一種用于三維封裝芯片堆疊的Sn基互連材料的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于三維封裝芯片堆疊的Sn基互連材料，屬于芯片互連材料領(lǐng)域。該互連材料主要用于三維封裝高可靠性需求的領(lǐng)域，是一種具有高性能的新型互連材料。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著便攜式電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，電子器件逐漸向低功率、輕型以及小型封裝方向發(fā)展。二維組裝密度已經(jīng)達(dá)到理論最大值的情況下，三維封裝芯片堆疊技術(shù)已經(jīng)成為國際社會追逐的熱點(diǎn)。三維封裝，即將芯片在三維空間逐層堆疊，可以實現(xiàn)減小芯片體積和提升數(shù)據(jù)傳輸速度的雙重作用。
[0003]由于芯片在Z軸方向堆疊，芯片會出現(xiàn)明顯的接觸點(diǎn)，這些接觸點(diǎn)國際社會的研究者主要通過鍵合產(chǎn)生互連焊點(diǎn)，以實現(xiàn)芯片的垂直堆疊互連。隨著芯片層數(shù)的增加，芯片之間的互連焊點(diǎn)數(shù)也明顯增加，單一焊點(diǎn)的失效會導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)的失效。對于二維組裝，焊點(diǎn)容易維修，而三維封裝結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，結(jié)構(gòu)尺寸較小，目前工業(yè)的尺寸可以達(dá)到ΙΟμπι左右，無疑三維封裝很難通過維修單個焊點(diǎn)恢復(fù)整體結(jié)構(gòu)的功能。因此，三維封裝芯片堆疊需要互連焊點(diǎn)具有較高的可靠性。
[0004]對于業(yè)界的研究成果，實現(xiàn)三維封裝芯片堆疊的常規(guī)方法是采用低熔點(diǎn)材料和高熔點(diǎn)材料通過固-液互擴(kuò)散形成高熔點(diǎn)金屬間化合物，實現(xiàn)芯片的堆疊，金屬間化合物的熔化溫度較高，一般比低熔點(diǎn)材料高300°C左右，因此可以保證在進(jìn)行二次芯片鍵合時，一次鍵合芯片之間的金屬間化合物焊點(diǎn)不會熔化，這樣整個結(jié)構(gòu)可以承受多次鍵合和后期的倒裝焊。
[0005]盡管形成金屬間化合物可以實現(xiàn)芯片的三維堆疊與互連，但是在服役期間因為金屬間化合物自身的缺點(diǎn)會導(dǎo)致焊點(diǎn)早期失效。在芯片堆疊鍵合過程中，由于低熔點(diǎn)材料和高熔點(diǎn)材料之間的固-液元素互擴(kuò)散，形成金屬間化合物的過程中伴隨著體積收縮，在界面區(qū)域會生成一定量的收縮空洞，空洞會成為裂紋萌生源；另外在服役期間，因為長時間的“開-關(guān)”過程中，導(dǎo)致焊點(diǎn)承受著交變的熱循環(huán)載荷，由于三維封裝材料之間的線膨脹系數(shù)的失配，金屬間化合物焊點(diǎn)容易成為應(yīng)力集中區(qū)，長時間的服役，因為應(yīng)力集中導(dǎo)致焊點(diǎn)率先出現(xiàn)疲勞裂紋。因此也因為金屬間化合物焊點(diǎn)以上的兩個缺點(diǎn)導(dǎo)致三維封裝結(jié)構(gòu)容易發(fā)生早期失效。因此研發(fā)新型的三維封裝互連材料是提高三維封裝結(jié)構(gòu)互連焊點(diǎn)可靠性的關(guān)鍵，但是目前針對該方面的研究國際社會缺乏相關(guān)的報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供一種用于三維封裝芯片堆疊的Sn基互連材料，利用納米石墨烯顆粒、SiC納米線和Sn三者耦合作用，通過三維封裝鍵合可以構(gòu)建“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)焊點(diǎn)，可以顯著提高三維封裝結(jié)構(gòu)的可靠性。服役期間具有高的使用壽命，能滿足三維封裝結(jié)構(gòu)器件的高可靠性需求。主要解決以下關(guān)鍵性問題:優(yōu)化納米石墨稀顆粒、SiC納米線和Sn的材料組分，獲得用于三維封裝互連的高可靠性互連材料。
[0007]本發(fā)明是以如下技術(shù)方案實現(xiàn)的:一種用于三維封裝芯片堆疊的Sn基互連材料，其成分及質(zhì)量百分比為:納米石墨稀顆粒含量為5?8%，SiC納米線為6?10%，其余為Sn0
[0008]本發(fā)明可以采用生產(chǎn)復(fù)合金屬材料的常規(guī)制備方法得到。
[0009]本發(fā)明優(yōu)選采用的方法是:使用市售的Sn粉、混合松香樹脂、觸變劑、穩(wěn)定劑、活性輔助劑和活性劑并充分?jǐn)嚢?，然后添加納米石墨烯顆粒，最后添加SiC納米線，充分?jǐn)嚢柚苽涓酄詈{米石墨烯顆粒和SiC納米線的互連材料，采用噴印方法在芯片表面制備凸點(diǎn)，在一定壓力(IMPa?1MPa)和溫度(235°C?260°C )條件下實現(xiàn)芯片的垂直堆疊互連，形成“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)焊點(diǎn)。
[0010]本發(fā)明的機(jī)理是:納米石墨稀和SiC納米線導(dǎo)電性較好，通過與Sn粉進(jìn)行親合匹配，輔以觸變劑、松香等，制備含納米石墨稀顆粒、SiC納米線和Sn的膏狀互連材料，通過噴印工藝在芯片表面形成凸點(diǎn)，加熱和加壓形成互連焊點(diǎn)實現(xiàn)芯片堆疊互連。由于在三維封裝堆疊鍵合過程中形成金屬間化合物焊點(diǎn)，空洞和應(yīng)力集中成為焊點(diǎn)的兩個致命缺陷。添加納米石墨烯顆粒，在鍵合后的焊點(diǎn)內(nèi)部扮演“石子”角色，SiC納米線扮演“鋼筋”角色，因此焊點(diǎn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)，當(dāng)Sn-納米石墨稀-SiC納米線應(yīng)用于三維封裝芯片堆疊互連時，焊點(diǎn)內(nèi)部形成“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)，具有阻止焊點(diǎn)疲勞裂紋的擴(kuò)展，抵抗焊點(diǎn)變形的作用，因此焊點(diǎn)在服役期間具有較高的使用壽命，同時會提升芯片內(nèi)部信號的傳輸速度?？紤]到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)焊點(diǎn)的性能變化，最大程度發(fā)揮“鋼筋”和“石子”的作用，故而控制納米石墨稀顆粒含量為5?8%，SiC納米線為6?10%，其余為Sn。
[0011]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)焊點(diǎn)具有高使用壽命以及抵抗變形的作用。
【附圖說明】
[0012]圖1:金屬間化合物焊點(diǎn)和“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)焊點(diǎn)在服役期間的使用壽命。
【具體實施方式】
[0013]下面結(jié)合實施例進(jìn)一步說明本發(fā)明及效果。
[0014]下述10個實施例所使用的材料為:使用市售的Sn粉、混合松香樹脂、觸變劑、穩(wěn)定劑、活性輔助劑和活性劑并充分?jǐn)嚢?，然后添加納米石墨烯顆粒，最后添加SiC納米線，充分?jǐn)嚢柚苽涓酄詈{米石墨烯顆粒和SiC納米線的互連材料，采用噴印方法在芯片表面制備凸點(diǎn)，在一定壓力(IMPa?1MPa)和溫度(235°C?260°C )條件下實現(xiàn)芯片的垂直堆疊互連，形成“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)焊點(diǎn)。本互連材料具有高可靠性，可用于三維封裝芯片堆疊。
[0015]實施例1
[0016]用于三維封裝芯片堆疊的Sn基互連材料成分為:納米石墨稀5%，SiC納米線6%，余量為Sn。
[0017]鍵合(260°C，IMPa)后形成的“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)焊點(diǎn)使用壽命為3750次熱循環(huán)左右(考慮了試驗誤差)，膏狀互連材料具有優(yōu)良的可焊性。
[0018]實施例2
[0019]用于三維封裝芯片堆疊的Sn基互連材料成分為:納米石墨稀8%，SiC納米線10%，余量為Sn。
[0020]鍵合(255°C，1MPa)后形成的“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)焊點(diǎn)使用壽命為4950次熱循環(huán)左右(考慮了試驗誤差)，膏狀互連材料具有優(yōu)良的可焊性。
[0021]實施例3
[0022]用于三維封裝芯片堆疊的Sn基互連材料成分為:納米石墨稀8%，SiC納米線9%，余量為Sn。
[0023]鍵合(235°C，5MPa)后形成的“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)焊點(diǎn)使用壽命為4700次熱循環(huán)左右(考慮了試驗誤差)，膏狀互連材料具有優(yōu)良的可焊性
[0024]實施例4
[0025]用于三維封裝芯片堆疊的Sn基互連材料成分為:納米石墨稀8%，SiC納米線8%，余量為Sn。
[0026]鍵合(240°C，8MPa)后形成的“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)焊點(diǎn)使用壽命為4550次熱循環(huán)左右(考慮了試驗誤差)，膏狀互連材料具有優(yōu)良的可焊性
[0027]實施例5
[0028]用于三維封裝芯片堆疊的Sn基互連材料成分為:納米石墨稀7%，SiC納米線10%，余量為Sn。
[0029]鍵合(245°C，1MPa)后形成的“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)焊點(diǎn)使用壽命為4650次熱循環(huán)左右(考慮了試驗誤差)，膏狀互連材料具有優(yōu)良的可焊性
[0030]實施例6
[0031]用于三維封裝芯片堆疊的Sn基互連材料成分為:納米石墨稀7 %，SiC納米線8%，余量為Sn。
[0032]鍵合(260°C，5MPa)后形成的“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)焊點(diǎn)使用壽命為4400次熱循環(huán)左右(考慮了試驗誤差)，膏狀互連材料具有優(yōu)良的可焊性
[0033]實施例7
[0034]用于三維封裝芯片堆疊的Sn基互連材料成分為:納米石墨稀7%，SiC納米線7%，余量為Sn。
[0035]鍵合(235°C，8MPa)后形成的“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)焊點(diǎn)使用壽命為4200次熱循環(huán)左右(考慮了試驗誤差)，膏狀互連材料具有優(yōu)良的可焊性
[0036]實施例8
[0037]用于三維封裝芯片堆疊的Sn基互連材料成分為:納米石墨稀6%，SiC納米線9%，余量為Sn。
[0038]鍵合(250°C，7MPa)后形成的“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)焊點(diǎn)使用壽命為4500次熱循環(huán)左右(考慮了試驗誤差)，膏狀互連材料具有優(yōu)良的可焊性
[0039]實施例9
[0040]用于三維封裝芯片堆疊的Sn基互連材料成分為:納米石墨稀6%，SiC納米線8%，余量為Sn。
[0041]鍵合(245°C，3MPa)后形成的“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)焊點(diǎn)使用壽命為4250次熱循環(huán)左右(考慮了試驗誤差)，膏狀互連材料具有優(yōu)良的可焊性。
[0042]實施例10
[0043]用于三維封裝芯片堆疊的Sn基互連材料成分為:納米石墨稀6%，SiC納米線6%，余量為Sn。
[0044]鍵合(260°C，1MPa)后形成的“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)焊點(diǎn)使用壽命為3950次熱循環(huán)左右(考慮了試驗誤差)，膏狀互連材料具有優(yōu)良的可焊性。
[0045]實驗例:在其他成分不變的情況下，金屬間化合物焊點(diǎn)和“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)焊點(diǎn)的使用壽命。
[0046]結(jié)論:添加納米石墨稀顆粒和SiC納米線可以顯著提高金屬間化合物焊點(diǎn)使用壽命，提高幅度為金屬間化合物焊點(diǎn)的9.6?12.7倍。
【主權(quán)項】
1.一種用于三維封裝芯片堆疊的Sn基互連材料，其特征在于:其成分及質(zhì)量百分比為:納米石墨稀顆粒含量為5?8%，SiC納米線為6?10%，其余為Sn。2.—種權(quán)利要求1所述的用于三維封裝芯片堆疊的互連材料的制備方法，其特征在于:采用生產(chǎn)復(fù)合金屬材料的常規(guī)制備方法得到。3.—種權(quán)利要求1所述的用于三維封裝芯片堆疊的互連材料的制備方法，其特征在于:使用市售的Sn粉、混合松香樹脂、觸變劑、穩(wěn)定劑、活性輔助劑和活性劑并充分?jǐn)嚢?，然后添加納米石墨稀顆粒，最后添加SiC納米線，充分?jǐn)嚢柚苽涓酄詈{米石墨稀顆粒和SiC納米線的互連材料。4.一種利用權(quán)利要求3所述方法得到的膏狀含納米石墨烯顆粒和SiC納米線的互連材料形成“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)焊點(diǎn)的方法，其特征在于:采用噴印方法在芯片表面制備凸點(diǎn)，在壓力IMPa?1MPa和溫度235°C?260°C條件下實現(xiàn)芯片的垂直堆疊互連，形成“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)焊點(diǎn)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于三維封裝芯片堆疊的Sn基互連材料，屬于芯片互連材料領(lǐng)域。該互連材料的納米石墨烯顆粒含量為5～8％，SiC納米線為6～10％，其余為Sn。使用市售的Sn粉、混合松香樹脂、觸變劑、穩(wěn)定劑、活性輔助劑和活性劑并充分?jǐn)嚢瑁缓筇砑蛹{米石墨烯顆粒，最后添加SiC納米線，充分?jǐn)嚢柚苽涓酄詈{米石墨烯顆粒和SiC納米線的互連材料，采用噴印方法在芯片表面制備凸點(diǎn)，在一定壓力(1MPa～10MPa)和溫度(235℃～260℃)條件下實現(xiàn)芯片的垂直堆疊互連，形成“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)焊點(diǎn)。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, H01L21/60, H01L23/488, B82Y40/00, H01L23/532
【公開號】CN105047645
【申請?zhí)枴緾N201510369924
【發(fā)明人】張亮, 郭永環(huán), 孫磊
【申請人】江蘇師范大學(xué)
【公開日】2015年11月11日
【申請日】2015年6月26日