[發明專利]一種含Nd、亞微米記憶顆粒CuZnAl的芯片堆疊互連材料

有效

• 申請號: 201510478932.1
• 申請日: 2015-08-06
• 公開（公告）號: CN105070709B
• 公開（公告）日: 2017-07-11
• 發明（設計）人: 張亮;孫磊;鐘素娟;馬佳;鮑麗
• 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
• 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

本發明涉及一種含Nd、亞微米記憶顆粒CuZnAl的芯片堆疊互連材料，屬于芯片互連材料領域。僅有亞微米尺寸的形狀記憶合金CuZnAl顆粒可以顯著提高互連材料的使用壽命。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

在電子工業中，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，電子產業進入了后摩爾時代。三維封裝，即將芯片在三維垂直空間逐層堆疊，可以實現減小芯片體積和提升數據傳輸速度的雙重作用。

對于三維封裝芯片垂直堆疊，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。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。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。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，因此三維封裝芯片堆疊互連焊點要求必須有較高的可靠性。

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互連焊點，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，金屬間化合物焊點可以保證芯片的多次鍵合和后期的倒裝焊。

對于三維封裝芯片堆疊鍵合，盡管金屬間化合物可以實現芯片堆疊互連，但是金屬間化合物有其自身的缺點：(1)在固-液元素互擴散形成金屬間化合物時，會發生體積收縮，在金屬間化合物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和交變溫度載荷的變化，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。以上的兩個缺點導致金屬間化合物焊點成為三維封裝結構潛在失效區域。因此如何提高金屬間化合物焊點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

本發明提供一種含Nd、亞微米記憶顆粒CuZnAl的芯片堆疊互連材料，利用稀土元素Nd、亞微米記憶顆粒CuZnAl和In三者耦合作用，通過三維封裝鍵合可以構建具有記憶特性的高強度焊點，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。

本發明是以如下技術方案實現的：一種含Nd、亞微米記憶顆粒CuZnAl的芯片堆疊互連材料，其成分及質量百分比為：稀土元素Nd含量為0.01～0.5％，亞微米記憶顆粒CuZnAl為0.05～8％，其余為In。

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：首先采用機械研磨制備In-Nd中間合金粉末，其次混合In-Nd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，最后添加亞微米記憶顆粒CuZnAl，充分攪拌制備膏狀含Nd和亞微米記憶顆粒CuZnAl的互連材料。

采用膏狀含Nd和亞微米記憶顆粒CuZnAl的互連材料，采用噴印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，形成具有記憶特性的高強度焊點。

主要解決的關鍵性問題：優化稀土元素Nd、亞微米記憶顆粒CuZnAl和In的材料組分，得到高可靠性的互連材料。