CN105161483A - 一种3D芯片堆叠的含Yb、纳米Cu的互连材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种3D芯片堆叠的含Yb、纳米Cu的互连材料，属于芯片互连材料领域。该互连材料的稀土元素Yb含量为0.01～0.5％，纳米Cu颗粒为1～5％，其余为In。首先制备In-Yb中间合金粉末，其次混合In-Yb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Cu颗粒，充分搅拌制备膏状含Yb和纳米Cu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垂直堆叠。

Description

一种3D芯片堆叠的含Yb、纳米Cu的互连材料
技术领域
本发明涉及一种3D芯片堆叠的含Yb、纳米Cu的互连材料，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
摩尔定律是预测电子工业技术发展的重要规律，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，而三维封装技术的出现直接决定了后摩尔时代的带来，在一定层次上也实现了电子封装领域的革命。三维封装，即在二维封装的基础上将芯片在垂直空间逐层堆叠，可以提高封装密度和产品性能、降低噪声和能耗、实现产品的小型化和多功能化。
对于二维封装而言，主要靠一些尺寸较大的焊点实现单一芯片的贴装，在服役期间整个结构容易将应力集中在焊点部位，焊点部位为Sn基合金，为较软的材料，可以充当整个结构的缓冲区，在服役期间相对具有较高的使用寿命，并且单一焊点失效，可以通过焊点重熔修复焊点。但是对于三维封装，封装芯片垂直堆叠的互连焊点为金属间化合物，为硬脆相，在服役期间极容易成为整个三维封装结构的薄弱区，容易产生早期失效，但是对于反应生成的金属间化合物焊点，无法通过修复实现结构功能的恢复，故而对三维封装结构互连焊点的可靠性要求较高。
为了实现三维封装芯片堆叠互连，国际社会研究者提出采用瞬时液相键合实现芯片的互连，在键合过程中，低熔点材料和高熔点材料之间通过元素互扩散形成金属间化合物实现芯片互连。金属间化合物的熔化温度较高，可以保证在进行后期的芯片键合和倒装焊的过程中不会熔化，具有较高的组织稳定性。
尽管金属间化合物可以实现三维封装芯片堆叠的互连，但是金属间化合物有其自身的缺点制约着其发展，金属间化合物是在固-液元素互扩散过程中形成，因为元素的互扩散形成金属间化合物会出现一定的体积收缩，焊点区域会出现明显的空洞，而空洞的出现会成为裂纹萌生源。另外，在服役期间，因为三维封装结构不同材料之间线膨胀系数的失配，金属间化合物互连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。因此对于三维封装结构容易因为焊点的早期失效而提前丧失功能。因此如何提高互连焊点可靠性成为三维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缺乏相关的报道。
发明内容
本发明提供一种3D芯片堆叠的含Yb、纳米Cu的互连材料，优化稀土Yb、纳米Cu颗粒和In的材料组分，得到高可靠性的互连材料；本发明的另一目的提供一种3D芯片堆叠的含Yb、纳米Cu的互连材的制备方法；本发明的又一目的是提供一种利用3D芯片堆叠的含Yb、纳米Cu的互连材形成高强度焊点的方法；
本发明是以如下技术方案实现的：一种3D芯片堆叠的含Yb、纳米Cu的互连材料，其成分及质量百分比为：稀土Yb含量为0.01～0.5％，纳米Cu颗粒为1～5％，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：首先制备In-Yb中间合金粉末，其次混合In-Yb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Cu颗粒，充分搅拌制备膏状含Yb和纳米Cu颗粒的互连材料。
使用上述互连材料形成高强度焊点的方法是：使用膏状含Yb和纳米Cu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Yb元素、纳米Cu颗粒和In的膏状互连材料，通过在一定温度和压力条件下键合形成互连焊点实现三维封装芯片堆叠互连。对于三维封装芯片堆叠，例如Ni-In-Ni键合，形成Ni3In金属间化合物焊点，因为在金属间化合物形成过程中，元素发生互扩散，会形成体积收缩，致使金属间化合物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，金属间化合物为硬脆相，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疲劳失效。添加稀土元素Yb和纳米Cu颗粒，Yb会与基体In反应，影响原先Ni-In互扩散平衡，达到抑制空洞形成。纳米Cu颗粒在金属间化合物焊点内部起到颗粒强化作用，提高焊点强度，另外在焊点服役期间，焊点因为应力集中发生变形，纳米Cu颗粒会对位错起到钉扎的作用，阻碍位错的运动，具有抵抗焊点变形的作用，降低焊点早期疲劳失效的概率，提高焊点的使用寿命。考虑到三维封装高强度焊点的性能变化，最大程度发挥稀土Yb和纳米Cu颗粒的作用，故而控制稀土Yb含量为0.01～0.5％，纳米Cu颗粒为1～5％，其余为In。
与已有技术相比，本发明的有益效果在于：利用稀土Yb元素、纳米Cu颗粒和In三者耦合作用，通过三维封装一定的压力和温度条件下键合成高强度焊点，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，以及抵抗变形的作用。能满足三维封装结构器件的高可靠性需求。
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-Yb中间合金粉末，其次混合In-Yb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Cu颗粒，充分搅拌制备膏状含Yb和纳米Cu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℃)条件下实现芯片的垂直堆叠互连，形成高强度焊点。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
一种3D芯片堆叠的含Yb、纳米Cu的互连材料成分为：稀土元素Yb0.01％，纳米Cu颗粒1％，余量为In。
键合(170℃，5MPa)后形成的高强度焊点使用寿命为3300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3D芯片堆叠的含Yb、纳米Cu的互连材料成分为：稀土元素Yb0.02％，纳米Cu颗粒2％，余量为In。
键合(200℃，5MPa)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3D芯片堆叠的含Yb、纳米Cu的互连材料成分为：稀土元素Yb0.5％，纳米Cu颗粒5％，余量为In。
键合(260℃，10MPa)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4
一种3D芯片堆叠的含Yb、纳米Cu的互连材料成分为：稀土元素Yb0.5％，纳米Cu颗粒4％，余量为In。
键合(260℃，8MPa)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5
一种3D芯片堆叠的含Yb、纳米Cu的互连材料成分为：稀土元素Yb0.4％，纳米Cu颗粒4％，余量为In。
键合(210℃，9MPa)后形成的高强度焊点使用寿命为4160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3D芯片堆叠的含Yb、纳米Cu的互连材料成分为：稀土元素Yb0.3％，纳米Cu颗粒5％，余量为In。
键合(230℃，10MPa)后形成的高强度焊点使用寿命为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7
一种3D芯片堆叠的含Yb、纳米Cu的互连材料成分为：稀土元素Yb0.2％，纳米Cu颗粒4％，余量为In。
键合(250℃，4MPa)后形成的高强度焊点使用寿命为4080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3D芯片堆叠的含Yb、纳米Cu的互连材料成分为：稀土元素Yb0.05％，纳米Cu颗粒3％，余量为In。
键合(200℃，7MPa)后形成的高强度焊点使用寿命为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9
一种3D芯片堆叠的含Yb、纳米Cu的互连材料成分为：稀土元素Yb0.09％，纳米Cu颗粒5％，余量为In。
键合(260℃，10MPa)后形成的高强度焊点使用寿命为4130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3D芯片堆叠的含Yb、纳米Cu的互连材料成分为：稀土元素Yb0.01％，纳米Cu颗粒1％，余量为In。
键合(170℃，5MPa)后形成的高强度焊点使用寿命为3300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Yb和纳米Cu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7.7～10.2倍。

Claims (4)

1.一种3D芯片堆叠的含Yb、纳米Cu的互连材料，其特征在于：其成分及质量百分比为：稀土Yb含量为0.01～0.5％，纳米Cu颗粒为1～5％，其余为In。
2.一种权利要求1所述的一种3D芯片堆叠的含Yb、纳米Cu的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3D芯片堆叠的含Yb、纳米Cu的互连材料的制备方法，其特征在于：首先制备In-Yb中间合金粉末，其次混合In-Yb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Cu颗粒，充分搅拌制备膏状含Yb和纳米Cu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3D芯片堆叠的含Yb、纳米Cu的互连材料形成高强度焊点的方法，其特征在于：使用膏状含Yb和纳米Cu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1MPa～10MPa压力和温度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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