[發明專利]一種三維封裝芯片堆疊用金屬間化合物鍵合方法及鍵合結構

有效

• 申請號: 201510069934.5
• 申請日: 2015-02-09
• 公開（公告）號: CN104716059B
• 公開（公告）日: 2017-10-20
• 發明（設計）人: 趙寧;黃明亮;鐘毅;趙建飛;許利偉;馬海濤
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: H01L21/60
• 分類號: H01L21/60;H01L23/488;B23K1/00
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司21212
• 代理人: 賈漢生,李馨

技術領域

本發明屬于電子封裝三維集成技術領域，涉及一種三維封裝芯片堆疊鍵合方法及結構，尤其涉及一種三維封裝芯片堆疊用金屬間化合物鍵合方法及結構。

背景技術

隨著電子封裝器件不斷追求高頻高速、多功能、高性能和小體積，要求電子封裝技術能夠實現更高的集成密度和更小的封裝尺寸，封裝結構逐漸由二維向三維方向發展。多層堆疊芯片鍵合是三維電子封裝中的核心技術之一。采用硅通孔(Through Silicon Via，TSV)工藝與微凸點(μ-bump)工藝，可以實現芯片之間或芯片與基板之間的三維互連，彌補傳統半導體芯片二維布線的局限性。這種互連方式具有三維方向堆疊密度大、封裝后外形尺寸小、電路可靠性高等優點，提高芯片的運行速度并降低功耗，實現一個系統或某個功能在三維結構上的集成。

目前，用于三維封裝的芯片堆疊鍵合技術主要包括：直接鍵合，真空環境中將圓晶接觸對準，在一定壓力下高溫退火完成；粘結鍵合，使用聚合物黏膠進行鍵合；金屬擴散鍵合，在圓晶上預制金屬凸點，一定壓力和溫度下退火；釬料凸點鍵合，在金屬凸點的基礎上預制釬料層，在一定溫度下回流進行釬焊反應，實現冶金連接的鍵合方法，得到廣泛應用。

現有三維封裝技術中的芯片堆疊鍵合存在如下缺點：直接鍵合和金屬擴散鍵合的鍵合溫度高，由于各層材料的熱膨脹系數差異大易造成圓晶翹曲，鍵合壓力大易使極薄的芯片(趨于50μm以下)出現裂紋，對鍵合表面平整度要求極高增加了工藝難度，鍵合時間長，效率較低；粘結鍵合的連接強度低，聚合物易在產品服役過程中發生劣化，降低服役可靠性；釬料凸點鍵合雖然可避免上述問題，但鍵合時生成的界面金屬間化合物與釬料、金屬凸點形成了多界面的異質連接，服役時界面上因原子互擴散而產生空洞或裂紋，降低服役可靠性，此外釬料為低熔點合金，限制了釬料凸點鍵合只能在較低溫度下服役。已有專利采用使釬料與金屬凸點發生充分釬焊反應全部轉變為金屬間化合物的方法實現鍵合，但缺點是釬焊反應時間長，制作效率低下，形成的金屬間化合物取向隨機，且易在金屬間化合物中形成空洞。

發明內容

本發明解決的技術問題是提供一種鍵合效率高、金屬間化合物沿溫度梯度方向具有單一取向的三維封裝芯片堆疊用金屬間化合物鍵合方法及結構。

本發明采用的技術方案如下，

一種三維封裝芯片堆疊用金屬間化合物鍵合方法，包括對釬料和釬料兩側的金屬凸點進行加熱處理以進行釬焊反應形成金屬間化合物的過程，所述加熱處理時，在所述釬料兩側的金屬凸點之間形成溫度梯度。

所述對釬料和釬料兩側的金屬凸點進行加熱處理以進行釬焊反應形成金屬間化合物的過程，所述過程中釬料全部反應形成金屬間化合物。

本發明所述金屬凸點和釬料的種類為本領域進行釬焊反應形成金屬間化合物通用的材料，其中，所述金屬凸點優選為Cu、Ni、Au或Ag中的一種，金屬凸點的結構為單晶、擇優取向或多晶結構均可；所述釬料優選為Sn、In、SnAg、SnCu、SnBi、SnPb、SnAu、SnIn、SnAgCu或InAg中的一種。

優選地，所述金屬凸點為單晶或擇優取向Cu，釬料為Sn、In或SnCu中的一種。

優選地，所述金屬凸點為單晶或擇優取向Ni，釬料為Sn或In中的一種。

優選地，所述金屬凸點為單晶或擇優取向Au，釬料為Sn、In或SnAu中的一種。

優選地，所述金屬凸點為單晶或擇優取向Ag，釬料為Sn、In、SnAg或InAg中的一種。

本發明所述金屬凸點的形態可以為用于三維封裝芯片堆疊的鍵合結構中可與釬料形成金屬間化合物的任意形態。

所述形成溫度梯度的溫度較低一側金屬凸點的溫度高于釬料熔點的溫度，優選為高于釬料熔點20-30℃。

所述溫度梯度定義為ΔT/Δd，所述ΔT為金屬凸點之間的溫度差，所述Δd為金屬凸點之間的距離。

所述溫度梯度不小于20℃/cm；優選為溫度梯度為20～200℃/cm；

進一步優選為20～50℃/cm；

進一步優選為50～60℃/cm；

進一步優選為60～80℃/cm；

進一步優選為80～90℃/cm；

進一步優選為90～165℃/cm；

進一步優選為165～175℃/cm。