本发明专利技术公开了一种含Pr、亚微米TiN的芯片堆叠互连材料，属于芯片互连材料领域。该互连材料的稀土元素Pr含量为0.01～0.5％，亚微米TiN颗粒为0.05～8％，其余为In。首先采用机械研磨法制备In-Pr中间合金粉末，其次混合In-Pr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，最后添加亚微米TiN颗粒，充分搅拌制备膏状含Pr和亚微米TiN颗粒的互连材料，采用喷印技术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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种含Pr、亚微米TiN的芯片堆叠互连材料，属于芯片互连材料领域。仅有亚微米尺寸的形状记忆合金TiN颗粒可以显著提高互连材料的使用寿命。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。
技术介绍
在电子行业，摩尔定律一直被认为是指引电子器件技术的发展方向，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，则可以使摩尔定律的失效时间大幅度推后，致使电子行业进入了后摩尔时代。三维封装，即将芯片在三维空间进行垂直逐层堆叠，可以实现减小芯片体积和提升数据传输速度的双重作用。在二维封装中，主要是贴装工艺，即芯片和基板之间通过焊点进行连接，单一焊点的失效可以通过检测和重熔实现修复。但是对于三维封装，芯片在垂直空间进行芯片堆叠互连，互连焊点数以百计，单一焊点的失效即会影响整体结构的可靠性，并且三维封装结构复杂，不像二维的电子器件单一焊点失效可以通过重熔进行修复，因为三维结构焊点很难进行修复要求焊点必须具有较高的可靠性。故而三维封装焊点的可靠性直接决定了三维封装结构的使用寿命。三维封装芯片堆叠，主要是通过瞬时液相实现芯片垂直互连，即在一定的压力和温度条件下，通过低熔点材料-高熔点材料在固-液元素互扩散形成金属间化合物焊点，金属间化合物的熔化温度较高，一般比低熔点材料高300°C左右，可以保证在进行二次芯片键合时，第一层芯片之间的金属间化合物互连焊点不会熔化，这样可以保证焊点在服役期间可以承受芯片的多次键合和后期的倒装焊。对于三维封装芯片堆叠键合技术，主要是通过金属间化合物实现芯片的堆叠互连，但是金属间化合物有其自身的缺点，首先是在一定的温度和压力条件下，低熔点材料熔化，在固-液元素互扩散过程中，会发生体积收缩，在界面区域出现明显的空洞现象，在服役期间，由于电子器件承受着“开-关”带来的温度变化，整个电子器件内部出现交变的温度场，因为封装材料之间线膨胀系数差异较大，焊点容易成为应力集中区，当应力增加到一定程度焊点将发生早期失效。因此金属间化合物焊点的缺点容易导致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电子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国际社会缺乏相关的报道。
技术实现思路
本专利技术提供一种含Pr、亚微米TiN的芯片堆叠互连材料，利用稀土元素Pr、形状记忆合金亚微米TiN颗粒和In三者耦合作用，通过三维封装键合可以形成高强度互连焊点，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。本专利技术是以如下技术方案实现的:一种含Pr、亚微米TiN的芯片堆叠互连材料，其成分及质量百分比为:稀土元素Pr含量为0.01?0.5%，亚微米TiN颗粒为0.05?8%，其余为In。本专利技术可以采用生产复合金属材料的常规制备方法得到。本专利技术优选采用的制备方法是:首先采用机械研磨法制备In-Pr中间合金粉末，其次混合In-Pr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，最后添加亚微米TiN颗粒，充分搅拌制备膏状含Pr和亚微米TiN颗粒的互连材料。使用膏状含Pr和亚微米TiN颗粒的互连材料，采用喷印技术在芯片表面制备凸点，在一定压力(IMPa?1MPa)和温度(170°C?260°C )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。上述技术方案主要解决的关键性问题:优化稀土元素Pr、形状记忆合金亚微米TiN颗粒和In的材料组分，得到高可靠性的互连材料。本专利技术的机理是:通过匹配合适的互连材料，制备含稀土元素Pr、形状记忆合金亚微米TiN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，例如Cu-1n-Cu键合，形成Cu3In金属间化合物焊点，在In-Cu固液元素互扩散过程中，焊点会形成体积收缩，致使焊点内部出现大量的空洞。另外在服役期间，因为交变环境温度的变化和材料线膨胀系数的失配，焊点极容易成为应力集中区。添加稀土元素Pr和亚微米TiN颗粒，Pr会与基体In反应，打破Cu-1n元素互扩散平衡系统，抑制界面空洞的形成，亚微米TiN颗粒在焊点内部起到强化的作用，可以提高焊点强度，另外记忆合金亚微米TiN颗粒具有一定的记忆特性，在焊点应力集中的过程中，亚微米TiN颗粒可以作为变形颗粒，释放应力缓解焊点变形的作用，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，最大程度发挥稀土元素Pr和记忆合金亚微米TiN颗粒的作用，故而控制稀土元素Pr含量为0.01?0.5 %，亚微米TiN颗粒为0.05?8 %，其余为In。与已有技术相比，本专利技术的有益效果在于:一种含Pr、亚微米TiN的芯片堆叠互连材料形成的高强度互连焊点具有高使用寿命以及抵抗变形的作用，其使用寿命为现有金属间化合物焊点的8.6?12.6倍。【附图说明】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。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】下面结合实施例进一步说明本专利技术及效果。下述10个实施例所使用的材料为:首先采用机械研磨法制备In-Pr中间合金粉末，其次混合In-Pr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，最后添加亚微米TiN颗粒，充分搅拌制备膏状含Pr和亚微米TiN颗粒的互连材料，采用喷印技术在芯片表面制备凸点，在一定压力(IMPa?1MPa)和温度(170°C?260°C)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，可用三维封装芯片堆叠。[0当前第1页1 2 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种含Pr、亚微米TiN的芯片堆叠互连材料，其特征在于：其成分及质量百分比为：稀土元素Pr含量为0.01～0.5％，亚微米TiN颗粒为0.05～8％，其余为In。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张亮，郭永环，孙磊，
申请(专利权)人：江苏师范大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。