CN105140204A - 一种含Sm、纳米Mo的芯片堆叠互连材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含Sm、纳米Mo的芯片堆叠互连材料，属于芯片互连材料领域。该互连材料的稀土元素Sm含量为0.01～0.5％，纳米Mo颗粒为3～8％，其余为In。首先采用机械研磨制备In-Sm中间合金粉末，其次混合In-Sm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Mo颗粒，充分搅拌制备膏状含Sm和纳米Mo颗粒的互连材料，采用喷印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

一种含Sm、纳米Mo的芯片堆叠互连材料
技术领域
本发明涉及一种含Sm、纳米Mo的芯片堆叠互连材料，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
对于电子行业的发展，摩尔定律一直被认为是指引电子器件技术的发展方向，但是随着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，因此对于电子行业也进入了后摩尔时代。三维封装，即将芯片在三维空间的垂直堆叠，可以实现减小芯片体积和提升数据传输速度的双重作用。
对于二维封装芯片堆叠键合，芯片主要通过贴装实现芯片和基板的互连，尽管焊点数量较多，单一焊点的失效可以通过检测和重熔实现焊点的修复，可以恢复整个电子器件的功能。但是对于三维封装结构，芯片是逐层键合，整个三维封装结构较为复杂，互连焊点数以百计，单一焊点的失效直接会使整体结构功能的丧失，且焊点无法像二维的电子器件单一焊点失效可以通过重熔进行修复，因此三维结构焊点很难进行修复要求焊点必须具有较高的可靠性。
对于三维封装芯片堆叠键合，最主要是采取在一定的温度和压力条件下，通过低熔点材料熔化，和高熔点材料之间形成固-液互扩散系统，逐渐形成单一的金属间化合物层，金属间化合物层的熔化温度较高，可以保证三维封装可以进行下一级的芯片堆叠键合，前一级芯片键合的金属间化合物仍然保持稳定的微观组织，且金属间化合物不发生熔化。
对于三维封装芯片堆叠键合，金属间化合物可以实现芯片的垂直堆叠，同时可以保证后期的键合。但是金属间化合物也有其自身的缺点：(1)在瞬时液相键合的过程中，由于固-液互扩散形成金属间化合物伴随着体积收缩，焊点内部出现明显的空洞，空洞的存在会成为焊点服役期间裂纹萌生源；(2)在服役期间，伴随着电子产品的“开-关”，电子器件承受着交变的温度载荷，因为封装材料之间线膨胀系数的失配，焊点容易成为应力集中区，当应力数值达到一定程度焊点将发生疲劳失效。因为以上的两个缺点导致金属间化合物焊点是整个三维封装薄弱区域，容易引起器件功能的丧失。因此如何提高金属间化合物焊点的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国际社会缺乏相关的报道。
发明内容
本发明提供一种含Sm、纳米Mo的芯片堆叠互连材料，利用稀土元素Sm、纳米Mo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。
本发明是以如下技术方案实现的：一种含Sm、纳米Mo的芯片堆叠互连材料，其成分及质量百分比为：稀土元素Sm含量为0.01～0.5％，纳米Mo颗粒为3～8％，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。
本发明优选采用的方法是：首先采用机械研磨制备In-Sm中间合金粉末，其次混合In-Sm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Mo颗粒，充分搅拌制备膏状含Sm和纳米Mo颗粒的互连材料。
采用膏状含Sm和纳米Mo颗粒的互连材料，采用喷印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。
本发明主要解决的关键问题：优化稀土元素Sm、纳米Mo颗粒和In的材料组分，得到高可靠性的互连材料。
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Sm、纳米Mo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，在固-液元素互扩散形成金属间化合物过程中，会出现体积收缩，致使焊点内部出现大量的空洞。在服役期间，因为交变的温度参数的变化和材料线膨胀系数的失配，焊点极容易成为应力集中区。添加稀土元素Sm和纳米Mo颗粒，Sm会与基体In反应，打破基体中Cu和In元素扩散平衡，抑制焊点内部空洞的形成，纳米Mo颗粒的添加在基体中起到颗粒强化的作用，在焊点应力集中到一定程度发生变形的过程中，纳米Mo颗粒可以起到阻碍位错运动的作用，因此具有增加焊点抵抗变形的能力，因此焊点在服役期间具有较高的使用寿命。考虑到高强度焊点的性能变化，最大程度发挥稀土元素Sm和纳米Mo颗粒的作用，故而控制稀土元素Sm含量为0.01～0.5％，纳米Mo颗粒为3～8％，其余为In。
与已有技术相比，本发明的有益效果在于：一种含Sm、纳米Mo的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；使用寿命为现有金属间化合物焊点的8.1～10.3倍。
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：首先采用机械研磨制备In-Sm中间合金粉末，其次混合In-Sm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Mo颗粒，充分搅拌制备膏状含Sm和纳米Mo颗粒的互连材料，采用喷印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。
实施例1
一种含Sm、纳米Mo的芯片堆叠互连材料成分为：稀土元素Sm0.5％，纳米Mo颗粒8％，余量为In。
键合(260℃，10MPa)后形成的高强度焊点使用寿命为4450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
一种含Sm、纳米Mo的芯片堆叠互连材料成分为：稀土元素Sm0.5％，纳米Mo颗粒8％，余量为In。
键合(260℃，10MPa)后形成的高强度焊点使用寿命为3500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
一种含Sm、纳米Mo的芯片堆叠互连材料成分为：稀土元素Sm0.02％，纳米Mo颗粒4％，余量为In。
键合(220℃，7MPa)后形成的高强度焊点使用寿命为3700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
一种含Sm、纳米Mo的芯片堆叠互连材料成分为：稀土元素Sm0.03％，纳米Mo颗粒5％，余量为In。
键合(240℃，6MPa)后形成的高强度焊点使用寿命为3810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
一种含Sm、纳米Mo的芯片堆叠互连材料成分为：稀土元素Sm0.1％，纳米Mo颗粒3％，余量为In。
键合(210℃，3MPa)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6
一种含Sm、纳米Mo的芯片堆叠互连材料成分为：稀土元素Sm0.2％，纳米Mo颗粒4％，余量为In。
键合(200℃，4MPa)后形成的高强度焊点使用寿命为3780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
一种含Sm、纳米Mo的芯片堆叠互连材料成分为：稀土元素Sm0.3％，纳米Mo颗粒5％，余量为In。
键合(170℃，1MPa)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。
实施例8
一种含Sm、纳米Mo的芯片堆叠互连材料成分为：稀土元素Sm0.4％，纳米Mo颗粒8％，余量为In。
键合(260℃，10MPa)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9
一种含Sm、纳米Mo的芯片堆叠互连材料成分为：稀土元素Sm0.4％，纳米Mo颗粒7％，余量为In。
键合(200℃，3MPa)后形成的高强度焊点使用寿命为4150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
一种含Sm、纳米Mo的芯片堆叠互连材料成分为：稀土元素Sm0.4％，纳米Mo颗粒5％，余量为In。
键合(190℃，9MPa)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：添加稀土元素Sm和纳米Mo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8.1～10.3倍。

Claims (4)

1.一种含Sm、纳米Mo的芯片堆叠互连材料，其特征在于：其成分及质量百分比为：稀土元素Sm含量为0.01～0.5％，纳米Mo颗粒为3～8％，其余为In。
2.一种权利要求1所述的一种含Sm、纳米Mo的芯片堆叠互连材料的制备方法，其特征在于：可以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所述的一种含Sm、纳米Mo的芯片堆叠互连材料的制备方法，其特征在于：首先采用机械研磨制备In-Sm中间合金粉末，其次混合In-Sm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Mo颗粒，充分搅拌制备膏状含Sm和纳米Mo颗粒的互连材料。
4.一种利用权利要求3所述方法得到的一种含Sm、纳米Mo的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Sm和纳米Mo颗粒的互连材料，采用喷印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。
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