一种三维封装芯片堆叠用金属间化合物键合方法及键合结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电子封装三维集成技术领域，涉及一种三维封装芯片堆叠键合方法及结构，尤其涉及一种三维封装芯片堆叠用金属间化合物键合方法及结构。
【背景技术】
[0002]随着电子封装器件不断追求高频高速、多功能、高性能和小体积，要求电子封装技术能够实现更高的集成密度和更小的封装尺寸，封装结构逐渐由二维向三维方向发展。多层堆叠芯片键合是三维电子封装中的核心技术之一。采用娃通孔(Through Silicon Via,TSV)工艺与微凸点(μ-bump)工艺，可以实现芯片之间或芯片与基板之间的三维互连，弥补传统半导体芯片二维布线的局限性。这种互连方式具有三维方向堆叠密度大、封装后外形尺寸小、电路可靠性高等优点，提高芯片的运行速度并降低功耗，实现一个系统或某个功能在三维结构上的集成。
[0003]目前，用于三维封装的芯片堆叠键合技术主要包括:直接键合，真空环境中将圆晶接触对准，在一定压力下高温退火完成；粘结键合，使用聚合物黏胶进行键合；金属扩散键合，在圆晶上预制金属凸点，一定压力和温度下退火；钎料凸点键合，在金属凸点的基础上预制钎料层，在一定温度下回流进行钎焊反应，实现冶金连接的键合方法，得到广泛应用。
[0004]现有三维封装技术中的芯片堆叠键合存在如下缺点:直接键合和金属扩散键合的键合温度高，由于各层材料的热膨胀系数差异大易造成圆晶翘曲，键合压力大易使极薄的芯片(趋于50μπι以下)出现裂纹，对键合表面平整度要求极高增加了工艺难度，键合时间长，效率较低；粘结键合的连接强度低，聚合物易在产品服役过程中发生劣化，降低服役可靠性；钎料凸点键合虽然可避免上述问题，但键合时生成的界面金属间化合物与钎料、金属凸点形成了多界面的异质连接，服役时界面上因原子互扩散而产生空洞或裂纹，降低服役可靠性，此外钎料为低熔点合金，限制了钎料凸点键合只能在较低温度下服役。已有专利采用使钎料与金属凸点发生充分钎焊反应全部转变为金属间化合物的方法实现键合，但缺点是钎焊反应时间长，制作效率低下，形成的金属间化合物取向随机，且易在金属间化合物中形成空洞。
【发明内容】
[0005]本发明解决的技术问题是提供一种键合效率高、金属间化合物沿温度梯度方向具有单一取向的三维封装芯片堆叠用金属间化合物键合方法及结构。
[0006]本发明采用的技术方案如下，
[0007]一种三维封装芯片堆叠用金属间化合物键合方法，包括对钎料和钎料两侧的金属凸点进行加热处理以进行钎焊反应形成金属间化合物的过程，所述加热处理时，在所述钎料两侧的金属凸点之间形成温度梯度。
[0008]所述对钎料和钎料两侧的金属凸点进行加热处理以进行钎焊反应形成金属间化合物的过程，所述过程中钎料全部反应形成金属间化合物。
[0009]本发明所述金属凸点和钎料的种类为本领域进行钎焊反应形成金属间化合物通用的材料，其中，所述金属凸点优选为Cu、N1、Au或Ag中的一种，金属凸点的结构为单晶、择优取向或多晶结构均可；所述钎料优选为Sn、In、SnAg> SnCu> SnBi> SnPb> SnAu> Snln、SnAgCu或InAg中的一种。
[0010]优选地，所述金属凸点为单晶或择优取向Cu，钎料为Sn、In或SnCu中的一种。
[0011]优选地，所述金属凸点为单晶或择优取向Ni，钎料为Sn或In中的一种。
[0012]优选地，所述金属凸点为单晶或择优取向Au，钎料为Sn、In或SnAu中的一种。
[0013]优选地，所述金属凸点为单晶或择优取向Ag，钎料为Sn、In、SnAg或InAg中的一种。
[0014]本发明所述金属凸点的形态可以为用于三维封装芯片堆叠的键合结构中可与钎料形成金属间化合物的任意形态。
[0015]所述形成温度梯度的温度较低一侧金属凸点的温度高于钎料熔点的温度，优选为高于钎料熔点20-30°C。
[0016]所述温度梯度定义为ΛΤ/Λ(1，所述ΔΤ为金属凸点之间的温度差，所述Λ d为金属凸点之间的距离。
[0017]所述温度梯度不小于20°C /cm ;优选为温度梯度为20?200°C /cm ;
[0018]进一步优选为20?50°C/cm ;
[0019]进一步优选为50?60°C/cm ;
[0020]进一步优选为60?80°C /cm ；
[0021]进一步优选为80?90 °C/cm;
[0022]进一步优选为90?165°C /cm ；
[0023]进一步优选为165 ?175°C /cm。
[0024]本发明中，在温度梯度存在的条件下进行加热处理以进行钎焊反应的过程中，金属凸点和钎料的材质、温度梯度和反应温度是影响金属间化合物的生长速率和结构的最主要因素，其它因素影响较小；金属间化合物的生长速率随温度梯度的增大而增加。因此，本发明不限于下述两种实施方案中的结构。
[0025]按照本发明的一个实施方案，所述三维封装芯片堆叠用金属间化合物键合方法包括以下步骤:
[0026]步骤一:提供第一衬底，在所述第一衬底上制备第一金属凸点，在所述第一金属凸点上制备第一钎料层；提供第二衬底，在所述第二衬底上制备第二金属凸点，在所述第二金属凸点上制备第二钎料层；
[0027]步骤二:将第一钎料层和第二钎料层面对面接触放置，形成一个组合体；
[0028]步骤三:对所述第一金属凸点、第一钎料层、第二钎料层、第二金属凸点进行加热处理以进行钎焊反应，所述加热处理时，在第一金属凸点和第二金属凸点之间形成温度梯度，温度梯度的方向由第一金属凸点指向第二金属凸点，直至第一钎料层和第二钎料层全部反应形成金属间化合物。
[0029]按照本发明的另一个实施方案，所述三维封装芯片堆叠用金属间化合物键合方法包括以下步骤:
[0030]步骤一’:提供第一衬底，在所述第一衬底上制备第一金属凸点，在所述第一金属凸点上制备第一钎料层；提供第二衬底，在所述第二衬底上制备第二金属凸点；
[0031]步骤二’:将第一钎料层和第二金属凸点面对面接触放置，形成一个组合体；
[0032]步骤三’:对所述第一金属凸点、第一钎料层、第二金属凸点进行加热处理以进行钎焊反应，所述加热处理时，在第一金属凸点和第二金属凸点之间形成温度梯度，温度梯度的方向由第一金属凸点指向第二金属凸点，直至第一钎料层全部反应形成金属间化合物。
[0033]本发明中，使第一金属凸点的温度低于第二金属凸点温度以形成通过钎料层的温度梯度，其中，第一金属凸点的温度高于钎料熔点的温度，优选为高于钎料熔点20-30°C。
[0034]所述温度梯度定义为ΔΤ/Δ(1，所述ΔΤ为第二金属凸点上表面与第一金属凸点下表面的温度差，所述Ad为第二金属凸点上表面与第一金属凸点下表面之间的距离。
[0035]本发明所述两种实施方案中，使第一金属凸点的温度低于第二金属凸点的温度以形成温度梯度。温度梯度的存在会引起热迀移现象的发生。热迀移是在温度梯度(两点温度差ΔΤ与两点间距Ad的比值，即ΛΤ/Λ(1)作用下发生的原子迀移过程。从材料热力学和动力学观点看，金属原子的热迀移是在一定温度梯度作用下发生的、由扩散控制的质量迀移过程，其机理是高温区的电子具有较高的散射能，驱动金属原子沿温度降低的方向进行定向扩散迀移，产生金属原子的质量迀移。由于三维封装技术中互连结构的尺寸微小，即使互连结构内存在较小的温度差，也可形成较大的温度梯度。例如，10 μ m互连键合焊点两侧的温度差为0.1°C时，所形成的温度梯度可高达到100°C /cm。形成的温度梯度可以引发大量金属原子由温度相对较高的热端向温度相对较低的冷端进行快速迀移、扩散，从而显著加速冷端界面金属间化合物的生长，并使金属间化合物从温度相对较低的冷端向温度相对较高的热端连续生长，从而有效避免形成的金属化合物中孔洞的出现。
[0036]本发明中的加热装置为可形成温度梯度的加热器。
[0037]所述第一金属凸点和第二金属凸点可由本领域常用技术手段制备，例如，由电镀、溅射、气相沉积或蒸镀的方法制备得到，具有相同的排布图形；
[0038]所述第一