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。
技术实现要素：
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。
本发明所提供的复合接头，可以实现三维叠层芯片互连，并可以用于igbt，led，光伏组件等与基板之间可靠连接。与传统加热方式相比，超声震动摩擦生热可以更快速的生成cu3sn全化合物接头，并且整个焊接过程中不需要使用助焊剂，不但节约成本还可以去除助焊剂对接头的侵蚀提高焊点的可靠性。与cu3sn全化合物接头相比，复合焊点具有更高的导电率、导热率，同时具有良好的力学性能、抗高温蠕变、抗电迁移的性能，成本低廉，可以满足大批量使用要求，可广泛应用于三维叠层芯片互连和三代半导体封装。
附图说明
图1是泡沫铜、锡合金箔和铜基板放置顺序示意图。
图2是复合焊片超声焊接示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体事例对本发明做进一步详细说明，但是本发明的内容不局限于实施例。
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，具体包括以下步骤：
（1）泡沫铜、锡合金箔和铜基板的清洗：将商用锡合金（锡99.3%铜0.7%）箔（100μm）、泡沫铜（500ppi、100μm）和铜基板（1×1×0.5mm）分别浸泡于丙酮溶液中，超声清洗5min，用于去泡沫铜、锡合金箔和铜基板表面的油污；之后将上述泡沫铜、锡合金箔和铜基板分别浸泡于质量浓度为0.5％的盐酸酒精溶液中，超声清洗5min，用于去除表面氧化物；之后将上述泡沫铜、锡合金箔和铜基板分别浸泡于质量浓度为0.5％的硝酸酒精溶液中，超声清洗5min，用于去除表面难溶氯化物；最后将上述泡沫铜、锡合金箔和铜基板分别浸泡于酒精溶液中，超声清洗5min后风干备用。
（2）将（1）获得清洗后的泡沫铜、锡合金箔和铜基板如图1所示堆叠；
（3）在（2）中上基板施加频率在20khz,压力为0.6mpa,功率为750w的横向超声4s，如图2所示。
以上结合附图对本发明作了详细说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。
1.一种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，其特征在于，主要步骤包括：
（a）泡沫铜、锡合金箔和铜基板的清洗：将商用锡合金（锡99.3%铜0.7%）箔（100μm）、泡沫铜（500ppi）和铜基板（1×1×0.5mm）分别浸泡于丙酮溶液中，超声清洗5min，用于去泡沫铜、锡合金箔和铜基板表面的油污；之后将上述泡沫铜、锡合金箔和铜基板分别浸泡于质量浓度为0.5％的盐酸酒精溶液中，超声清洗5min，用于去除表面氧化物；之后将上述泡沫铜、锡合金箔和铜基板分别浸泡于质量浓度为0.5％的硝酸酒精溶液中，超声清洗5min，用于去除表面难溶氯化物；最后将上述泡沫铜、锡合金箔和铜基板分别浸泡于酒精溶液中，超声清洗5min后风干备用；
（b）将（a）获得清洗后的泡沫铜、锡合金箔和铜基板按照铜基板、锡合金箔、泡沫铜、锡合金箔、铜基板的顺序堆叠；
（c）在（b）中上基板施加频率为20khz,压力为0.6mpa,功率为750w的横向超声4s。
2.根据权利要求1所述的一种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，其特征在于：所述步骤（a）的具体步骤：
（1）锡合金箔包括但不限于纯锡，锡含量99.3%铜含量0.7%锡合金，sac系钎料中的一种或几种，厚度包括但不限于100μm；
（2）泡沫铜材质包括但不限于纯铜，黄铜，镍的一种或几种，泡沫铜孔径在5～500ppi之间，厚度在0.1～40mm之间，孔隙率在50～98%之间；
（3）铜基板材质包括但不限于纯铜，黄铜的一种或几种，尺寸包括但不限于1×1×0.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种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，其特征在于：所述步骤（b）的具体步骤：
（1）泡沫铜、锡合金箔和铜基板的堆叠顺序包括但不限于铜基板、锡合金箔、泡沫铜、锡合金箔、铜基板。
4.根据权利要求1所述的一种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，其特征在于：所述步骤（c）的具体步骤：
（1）施加超声的位置包括但不限于上基板；
（2）施加超声的频率在15-75khz之间，施加压力在0.1-5mpa之间，超声功率在750w，施加超声的时间包括但不限于4s，施加超声的方向包括但不限于横向。
技术总结