一种用于芯片互连的全IMC相Sn-Bi-In-Ag-Zn高熵低温焊料及其制备方法及其制备方法

本发明涉及一种用于芯片互连的全imc相sn-bi-in-ag-zn高熵低温焊料及其制备方法及其制备方法，属于电子封装材料。

背景技术：

0、技术背景

1、人工智能的崛起及快速发展，极大的增加了高算力芯片的需求。随着摩尔定律愈加趋近极限，前道工艺中晶体管架构优化和集成密度提升的难度与成本不断提高。后道工艺所涉及的芯片互连技术成为了解决高算力芯片需求的关键，埋入式芯片技术(embeddedic)、扇出式封装技术(fan out)、倒装芯片技术(fc)、晶圆级芯片尺寸封装(waferlevel chip size package,wlcsp)技术、三维晶圆级封装技术(3dwlcsp)、三维芯片封装(3dic)技术和2.5d转接板技术等先进封装技术得到了快速发展。

2、先进封装技术的运用增大了输入/输出端口密度、减少封装体尺寸，使得互连材料不得不面临更加严苛的服役环境。对芯片间互连材料提出了新的要求：(1)中介层的翘曲问题、有机基板的玻璃转变要求焊料具有低的熔点：(2)焊点的微型化增大了焊点中imc的体积占比，要求焊料具有良好的扩散阻挡能力以确保界面imc连续且生长速率缓慢。现有低温焊料如共晶snbi和共晶snin分别存在硬脆和抗蠕变性能不佳的问题，所以目前急需一种具有良好扩散阻挡性能以及低熔点的新型焊料，以填补空缺。

3、高熵合金(hea)是指混合熵高于1.62r或有5种以上的主元，且各组元原子比在5％-35％之间的多组分合金。高熵合金具有高熵效应及迟滞扩散效应、可分别从热力学和动力学上抑制imc的形成和生长。高熵合金还具有高熵合金鸡尾酒效应，选取合适的金属即可得到所需的性能。已有研究表明sn基焊料的高熵化可显著降低焊料的熔点以及实现对界面imc快速生长的抑制，在芯片互连领域具有可观的实际运用价值。

技术实现思路

1、本发明针对芯片互连的高可靠性需求，提供了一种用于芯片互连的全imc相sn-bi-in-ag-zn高熵低温焊料及其制备方法。得益于高熵合金高熵效应及迟滞扩散效应，回流过程中界面imc生长缓慢，界面脆性imc的快速生长受到抑制，长时间回流后仍能保持薄imc层，有利于提高焊点可靠性。

2、本发明针对先进封装芯片低温互连需求，提供了一种用于芯片互连的全imc相sn-bi-in-ag-zn高熵低温焊料及其制备方法，其熔点较低、在cu基底上具有良好的润湿性能以及较高的剪切强度。

3、为了实现上述目标，本发明采用以下技术方案：

4、本发明所述用于芯片互连的全imc相sn-bi-in-ag-zn高熵低温焊料，其组分按原子百分比计为25％-35％的锡、21％-35％铋、25％-35％的铟、5％的银及5％-10％的锌。

5、本发明所述用于芯片互连的全imc相sn-bi-in-ag-zn高熵低温焊料的制备方法如下：(1)按设计比例称取高纯sn、in、bi、ag颗粒，并覆以1.3:1的kcl、licl熔融共晶熔盐保护，熔炼sn-in-bi-ag四元中间合金。并按低密度金属在下，高密度金属在上的顺序依次放入sn、in、bi、ag以减少熔炼过程中的比重偏析，在800℃-900℃保温1h-2h并充分搅拌，直接浇铸于水中冷却。(2)按设计比例称取高纯zn颗粒及sn-in-bi-ag四元中间合金，并将sn-in-bi-ag四元中间合金置于zn颗粒上起到保护作用。将熔融状态的kcl、licl共晶熔盐浇于金属原料表面，500℃下保温1h-2h并充分搅拌，直接浇铸于水中冷却得到sn-bi-in-ag-zn高熵合金焊料。

6、本发明所述用于芯片互连的全imc相sn-bi-in-ag-zn高熵低温焊料，物相均为imc相，主要为insn4-γ、inbi相及agzn相，其中insn4-γ类似于固溶体，铋原子在insn4-γ内高度固溶，固溶度9at.％-11at.％，具有高混合熵。

7、本发明所述用于芯片互连的全imc相sn-bi-in-ag-zn高熵低温焊料，熔点低于85℃，显著降低了封装温度，可效减少回流过程中引起的翘曲问题。同时在120℃、150℃的回流温度下，cu基底上的润湿后铺展率分别可达62％和69％。

8、本发明所述用于芯片互连的全imc相sn-bi-in-ag-zn高熵低温焊料，低温焊接性能良好，在120℃下就能实现铜-铜的可靠互连，在低温下即能实现铜-铜的可靠互连，同时具有良好的热稳定性，120℃-150℃下回流5min后焊点剪切强度≥33mpa，回流10min、20min后均≥30mpa。

9、本发明所述用于芯片互连的全imc相sn-bi-in-ag-zn高熵低温焊料，界面imc为常规的cu6sn5，保证了连接可靠性。同时得益于高熵合金高熵效应和缓慢扩散效应影响，界面imc的快速生长受到抑制，界面imc生长均匀，保证了焊点的长期可靠性。

技术特征：

1.铋、铟、银及锌，成分按原子百分比计为25％-35％的锡、10％-26％铋、25％-35％的铟、5％的银及5％-10％的锌。

2.如权利要求1所述一种用于芯片互连的全imc相sn-bi-in-ag-zn高熵低温焊料，其特征在于：焊料中锡占25％、银占5％、锌占5％-10％、铋≤26％以及余量的铟。

3.如权利要求1所述一种用于芯片互连的全imc相sn-bi-in-ag-zn高熵低温焊料，其特征在于：焊料中锡占30％、银占5％、锌占5％-10％、铋≤23％以及余量的铟。

4.如权利要求1所述封装用sn-bi-in-ag-zn全imc相高熵低温焊料，其特征在于：焊料中锡占35％、银占5％、锌占5％-10％、铋≤20％以及余量的铟。

5.如权利要求1-4所述封装用sn-bi-in-ag-zn全imc相高熵低温焊料，其特征在于：该高熵焊料物相均为imc相，分别是insn4-γ相、inbi相和agzn相，其中insn4-γ相类似于固溶体，铋原子在insn4-γ内高度固溶，固溶度9at.％-11at.％，具有高混合熵。

6.如权利要求1-5所述封装用sn-bi-in-ag-zn全imc相高熵低温焊料，其特征在于：具有极低的熔点和良好的低温润湿性能，显著降低了封装温度，可有效减少回流过程中cet不匹配所引起的翘曲问题。其熔点<90℃，120℃-150℃下在铜基底上润湿时铺展率≥63％。

7.如权利要求1-6所述封装用sn-bi-in-ag-zn全imc相高熵低温焊料，其特征在于：在低温下即能实现铜-铜的可靠互连，同时焊接后焊点具有良好的热稳定性，120℃-150℃下回流5min后焊点剪切强度≥33mpa，回流10min、20min后均≥30mpa。

8.如权利要求1-7所述封装用sn-bi-in-ag-zn全imc相高熵低温焊料，其特征在于：界面imc生长缓慢，长时间回流后仍能保持薄的imc层，100℃-120℃下回流5-20min后界面imc厚度≤2.5μm。

9.如权利要求1-8所述封装用sn-bi-in-ag-zn全imc相高熵低温焊料的制备方法，其特征在于：(1)按设计比例称取高纯sn、in、bi、ag颗粒，并覆以1.3:1的kcl、licl熔融共晶熔盐保护，熔炼sn-in-bi-ag四元中间合金。并按低密度金属在下，高密度金属在上的顺序依次放入sn、in、bi、ag以减少熔炼过程中的比重偏析，在800℃-900℃保温1h-2h并充分搅拌，直接浇铸于水中冷却。(2)按设计比例称取高纯zn颗粒及sn-in-bi-ag四元中间合金，并将sn-in-bi-ag四元中间合金置于zn颗粒上起到保护作用。将熔融状态的kcl、licl共晶熔盐浇于金属原料表面，500℃下保温1h-2h并充分搅拌，直接浇铸于水中冷却得到sn-bi-in-ag-zn高熵合金焊料。

技术总结本发明涉及一种用于芯片互连的全IMC相Sn‑Bi‑In‑Ag‑Zn高熵低温焊料及其制备方法及其制备方法，属于电子封装材料技术领域。该焊料成分按原子百分比计为25％‑35％的锡、21％‑35％铋、25％‑35％的铟、5％的银及5％‑10％的锌，通过感应熔炼实现焊料的制备。本发明所述的封装用Sn‑Bi‑In‑Ag‑Zn全IMC相高熵低温焊料，所有物相均为IMC相，分别为InSn4‑γ、InBi相及AgZn相，其中InSn4‑γ相类似于固溶体，铋原子在其中高度固溶，具有高混合熵。其熔点<90℃，可在较低温度下实现铜‑铜的可靠互连，且低温润湿性能良好。受高熵合金高熵效应及迟滞扩散效应影响界面IMC生长缓慢，在长时间回流后仍能保持薄IMC层及稳定的力学性能，可显著提高焊点可靠性，适用于芯片的高可靠低温互连。技术研发人员：杨栋华,胡凯伦,李涛,郭磊,甘贵生,徐向涛,夏大权,闫瑞东受保护的技术使用者：重庆理工大学技术研发日：技术公布日：2024/11/18