一種含Pr、亞微米TiN的芯片堆疊互連材料的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種含Pr、亞微米TiN的芯片堆疊互連材料，屬于芯片互連材料領(lǐng)域。僅有亞微米尺寸的形狀記憶合金TiN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(lǐng)域，是一種具有高性能的新型互連材料。
【背景技術(shù)】
[0002]在電子行業(yè)，摩爾定律一直被認(rèn)為是指引電子器件技術(shù)的發(fā)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(xù)使用。而三維封裝技術(shù)的出現(xiàn)，則可以使摩爾定律的失效時間大幅度推后，致使電子行業(yè)進(jìn)入了后摩爾時代。三維封裝，即將芯片在三維空間進(jìn)行垂直逐層堆疊，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]在二維封裝中，主要是貼裝工藝，即芯片和基板之間通過焊點進(jìn)行連接，單一焊點的失效可以通過檢測和重熔實現(xiàn)修復(fù)。但是對于三維封裝，芯片在垂直空間進(jìn)行芯片堆疊互連，互連焊點數(shù)以百計，單一焊點的失效即會影響整體結(jié)構(gòu)的可靠性，并且三維封裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不像二維的電子器件單一焊點失效可以通過重熔進(jìn)行修復(fù)，因為三維結(jié)構(gòu)焊點很難進(jìn)行修復(fù)要求焊點必須具有較高的可靠性。故而三維封裝焊點的可靠性直接決定了三維封裝結(jié)構(gòu)的使用壽命。
[0004]三維封裝芯片堆疊，主要是通過瞬時液相實現(xiàn)芯片垂直互連，即在一定的壓力和溫度條件下，通過低熔點材料-高熔點材料在固-液元素互擴(kuò)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°C左右，可以保證在進(jìn)行二次芯片鍵合時，第一層芯片之間的金屬間化合物互連焊點不會熔化，這樣可以保證焊點在服役期間可以承受芯片的多次鍵合和后期的倒裝焊。
[0005]對于三維封裝芯片堆疊鍵合技術(shù)，主要是通過金屬間化合物實現(xiàn)芯片的堆疊互連，但是金屬間化合物有其自身的缺點，首先是在一定的溫度和壓力條件下，低熔點材料熔化，在固-液元素互擴(kuò)散過程中，會發(fā)生體積收縮，在界面區(qū)域出現(xiàn)明顯的空洞現(xiàn)象，在服役期間，由于電子器件承受著“開-關(guān)”帶來的溫度變化，整個電子器件內(nèi)部出現(xiàn)交變的溫度場，因為封裝材料之間線膨脹系數(shù)差異較大，焊點容易成為應(yīng)力集中區(qū)，當(dāng)應(yīng)力增加到一定程度焊點將發(fā)生早期失效。因此金屬間化合物焊點的缺點容易導(dǎo)致三維封裝結(jié)構(gòu)發(fā)生早期失效。因此如何提高金屬間化合物焊點可靠性成為電子封裝領(lǐng)域的重要課題。通過研究新型的互連材料可以實現(xiàn)三維封裝結(jié)構(gòu)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(guān)的報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供一種含Pr、亞微米TiN的芯片堆疊互連材料，利用稀土元素Pr、形狀記憶合金亞微米TiN顆粒和In三者耦合作用，通過三維封裝鍵合可以形成高強(qiáng)度互連焊點，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。
[0007]本發(fā)明是以如下技術(shù)方案實現(xiàn)的:一種含Pr、亞微米TiN的芯片堆疊互連材料，其成分及質(zhì)量百分比為:稀土元素Pr含量為0.01?0.5%，亞微米TiN顆粒為0.05?8%，其余為In。
[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)選采用的制備方法是:首先采用機(jī)械研磨法制備In-Pr中間合金粉末，其次混合In-Pr粉末、In粉末、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?，最后添加亞微米TiN顆粒，充分?jǐn)嚢柚苽涓酄詈琍r和亞微米TiN顆粒的互連材料。
[0010]使用膏狀含Pr和亞微米TiN顆粒的互連材料，采用噴印技術(shù)在芯片表面制備凸點，在一定壓力(IMPa?1MPa)和溫度(170°C?260°C )條件下實現(xiàn)三維空間的芯片垂直互連，形成高強(qiáng)度互連焊點。
[0011]上述技術(shù)方案主要解決的關(guān)鍵性問題:優(yōu)化稀土元素Pr、形狀記憶合金亞微米TiN顆粒和In的材料組分，得到高可靠性的互連材料。
[0012]本發(fā)明的機(jī)理是:通過匹配合適的互連材料，制備含稀土元素Pr、形狀記憶合金亞微米TiN顆粒和In的膏狀互連材料，通過鍵合工藝形成互連焊點實現(xiàn)芯片堆疊互連。對于三維封裝芯片堆疊，例如Cu-1n-Cu鍵合，形成Cu3In金屬間化合物焊點，在In-Cu固液元素互擴(kuò)散過程中，焊點會形成體積收縮，致使焊點內(nèi)部出現(xiàn)大量的空洞。另外在服役期間，因為交變環(huán)境溫度的變化和材料線膨脹系數(shù)的失配，焊點極容易成為應(yīng)力集中區(qū)。添加稀土元素Pr和亞微米TiN顆粒，Pr會與基體In反應(yīng)，打破Cu-1n元素互擴(kuò)散平衡系統(tǒng)，抑制界面空洞的形成，亞微米TiN顆粒在焊點內(nèi)部起到強(qiáng)化的作用，可以提高焊點強(qiáng)度，另外記憶合金亞微米TiN顆粒具有一定的記憶特性，在焊點應(yīng)力集中的過程中，亞微米TiN顆粒可以作為變形顆粒，釋放應(yīng)力緩解焊點變形的作用，因此焊點在服役期間具有較高的使用壽命?？紤]到高強(qiáng)度焊點的性能變化，最大程度發(fā)揮稀土元素Pr和記憶合金亞微米TiN顆粒的作用，故而控制稀土元素Pr含量為0.01?0.5 %，亞微米TiN顆粒為0.05?8 %，其余為In。
[0013]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:一種含Pr、亞微米TiN的芯片堆疊互連材料形成的高強(qiáng)度互連焊點具有高使用壽命以及抵抗變形的作用，其使用壽命為現(xiàn)有金屬間化合物焊點的8.6?12.6倍。
【附圖說明】
[0014]圖1是金屬間化合物焊點和高強(qiáng)度焊點在服役期間的使用壽命。
[0015]圖2是金屬間化合物焊點和高強(qiáng)度焊點的剪切強(qiáng)度。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合實施例進(jìn)一步說明本發(fā)明及效果。
[0017]下述10個實施例所使用的材料為:首先采用機(jī)械研磨法制備In-Pr中間合金粉末，其次混合In-Pr粉末、In粉末、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?，最后添加亞微米TiN顆粒，充分?jǐn)嚢柚苽涓酄詈琍r和亞微米TiN顆粒的互連材料，采用噴印技術(shù)在芯片表面制備凸點，在一定壓力(IMPa?1MPa)和溫度(170°C?260°C)條件下實現(xiàn)三維空間的芯片垂直互連，形成高強(qiáng)度互連焊點。本互連材料具有高可靠性，可用三維封裝芯片堆疊。
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