[发明专利]一种3D芯片堆叠的含Yb、纳米Cu的互连材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种3D芯片堆叠的含Yb、纳米Cu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

摩尔定律是预测电子工业技术发展的重要规律，但是随着单一芯片集成度的日益增加似乎使摩尔定律很难继续使用，而三维封装技术的出现直接决定了后摩尔时代的带来，在一定层次上也实现了电子封装领域的革命。三维封装，即在二维封装的基础上将芯片在垂直空间逐层堆叠，可以提高封装密度和产品性能、降低噪声和能耗、实现产品的小型化和多功能化。

对于二维封装而言，主要靠一些尺寸较大的焊点实现单一芯片的贴装，在服役期间整个结构容易将应力集中在焊点部位，焊点部位为Sn基合金，为较软的材料，可以充当整个结构的缓冲区，在服役期间相对具有较高的使用寿命，并且单一焊点失效，可以通过焊点重熔修复焊点。但是对于三维封装，封装芯片垂直堆叠的互连焊点为金属间化合物，为硬脆相，在服役期间极容易成为整个三维封装结构的薄弱区，容易产生早期失效，但是对于反应生成的金属间化合物焊点，无法通过修复实现结构功能的恢复，故而对三维封装结构互连焊点的可靠性要求较高。

为了实现三维封装芯片堆叠互连，国际社会研究者提出采用瞬时液相键合实现芯片的互连，在键合过程中，低熔点材料和高熔点材料之间通过元素互扩散形成金属间化合物实现芯片互连。金属间化合物的熔化温度较高，可以保证在进行后期的芯片键合和倒装焊的过程中不会熔化，具有较高的组织稳定性。

尽管金属间化合物可以实现三维封装芯片堆叠的互连，但是金属间化合物有其自身的缺点制约着其发展，金属间化合物是在固-液元素互扩散过程中形成，因为元素的互扩散形成金属间化合物会出现一定的体积收缩，焊点区域会出现明显的空洞，而空洞的出现会成为裂纹萌生源。另外，在服役期间，因为三维封装结构不同材料之间线膨胀系数的失配，金属间化合物互连焊点容易成为应力集中区，当应力集中到一定程度焊点将会发生疲劳失效。因此对于三维封装结构容易因为焊点的早期失效而提前丧失功能。因此如何提高互连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三维封装结构可靠性的显著提高，但是目前针对该方面的研究缺乏相关的报道。

发明内容

本发明提供一种3D芯片堆叠的含Yb、纳米Cu的互连材料，优化稀土Yb、纳米Cu颗粒和In的材料组分，得到高可靠性的互连材料；本发明的另一目的提供一种3D芯片堆叠的含Yb、纳米Cu的互连材的制备方法；本发明的又一目的是提供一种利用3D芯片堆叠的含Yb、纳米Cu的互连材形成高强度焊点的方法；

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

本发明可以采用生产复合金属材料的常规制备方法得到。

本发明优选采用的方法是：首先制备In-Yb中间合金粉末，其次混合In-Yb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Cu颗粒，充分搅拌制备膏状含Yb和纳米Cu颗粒的互连材料。

使用上述互连材料形成高强度焊点的方法是：使用膏状含Yb和纳米Cu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。