本发明专利技术公开了一种含Lu、碳纳米管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Lu含量为0.01～0.5％，碳纳米管为0.05～5％，其余为In。首先采用机械研磨制备In-Lu中间合金粉末，其次混合In-Lu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，最后添加碳纳米管，充分搅拌制备膏状含Lu和碳纳米管的互连材料，采用喷印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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种含Lu、碳纳米管的芯片堆叠互连材料，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。
技术介绍
在电子工业中，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，从此进入了后摩尔时代。三维封装可以实现减小芯片体积和提升数据传输速度的双重作用。对于三维封装结构，主要是通过芯片的堆叠实现其特定的功能，首先需要对芯片垂直堆叠实现互连键合。因此互连焊点的可靠性也直接决定了整个三维封装结构的性能，实现电气连接作用。在三维封装芯片堆叠键合结构中，互连焊点数以百计，单一焊点的失效即会导致整体结构的功能的丧失。并且，三维封装结构较为复杂，不像二维封装的电子器件单一焊点失效可以通过检测和重熔进行修复，因此三维结构互连焊点要求必须具有较高的可靠性。三维封装结构芯片堆叠键合，主要是通过在一定的温度和压力条件下，可以使低熔点材料熔化，和高熔点材料之间形成固-液互扩散系统，在一定的时间内形成单一的高熔点金属间化合物，一般比低熔点材料高300°C左右，因此可以保证在进行二次芯片键合时，第一层芯片表面的金属间化合物焊点不会熔化，并且保持焊点组织的稳定性，从而金属间化合物焊点可以承受在服役期间芯片的多次键合和后期的倒装焊。金属间化合物有其自身的缺点:(I)在固-液元素互扩散形成金属间化合物过程中，会伴随着发生体积收缩，在金属间化合物界面区域出现明显的空洞现象，空洞会成为焊点裂纹萌生源；(2)对于三维封装结构，在服役期间因为交变的温度循环载荷的变化和材料线膨胀系数的失配，金属间化合物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。因为以上的两个缺点致使金属间化合物焊点成为三维封装结构最为薄弱的环节。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Lu、碳纳米管的芯片堆叠互连材料，利用稀土元素Lu、碳纳米管和In三者耦合作用，通过三维封装键合可以构建高强度焊点，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。本专利技术是以如下技术方案实现的:一种含Lu、碳纳米管的芯片堆叠互连材料，其成分及质量百分比为:稀土元素Lu含量为0.01?0.5%，碳纳米管为0.05?5%，其余为In0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方法是:首先采用机械研磨制备In-Lu中间合金粉末，其次混合In-Lu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，最后添加碳纳米管，充分搅拌制备膏状含Lu和碳纳米管的互连材料。使用制备膏状含Lu和碳纳米管的互连材料，采用喷印工艺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问题是:优化稀土元素Lu、碳纳米管和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Lu、碳纳米管和In的膏状互连材料，通过瞬时液相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，因为在固-液互扩散形成金属间化合物的过程中，会出现体积收缩，致使焊点内部出现大量的空洞。另外在服役期间，因为交变的环境温度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Lu和碳纳米管，稀土元素Lu会与基体In反应，打破原先Cu-1n元素互扩散平衡，抑制焊点内部空洞的形成，碳纳米管可以起到强化的作用，提高焊点的强度，另外还扮演“钢筋”角色，联合金属间化合物颗粒在焊点内部结构会出现“钢筋混凝土”结构，当In-稀土 Lu-碳纳米管应用于三维封装芯片堆叠互连时，焊点内部形成“钢筋混凝土”结构，具有抵抗焊点变形的作用，因此焊点在服役期间具有较高的使用寿命。考虑到钢筋混凝土结构焊点的性能变化，最大程度发挥稀土元素Lu和碳纳米管的作用，故而控制稀土元素Lu含量为0.01?0.5%，碳纳米管为0.05?5%，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Lu、碳纳米管的芯片堆叠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；焊点使用寿命为现有金属间化合物焊点的9.1?12.3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:首先采用机械研磨制备In-Lu中间合金粉末，其次混合In-Lu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，最后添加碳纳米管，充分搅拌制备膏状含Lu和碳纳米管的互连材料，采用喷印工艺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，可用于三维封装芯片堆叠。实施例1—种含Lu、碳纳米管的芯片堆叠互连材料成分为:稀土元素Lu 0.5%，碳纳米管5%，余量为In。键合(260°C，1MPa)后形成的高强度焊点使用寿命为5300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。实施例2—种含Lu、碳纳米管的芯片堆叠互连材料成分为:稀土元素Lu 0.01%，碳纳米管0.05%，余量为In。键合(250°C，9MPa)后形成的高强度焊点使用寿命为3900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。实施例3—种含Lu、碳纳米管的芯片堆叠互连材料成分为:稀土元素Lu 0.02%，碳纳米管0.06%，余量为In。键合(240°C，8MPa)后形成的高强度焊点使用寿命为3910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。实施例4—种含Lu、碳纳米管的芯片堆叠互连材料成分为:稀土元素Lu 0.05%，碳纳米管1%，余量为In。键合(220°C，7MPa)后形成的高强度焊点使用寿命为4300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。实施例5—种含Lu、碳纳米管的芯片堆叠互连材料成分为:稀土元素Lu 0.1%，碳纳米管2%，余量为In。键合(180°C，5MPa)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。实施例6—种含Lu、碳纳米管的芯片堆叠互连材料成分为:稀土元素Lu 0.2%，碳纳米管3%，余量为In。键合(170°C，IMPa)后形成的高强度焊点使用寿命为4600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。实施例7—种含Lu、碳纳米管的芯片堆叠互连材料成分为:稀土元素Lu 0.3%，碳纳米管4%，余量为In。键合(200°C本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种含Lu、碳纳米管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Lu含量为0.01～0.5％，碳纳米管为0.05～5％，其余为In。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张亮，姜海波，郭永环，
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。