含La、納米Ni的三維封裝芯片堆疊互連材料的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及含La、納米Ni的三維封裝芯片堆疊互連材料，屬于芯片互連材料領域。該互連材料主要用于三維封裝高可靠性需求的領域，是一種具有高性能的新型互連材料。
【背景技術】
[0002]在電子工業高速發展的今天，電子產品急需小型化和多功能化，傳統的方式是通過減小特征尺寸來提高集成度，但是由于特征尺寸越來越小逐漸接近極限，摩爾定律似乎也走到了極限，而三維封裝芯片堆疊技術的出現，則可以使摩爾定律的失效時間大幅度推后。三維封裝，即將芯片在三維空間進行垂直方向逐層堆疊，可以實現減小芯片體積和提升數據傳輸速度的雙重作用。
[0003]傳統的二維封裝，主要是采用貼裝實現芯片在基板表面的連接，在服役期間，單一焊點的失效可以通過檢測和重熔進行修復。但是對于三維封裝卻很難實現修復，主要是因為三維封裝結構較為復雜，焊點數目數以百計，單一焊點的失效直接會引起整個器件的失效，而焊點無法通過重熔實現其修復，因此對于三維封裝而言，整個結構中焊點的可靠性是其關鍵，直接決定了三維封裝的使用壽命。
[0004]在三維封裝芯片堆疊互連中，瞬時液相鍵合是目前廣為應用的堆疊方法，主要是在一定的壓力和溫度條件下，采用低熔點材料熔化，和高熔點材料之間形成固-液互擴散系統，形成高熔點金屬間化合物，實現芯片的垂直堆疊互連。金屬間化合物熔化溫度較高，在后期的鍵合和芯片倒裝焊中仍然保持較高的組織穩定性，且不發生熔化。
[0005]金屬間化合物焊點盡管可以實現三維封裝芯片堆疊互連，但是金屬間化合物也有其自身的缺點會嚴重降低三維封裝結構的可靠性。首先是空洞問題:在固-液互擴散的過程中，形成金屬間化合物會伴隨著體積收縮，在焊點內部出現明顯的空洞，空洞將成為裂紋萌生源；其次是應力集中問題:在服役期間，由于材料線膨脹系數的失配和交變的溫度循環載荷的變化，焊點內部承受著交變的溫度場，焊點成為應力集中區。在服役期間金屬間化合物焊點的這兩個缺點也成為焊點失效的主要原因。因此如何提高金屬間化合物焊點可靠性成為三維封裝領域的重要課題。通過研究新型的互連材料可以實現三維封裝結構可靠性的顯著提高，但是目前針對該方面的研究國際社會缺乏相關的報道。
【發明內容】
[0006]本發明提供了含La、納米Ni的三維封裝芯片堆疊互連材料，利用稀土元素La、納米Ni顆粒和In三者耦合作用，通過三維封裝鍵合形成高強度焊點，可以顯著提高三維封裝結構的可靠性。服役期間具有高的使用壽命，能滿足三維封裝結構器件的高可靠性需求。主要解決以下關鍵性問題:優化稀土元素La、納米Ni顆粒和In的材料組分，得到高可靠性的互連材料。
[0007]本發明是以如下技術方案實現的:含La、納米Ni的三維封裝芯片堆疊互連材料，其成分及質量百分比為:稀土元素La含量為0.0l?0.5%，納米Ni顆粒為2?6%，其余為In。
[0008]本發明互連材料可以采用生產復合金屬材料的常規制備方法得到。
[0009]本發明互連材料優選采用的方法是:首先采用機械研磨制備In-La中間合金粉末，其次混合In-La粉末、In粉末、混合松香樹脂、觸變劑、穩定劑、活性輔助劑和活性劑并充分攪拌，最后添加納米Ni顆粒，充分攪拌制備膏狀含La和納米Ni顆粒的互連材料。
[0010]采用膏狀含La和納米Ni顆粒的互連材料，采用精密絲網印刷和回流焊工藝在芯片表面制備凸點，在一定壓力(IMPa?1MPa)和溫度(170°C?260°C )條件下實現三維空間的芯片垂直互連，形成高強度互連焊點。。
[0011]本發明的機理是:通過選擇合適的互連材料成分，制備含稀土元素La、納米Ni顆粒和In的膏狀互連材料，通過在一定的壓力和溫度條件下鍵合形成互連焊點實現芯片垂直堆疊互連。對于三維封裝芯片堆疊，例如Cu-1n-Cu鍵合，形成Cu3In金屬間化合物焊點，在元素擴散形成金屬間化合物的過程中，由于體積收縮，在金屬間化合物層區域出現明顯的空洞，另外，在服役期間，因為環境溫度的變化，金屬間化合物將成為應力集中區，空洞和應力集中這兩個缺點直接導致焊點產生疲勞失效。添加稀土元素La和納米Ni顆粒，稀土La會與基體In反應，打破原先單一的Cu和In之間的擴散平衡系統，從而抑制空洞的形成，納米Ni顆粒在焊點內部起到彌散強化的作用，提高焊點的強度，在服役期間，焊點應力集中發生變形的過程中，納米顆粒具有阻礙位錯運動的作用，起到釘扎位錯的作用，具有抵抗變形的作用，因此可以提高焊點的使用壽命。考慮到高強度焊點的性能變化，最大程度發揮稀土元素La和納米Ni顆粒的作用，故而控制稀土元素La含量為0.01?0.5%，納米Ni顆粒為2?6%，其余為In。
[0012]與已有技術相比，本發明的有益效果在于:含La、納米Ni的三維封裝芯片堆疊互連材料形成的高強度焊點具有高使用壽命以及抵抗變形的作用。
【附圖說明】
[0013]圖1是金屬間化合物焊點和高強度焊點在服役期間的使用壽命。
[0014]圖2是金屬間化合物焊點和高強度焊點的剪切強度。
【具體實施方式】
[0015]下面結合實施例進一步說明本發明及效果。
[0016]下述10個實施例所使用的材料為:首先采用機械研磨制備In-La中間合金粉末，其次混合In-La粉末、In粉末、混合松香樹脂、觸變劑、穩定劑、活性輔助劑和活性劑并充分攪拌，最后添加納米Ni顆粒，充分攪拌制備膏狀含La和納米Ni顆粒的互連材料，采用精密絲網印刷和回流焊工藝在芯片表面制備凸點，在一定壓力(IMPa?1MPa)和溫度(170°C?260°C )條件下實現三維空間的芯片垂直互連，形成高強度互連焊點。所用納米Ni顆粒為市售30-50nmNi顆粒。
[0017]實施例1
[0018]含La、納米Ni的三維封裝芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素La 0.5%，納米Ni顆粒6%，余量為In。
[0019]鍵合(260°C，1MPa)后形成的高強度焊點使用壽命為4600次熱循環左右(考慮了試驗誤差)，膏狀互連材料具有優良的可焊性。
[0020]實施例2
[0021]含La、納米Ni的三維封裝芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素La 0.01%，納米Ni顆粒2%，余量為In。
[0022]鍵合(250°C，8MPa)后形成的高強度焊點使用壽命為3600次熱循環左右(考慮了試驗誤差)，膏狀互連材料具有優良的可焊性。
[0023]實施例3
[0024]含La、納米Ni的三維封裝芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素La 0.1%，納米Ni顆粒6%，余量為In。
[0025]鍵合(170°C，2MPa)后形成的高強度焊點使用壽命為3900次熱循環左右(考慮了試驗誤差)，膏狀互連材料具有優良的可焊性。
[0026]實施例4
[0027]含La、納米Ni的三維封裝芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素La 0.1%，納米Ni顆粒5%，余量為In。
[0028]鍵合(220°C，6MPa)后形成的高強度焊點使用壽命為3800次熱循環左右(考慮了試驗誤差)，膏狀互連材料具有優良的可焊性。
[0029]實施例5
[0030]含La、納米Ni的三維封裝芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素La 0.1%，納米Ni顆粒4%，余量為In。
[0031]鍵合(230°C，7MPa)后形成的高強度焊點使用壽命為3750次熱循環左右(考慮了試驗誤差)，膏狀互連材料具有優良的可焊性。
[0032]實施例6
[0033]含La、納米Ni的三維封裝芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素La 0.2 %，納米Ni顆粒6%，余量為In。
[0034]鍵合(200°C，9MPa)后形成的高強度焊點使用壽命為4100次熱循環左右(考慮了試驗誤差)，膏狀互連材料具有優良的可焊性。
[0035]實施例7
[0036]含La、納米Ni的三維封裝芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素La 0.2 %，納米Ni顆粒5%，余量為In。
[0037]鍵合(210°C，5MPa)后形成的高強度焊點使用壽命為4000次熱循環左右(考慮了試驗誤差)，膏狀互連材料具有優良的可焊性。
[0038]實施例8
[0039]含La、納米Ni的三維封裝芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素La 0.3%，納米Ni顆粒6%，余量為In。
[0040]鍵合(240°C，4MPa)后形成的高強度焊點使用壽命為4100次熱循環左右(考慮了試驗誤差)，膏狀互連材料具有優良的可焊性。
[0041]實施例9
[0042]含La、納米Ni的三維封裝芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素La 0.3%，納米Ni顆粒5%，余量為In。
[0043]鍵合(190°C，1MPa)后形成的高強度焊點使用壽命為4080次熱循環左右(考慮了試驗誤差)，膏狀互連材料具有優良的可焊性。
[0044]實施例10
[0045]含La、納米Ni的三維封裝芯片堆疊互連材料成分為:稀土元素La 0.4%，納米Ni顆粒6%，余量為In。
[0046]鍵合(260°C，1MPa)后形成的高強度焊點使用壽命為4300次熱循環左右(考慮了試驗誤差)，膏狀互連材料具有優良的可焊性。
[0047]實驗例:在其他成分不變的情況下，金屬間化合物焊點和高強度焊點的使用壽命。
[0048]結論:添加稀土元素La和納米Ni顆粒可以顯著提高金屬間化合物焊點使用壽命，為金屬間化合物焊點的8.4?10.7倍。
【主權項】
1.一種含La、納米Ni的三維封裝芯片堆疊互連材料，其特征在于:其成分及質量百分比為:稀土元素La含量為0.0l?0.5%，納米Ni顆粒為2?6%，其余為In。2.一種權利要求1所述的含La、納米Ni的三維封裝芯片堆疊互連材料的制備方法，其特征在于:可以采用生產復合金屬材料的常規制備方法得到。3.一種權利要求1所述的含La、納米Ni的三維封裝芯片堆疊互連材料的制備方法，其特征在于:首先采用機械研磨制備In-La中間合金粉末，其次混合In-La粉末、In粉末、混合松香樹脂、觸變劑、穩定劑、活性輔助劑和活性劑并充分攪拌，最后添加納米Ni顆粒，充分攪拌制備膏狀含La和納米Ni顆粒的互連材料。4.一種利用權利要求3所述方法得到的含La、納米Ni的三維封裝芯片堆疊互連材料形成高強度互連焊點的方法，其特征在于:使用膏狀含La和納米Ni顆粒的互連材料，采用精密絲網印刷和回流焊工藝在芯片表面制備凸點，在一定壓力IMPa?1MPa和溫度170°C?260°C條件下實現三維空間的芯片垂直互連，形成高強度互連焊點。
【專利摘要】本發明公開了含La、納米Ni的三維封裝芯片堆疊互連材料，屬于芯片互連材料領域。該互連材料的稀土元素La含量為0.01～0.5％，納米Ni顆粒為2～6％，其余為In。首先采用機械研磨制備In-La中間合金粉末，其次混合In-La粉末、In粉末、混合松香樹脂、觸變劑、穩定劑、活性輔助劑和活性劑并充分攪拌，最后添加納米Ni顆粒，充分攪拌制備膏狀含La和納米Ni顆粒的互連材料，采用精密絲網印刷和回流焊工藝在芯片表面制備凸點，在一定壓力(1MPa～10MPa)和溫度(170℃～260℃)條件下實現三維空間的芯片垂直互連，形成高強度互連焊點。本互連材料具有高可靠性，可用于三維封裝芯片堆疊。
【IPC分類】H01L21/768, H01L23/52
【公開號】CN105185767
【申請號】CN201510476848
【發明人】張亮, 孫磊, 郭永環
【申請人】江蘇師范大學
【公開日】2015年12月23日
【申請日】2015年8月6日