一次键合芯片之间的金属间化合物焊点不会熔化，这样整个结构可以承受多次键合和后期的倒装焊。
尽管形成金属间化合物可以实现芯片的三维堆叠与互连，但是在服役期间因为金属间化合物自身的缺点会导致焊点早期失效。在芯片堆叠键合过程中，由于低熔点材料和高熔点材料之间的固-液元素互扩散，形成金属间化合物的过程中伴随着体积收缩，在界面区域会生成一定量的收缩空洞，空洞会成为裂纹萌生源；另外在服役期间，因为长时间的“开-关”过程中，导致焊点承受着交变的热循环载荷，由于三维封装材料之间的线膨胀系数的失配，金属间化合物焊点容易成为应力集中区，长时间的服役，因为应力集中导致焊点率先出现疲劳裂纹。因此也因为金属间化合物焊点以上的两个缺点导致三维封装结构容易发生早期失效。因此研发新型的三维封装互连材料是提高三维封装结构互连焊点可靠性的关键，但是目前针对该方面的研究国际社会缺乏相关的报道。
发明内容
本发明提供一种用于三维封装芯片堆叠的Sn基互连材料，利用纳米石墨烯颗粒、SiC纳米线和Sn三者耦合作用，通过三维封装键合可以构建“钢筋混凝土”结构焊点，可以显著提高三维封装结构的可靠性。服役期间具有高的使用寿命，能满足三维封装结构器件的高可靠性需求。主要解决以下关键性问题：优化纳米石墨烯颗粒、SiC纳米线和Sn的材料组分，获得用于三维封装互连的高可靠性互连材料。
本发明是以如下技术方案实现的：一种用于三维封装芯片堆叠的Sn基互连材料，其成分及质量百分比为：纳米石墨烯颗粒含量为5～8％，SiC纳米线为6～10％，其余为Sn。
本发明可以采用生产复合金属材料的常规制备方法得到。
本发明优选采用的方法是：使用市售的Sn粉、混合松香树脂、触变剂、稳定剂、活性辅助剂和活性剂并充分搅拌，然后添加纳米石墨烯颗粒，最后添加SiC纳米线，充分搅拌制备膏状含纳米石墨烯颗粒和SiC纳米线的互连材料，采用喷印方法在芯片表面制备凸点，在一定压力(1MPa～10MPa)和温度(235℃～260℃)条件下实现芯片的垂直堆叠互连，形成“钢筋混凝土”结构焊点。
本发明的机理是：纳米石墨烯和SiC纳米线导电性较好，通过与Sn粉进行耦合匹配，辅以触变剂、松香等，制备含纳米石墨烯颗粒、SiC纳米线和Sn的膏状互连材料，通过喷印工艺在芯片表面形成凸点，加热和加压形成互连焊点实现芯片堆叠互连。由于在三维封装堆叠键合过程中形成金属间化合物焊点，空洞和应力集中成为焊点的两个致命缺陷。添加纳米石墨烯颗粒，在键合后的焊点内部扮演“石子”角色，SiC纳米线扮演“钢筋”角色，因此焊点内部结构会出现“钢筋混凝土”结构，当Sn-纳米石墨烯-SiC纳米线应用于三维封装芯片堆叠互连时，焊点内部形成“钢筋混凝土”结构，具有阻止焊点疲劳裂纹的扩展，抵抗焊点变形的作用，因此焊点在服役期间具有较高的使用寿命，同时会提升芯片内部信号的传输速度。考虑到钢筋混凝土结构焊点的性能变化，最大程度发挥“钢筋”和“石子”的作用，故而控制纳米石墨烯颗粒含量为5～8％，SiC纳米线为6～10％，其余为Sn。
与已有技术相比，本发明的有益效果在于：“钢筋混凝土”结构焊点具有高使用寿命以及抵抗变形的作用。
附图说明
图1：金属间化合物焊点和“钢筋混凝土”结构焊点在服役期间的使用寿命。
具体实施方式
下面结合实施例进一步说明本发明及效果。
下述10个实施例所使用的材料为：使用市售的Sn粉、混合松香树脂、触变剂、稳定剂、活性辅助剂和活性剂并充分搅拌，然后添加纳米石墨烯颗粒，最后添加SiC纳米线，充分搅拌制备膏状含纳米石墨烯颗粒和SiC纳米线的互连材料，采用喷印方法在芯片表面制备凸点，在一定压力(1MPa～10MPa)和温度(235℃～260℃)条件下实现芯片的垂直堆叠互连，形成“钢筋混凝土”结构焊点。本互连材料具有高可靠性，可用于三维封装芯片堆叠。
实施例1
用于三维封装芯片堆叠的Sn基互连材料成分为：纳米石墨烯5％，SiC纳米线6％，余量为Sn。
键合(260℃，1MPa)后形成的“钢筋混凝土”结构焊点使用寿命为3750次热循环左右(考虑了试验误差)，膏状互连材料具有优良的可焊性。
实施例2
用于三维封装芯片堆叠的Sn基互连材料成分为：纳米石墨烯8％，SiC纳米线10％，余量为Sn。
键合(255℃，10MPa)后形成的“钢筋混凝土”结构焊点使用寿命为4950次热循环左右(考虑了试验误差)，膏状互连材料具有优良的可焊性。
实施例3
用于三维封装芯片堆叠的Sn基互连材料成分为：纳米石墨烯8％，SiC纳米线9％，余量为Sn。
键合(235℃，5MPa)后形成的“钢筋混凝土”结构焊点使用寿命为4700次热循环左右(考虑了试验误差)，膏状互连材料具有优良的可焊性
实施例4
用于三维封装芯片堆叠的Sn基互连材料成分为：纳米石墨烯8％，SiC纳米线8％，余量为Sn。
键合(240℃，8MPa)后形成的“钢筋混凝土”结构焊点使用寿命为4550次热循环左右(考虑了试验误差)，膏状互连材料具有优良的可焊性
实施例5
用于三维封装芯片堆叠的Sn基互连材料成分为：纳米石墨烯7％，SiC纳米线10％，余量为Sn。
键合(245℃，10MPa)后形成的“钢筋混凝土”结构焊点使用寿命为4650次热循环左右(考虑了试验误差)，膏状互连材料具有优良的可焊性
实施例6
用于三维封装芯片堆叠的Sn基互连材料成分为：纳米石墨烯7％，SiC纳米线8％，余量为Sn。
键合(260℃，5MPa)后形成的“钢筋混凝土”结构焊点使用寿命为4400次热循环左右(考虑了试验误差)，膏状互连材料具有优良的可焊性
实施例7
用于三维封装芯片堆叠的Sn基互连材料成分为：纳米石墨烯7％，SiC纳米线7％，余量为Sn。
键合(235℃，8MPa)后形成的“钢筋混凝土”结构焊点使用寿命为4200次热循环左右(考虑了试验误差)，膏状互连材料具有优良的可焊性
实施例8
用于三维封装芯片堆叠的Sn基互连材料成分为：纳米石墨烯6％，SiC纳米线9％，余量为Sn。
键合(250℃，7MPa)后形成的“钢筋混凝土”结构焊点使用寿命为4500次热循环左右(考虑了试验误差)，膏状互连材料具有优良的可焊性
实施例9
用于三维封装芯片堆叠的Sn基互连材料成分为：纳米石墨烯6％，SiC纳米线8％，余量为Sn。
键合(245℃，3MPa)后形成的“钢筋混凝土”结构焊点使用寿命为4250次热循环左右(考虑了试验误差)，膏状互连材料具有优良的可焊性。
实施例10
用于三维封装芯片堆叠的Sn基互连材料成分为：纳米石墨烯6％，SiC纳米线6％，余量为Sn。
键合(260℃，10MPa)后形成的“钢筋混凝土”结构焊点使用寿命为3950次热循环左右(考虑了试验误差)，膏状互连材料具有优良的可焊性。
实验例：在其他成分不变的情况下，金属间化合物焊点和“钢筋混凝土”结构焊点的使用寿命。
结论：添加纳米石墨烯颗粒和SiC纳米线可以显著提高金属间化合物焊点使用寿命，提高幅度为金属间化合物焊点的9.6～12.7倍。

Claims (4)

1.一种用于三维封装芯片堆叠的Sn基互连材料，其特征在于：其成分及质量百分比为：纳米石墨烯颗粒含量为5～8％，SiC纳米线为6～10％，其余为Sn。
2.一种权利要求1所述的用于三维封装芯片堆叠的互连材料的制备方法，其特征在于：采用生产复合金属材料的常规制备方法得到。
3.一种权利要求1所述的用于三维封装芯片堆叠的互连材料的制备方法，其特征在于：使用市售的Sn粉、混合松香树脂、触变剂、稳定剂、活性辅助剂和活性剂并充分搅拌，然后添加纳米石墨烯颗粒，最后添加SiC纳米线，充分搅拌制备膏状含纳米石墨烯颗粒和SiC纳米线的互连材料。
4.一种利用权利要求3所述方法得到的膏状含纳米石墨烯颗粒和SiC纳米线的互连材料形成“钢筋混凝土”结构焊点的方法，其特征在于：采用喷印方法在芯片表面制备凸点，在压力1MPa～10MPa和温度235℃～260℃条件下实现芯片的垂直堆叠互连，形成“钢筋混凝土”结构焊点。
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