[发明专利]一种实现硅通孔叠层芯片互连的方法

说明书

技术领域

本发明属于电子制造技术领域，涉及一种在较低预热温度、常温条件下快速实现高可靠性硅通孔（TSV）叠装芯片互连的新方法。

背景技术

硅通孔（Through Silicon Via，TSV）叠层封装技术通过芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间制作垂直的通孔实现芯片之间的互连。因其可实现芯片多功能化，减小信号延迟、降低功耗、减小封装体积等优点，而受到学术和工业界的广泛青睐，是当今高密度三维芯片封装技术的核心，被视为继引线键合、载带键合和倒装芯片后的第四代封装技术。TSV技术工艺流程主要包括：通孔的制备与填充、晶片的减薄以及TSV键合。作为TSV叠层封装技术的难点，目前TSV键合技术主要有：直接键合、金属扩散键合、共晶键合(Cu-Sn、Ag-Sn、Au-Sn)、聚合物粘胶键合等。虽然在一定程度上能够满足工艺需求，但仍存在如下问题：

（1）键合温度高。温度高于260℃进行键合时，将会影响封装中敏感芯片的性能。键合过程中由于各层材料热膨胀系数的不匹配造成晶圆或芯片翘曲，在高密度、窄间距封装互连中影响精度。

（2）键合压力大。叠层封装中芯片堆叠至少两层芯片，且芯片极薄，通常为50~100μm，容易产生裂纹。芯片在高键合压力或夹具力作用下易出现裂纹，造成晶圆或芯片的损坏。

（3）焊点可靠性低。叠层封装中芯片互连焊点通常只有3~6μm，焊点内部几乎全部由金属间化合物组成，而金属间化合物是互连接头中的脆性物质，严重影响接头性能。此外，电迁移作用将驱动金属间化合物的继续生长，导致封装中各个部分的热失配而产生失效。

（4）键合时间长。在晶圆级键合过程中加热时间长达几十分钟甚至是几个小时，不符合高效电子制造的特点。

因此，亟需开发一种在较低温度乃至常温条件下，快速制备高可靠性互连焊点的新工艺。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用电流焦耳热辅助实现TSV三维互连焊点键合的新方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种实现硅通孔叠层芯片互连的方法，可按以下步骤实现多层堆叠硅通孔芯片间的键合：打孔→填充导电金属→制备钎料层→夹持对中→键合→成品，所述键合过程中，利用电流焦耳热辅助键合工艺实现硅通孔三维互连焊点键合，其它工艺均为现有技术。

本发明中，双脉冲高频窄间隙平行电阻焊设备可提供0~2.4KA的直流电流，电极的尺寸可依据焊盘的尺寸加工，电极触头可提供的压力范围为0~10N，通电时间在0~5s内可调。

此外，本发明在焦耳热辅助键合的基础上，还提供了两种不同的键合方法：热板预热条件下的焦耳热辅助键合工艺、超声条件下的焦耳热辅助键合工艺。热板的温度由温控开关控制，在0~450℃范围内可调。超声设备中，超声的频率为20KHz，超声的频率在0~750W，振幅在0~5μm范围内可调。热板预热的目的是：一方面，可在叠装芯片键合前，预热器件，提高电流焦耳热焊点的键合质量；另一方面，适当的提高温度，可提高原子的动能，促进电迁移的作用，促进焊点金属间化合物的形成，缩短焊接时间。集成超声装置的作用是：超声可以促进元素之间的扩散，同时超声在界面处可摩擦生热提高局部区域的温度，可有效的缩短键合的时间。

一定强度的电流在通过互连焊点时产生焦耳热，使焊点温度迅速升高，并达到焊点的熔化温度；强电流通过焊点时，焊盘（例如铜原子）中的原子在电迁移作用下，迅速向阳极的方向移动，并与基体材料反应生成金属间化合物。经目前相关文献的报道，在电迁移作用下生成的金属间化合物具有特定的晶粒取向，即沿着电阻最小的密排面排布。以Cu-Sn共晶键合为例，在定向电流作用下，金属间化合物Cu₆Sn₅沿<204>和 方向定向生长，而Cu₃Sn沿<020>和<400>方向定向生长。该取向的金属间化合物均具有较高的导电率（7.09*10⁴ S/m）和优异的综合力学性能。

根据以上理论依据，本发明提供的焦耳热辅助实现三维封装键合方法具有以下优点：

1、能够在较低的温度甚至是常温下，实现全金属间化合物焊点的快速键合，有效的降低了芯片的热损伤；在定向电流的作用下，使焊点中的金属间化合物定向、择优、快速生长，焊点具备较高的导电性和优异的综合力学性能，有效的提高了焊点的可靠性。

2、采用平行电极电阻焊实验平台，容易集成热板、超声装置，可以达到更为优异的键合效果，缩短键合时间。

附图说明