一种3D芯片堆叠的含Ce、纳米Co的互连材料[发明专利]

(10)申请公布号
(43)申请公布日 (21)申请号 201510478768.4
(22)申请日 2015.08.06
H01L 23/52(2006.01)
H01L 21/768(2006.01)
C22C 28/00(2006.01)
(71)申请人江苏师范大学
地址221116 江苏省徐州市铜山新区上海路
101号
(72)发明人张亮 孙磊 郭永环
(74)专利代理机构徐州市三联专利事务所
32220
代理人周爱芳
(54)发明名称
一种3D 芯片堆叠的含Ce、纳米Co 的互连材
料
(57)摘要
本发明公开了一种3D 芯片堆叠的含Ce、纳米
Co 的互连材料，属于芯片互连材料领域。

该互连
材料的稀土元素Ce 含量为0.01～0.5％，纳米Co
颗粒为1～5％，其余为In。

首先制备In-Ce 中间
合金粉末，其次混合In-Ce 粉末、In 粉末、混合松
香树脂、触变剂、稳定剂、活性辅助剂和活性剂并
充分搅拌，最后添加纳米Co 颗粒，充分搅拌制备
膏状含Ce 和纳米Co 颗粒的互连材料，采用精密丝
网印刷和回流焊工艺在芯片表面制备凸点，在一
定压力(1MPa ～10MPa)和温度(170℃～260℃)
条件下实现三维空间的芯片垂直互连，形成高强
度互连焊点。

本互连材料具有高可靠性，可用于三
维封装芯片堆叠。

(51)Int.Cl.
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页 说明书4页 附图1页CN 105185768 A 2015.12.23
C N 105185768
A
1.一种3D芯片堆叠的含Ce、纳米Co的互连材料，其特征在于：其成分及质量百分比为：稀土元素Ce含量为0.01～0.5％，纳米Co颗粒为1～5％，其余为In。

2.一种权利要求1所述的一种3D芯片堆叠的含Ce、纳米Co的互连材料的制备方法，其特征在于：采用生产复合金属材料的常规制备方法得到。

3.一种权利要求1所述的一种3D芯片堆叠的含Ce、纳米Co的互连材料的制备方法，其特征在于：首先制备In-Ce中间合金粉末，其次混合In-Ce粉末、In粉末、混合松香树脂、触变剂、稳定剂、活性辅助剂和活性剂并充分搅拌，最后添加纳米Co颗粒，充分搅拌制备膏状含Ce和纳米Co颗粒的互连材料。

4.一种利用权利要求3所述方法得到的一种3D芯片堆叠的含Ce、纳米Co的互连材料形成高强度焊点的方法，其特征在于：使用膏状含Ce和纳米Co颗粒的互连材料，采用精密丝网印刷和回流焊工艺在芯片表面制备凸点，在压力1MPa～10MPa和温度170℃～260℃条件下实现三维空间的芯片垂直互连，形成高强度互连焊点。

一种3D芯片堆叠的含Ce、纳米Co的互连材料
技术领域
[0001] 本发明涉及一种3D芯片堆叠的含Ce、纳米Co的互连材料，属于芯片互连材料领域。

该互连材料主要用于三维封装高可靠性需求的领域，是一种具有高性能的新型互连材料。

背景技术
[0002] 随着电子工业的快速发展，传统二维封装在电子产品微型化和多功能化方面明显具有一定的局限性，摩尔定律在电子工业中的应用也似乎走到了尽头，三维封装技术的出现使整个电子行业进入了后摩尔时代，相对传统的二维封装，三维封装使芯片在垂直空间实现了堆叠和互连，在一定层次上实现了芯片体积缩小和提升数据传输速度的双重作用，使电子器件超小、多功能成为可能。

[0003] 芯片的垂直堆叠互连，主要是芯片在三维空间的逐层叠加，已经不仅仅局限于二维封装在二维空间的贴装，芯片在垂直空间的堆叠决定了芯片在三维空间会出现大量的互连焊点，焊点数量数以百计，单一焊点的失效会导致整个三维封装结构功能的丧失，因此单一焊点的性能直接决定了整个电子器件的使用寿命。

另外，三维封装结构较为复杂，单一焊点的失效也很难通过检测获得，为整个电子器件可靠性带来明显的隐患。

[0004] 为了实现芯片在三维空间的垂直堆叠，业界研究者推荐在一定的温度和压力条件下，通过低熔点材料和高熔点材料之间的固-液元素互扩散，完全形成金属间化合物焊点，金属间化合物的熔化温度较高，可以保证芯片在后期的键合和倒装焊中保持内部组织的稳定性。

在键合过程中，低熔点材料在转化为金属间化合物焊点中完全消耗掉，不同于二维封装焊点中低熔点材料大部分仍然保留下来，仅仅在界面区域形成一层明显的金属间化合物层。

无疑这也是三维芯片堆叠键合区别于二维封装最为明显的部分。

[0005] 三维封装芯片堆叠键合形成金属间化合物焊点，但是对于金属间化合物也有其自身的缺点制约其发展：(1)在固-液元素互扩散的过程中，因为形成金属间化合物会出现体积收缩，在焊点内部会出现明显的空洞现象，空洞会成为焊点失效的裂纹萌生源；(2)对于三维封装结构，在服役期间，由于材料线膨胀系数的失配，在交变温度载荷的条件下，焊点容易成为应力集中区，长时间的服役会使焊点因为应力过高而失效。

因此金属间化合物焊点的可靠性低会导致整个三维封装结构发生早期失效。

因此如何提高金属间化合物焊点可靠性成为三维封装领域的重要课题。

通过研究新型的互连材料可以实现金属间化合物焊点可靠性的显著提高，但是目前针对该方面的研究国际社会缺乏相关的报道。

发明内容
[0006] 本发明提供一种3D芯片堆叠的含Ce、纳米Co的互连材料，利用稀土元素Ce、纳米Co颗粒和In三者耦合作用，通过三维封装键合形成高强度焊点，可以显著提高三维封装结构的可靠性。

服役期间具有高的使用寿命，能满足三维封装结构器件的高可靠性需求。

[0007] 本发明是以如下技术方案实现的：一种3D芯片堆叠的含Ce、纳米Co的互连材料，
其成分及质量百分比为：稀土元素Ce含量为0.01～0.5％，纳米Co颗粒为1～5％，其余为In。

[0008] 本发明可以采用生产复合金属材料的常规制备方法得到。

[0009] 本发明优选采用的方法是：首先制备In-Ce中间合金粉末，其次混合In-Ce粉末、In粉末、混合松香树脂、触变剂、稳定剂、活性辅助剂和活性剂并充分搅拌，最后添加纳米Co颗粒，充分搅拌制备膏状含Ce和纳米Co颗粒的互连材料。

[0010] 采用膏状含Ce和纳米Co颗粒的互连材料，采用精密丝网印刷和回流焊工艺在芯片表面制备凸点，在一定压力(1MPa～10MPa)和温度(170℃～260℃)条件下实现三维空间的芯片垂直互连，形成高强度互连焊点。

[0011] 本发明的上述技术方案主要解决了以下关键性问题：优化稀土元素Ce、纳米Co颗粒和In的材料组分，得到高可靠性的互连材料。

[0012] 本发明的机理是：通过匹配合适的互连材料，制备稀土元素Ce、纳米Co颗粒和In 的膏状互连材料，通过键合工艺形成互连焊点实现芯片堆叠互连。

对于三维封装芯片堆叠，
In金属间化合物焊点，因为Ni和In之间元素互扩散形成金属例如Ni-In-Ni键合，形成Ni
3
间化合物的过程中，体积收缩会导致焊点中存在大量的空洞，另外在服役期间焊点也会成为应力集中区域。

添加稀土元素Ce和纳米Co颗粒，稀土元素Ce会与In反应，影响Ni-In 元素互扩散平衡，抑制界面空洞的形成。

纳米Co颗粒在焊点内部起到颗粒强化作用，直接提高焊点强度，另外在焊点应力集中发生变形的过程中，纳米颗粒对位错运动具有明显的阻碍作用，使焊点具有抵抗变形的作用。

因此焊点在服役期间具有较高的使用寿命。

考虑到高强度焊点的性能变化，最大程度发挥稀土Ce和纳米Co颗粒的作用，故而控制稀土元素Ce含量为0.01～0.5％，纳米Co颗粒为1～5％，其余为In。

[0013] 与已有技术相比，本发明的有益效果在于：一种3D芯片堆叠的含Ce、纳米Co的互连材料形成的高强度焊点具有高使用寿命以及抵抗变形的作用。

附图说明
[0014] 图1是金属间化合物焊点和高强度焊点在服役期间的使用寿命。

[0015] 图2是金属间化合物焊点和高强度焊点的剪切强度。

具体实施方式
[0016] 下面结合实施例进一步说明本发明及效果。

[0017] 下述10个实施例所使用的材料为：首先制备In-Ce中间合金粉末，其次混合In-Ce粉末、In粉末、混合松香树脂、触变剂、稳定剂、活性辅助剂和活性剂并充分搅拌，最后添加纳米Co颗粒，充分搅拌制备膏状含Ce和纳米Co颗粒的互连材料，采用精密丝网印刷和回流焊工艺在芯片表面制备凸点，在一定压力(1MPa～10MPa)和温度(170℃～260℃)条件下实现三维空间的芯片垂直互连，形成高强度互连焊点。

[0018] 实施例1
[0019] 一种3D芯片堆叠的含Ce、纳米Co的互连材料成分为：稀土元素Ce 0.5％，纳米Co 颗粒5％，余量为In。

[0020] 键合(260℃，10MPa)后形成的高强度焊点使用寿命为4500次热循环左右(考虑
了试验误差)，膏状互连材料具有优良的可焊性。

[0021] 实施例2
[0022] 一种3D芯片堆叠的含Ce、纳米Co的互连材料成分为：稀土元素Ce 0.01％，纳米Co颗粒1％，余量为In。

[0023] 键合(260℃，10MPa)后形成的高强度焊点使用寿命为3300次热循环左右(考虑了试验误差)，膏状互连材料具有优良的可焊性。

[0024] 实施例3
[0025] 一种3D芯片堆叠的含Ce、纳米Co的互连材料成分为：稀土元素Ce 0.02％，纳米Co颗粒2％，余量为In。

[0026] 键合(170℃，5MPa)后形成的高强度焊点使用寿命为3490次热循环左右(考虑了试验误差)，膏状互连材料具有优良的可焊性。

[0027] 实施例4
[0028] 一种3D芯片堆叠的含Ce、纳米Co的互连材料成分为：稀土元素Ce 0.03％，纳米Co颗粒5％，余量为In。

[0029] 键合(230℃，8MPa)后形成的高强度焊点使用寿命为4100次热循环左右(考虑了试验误差)，膏状互连材料具有优良的可焊性。

[0030] 实施例5
[0031] 一种3D芯片堆叠的含Ce、纳米Co的互连材料成分为：稀土元素Ce 0.03％，纳米Co颗粒4％，余量为In。

[0032] 键合(200℃，9MPa)后形成的高强度焊点使用寿命为3800次热循环左右(考虑了试验误差)，膏状互连材料具有优良的可焊性。

[0033] 实施例6
[0034] 一种3D芯片堆叠的含Ce、纳米Co的互连材料成分为：稀土元素Ce 0.4％，纳米Co 颗粒5％，余量为In。

[0035] 键合(250℃，10MPa)后形成的高强度焊点使用寿命为4400次热循环左右(考虑了试验误差)，膏状互连材料具有优良的可焊性。

[0036] 实施例7
[0037] 一种3D芯片堆叠的含Ce、纳米Co的互连材料成分为：稀土元素Ce 0.3％，纳米Co 颗粒4％，余量为In。

[0038] 键合(260℃，7MPa)后形成的高强度焊点使用寿命为4180次热循环左右(考虑了试验误差)，膏状互连材料具有优良的可焊性。

[0039] 实施例8
[0040] 一种3D芯片堆叠的含Ce、纳米Co的互连材料成分为：稀土元素Ce 0.3％，纳米Co 颗粒3％，余量为In。

[0041] 键合(210℃，6MPa)后形成的高强度焊点使用寿命为3750次热循环左右(考虑了试验误差)，膏状互连材料具有优良的可焊性。

[0042] 实施例9
[0043] 一种3D芯片堆叠的含Ce、纳米Co的互连材料成分为：稀土元素Ce 0.2％，纳米Co 颗粒5％，余量为In。

[0044] 键合(260℃，10MPa)后形成的高强度焊点使用寿命为4280次热循环左右(考虑了试验误差)，膏状互连材料具有优良的可焊性。

[0045] 实施例10
[0046] 一种3D芯片堆叠的含Ce、纳米Co的互连材料成分为：稀土元素Ce 0.1％，纳米Co 颗粒5％，余量为In。

[0047] 键合(220℃，8MPa)后形成的高强度焊点使用寿命为4200次热循环左右(考虑了试验误差)，膏状互连材料具有优良的可焊性。

[0048] 实验例：在其他成分不变的情况下，金属间化合物焊点和高强度结构焊点的使用寿命。

[0049] 结论：添加稀土元素Ce和纳米Co颗粒可以显著提高金属间化合物焊点使用寿命，为金属间化合物焊点的7.7～10.2倍。

图1
图2。