一种Cu-Sn基金属间化合物焊点及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种Cu

【技术实现步骤摘要】
一种Cu
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Sn基金属间化合物焊点及其制备方法


[0001]本专利技术涉及3D封装芯片堆叠互连制造或高功率器件封装制造
，具体而言，尤其涉及一种Cu
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Sn基金属间化合物焊点及其速制备方法。

技术介绍

[0002]在电子器件小型化、高性能、低功耗和高集成度的发展趋势下，3D集成电路封装被认为是半导体行业中最有前途的封装技术，应用前景十分广阔。3D封装是在2D封装的基础上沿垂直方向逐层堆叠芯片，具有更高的互连密度、更小的互连尺寸和更快的数据传输速度。在2D封装中，焊点主要由金属基体
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金属间化合物层
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Sn基钎料
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金属间化合物层
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金属基体组成。通常，在钎焊回流过程中，常见的Cu金属基体与Sn基钎料之间发生冶金反应，形成以Cu6Sn5相为主体及Cu6Sn5/Cu界面上少量Cu3Sn为辅的界面Cu
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Sn基金属间化合物层，但界面金属间化合物层生长较慢，钎焊回流后其厚度远小于Sn基钎料的厚度。
[0003]在3D封装中，互连结构尺寸的不断缩小，芯片间的互连焊点高度已缩短至数十微米甚至仅仅几个微米。此时，键合(作用等同于钎焊回流)后界面金属间化合物层占焊点的比例显著增大，在随后的服役条件下，界面Cu6Sn5金属间化合物会向Cu3Sn转化，Cu3Sn将成为界面金属间化合物的主体，这将使得Cu
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Sn基金属间化合物层内和金属间化合物/Cu界面上产生柯肯达尔空洞，严重降低焊点的性能和可靠性；同时，残余的Sn基钎料容易在下一层级键合时再次熔化而影响键合效果。此外，在基于2D封装技术的高功率器件或高温服役器件，Sn基钎料焊点熔点较低，易发生软化甚至是熔化，无法满足长期高温服役要求。
[0004]为了解决以上技术难题，出现了金属间化合物焊点的技术方案，即在特定钎焊回流或键合条件下使界面反应充分进行，使Sn基钎料完全被消耗，转化为以金属间化合物为连接介质且具有更高熔点的焊点，即金属间化合物焊点。
[0005]目前，常见的制备金属间化合物焊点的方法主要有高温钎焊回流、热压键合、外场辅助(如超声、电流或温度梯度)钎焊回流或键合、纳米颗粒烧结等。然而，现有技术中，通常存在以下问题：1)工艺温度高、效率低、过程复杂、成本高、与现有半导体或封装技术工艺兼容性较差；2)Cu6Sn5相晶粒粗大，且易使焊点具有择优取向，导致物理和力学性能各向异性问题；3)Cu6Sn5相不可避免地会向Cu3Sn相转变，伴随着柯肯达尔孔洞形成。
[0006]因此，针对现有制备金属间化合物焊点技术中存在的问题，亟需开发一种新的金属间化合物焊点结构及其快速、简易、低成本制备方法。

技术实现思路

[0007]根据上述提出的现有制备金属间化合物焊点时，其工艺耗时长、温度高、过程复杂且制备的焊点晶粒粗大、容易形成孔洞等技术问题，而提供一种Cu
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Sn基金属间化合物焊点及其速制备方法。本专利技术主要采用Cu
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xNi合金作为金属基板，在回流过程中，合金基体的迅速熔解，大量Cu和Ni金属原子进入液态Sn基钎料中发生Cu
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Ni交互作用，使液态钎料中Cu和Ni的浓度始终处于饱和状态，持续加速界面金属间化合物的生长，有效抑制了界面Cu3Sn型
金属间化合物的生成，避免了服役过程中柯肯达尔空洞的形成，提高了焊点的可靠性，具有成本低廉，工艺流程简单，热稳定性好等优点。
[0008]本专利技术采用的技术手段如下：
[0009]一种Cu
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Sn基金属间化合物焊点，其特征在于，包括：
[0010]第一金属基体为Cu
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xNi合金，第二金属基体为纯Cu或Cu
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xNi合金，以及连接所述第一金属基体和所述第二金属基体的Cu
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Sn基金属间化合物；所述Cu
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Sn基金属间化合物以(Cu,Ni)6Sn5相为主体，且含有位于(Cu,Ni)6Sn5/第一金属基体和(Cu,Ni)6Sn5/第二金属基体界面上的少量的Cu3Sn相；其中，所述Cu
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xNi合金中，Ni元素的质量百分比为2
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20％。
[0011]进一步地，所述第一金属基体和第二金属基体均为Cu
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xNi合金时，Ni元素的含量相同。
[0012]进一步地，所述(Cu,Ni)6Sn5相中，Ni的原子百分含量小于20％。
[0013]进一步地，所述(Cu,Ni)6Sn5相中固溶有Ag、In、Bi、Au、Pd、Zn元素中的一种或多种。
[0014]进一步地，所述(Cu,Ni)6Sn5相具有晶粒细小，晶粒取向杂乱、随机，无择优取向的特征，所述(Cu,Ni)6Sn5相的平均晶粒尺寸小于10μm。
[0015]本专利技术还公开了一种上述的Cu
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Sn基金属间化合物焊点的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0016]步骤一：提供第一金属基体Cu
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xNi合金，在所述第一金属基体上制作钎料层或钎料凸点，所述钎料层或钎料凸点为纯Sn或Sn与Ag、Cu、In、Bi、Zn、Ni元素中的一种或多种组成的Sn基钎料，所述Sn基钎料中Sn的质量百分比不小于90％；所述钎料层或钎料凸点的高度低于300μm；
[0017]步骤二：提供第二金属基体纯Cu或Cu
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xNi合金，将所述钎料层或钎料凸点与所述第二金属基体对准并接触，形成一个组合体；
[0018]步骤三：将步骤二中的组合体加热至设定温度使所述钎料层或钎料凸点熔化，进行钎焊回流，同时对组合体施加一定压力，直至熔融钎料完全反应完并转化为Cu
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Sn基金属间化合物，形成Cu
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Sn基金属间化合物焊点；
[0019]所述Cu
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Sn基金属间化合物在第一和第二金属基体上同时生长；
[0020]所述第一金属基体和第二金属基体在钎焊回流结束后均有剩余。
[0021]进一步地，在步骤二形成组合体前，在所述第二金属基体上制作可焊层；在步骤二中将所述钎料层或钎料凸点与可焊层对准并接触，形成一个组合体；所述可焊层由Sn、Ag、Au、Pd、Ni、OSP中的一种或几种构成。
[0022]进一步地，在步骤二形成组合体前，在所述第二金属基体或可焊层上涂覆助焊剂。
[0023]进一步地，步骤三钎焊回流时，设置的所述压力小于1Mpa；所述熔融钎料中的最高温度小于300℃；对组合体施加电流，所述电流的方向由第二金属基体指向第一金属基体。
[0024]作为优选，在回流过程中可对组合体施加超声、电流、电磁场、温度梯度等物理场。在施加物理场的条件下，金属基体和钎料的材质、焊点的高度、物理场、回流温度是影响金属间化合物的生长速率和性能的最主要因素，其它条件影响较小。因此，本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Cu
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Sn基金属间化合物焊点，其特征在于，包括：第一金属基体为Cu
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xNi合金，第二金属基体为纯Cu或Cu
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xNi合金，以及连接所述第一金属基体和所述第二金属基体的Cu
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Sn基金属间化合物；所述Cu
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Sn基金属间化合物以(Cu,Ni)6Sn5相为主体，且含有位于(Cu,Ni)6Sn5/第一金属基体和(Cu,Ni)6Sn5/第二金属基体界面上的少量的Cu3Sn相；其中，所述Cu
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xNi合金中，Ni元素的质量百分比为2
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20％。2.根据权利要求1所述的Cu
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Sn基金属间化合物焊点，其特征在于，所述第一金属基体和第二金属基体均为Cu
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xNi合金时，Ni元素的含量相同。3.根据权利要求1所述的Cu
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Sn基金属间化合物焊点，其特征在于，所述(Cu,Ni)6Sn5相中，Ni的原子百分含量小于20％。4.根据权利要求1所述的Cu
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Sn基金属间化合物焊点，其特征在于，所述(Cu,Ni)6Sn5相中固溶有Ag、In、Bi、Au、Pd、Zn元素中的一种或多种。5.根据权利要求1所述的Cu
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Sn基金属间化合物焊点，其特征在于，所述(Cu,Ni)6Sn5相的平均晶粒尺寸小于10μm。6.一种如权利要求1
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5任意权利要求所述的Cu
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Sn基金属间化合物焊点的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：提供第一金属基体Cu
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xNi合金，在所述第一金属基体上制作钎料层或钎料凸点，所述钎料层或钎料凸点为纯Sn或Sn与Ag、Cu、In、Bi、Z...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵宁，赖彦青，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：