CN105140209A - 一种用于3D封装芯片堆叠的In基互连材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于3D封装芯片堆叠的In基互连材料，属于芯片互连材料领域。该互连材料的亚微米Co颗粒含量为4～6％，SiC纳米线为6～8％，其余为In。使用市售的In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，然后添加亚微米Co颗粒，最后添加SiC纳米线，充分搅拌制备膏状含亚微米Co颗粒和SiC纳米线的互连材料，采用喷印技术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3D封装芯片堆叠的In基互连材料
技术领域
本发明涉及一种用于3D封装芯片堆叠的In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
随着超大规模集成电路的快速发展，芯片互连技术成为新一代制造技术的核心技术，而3D封装芯片堆叠键合技术成为互连技术中较为关键的技术，因此三维封装技术成为电子行业国内外研究者探讨的热点。通过实现芯片在Z轴方向的堆叠，实现减小芯片体积和提升数据传输速度的双重作用。因此，三维封装芯片堆叠的互连技术成为三维封装的关键技术。
芯片在三维空间的垂直堆叠，垂直结构互连焊点直接决定了三维封装结构的可靠性和使用寿命。为了实现三维封装芯片的互连，在芯片堆叠键合过程中形成数以百计甚至千计的互连焊点，单一焊点的失效直接导致三维封装整体结构功能的丧失。对于二维的电子器件单一焊点失效可以通过重熔进行修复，而三维结构较为复杂，单一焊点很难进行修复，因此三维封装互连焊点需要具有很高的可靠性。
在三维封装结构中，对于现有的互连技术，主要是采用低熔点材料和高熔点材料在一定的压力和温度条件下，通过固-液元素互扩散形成金属间化合物，通过高熔点金属间化合物实现芯片互连。金属间化合物熔化温度较高，可以承受芯片的多次键合和后期的倒装焊。这种键合方法可以实现三维封装芯片堆叠互连，但是金属间化合物自身的特性却制约了三维封装结构的可靠性。
对于三维封装芯片堆叠的金属间化合物，其是在固-液元素互扩散过程中形成的，但是物相反应过程伴随着体积收缩发生，在界面区域出现明显的空洞现象，空洞会成为焊点裂纹萌生源；另外在三维封装结构服役期间，由于封装材料之间线膨胀系数的失配，金属间化合物焊点容易成为应力集中区，当应力集中到一定程度焊点将会发生疲劳失效。因此金属间化合物焊点自身的缺点直接导致了三维封装结构的早期失效。因此如何提高三维封装结构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
本发明提供一种用于3D封装芯片堆叠的In基互连材料，借助亚微米Co颗粒、SiC纳米线和In三者耦合作用，在三维封装芯片堆叠键合中在一定的压力和温度条件下可以反应生成“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。在服役期间焊点因为特殊的结构，可以保证具有高的使用寿命，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：优化亚微米Co颗粒、SiC纳米线和In的材料组分，得到具有优良可焊性的互连材料，键合后形成的互连焊点具有高可靠性。
本发明是以如下技术方案实现的：一种用于3D封装芯片堆叠的In基互连材料，其成分及质量百分比为：亚微米Co颗粒含量为4～6％，SiC纳米线为6～8％，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：使用市售的In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，然后添加亚微米Co颗粒，最后添加SiC纳米线，充分搅拌制备膏状含Co颗粒和SiC纳米线的In基互连材料，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：通过选择亚微米Co颗粒、SiC纳米线以及In粉，辅以混合松香树脂、触变剂、稳定剂、活性辅助剂和活性剂并充分搅拌制备膏状互连材料，在一定的压力和温度条件下键合实现三维封装芯片堆叠互连。添加亚微米Co颗粒和SiC纳米线，Co会与基体In反应，形成亚微米CoIn2颗粒，CoIn2颗粒扮演“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In-SiC纳米线-亚微米Co颗粒材料应用于三维封装芯片堆叠互连时，形成的焊点内部会出现“钢筋混凝土”结构。对于三维封装芯片堆叠，例如Cu-In-Cu键合，形成Cu-In金属间化合物焊点，因为在元素互扩散形成金属间化合物的过程中出现明显的体积收缩导致的空洞效应，另外因为材料线膨胀系数的失配，焊点也容易成为应力集中区，二者导致焊点早期失效。添加亚微米Co颗粒和SiC纳米线，在元素反应过程中，可以通过影响元素扩散和异质形核而抑制空洞形成，因为钢筋混凝土的特殊结构，焊点所能承受的应力极限也明显大幅度增加。具有阻止焊点疲劳裂纹的扩展，抵抗焊点变形的作用，因此“钢筋混凝土”结构焊点在服役期间具有较高的使用寿命。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，故而控制纳米亚微米Co颗粒含量为4～6％，SiC纳米线为6～8％，其余为In。
与已有技术相比，本发明的有益效果在于：可以实现低温键合，并且“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9个实施例所使用的材料为：使用市售的In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，然后添加亚微米Co颗粒，最后添加SiC纳米线，充分搅拌制备膏状含亚微米Co颗粒和SiC纳米线的In基互连材料，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，可用三维封装芯片堆叠。
实施例1
用于3D封装芯片堆叠的In基互连材料成分为：亚微米Co颗粒4％，SiC纳米线6％，余量为In。
键合(260℃，10MPa)后形成的“钢筋混凝土”结构焊点使用寿命为3450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3D封装芯片堆叠的In基互连材料成分为：亚微米Co颗粒4％，SiC纳米线8％，余量为In。
键合(255℃，5MPa)后形成的“钢筋混凝土”结构焊点使用寿命为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3
用于3D封装芯片堆叠的In基互连材料成分为：亚微米Co颗粒4％，SiC纳米线7％，余量为In。
键合(170℃，1MPa)后形成的“钢筋混凝土”结构焊点使用寿命为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4
用于3D封装芯片堆叠的In基互连材料成分为：亚微米Co颗粒5％，SiC纳米线6％，余量为In。
键合(255℃，8MPa)后形成的“钢筋混凝土”结构焊点使用寿命为3800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3D封装芯片堆叠的In基互连材料成分为：亚微米Co颗粒5％，SiC纳米线7％，余量为In。
键合(245℃，9MPa)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。
实施例6
用于3D封装芯片堆叠的In基互连材料成分为：亚微米Co颗粒5％，SiC纳米线8％，余量为In。
键合(200℃，7MPa)后形成的“钢筋混凝土”结构焊点使用寿命为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7
用于3D封装芯片堆叠的In基互连材料成分为：亚微米Co颗粒6％，SiC纳米线6％，余量为In。
键合(210℃，9MPa)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。
实施例8
用于3D封装芯片堆叠的In基互连材料成分为：亚微米Co颗粒6％，SiC纳米线7％，余量为In。
键合(230℃，10MPa)后形成的“钢筋混凝土”结构焊点使用寿命为4050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3D封装芯片堆叠的In基互连材料成分为：亚微米Co颗粒6％，SiC纳米线8％，余量为In。
键合(260℃，10MPa)后形成的“钢筋混凝土”结构焊点使用寿命为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：添加亚微米Co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8～10倍。

Claims (4)

1.一种用于3D封装芯片堆叠的In基互连材料，其特征在于：其成分及质量百分比为：亚微米Co颗粒含量为4～6％，SiC纳米线为6～8％，其余为Sn。
2.一种权利要求1所述的用于3D封装芯片堆叠的In基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3D封装芯片堆叠的In基互连材料的制备方法，其特征在于：使用市售的In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，然后添加亚微米Co颗粒，最后添加SiC纳米线，充分搅拌制备膏状含亚微米Co颗粒和SiC纳米线的In基互连材料。
4.一种利用权利要求1、或2、或3所述的3D封装芯片堆叠的In基互连材料形成“钢筋混凝土”结构焊点的方法，其特征在于：使用3D封装芯片堆叠的In基互连材料，采用喷印工艺在芯片表面制备凸点，在压力1MPa～10MPa和温度170℃～260℃条件下实现芯片的垂直堆叠互连，形成“钢筋混凝土”结构焊点。
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