双相介金属互连结构及其制作方法技术

一种双相介金属互连结构及其制作方法。所述双相介金属互连结构介于芯片与载板之间，包括第一介金属相、第二介金属相、第一焊接金属层以及第二焊接金属层。第二介金属相包覆第一介金属相，且第一介金属相与第二介金属相含有不同的高熔点金属。第一焊接金属层与第二焊接金属层分别配置于第二介金属相的相对两侧，其中第一介金属相是用以填补第二介金属相形成时产生的微孔洞缺陷。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】一种。所述双相介金属互连结构介于芯片与载板之间，包括第一介金属相、第二介金属相、第一焊接金属层以及第二焊接金属层。第二介金属相包覆第一介金属相，且第一介金属相与第二介金属相含有不同的高熔点金属。第一焊接金属层与第二焊接金属层分别配置于第二介金属相的相对两侧，其中第一介金属相是用以填补第二介金属相形成时产生的微孔洞缺陷。【专利说明】
本专利技术是有关于一种互连结构(interconnection),且特别是有关于一种双相介金属互连结构。
技术介绍
碳化娃元件能提升功率组件(power module)的能量转换效率,然而，其封装工艺却面临迥然不同的技术问题。首先，现行硅基功率组件在运作的过程中，芯片的结温(junction temperature, Tj )约为150° C,尚在常用的无铅焊锡材料(Sn3.0Ag0.5Cu)可接受的温度范围内；但是在碳化硅元件导入应用后，即使是中小瓦数的电源管理组件或是太阳能微逆变器(solar micro inverter),其Tj也高于175° C,而Sn3.0Ag0.5Cu的起始熔化温度仅217° C，因此，在此温度环境下，将会发生剧烈的潜变(ere印)效应，不利于互连机械强度的维持，无法满足长期可靠度的要求，更遑论应用于Tj高达250° C的车用电力组件等产品。因此，对碳化硅功率组件的制造而言，高温无铅焊料将是决定产品品质与寿命的关键因素之一。目前，主要的高温无铅焊接技术包括锌基高温无铅焊料、奈米金属粉末烧结，以及固液扩散接合(solid-liquid inter-diffusion, SLID)。与一般的回焊(reflow)或热压合(thermocompressive bonding)不同，固液扩散接合的原理是让低熔点的焊锡材料在短暂液化过程中与固态的高熔点金属完全反应成稳定的高熔点介金属化合物(intermetallic compound),这类高熔点介金属相之熔点高于300° C以上，因此，令互连在高温环境下仍保有良好的机械强度，以提升组件的长期可靠度。然而，应用固液扩散接合，将会面临工艺与材料扩散行为等数种技术困难，于工艺困难需面临接合界面温度较高(260° C以上)，工艺时间较长(10分钟以上)等问题，但仍可透过焊接材料与厚度选择、表面处理、组装参数控制等手法加以克服。而材料扩散行为可分为工艺引起与原生性行为，前者起因于基板与芯片的组装温度差异，导致芯片与基板端的焊料扩散速率不均；后者则是焊料转变为介金属化合物的过程中发生体积收缩效应。由于材料扩散行为属于不可逆的化学反应变化，所引发的孔洞(void)缺陷对功率组件长期的可靠度有负面的影响。此外，应指出，无论是整面互连或微互连结构接点(micix) joint)都无法避免前述孔洞形成的现象。
技术实现思路
本专利技术提出一种双相介金属互连结构(a dual-phaseintermetallicinterconnection structure),介于芯片与载板之间，包括第一介金属相、第二介金属相、第一焊接金属层与第二焊接金属层。第二介金属相包覆第一介金属相，且第一介金属相与第二介金属相含有不同的高熔点金属。第一焊接金属层与第二焊接金属层分别配置于第二介金属相的相对两侧，其中第一介金属相是用以填补第二介金属相形成时所产生的微孔洞缺陷。其中该第一介金属相为连续结构或不连续结构。该第一介金属相的成份包括Ni3Sn4、Cu6Sn5、CunIn9、Ag3Sn、Ni28In72、AuSn4、AuSn2、AuSn 或 Au5Sn。该第二介金属相的成份包括Ni3Sn2、Cu3Sru Ag4Sru Ag3Sn或Ag2In。该高熔点金属的熔点例如高于300° C。本专利技术提出一种双相介金属互连结构的制作方法，用以在芯片与载板之间形成互连，所述制作方法包括以下步骤。首先，在芯片与载板间形成金属堆叠；所述金属堆叠包括与芯片相邻配置的第一焊接金属层、与载板相邻配置的第二焊接金属层以及位于第一焊接金属层与第二焊接金属层之间的三明治金属结构层。三明治金属结构层是由一对外部金属层和外部金属层所夹的内部金属层所构成。接着，加热金属堆叠，使外部金属层溶化，并使外部金属层中的金属与内部金属层中的金属形成第一介金属相，外部金属层中的金属与第一焊接金属层与第二焊接金属层中的金属形成第二介金属相，其中第二介金属相包覆第一介金属相。其中该内部金属层的厚度例如小于该对外部金属层的厚度之和。在加热该金属堆栈的步骤期间，还包括对该金属堆栈施加压力。该第一焊接金属层、该第二焊接金属层以及该内部金属层例如由高熔点金属组成，该对外部金属层例如由低熔点金属组成。该第一焊接金属层与该第二焊接金属层由相同的高熔点金属组成，而该内部金属层与该第一焊接金属层由不同的的高熔点金属组成。该对外部金属层的材料是由锡与铟所组成的族群中选择的一种金属材料。该第一焊接金属层与该第二焊接金属层的材料是由银、镍与铜所组成的族群中选择的一种金属材料。该内部金属层的材料是由金、银、镍与铜所组成的族群中选择的一种金属材料。本专利技术提出一种电子构装结构，包括芯片、载板以及前述的双相介金属互连结构，其中芯片与载板通过双相介金属互连结构接合。本专利技术提出一种电子构装结构，包括第一芯片、第二芯片以及前述的双相介金属互连结构，其中第一芯片与第二芯片通过双相介金属互连结构接合。本专利技术提出一种电子构装结构，包括至少一个整面互连或至少一个凸块接点，其中所述整面互连或凸块接点为前述的双相介金属互连结构。以下结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细描述，但不作为对本专利技术的限定。【专利附图】【附图说明】图1A与图1B是本专利技术的第一实施例的一种双相介金属互连结构的剖面示意图；图2A至图2C是本专利技术的第二实施例的一种双相介金属互连结构的制作方法的剖面流程图。附图标记说明:100:双相介金属互连结构102、103:第一介金属相104:第二介金属相106,202:第一焊接金属层108,204:第二焊接金属层110、210:芯片120、220:载板200:三明治金属结构层206:外部金属层208:内部金属层230:金属堆叠240:第二介金属相250:第一介金属相F:压力【具体实施方式】以下将以数个实施范例来说明本专利技术。在此，应先指出，说明书中所谓「高熔点金属」与「低熔点金属」，分别是指，在将温度升高至一特定值时，前者维持固态，后者熔化，且两者之间可以进行固液交互扩散而形成介金属化合物的两种金属，其具体实例如下详述。图1A与图1B是本专利技术的第一实施例的一种双相介金属互连结构的剖面示意图。参照图1A与图1B，双相介金属互连结构100配置于芯片110与载板120之间，其包括第一介金属相102、第二介金属相104、第一焊接金属层106与第二焊接金属层108。芯片110可以是任意一种半导体芯片，例如功率组件中的金属氧化物半导体晶体管(MOSFET)或绝缘闸双极晶体管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)芯片；或是中央处理器(central processing unit, CPU)或图形处理器(graphic processingunit, GPU)。载板120可以是适于与芯本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双相介金属互连结构，介于一芯片与一载板之间，其特征在于所述结构包括：第一介金属相；第二介金属相，包覆该第一介金属相，且该第一介金属相与该第二介金属相分别含有不同的高熔点金属；以及第一焊接金属层与第二焊接金属层，分别配置于该第二介金属相的相对两侧；其中该第一介金属相是用以填补该第二介金属相形成时因体积收缩而产生的微孔洞缺陷。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：张景尧，张道智，庄东汉，李俊彦，
申请(专利权)人：财团法人工业技术研究院，
类型：发明
国别省市：台湾;71