CN105185768A - 一种3D芯片堆叠的含Ce、纳米Co的互连材料 - Google Patents
一种3D芯片堆叠的含Ce、纳米Co的互连材料 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105185768A CN105185768A CN201510478768.4A CN201510478768A CN105185768A CN 105185768 A CN105185768 A CN 105185768A CN 201510478768 A CN201510478768 A CN 201510478768A CN 105185768 A CN105185768 A CN 105185768A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- nano
- chip
- interconnection material
- interconnection
- particle
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 53
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 31
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 21
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 13
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 13
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 12
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 8
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims abstract description 5
- RSWGJHLUYNHPMX-UHFFFAOYSA-N Abietic-Saeure Natural products C12CCC(C(C)C)=CC2=CCC2C1(C)CCCC2(C)C(O)=O RSWGJHLUYNHPMX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- KHPCPRHQVVSZAH-HUOMCSJISA-N Rosin Natural products O(C/C=C/c1ccccc1)[C@H]1[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H](O)[C@@H](CO)O1 KHPCPRHQVVSZAH-HUOMCSJISA-N 0.000 claims abstract description 4
- 239000002671 adjuvant Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000011347 resin Substances 0.000 claims abstract description 4
- 229920005989 resin Polymers 0.000 claims abstract description 4
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000005476 soldering Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000013008 thixotropic agent Substances 0.000 claims abstract description 4
- KHPCPRHQVVSZAH-UHFFFAOYSA-N trans-cinnamyl beta-D-glucopyranoside Natural products OC1C(O)C(O)C(CO)OC1OCC=CC1=CC=CC=C1 KHPCPRHQVVSZAH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 claims description 46
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 6
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 4
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 claims description 3
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 claims description 3
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 3
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 2
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 abstract description 12
- 238000003466 welding Methods 0.000 abstract description 3
- 150000002910 rare earth metals Chemical class 0.000 abstract description 2
- 239000012190 activator Substances 0.000 abstract 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 abstract 1
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 description 17
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 4
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 4
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000013011 mating Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 238000012536 packaging technology Methods 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 238000002910 structure generation Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Electric Connection Of Electric Components To Printed Circuits (AREA)
Abstract
本发明公开了一种3D芯片堆叠的含Ce、纳米Co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Ce含量为0.01～0.5％，纳米Co颗粒为1～5％，其余为In。首先制备In-Ce中间合金粉末，其次混合In-Ce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Co颗粒，充分搅拌制备膏状含Ce和纳米Co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
技术领域
本发明涉及一种3D芯片堆叠的含Ce、纳米Co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
随着电子工业的快速发展，传统二维封装在电子产品微型化和多功能化方面明显具有一定的局限性，摩尔定律在电子工业中的应用也似乎走到了尽头，三维封装技术的出现使整个电子行业进入了后摩尔时代，相对传统的二维封装，三维封装使芯片在垂直空间实现了堆叠和互连，在一定层次上实现了芯片体积缩小和提升数据传输速度的双重作用，使电子器件超小、多功能成为可能。
芯片的垂直堆叠互连，主要是芯片在三维空间的逐层叠加，已经不仅仅局限于二维封装在二维空间的贴装，芯片在垂直空间的堆叠决定了芯片在三维空间会出现大量的互连焊点，焊点数量数以百计，单一焊点的失效会导致整个三维封装结构功能的丧失，因此单一焊点的性能直接决定了整个电子器件的使用寿命。另外，三维封装结构较为复杂，单一焊点的失效也很难通过检测获得，为整个电子器件可靠性带来明显的隐患。
为了实现芯片在三维空间的垂直堆叠，业界研究者推荐在一定的温度和压力条件下，通过低熔点材料和高熔点材料之间的固-液元素互扩散，完全形成金属间化合物焊点，金属间化合物的熔化温度较高，可以保证芯片在后期的键合和倒装焊中保持内部组织的稳定性。在键合过程中，低熔点材料在转化为金属间化合物焊点中完全消耗掉，不同于二维封装焊点中低熔点材料大部分仍然保留下来，仅仅在界面区域形成一层明显的金属间化合物层。无疑这也是三维芯片堆叠键合区别于二维封装最为明显的部分。
三维封装芯片堆叠键合形成金属间化合物焊点，但是对于金属间化合物也有其自身的缺点制约其发展：(1)在固-液元素互扩散的过程中，因为形成金属间化合物会出现体积收缩，在焊点内部会出现明显的空洞现象，空洞会成为焊点失效的裂纹萌生源；(2)对于三维封装结构，在服役期间，由于材料线膨胀系数的失配，在交变温度载荷的条件下，焊点容易成为应力集中区，长时间的服役会使焊点因为应力过高而失效。因此金属间化合物焊点的可靠性低会导致整个三维封装结构发生早期失效。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金属间化合物焊点可靠性的显著提高，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3D芯片堆叠的含Ce、纳米Co的互连材料，利用稀土元素Ce、纳米Co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。
本发明是以如下技术方案实现的：一种3D芯片堆叠的含Ce、纳米Co的互连材料，其成分及质量百分比为：稀土元素Ce含量为0.01～0.5％，纳米Co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-Ce中间合金粉末，其次混合In-Ce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Co颗粒，充分搅拌制备膏状含Ce和纳米Co颗粒的互连材料。
采用膏状含Ce和纳米Co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。
本发明的上述技术方案主要解决了以下关键性问题：优化稀土元素Ce、纳米Co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，制备稀土元素Ce、纳米Co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Ni-In-Ni键合，形成Ni3In金属间化合物焊点，因为Ni和In之间元素互扩散形成金属间化合物的过程中，体积收缩会导致焊点中存在大量的空洞，另外在服役期间焊点也会成为应力集中区域。添加稀土元素Ce和纳米Co颗粒，稀土元素Ce会与In反应，影响Ni-In元素互扩散平衡，抑制界面空洞的形成。纳米Co颗粒在焊点内部起到颗粒强化作用，直接提高焊点强度，另外在焊点应力集中发生变形的过程中，纳米颗粒对位错运动具有明显的阻碍作用，使焊点具有抵抗变形的作用。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Ce和纳米Co颗粒的作用，故而控制稀土元素Ce含量为0.01～0.5％，纳米Co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：一种3D芯片堆叠的含Ce、纳米Co的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-Ce中间合金粉末，其次混合In-Ce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Co颗粒，充分搅拌制备膏状含Ce和纳米Co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。
实施例1
一种3D芯片堆叠的含Ce、纳米Co的互连材料成分为：稀土元素Ce0.5％，纳米Co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4500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Ce、纳米Co的互连材料成分为：稀土元素Ce0.01％，纳米Co颗粒1％，余量为In。
键合(260℃，10MPa)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3
一种3D芯片堆叠的含Ce、纳米Co的互连材料成分为：稀土元素Ce0.02％，纳米Co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3490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Ce、纳米Co的互连材料成分为：稀土元素Ce0.03％，纳米Co颗粒5％，余量为In。
键合(230℃，8MPa)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5
一种3D芯片堆叠的含Ce、纳米Co的互连材料成分为：稀土元素Ce0.03％，纳米Co颗粒4％，余量为In。
键合(200℃，9MPa)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6
一种3D芯片堆叠的含Ce、纳米Co的互连材料成分为：稀土元素Ce0.4％，纳米Co颗粒5％，余量为In。
键合(250℃，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7
一种3D芯片堆叠的含Ce、纳米Co的互连材料成分为：稀土元素Ce0.3％，纳米Co颗粒4％，余量为In。
键合(260℃，7MPa)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8
一种3D芯片堆叠的含Ce、纳米Co的互连材料成分为：稀土元素Ce0.3％，纳米Co颗粒3％，余量为In。
键合(210℃，6MPa)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9
一种3D芯片堆叠的含Ce、纳米Co的互连材料成分为：稀土元素Ce0.2％，纳米Co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4280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Ce、纳米Co的互连材料成分为：稀土元素Ce0.1％，纳米Co颗粒5％，余量为In。
键合(220℃，8MPa)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结构焊点的使用寿命。
结论：添加稀土元素Ce和纳米Co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Ce、纳米Co的互连材料，其特征在于：其成分及质量百分比为：稀土元素Ce含量为0.01～0.5％，纳米Co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Ce、纳米Co的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所述的一种3D芯片堆叠的含Ce、纳米Co的互连材料的制备方法，其特征在于：首先制备In-Ce中间合金粉末，其次混合In-Ce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Co颗粒，充分搅拌制备膏状含Ce和纳米Co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Ce、纳米Co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Ce和纳米Co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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510478768.4A CN105185768B (zh) | 2015-08-06 | 2015-08-06 | 一种3D芯片堆叠的含Ce、纳米Co的互连材料 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510478768.4A CN105185768B (zh) | 2015-08-06 | 2015-08-06 | 一种3D芯片堆叠的含Ce、纳米Co的互连材料 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105185768A true CN105185768A (zh) | 2015-12-23 |
| CN105185768B CN105185768B (zh) | 2018-08-17 |
Family
ID=54907756
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201510478768.4A Expired - Fee Related CN105185768B (zh) | 2015-08-06 | 2015-08-06 | 一种3D芯片堆叠的含Ce、纳米Co的互连材料 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN105185768B (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101341266A (zh) * | 2005-08-30 | 2009-01-07 | 美国铟泰公司 | 增加锡-铟焊剂柔度的技术 |
| TW201127965A (en) * | 2010-02-12 | 2011-08-16 | Univ Nat Pingtung Sci & Tech | Composite lead-free solder alloy composition having nano-particles |
| CN102489898A (zh) * | 2011-11-30 | 2012-06-13 | 昆山成利焊锡制造有限公司 | 低银无铅助焊膏及其制备方法 |
| CN102891213A (zh) * | 2011-06-29 | 2013-01-23 | 屏东科技大学 | 以活性焊料制作的太阳能电池电极及其方法 |
| CN103842126A (zh) * | 2011-08-02 | 2014-06-04 | 阿尔法金属公司 | 焊料组合物 |
-
2015
- 2015-08-06 CN CN201510478768.4A patent/CN105185768B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101341266A (zh) * | 2005-08-30 | 2009-01-07 | 美国铟泰公司 | 增加锡-铟焊剂柔度的技术 |
| TW201127965A (en) * | 2010-02-12 | 2011-08-16 | Univ Nat Pingtung Sci & Tech | Composite lead-free solder alloy composition having nano-particles |
| CN102891213A (zh) * | 2011-06-29 | 2013-01-23 | 屏东科技大学 | 以活性焊料制作的太阳能电池电极及其方法 |
| CN103842126A (zh) * | 2011-08-02 | 2014-06-04 | 阿尔法金属公司 | 焊料组合物 |
| CN102489898A (zh) * | 2011-11-30 | 2012-06-13 | 昆山成利焊锡制造有限公司 | 低银无铅助焊膏及其制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105185768B (zh) | 2018-08-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR102273620B1 (ko) | 무연, 무은 솔더 합금 | |
| CN101437900B (zh) | 热固性树脂组合物、其制备方法及电路板 | |
| CN104842089B (zh) | 一种电子封装用高强度无铅复合钎料的制备方法 | |
| CN1235717C (zh) | 无铅的焊料、其制备方法以及使用该焊料的焊接方法 | |
| KR102089843B1 (ko) | 혼합된 합금 충전재를 함유하는 전도성 조성물 | |
| CN103460815B (zh) | 安装结构体及其制造方法 | |
| CN104870673B (zh) | 无铅软钎料合金 | |
| CN102086364A (zh) | 微电子封装用导电银胶及其制备方法 | |
| CN107771354A (zh) | 工程聚合物类电子材料 | |
| WO2017110052A1 (ja) | ペースト状熱硬化性樹脂組成物、半導体部品、半導体実装品、半導体部品の製造方法、半導体実装品の製造方法 | |
| CN106271177A (zh) | 一种互连钎料及其互连成形方法 | |
| WO2016148121A1 (ja) | フリップチップ実装体の製造方法、フリップチップ実装体、および先供給型アンダーフィル用樹脂組成物 | |
| CN105462530A (zh) | 导电银胶及其制备方法和微电子功率器件 | |
| CN105336627A (zh) | 一种脉冲电流低温快速烧结制备高温服役纳米晶接头的方法 | |
| CN113725185A (zh) | 一种可实现芯片垂直堆叠的Sn基钎料及其键合方法 | |
| CN103056543A (zh) | 一种含Yb、Al、B的纳米无铅钎料 | |
| CN105185768A (zh) | 一种3D芯片堆叠的含Ce、纳米Co的互连材料 | |
| CN105047645A (zh) | 一种用于三维封装芯片堆叠的Sn基互连材料 | |
| CN105177387B (zh) | 一种3D芯片堆叠的含Eu、纳米Au的互连材料 | |
| CN105185770A (zh) | 含Er、纳米Al的3D芯片堆叠互连材料 | |
| CN105070709B (zh) | 一种含Nd、亚微米记忆颗粒CuZnAl的芯片堆叠互连材料 | |
| CN104979319B (zh) | 一种实现3d封装芯片互连的记忆焊点 | |
| CN105185767B (zh) | 含La、纳米Ni的三维封装芯片堆叠互连材料 | |
| CN105140210B (zh) | 一种含Pr、亚微米TiN的芯片堆叠互连材料 | |
| CN105161483A (zh) | 一种3D芯片堆叠的含Yb、纳米Cu的互连材料 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: Yucai Road Jiawang District 221011 Jiangsu city of Xuzhou province No. 2 Applicant after: Jiangsu Normal University Address before: 221116 Shanghai Road, Copper Mt. New District, Jiangsu, No. 101, No. Applicant before: Jiangsu Normal University |
|
| COR | Change of bibliographic data | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20180817 |