CN105185767A - 含La、纳米Ni的三维封装芯片堆叠互连材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了含La、纳米Ni的三维封装芯片堆叠互连材料，属于芯片互连材料领域。该互连材料的稀土元素La含量为0.01～0.5％，纳米Ni颗粒为2～6％，其余为In。首先采用机械研磨制备In-La中间合金粉末，其次混合In-La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Ni颗粒，充分搅拌制备膏状含La和纳米Ni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La、纳米Ni的三维封装芯片堆叠互连材料
技术领域
本发明涉及含La、纳米Ni的三维封装芯片堆叠互连材料，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
在电子工业高速发展的今天，电子产品急需小型化和多功能化，传统的方式是通过减小特征尺寸来提高集成度，但是由于特征尺寸越来越小逐渐接近极限，摩尔定律似乎也走到了极限，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。三维封装，即将芯片在三维空间进行垂直方向逐层堆叠，可以实现减小芯片体积和提升数据传输速度的双重作用。
传统的二维封装，主要是采用贴装实现芯片在基板表面的连接，在服役期间，单一焊点的失效可以通过检测和重熔进行修复。但是对于三维封装却很难实现修复，主要是因为三维封装结构较为复杂，焊点数目数以百计，单一焊点的失效直接会引起整个器件的失效，而焊点无法通过重熔实现其修复，因此对于三维封装而言，整个结构中焊点的可靠性是其关键，直接决定了三维封装的使用寿命。
在三维封装芯片堆叠互连中，瞬时液相键合是目前广为应用的堆叠方法，主要是在一定的压力和温度条件下，采用低熔点材料熔化，和高熔点材料之间形成固-液互扩散系统，形成高熔点金属间化合物，实现芯片的垂直堆叠互连。金属间化合物熔化温度较高，在后期的键合和芯片倒装焊中仍然保持较高的组织稳定性，且不发生熔化。
金属间化合物焊点尽管可以实现三维封装芯片堆叠互连，但是金属间化合物也有其自身的缺点会严重降低三维封装结构的可靠性。首先是空洞问题：在固-液互扩散的过程中，形成金属间化合物会伴随着体积收缩，在焊点内部出现明显的空洞，空洞将成为裂纹萌生源；其次是应力集中问题：在服役期间，由于材料线膨胀系数的失配和交变的温度循环载荷的变化，焊点内部承受着交变的温度场，焊点成为应力集中区。在服役期间金属间化合物焊点的这两个缺点也成为焊点失效的主要原因。因此如何提高金属间化合物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国际社会缺乏相关的报道。
发明内容
本发明提供了含La、纳米Ni的三维封装芯片堆叠互连材料，利用稀土元素La、纳米Ni颗粒和In三者耦合作用，通过三维封装键合形成高强度焊点，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La、纳米Ni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La、纳米Ni的三维封装芯片堆叠互连材料，其成分及质量百分比为：稀土元素La含量为0.01～0.5％，纳米Ni颗粒为2～6％，其余为In。
本发明互连材料可以采用生产复合金属材料的常规制备方法得到。
本发明互连材料优选采用的方法是：首先采用机械研磨制备In-La中间合金粉末，其次混合In-La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Ni颗粒，充分搅拌制备膏状含La和纳米Ni颗粒的互连材料。
采用膏状含La和纳米Ni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：通过选择合适的互连材料成分，制备含稀土元素La、纳米Ni颗粒和In的膏状互连材料，通过在一定的压力和温度条件下键合形成互连焊点实现芯片垂直堆叠互连。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，在元素扩散形成金属间化合物的过程中，由于体积收缩，在金属间化合物层区域出现明显的空洞，另外，在服役期间，因为环境温度的变化，金属间化合物将成为应力集中区，空洞和应力集中这两个缺点直接导致焊点产生疲劳失效。添加稀土元素La和纳米Ni颗粒，稀土La会与基体In反应，打破原先单一的Cu和In之间的扩散平衡系统，从而抑制空洞的形成，纳米Ni颗粒在焊点内部起到弥散强化的作用，提高焊点的强度，在服役期间，焊点应力集中发生变形的过程中，纳米颗粒具有阻碍位错运动的作用，起到钉扎位错的作用，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，最大程度发挥稀土元素La和纳米Ni颗粒的作用，故而控制稀土元素La含量为0.01～0.5％，纳米Ni颗粒为2～6％，其余为In。
与已有技术相比，本发明的有益效果在于：含La、纳米Ni的三维封装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：首先采用机械研磨制备In-La中间合金粉末，其次混合In-La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Ni颗粒，充分搅拌制备膏状含La和纳米Ni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。所用纳米Ni颗粒为市售30-50nmNi颗粒。
实施例1
含La、纳米Ni的三维封装芯片堆叠互连材料成分为：稀土元素La0.5％，纳米Ni颗粒6％，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2
含La、纳米Ni的三维封装芯片堆叠互连材料成分为：稀土元素La0.01％，纳米Ni颗粒2％，余量为In。
键合(250℃，8MPa)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3
含La、纳米Ni的三维封装芯片堆叠互连材料成分为：稀土元素La0.1％，纳米Ni颗粒6％，余量为In。
键合(170℃，2MPa)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4
含La、纳米Ni的三维封装芯片堆叠互连材料成分为：稀土元素La0.1％，纳米Ni颗粒5％，余量为In。
键合(220℃，6MPa)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5
含La、纳米Ni的三维封装芯片堆叠互连材料成分为：稀土元素La0.1％，纳米Ni颗粒4％，余量为In。
键合(230℃，7MPa)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6
含La、纳米Ni的三维封装芯片堆叠互连材料成分为：稀土元素La0.2％，纳米Ni颗粒6％，余量为In。
键合(200℃，9MPa)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La、纳米Ni的三维封装芯片堆叠互连材料成分为：稀土元素La0.2％，纳米Ni颗粒5％，余量为In。
键合(210℃，5MPa)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8
含La、纳米Ni的三维封装芯片堆叠互连材料成分为：稀土元素La0.3％，纳米Ni颗粒6％，余量为In。
键合(240℃，4MPa)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9
含La、纳米Ni的三维封装芯片堆叠互连材料成分为：稀土元素La0.3％，纳米Ni颗粒5％，余量为In。
键合(190℃，10MPa)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10
含La、纳米Ni的三维封装芯片堆叠互连材料成分为：稀土元素La0.4％，纳米Ni颗粒6％，余量为In。
键合(260℃，10MPa)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La和纳米Ni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La、纳米Ni的三维封装芯片堆叠互连材料，其特征在于：其成分及质量百分比为：稀土元素La含量为0.01～0.5％，纳米Ni颗粒为2～6％，其余为In。
2.一种权利要求1所述的含La、纳米Ni的三维封装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所述的含La、纳米Ni的三维封装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-La中间合金粉末，其次混合In-La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Ni颗粒，充分搅拌制备膏状含La和纳米Ni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La、纳米Ni的三维封装芯片堆叠互连材料形成高强度互连焊点的方法，其特征在于：使用膏状含La和纳米Ni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。
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