[发明专利]一种3D 封装叠层芯片互连用Cu3Sn泡沫铜复合接头快速制备方法

说明书

本发明通过将泡沫铜作为骨架，锡合金作为填充材料，通过外加超声的作用，利用超声震动摩擦和超声空化效应产生热量，快速获得由原位生成的Cu₃Sn与反应后剩余的泡沫铜复合而成的微焊点。泡沫铜可以减少铜原子的扩散距离，从而加快Cu₃Sn的生成，并且可以使微焊点的厚度将不再受铜原子扩散速度影响，Cu₃Sn与泡沫铜复合可以克服纯Cu₃Sn的脆性，提高微焊点的导电、导热和综合力学性能。

技术领域

本发明涉及半导体器件封装互连，尤其涉及一种3D封装叠层芯片互连用Cu₃Sn/泡沫铜复合接头的快速制备方法。

背景技术

近年来随着信息、能源、航空航天等行业的高速发展，对微电子器件提出了小型化、集成化、多功能化的要求。目前用于集成电路的最小特征尺寸已经达到了7nm，这已经接近了摩尔定律的物理极限。为了突破这一限制，三维封装技术成为研究重点，相应的传统微互联方式已经无法满足叠层芯片互连的要求。三维叠层芯片互连要求互联焊点可以实现“低温连接，高温服役”，并且有较高的熔点和优异的导电导热力学性能。因此全金属间化合物（IMCs）焊点实现3D 封装叠层芯片互连成为研究重点。

传统的生成全金属间化合物的方法是采用回流焊或者热压焊等加热方式整体加热，需要在高温下长时间键合，长时间高温会对器件的可靠性带来隐患。并且受到铜原子扩散速度会随着扩散距离的增加而逐渐减慢的影响，传统的焊点厚度只能做到30μm左右。全金属间化合物硬度高、脆性大，用于叠层芯片互联会在使用过程中因为热不匹配导致应力集中，降低整体器件的可靠性。因此如何快速、高效地制备可靠的IMCs 微焊点，并能保证焊点有足够的厚度，降低IMCs 微焊点在使用过程中的应力集中问题是3D 封装叠层，芯片互连技术中亟待解决的问题。

本发明通过将泡沫铜作为骨架，锡合金作为填充材料，通过外加超声的作用，利用超声震动摩擦和超声空化效应产生热量，快速获得由原位生成的Cu₃Sn与反应后剩余的泡沫铜复合而成的微焊点。泡沫铜可以减少铜原子的扩散距离，从而加快Cu₃Sn的生成，并且可以使微焊点的厚度将不再受铜原子扩散速度影响，Cu₃Sn与泡沫铜复合可以克服纯Cu₃Sn的脆性，提高微焊点的导电、导热和综合力学性能。

发明内容

本发明的目的是解决全Cu₃Sn化合物用于三维叠层芯片互连时需要在高温下长时间键合，并且微焊点厚度受限，全Cu₃Sn微焊点使用过程中会导致应力集中等问题，设计一种3D 封装叠层芯片互连用Cu₃Sn/泡沫铜复合接头的快速制备方法，该方法可以在室温下快速获得拥有良好导电、导热和综合力学性能的Cu₃Sn/泡沫铜复合接头。

本发明解决问题方案是：将泡沫铜作为骨架，锡合金作为填充材料，通过外加超声的作用，利用超声震动使上下基板、锡合金箔、泡沫铜之间相互摩擦产生热量，产生的热量使锡合金箔熔化，熔化的锡合金在超声作用下会发生超声空化效应产生大量热量，并且去除泡沫铜表面和上下铜基板表面的氧化膜，使微焊点整体在焊接过程中不使用助焊剂的情况下便可以充分润湿，复合焊片中的泡沫铜可以加快超声的传导，空化效应又可以使泡沫铜和上下铜基板的铜产生空化侵蚀现象，使铜以微小的颗粒状进入熔化的锡合金中，加速铜的扩散速度，从而提高Cu₃Sn生成速度，由摩擦和空化效应产生热量使得原位生成的Cu₃Sn快速生成，最后Cu₃Sn与反应后剩余的三维网络Cu形成复合微焊点。