[發明專利]一種用于三維封裝芯片堆疊的互連材料

有效

• 申請號: 201510367352.5
• 申請日: 2015-06-26
• 公開（公告）號: CN105161482A
• 公開（公告）日: 2015-12-16
• 發明（設計）人: 張亮;郭永環;孫磊
• 申請（專利權）人: 江蘇師范大學
• 主分類號: H01L23/532
• 分類號: H01L23/532;H01L21/60
• 代理公司: 徐州市三聯專利事務所 32220
• 代理人: 周愛芳

技術領域

本發明涉及一種用于三維封裝芯片堆疊的互連材料，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

摩爾定律自被提出以來，一直被認為是指引電子器件技術的發展方向，但是隨著單一芯片集成度的日益增加似乎使摩爾定律很難繼續使用。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。

芯片垂直堆疊，為了實現其特定的功能，首先需要對芯片垂直堆疊實現互連。而互連焊點的可靠性也直接決定了整個三維封裝結構的使用壽命。對于整個三維封裝而言，互連焊點數以百計，單一焊點的失效即會影響整體結構的可靠性。并且，三維封裝結構復雜，不像二維的電子器件單一焊點失效可以通過重熔進行修復，因為三維結構焊點很難進行修復要求焊點必須具有較高的可靠性。

目前電子工業中，為了實現三維封裝芯片的垂直堆疊，通過低熔點材料-高熔點材料在一定溫度條件下通過固液互擴散形成金屬間化合物焊點，金屬間化合物的熔化溫度較高，一般比低熔點材料高300℃左右，因此可以保證在進行二次芯片鍵合時，第一層芯片表面的金屬間化合物焊點不會熔化，這樣金屬間化合物可以保證焊點在服役期間芯片的多次鍵合和后期的倒裝焊。

但是金屬間化合物有其自身的缺點：(1)由于金屬間化合物是在固-液元素互擴散時，會發生體積收縮，在界面區域出現明顯的空洞現象，空洞會成為焊點裂紋萌生源；(2)由于三維封裝結構在服役期間因為材料線膨脹系數的失配，金屬間化合物焊點容易成為應力集中區，當應力集中到一定程度焊點將會發生疲勞失效。金屬間化合物焊點因為以上的兩個缺點導致三維封裝結構發生早期失效。因此如何提高三維封裝結構可靠性成為電子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

本發明提供一種用于三維封裝芯片堆疊的互連材料，利用亞微米Fe顆粒、碳納米管和Sn三者耦合作用，通過三維封裝鍵合可以構建“鋼筋混凝土”結構焊點，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：優化亞微米Fe顆粒、碳納米管和Sn的材料組分，得到高可靠性的互連材料。

本發明是以如下技術方案實現的：一種用于三維封裝芯片堆疊的互連材料，其成分及質量百分比為：亞微米Fe顆粒含量為3～5％，碳納米管為5～8％，其余為Sn。

本發明可以采用生產復合金屬材料的常規制備方法得到。

本發明優選采用的方法是：使用市售的Sn粉、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，然后添加亞微米Fe顆粒，最后添加碳納米管，充分攪拌制備膏狀含Fe顆粒和碳納米管的互連材料。

采用膏狀含Fe顆粒和碳納米管的互連材料、精密絲網印刷和回流焊工藝在芯片表面制備凸點，在壓力1MPa-10MPa和溫度235℃-260℃條件下實現芯片的垂直堆疊互連，形成“鋼筋混凝土”結構焊點。

本發明的機理是：通過匹配合適的互連材料，制備含亞微米Fe顆粒、碳納米管和Sn的膏狀互連材料，通過鍵合工藝形成互連焊點實現芯片堆疊互連。對于三維封裝芯片堆疊，例如Cu-Sn-Cu鍵合，形成Cu₃Sn金屬間化合物焊點，因為在金屬間化合物形成過程中，元素發生互擴散，會形成體積收縮，致使焊點內部出現大量的空洞。另外在服役期間，因為材料線膨脹系數的失配，焊點極容易成為應力集中區。添加碳納米管和亞微米Fe顆粒，Fe會與基體Sn反應，形成亞微米FeSn₂顆粒，FeSn₂顆粒扮演“石子”角色，碳納米管扮演“鋼筋”角色，因此焊點內部結構會出現“鋼筋混凝土”結構，當Sn-微米Fe-碳納米管應用于三維封裝芯片堆疊互連時，焊點內部形成“鋼筋混凝土”結構，具有阻止焊點疲勞裂紋的擴展，抵抗焊點變形的作用，因此焊點在服役期間具有較高的使用壽命。考慮到鋼筋混凝土結構焊點的性能變化，最大程度發揮“鋼筋”和“石子”的作用，故而控制亞微米Fe顆粒含量為3～5％，碳納米管為5～8％，其余為Sn。

與已有技術相比，本發明的有益效果在于：用三維封裝芯片堆疊的互連材料形成的“鋼筋混凝土”結構焊點具有高使用壽命以及抵抗變形的作用。

附圖說明

圖1是金屬間化合物焊點和“鋼筋混凝土”結構焊點在服役期間的使用壽命。

具體實施方式