CN105047646A - 含Y、纳米Ag的3D芯片堆叠互连材料 - Google Patents

含Y、纳米Ag的3D芯片堆叠互连材料 Download PDF

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Abstract

本发明公开了含Y、纳米Ag的3D芯片堆叠互连材料，属于芯片互连材料领域。该互连材料的稀土元素Y含量为0.01～0.5％，纳米Ag颗粒为2～7％，其余为In。首先制备In-Y中间合金粉末，其次混合In-Y粉末、In粉末、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，最后添加纳米Ag颗粒，充分搅拌制备膏状含Y和纳米Ag颗粒的互连材料，采用精密丝网印刷和回流焊工艺在芯片表面制备凸点，在一定压力(1MPa～10MPa)和温度(170℃～260℃)条件下实现三维空间的芯片垂直互连，形成高强度互连焊点。本互连材料具有高可靠性，可用于三维封装芯片堆叠。

Description

含Y、纳米Ag的3D芯片堆叠互连材料
技术领域
本发明涉及含Y、纳米Ag的3D芯片堆叠互连材料，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
随着电子工业的快速发展，单一芯片集成度的日益增加似乎使摩尔定律很难继续使用。而三维封装芯片堆叠技术的出现，则可以使摩尔定律的失效时间大幅度推后。使电子行业进入了后摩尔时代，三维封装技术，即将芯片在二维封装的基础上在垂直空间逐层堆叠，可以实现减小芯片体积和提升数据传输速度的双重作用。
对于三维封装而言，芯片主要在垂直方向获得堆叠和互连，芯片之间的互连主要是靠焊点实现的。而焊点数量众多，数以百计，单一焊点的失效即可引起整个三维封装结构功能的丧失。对于二维封装，可以通过单一焊点的重新熔化实现整个产品的修复，而三维封装结构复杂，很难通过单一焊点的修复实现电子产品功能的恢复。因此三维封装结构芯片堆叠要求互连焊点具有高的可靠性。
为了实现三维芯片的堆叠互连，目前电子工业主要是通过在一定的温度和压力条件下，使低熔点材料和高熔点材料之间形成元素互扩散，反应形成金属间化合物。金属间化合物熔化温度较高，在进行二次键合时，一次键合的金属间化合物不发生熔化，保持稳定的组织。形成高熔点金属间化合物互连焊点也是目前三维封装芯片堆叠的主要互连方式。
尽管金属间化合物互连焊点可以实现芯片的垂直堆叠互连，但是金属间化合物自身的缺点对于三维封装也是致命的。在键合过程中，在低熔点材料熔化过程中，低熔点材料和高熔点材料之间形成固-液互扩散系统，低熔点材料逐渐消耗殆尽形成高熔点金属间化合物，但是由于在物相反应中的体积收缩，会在金属间化合物焊点内部形成空洞，在服役期间空洞容易成为裂纹的萌生源。另外，在服役期间，由于材料之间线膨胀系数的失配和环境的交变温度变化，焊点极容易成为应力集中区，当应力增加到一定程度焊点将发生早期失效。因此金属间化合物焊点的缺点容易导致三维封装结构的早期失效。因此如何提高金属间化合物焊点可靠性成为电子封装领域的重要课题。通过研究新型的互连材料可以实现三维封装结构可靠性的显著提高，但是目前针对该方面的研究相对较少。
发明内容
本发明提供含Y、纳米Ag的3D芯片堆叠互连材料，利用稀土元素Y、纳米Ag颗粒和In三者耦合作用，通过三维封装键合可以形成高强度焊点，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：优化稀土元素Y、纳米Ag颗粒和In的材料组分，得到高可靠性的互连材料。
本发明是以如下技术方案实现的：含Y、纳米Ag的3D芯片堆叠互连材料，其成分及质量百分比为：稀土元素Y含量为0.01～0.5％，纳米Ag颗粒为2～7％，其余为In。
本发明可以采用生产复合金属材料的常规制备方法得到。
本发明优选采用的制备方法是：首先制备In-Y中间合金粉末，其次混合In-Y粉末、In粉末、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，最后添加纳米Ag颗粒，充分搅拌制备膏状含Y和纳米Ag颗粒的互连材料。
采用膏状含Y和纳米Ag颗粒的互连材料，采用精密丝网印刷和回流焊工艺在芯片表面制备凸点，在一定压力(1MPa～10MPa)和温度(170℃～260℃)条件下实现三维空间的芯片垂直互连，形成高强度互连焊点。
本发明的机理是：通过匹配合适的互连材料，制备含稀土元素Y、纳米Ag颗粒和In的膏状互连材料，通过键合工艺形成互连焊点实现芯片堆叠互连。对于三维封装芯片堆叠，例如Cu-In-Cu键合，形成Cu3In金属间化合物焊点，因为在Cu和In反应金属间化合物形成过程中，固-液相之间发生元素互扩散，会形成体积收缩，致使焊点内部出现大量的空洞。另外在服役期间，因为材料线膨胀系数的失配，在交变的环境温度条件下，焊点极容易成为应力集中区，在应力增加到一定程度焊点将发生早期失效。添加稀土元素Y和纳米Ag颗粒，稀土Y会与基体In反应，影响Cu和In元素扩散形成金属间化合物的相平衡，达到抑制空洞的形成，纳米Ag颗粒在焊点内部可以起到颗粒强化的作用，提高焊点强度，另外在焊点应力集中发生变形的过程中，纳米Ag颗粒可以阻碍位错的运动，起到钉扎位错的作用，使焊点具有抵抗变形的作用，因此可以提高焊点的使用寿命。考虑到高强度焊点的性能变化，最大程度发挥稀土Y和纳米Ag颗粒的作用，故而控制稀土元素Y含量为0.01～0.5％，纳米Ag颗粒为2～7％，其余为In。
与已有技术相比，本发明的有益效果在于：含Y、纳米Ag的3D芯片堆叠互连材料形成的高强度焊点具有高使用寿命以及抵抗变形的作用。
附图说明
图1是金属间化合物焊点和高强度焊点在服役期间的使用寿命。
图2是金属间化合物焊点和高强度焊点的剪切强度。
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：首先制备In-Y中间合金粉末，其次混合In-Y粉末、In粉末、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，最后添加纳米Ag颗粒，充分搅拌制备膏状含Y和纳米Ag颗粒的互连材料，采用精密丝网印刷和回流焊工艺在芯片表面制备凸点，在一定压力(1MPa～10MPa)和温度(170℃～260℃)条件下实现三维空间的芯片垂直互连，形成高强度互连焊点。本互连材料具有高可靠性，可用三维封装芯片堆叠。
实施例1
含Y、纳米Ag的3D芯片堆叠互连材料成分为：稀土元素Y0.01％，纳米Ag颗粒2％，余量为In。
键合(170℃，5MPa)后形成的高强度焊点使用寿命为3600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
含Y、纳米Ag的3D芯片堆叠互连材料成分为：稀土元素Y0.02％，纳米Ag颗粒3％，余量为In。
键合(200℃，8MPa)后形成的高强度焊点使用寿命为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3
含Y、纳米Ag的3D芯片堆叠互连材料成分为：稀土元素Y0.5％，纳米Ag颗粒7％，余量为In。
键合(260℃，10MPa)后形成的高强度焊点使用寿命为4600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
含Y、纳米Ag的3D芯片堆叠互连材料成分为：稀土元素Y0.4％，纳米Ag颗粒6％，余量为In。
键合(250℃，1MPa)后形成的高强度焊点使用寿命为4300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
含Y、纳米Ag的3D芯片堆叠互连材料成分为：稀土元素Y0.4％，纳米Ag颗粒5％，余量为In。
键合(260℃，6MPa)后形成的高强度焊点使用寿命为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6
含Y、纳米Ag的3D芯片堆叠互连材料成分为：稀土元素Y0.3％，纳米Ag颗粒5％，余量为In。
键合(210℃，7MPa)后形成的高强度焊点使用寿命为4100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
含Y、纳米Ag的3D芯片堆叠互连材料成分为：稀土元素Y0.3％，纳米Ag颗粒7％，余量为In。
键合(220℃，9MPa)后形成的高强度焊点使用寿命为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8
含Y、纳米Ag的3D芯片堆叠互连材料成分为：稀土元素Y0.2％，纳米Ag颗粒7％，余量为In。
键合(190℃，3MPa)后形成的高强度焊点使用寿命为4180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
含Y、纳米Ag的3D芯片堆叠互连材料成分为：稀土元素Y0.2％，纳米Ag颗粒4％，余量为In。
键合(180℃，4MPa)后形成的高强度焊点使用寿命为4000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
含Y、纳米Ag的3D芯片堆叠互连材料成分为：稀土元素Y0.1％，纳米Ag颗粒3％，余量为In。
键合(240℃，8MPa)后形成的高强度焊点使用寿命为3900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高强度焊点的使用寿命。
结论：添加稀土Y和纳米Ag颗粒可以显著提高金属间化合物焊点使用寿命，为金属间化合物焊点的8.4～10.7倍。

Claims (4)

1.一种含Y、纳米Ag的3D芯片堆叠互连材料，其特征在于：其成分及质量百分比为：稀土元素Y含量为0.01～0.5％，纳米Ag颗粒为2～7％，其余为In。
2.一种权利要求1所述的含Y、纳米Ag的3D芯片堆叠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所述的含Y、纳米Ag的3D芯片堆叠互连材料的制备方法，其特征在于：首先制备In-Y中间合金粉末，其次混合In-Y粉末、In粉末、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，最后添加纳米Ag颗粒，充分搅拌制备膏状含Y和纳米Ag颗粒的互连材料。
4.一种利用权利要求3所述方法得到的含Y、纳米Ag的3D芯片堆叠互连材料形成高强度焊点的方法，其特征在于：使用膏状含Y和纳米Ag颗粒的互连材料，采用精密丝网印刷和回流焊工艺在芯片表面制备凸点，在压力1MPa～10MPa和温度170℃～260℃条件下实现三维空间的芯片垂直互连，形成高强度互连焊点。
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