[發明專利]一種用于三維封裝芯片堆疊的Sn基互連材料

有效

• 申請號: 201510369924.3
• 申請日: 2015-06-26
• 公開（公告）號: CN105047645A
• 公開（公告）日: 2015-11-11
• 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;H01L21/768;H01L23/488;H01L21/60;B82Y40/00
• 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Sn基互連材料，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

隨著便攜式電子產品的快速發展，電子器件逐漸向低功率、輕型以及小型封裝方向發展。二維組裝密度已經達到理論最大值的情況下，三維封裝芯片堆疊技術已經成為國際社會追逐的熱點。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。

由于芯片在Z軸方向堆疊，芯片會出現明顯的接觸點，這些接觸點國際社會的研究者主要通過鍵合產生互連焊點，以實現芯片的垂直堆疊互連。隨著芯片層數的增加，芯片之間的互連焊點數也明顯增加，單一焊點的失效會導致整個結構的失效。對于二維組裝，焊點容易維修，而三維封裝結構過于復雜，結構尺寸較小，目前工業的尺寸可以達到10μm左右，無疑三維封裝很難通過維修單個焊點恢復整體結構的功能。因此，三維封裝芯片堆疊需要互連焊點具有較高的可靠性。

對于業界的研究成果，實現三維封裝芯片堆疊的常規方法是采用低熔點材料和高熔點材料通過固-液互擴散形成高熔點金屬間化合物，實現芯片的堆疊，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，一次鍵合芯片之間的金屬間化合物焊點不會熔化，這樣整個結構可以承受多次鍵合和后期的倒裝焊。

盡管形成金屬間化合物可以實現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會導致焊點早期失效。在芯片堆疊鍵合過程中，由于低熔點材料和高熔點材料之間的固-液元素互擴散，形成金屬間化合物的過程中伴隨著體積收縮，在界面區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”過程中，導致焊點承受著交變的熱循環載荷，由于三維封裝材料之間的線膨脹系數的失配，金屬間化合物焊點容易成為應力集中區，長時間的服役，因為應力集中導致焊點率先出現疲勞裂紋。因此也因為金屬間化合物焊點以上的兩個缺點導致三維封裝結構容易發生早期失效。因此研發新型的三維封裝互連材料是提高三維封裝結構互連焊點可靠性的關鍵，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：優化納米石墨烯顆粒、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。

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Sn基互連材料，其成分及質量百分比為：納米石墨烯顆粒含量為5～8％，SiC納米線為6～10％，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，然后添加納米石墨烯顆粒，最后添加SiC納米線，充分攪拌制備膏狀含納米石墨烯顆粒和SiC納米線的互連材料，采用噴印方法在芯片表面制備凸點，在一定壓力(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：納米石墨烯和SiC納米線導電性較好，通過與Sn粉進行耦合匹配，輔以觸變劑、松香等，制備含納米石墨烯顆粒、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，加熱和加壓形成互連焊點實現芯片堆疊互連。由于在三維封裝堆疊鍵合過程中形成金屬間化合物焊點，空洞和應力集中成為焊點的兩個致命缺陷。添加納米石墨烯顆粒，在鍵合后的焊點內部扮演“石子”角色，SiC納米線扮演“鋼筋”角色，因此焊點內部結構會出現“鋼筋混凝土”結構，當Sn-納米石墨烯-SiC納米線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，同時會提升芯片內部信號的傳輸速度。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，故而控制納米石墨烯顆粒含量為5～8％，SiC納米線為6～10％，其余為Sn。

與已有技術相比，本發明的有益效果在于：“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