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

摘要

本发明公开了一种三维封装芯片堆叠用金属间化合物键合方法及结构，所述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。利用所述方法制备的三维封装芯片堆叠用金属间化合物键合结构，所述金属凸点为单晶或具有择优取向时，所述形成的金属间化合物沿温度梯度方向具有单一取向。本发明键合时引入温度梯度促使金属原子发生热迁移，加速界面金属间化合物的形成、生长，显著提高键合效率；金属间化合物由温度相对较低的冷端向温度相对较高的热端连续生长，可有效避免形成的金属化合物中出现孔洞。

说明书

技术领域

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

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。采用硅通孔 (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。

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。

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50μm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

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。

本发明采用的技术方案如下，

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。

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。

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、Ni、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、SnIn、SnAgCu或InAg中的一种。

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。

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。

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。

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。

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。

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℃。

所述温度梯度定义为ΔT/Δd，所述ΔT为金属凸点之间的温度差，所述Δd 为金属凸点之间的距离。

所述温度梯度不小于20℃/cm；优选为温度梯度为20～200℃/cm；

进一步优选为20～50℃/cm；

进一步优选为50～60℃/cm；

进一步优选为60～80℃/cm；

进一步优选为80～90℃/cm；

进一步优选为90～165℃/cm；

进一步优选为165～175℃/cm。

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。

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：

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；

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；

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。

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：

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；

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；

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。

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℃。

所述温度梯度定义为ΔT/Δd，所述ΔT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Δd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。

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迁移现象的发生。热迁移是在温度 梯度(两点温度差ΔT与两点间距Δd的比值，即ΔT/Δd)作用下发生的原子迁移 过程。从材料热力学和动力学观点看，金属原子的热迁移是在一定温度梯度作用 下发生的、由扩散控制的质量迁移过程，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迁移，产生金属原子的质量迁 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，10μm互连键合焊点两侧的温度差为0.1℃ 时，所形成的温度梯度可高达到100℃/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迁移、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。

本发明中的加热装置为可形成温度梯度的加热器。

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；

所述第一钎料层或第二钎料层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。

优选地，所述第一金属凸点的厚度为1～20μm；钎料层总厚度(在实施方案 一中指第一钎料层和第二钎料层的厚度之和，在实施方案二中指第一钎料层的厚 度)为0.5～50μm；所述第二金属凸点的厚度以在钎焊反应中钎料全部反应完毕 形成金属间化合物后，第二金属凸点仍有剩余为准。

所述第一衬底为芯片或晶圆，第二衬底为芯片或晶圆，第一衬底和第二衬底 可以相同也可以不同。

所述形成的金属间化合物会因所用钎料层的材质种类不同而含(或不含)残 余相，残余相为Ag₃Sn、富Pb相或富Bi相。使用哪种钎料层会含(或不含)残 余相，所属技术领域的技术人员根据现有技术即可判断。

利用上述方法制备的三维封装芯片堆叠用金属间化合物键合结构，所述第一 金属凸点为单晶或具有择优取向时，所述形成的金属间化合物沿温度梯度方向具 有单一取向。

本发明的有益效果如下：

键合时引入温度梯度促使金属原子发生热迁移，加速界面金属间化合物的形 成、生长，显著提高键合效率；金属间化合物由温度相对较低的冷端向温度相对 较高的热端连续生长，可有效避免形成的金属化合物中出现孔洞；金属凸点采用 单晶或具有择优取向金属材料、选择合适的钎料，形成的金属间化合物沿温度梯 度方向具有单一取向，从而提高了键合焊点的力学性能和服役可靠性。

该方法键合时无需施加压力，所形成的金属间化合物键合焊点具有良好的热 稳定性；采用传统的钎焊回流温度进行键合，工艺温度低；与现有半导体及封装 工艺兼容性好，工艺简单，可靠性高。

附图说明

图1为本发明实施方案一中步骤二形成的组合体结构示意图；

图2为本发明实施方案二中步骤二’形成的组合体结构示意图；

图3为本发明制备的金属间化合物键合结构示意图；

图4为本发明制备的具有残余相的金属间化合物键合结构示意图；

图5为本发明实施例5条件下形成的Cu₆Sn₅金属间化合物的电子背散射衍 射(EBSD)照片；

图6为本发明实施例1、2和3条件下金属间化合物生长速率与传统钎焊回 流(250℃等温时效)条件下金属间化合物生长速率的对比图。

附图标记说明：10-第一衬底、20-第一金属凸点、22-第一钎料层、30-第二 衬底、40-第二金属凸点、42-第二钎料层、50-金属间化合物、52-残余相。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明，下述实施例不以任何方 式限制本发明。

实施例1

本发明三维封装芯片堆叠用金属间化合物键合方法通过下述具体工艺步骤 实现：

步骤一：提供芯片第一衬底10，在所述芯片第一衬底10上电镀5μm厚的 Cu第一金属凸点20阵列，在所述Cu第一金属凸点20上电镀5μm厚的Sn第一 钎料层22；提供芯片第二衬底30，在所述芯片第二衬底30上电镀15μm厚的Cu 第二金属凸点40阵列，在所述Cu第二金属凸点40上电镀5μm厚的Sn第二钎 料层42；Cu第一金属凸点20和Cu第二金属凸点40具有呈镜面对称的阵列图 形；

步骤二：将Sn第一钎料层22和Sn第二钎料层42一一对准，面对面接触放 置，形成一个组合体，如图1所示；

步骤三：加热步骤二形成的组合体并进行钎焊回流，使Cu第一金属凸点20 的温度达到250℃且低于Cu第二金属凸点40的温度，即在Cu第一金属凸点20 和Cu第二金属凸点40之间形成20℃/cm的温度梯度，直至Sn第一钎料层22 和Sn第二钎料层42熔化后发生钎焊反应全部转变为Cu₆Sn₅金属间化合物50， 实现芯片到芯片的金属间化合物键合，如图3所示。

如附图6所示，本实施例中20℃/cm的温度梯度条件下金属间化合物生长速 率显著大于传统钎焊回流(250℃等温时效)条件下的金属间化合物生长速率。

实施例2

本发明三维封装芯片堆叠用金属间化合物键合方法通过下述具体工艺步骤 实现：

步骤一：提供芯片第一衬底10，在所述芯片第一衬底10上电镀5μm厚的 Cu第一金属凸点20阵列，在所述Cu第一金属凸点20上电镀10μm厚的Sn第 一钎料层22；提供晶圆第二衬底30，在所述晶圆第二衬底30上电镀25μm厚的 Cu第二金属凸点40阵列，在所述Cu第二金属凸点40上电镀10μm厚的Sn第 二钎料层42；Cu第一金属凸点20和Cu第二金属凸点40具有呈镜面对称的阵 列图形；

步骤二：将Sn第一钎料层22和Sn第二钎料层42一一对准，面对面接触放 置，形成一个组合体，如图1所示；

步骤三：加热步骤二形成的组合体并进行钎焊回流，使Cu第一金属凸点20 的温度达到250℃且低于Cu第二金属凸点40的温度，即在Cu第一金属凸点20 和Cu第二金属凸点40之间形成40℃/cm的温度梯度，直至Sn第一钎料层22 和第二钎料层42熔化后发生钎焊反应全部转变为Cu₆Sn₅金属间化合物50，实现 芯片到晶圆的金属间化合物键合，如图3所示。

如附图6所示，本实施例中40℃/cm的温度梯度条件下金属间化合物生长速 率显著大于传统钎焊回流(250℃等温时效)条件下的金属间化合物生长速率。

实施例3

本发明三维封装芯片堆叠用金属间化合物键合方法通过下述具体工艺步骤 实现：

步骤一：提供晶圆第一衬底10，在所述晶圆第一衬底10上电镀5μm厚的 Cu第一金属凸点20阵列，在所述Cu第一金属凸点20上电镀30μm厚的Sn第 一钎料层22；提供晶圆第二衬底30，在所述晶圆第二衬底30上电镀30μm厚的 Cu第二金属凸点40阵列；Cu第一金属凸点20和Cu第二金属凸点40具有呈镜 面对称的阵列图形；

步骤二：将Sn第一钎料层22和Cu第二金属凸点40一一对准，面对面接触 放置，形成一个组合体，如图2所示；

步骤三：加热步骤二形成的组合体并进行钎焊回流，使Cu第一金属凸点20 的温度达到250℃且低于Cu第二金属凸点40的温度，即在Cu第一金属凸点20 和Cu第二金属凸点40之间形成50℃/cm的温度梯度，直至Sn第一钎料层22 熔化后发生钎焊反应全部转变为Cu₆Sn₅金属间化合物50，实现晶圆到晶圆的金 属间化合物键合，如图3所示。

如附图6所示，本实施例中50℃/cm的温度梯度条件下金属间化合物生长速 率显著大于传统钎焊回流(250℃等温时效)条件下的金属间化合物生长速率。

实施例4

本发明三维封装芯片堆叠用金属间化合物键合方法通过下述具体工艺步骤 实现：

步骤一：提供芯片第一衬底10，在所述芯片第一衬底10上溅射1μm厚的 Cu第一金属凸点20阵列，在所述Cu第一金属凸点20上溅射0.5μm厚的In第 一钎料层22；提供芯片第二衬底30，在所述芯片第二衬底30上气相沉积1μm 厚的Cu第二金属凸点40阵列；Cu第一金属凸点20和Cu第二金属凸点40具 有呈镜面对称的阵列图形；

步骤二：将In第一钎料层22和Cu第二金属凸点40一一对准，面对面接触 放置，形成一个组合体，如图2所示；

步骤三：加热步骤二形成的组合体并进行钎焊回流，使Cu第一金属凸点20 的温度达到180℃且低于Cu第二金属凸点40的温度，即在Cu第一金属凸点20 和Cu第二金属凸点40之间形成55℃/cm的温度梯度，直至In第一钎料层22熔 化后发生钎焊反应全部转变为Cu-In金属间化合物50，实现芯片到芯片的金属间 化合物键合，如图3所示。

实施例5

本发明三维封装芯片堆叠用金属间化合物键合方法通过下述具体工艺步骤 实现：

步骤一：提供芯片第一衬底10，在所述芯片第一衬底10上溅射1μm厚的单 晶Cu第一金属凸点20阵列，在所述单晶Cu第一金属凸点20上溅射0.5μm厚 的SnCu第一钎料层22；提供芯片第二衬底30，在所述芯片第二衬底30上电镀 30μm厚的多晶Cu第二金属凸点40阵列，在所述多晶Cu第二金属凸点40上电 镀30μm厚的SnCu第二钎料层42；单晶Cu第一金属凸点20和多晶Cu第二金 属凸点40具有呈镜面对称的阵列图形；

步骤二：将SnCu第一钎料层22和SnCu第二钎料层42一一对准，面对面 接触放置，形成一个组合体，如图1所示；

步骤三：加热步骤二形成的组合体并进行钎焊回流，使单晶Cu第一金属凸 点20的温度达到250℃且低于多晶Cu第二金属凸点40的温度，即在单晶Cu 第一金属凸点20和多晶Cu第二金属凸点40之间形成60℃/cm的温度梯度，直 至SnCu第一钎料层22和SnCu第二钎料层42熔化后发生钎焊反应全部转变为 Cu6Sn5金属间化合物50，实现芯片到芯片的金属间化合物键合，如图3所示。

如附图5所示，在60℃/cm的温度梯度作用下，在单晶Cu上形成的Cu₆Sn₅金属间化合物具有单一取向。

实施例6

本发明三维封装芯片堆叠用金属间化合物键合方法通过下述具体工艺步骤 实现：

步骤一：提供芯片第一衬底10，在所述芯片第一衬底10上蒸镀1μm厚的 Cu第一金属凸点20阵列，在所述Cu第一金属凸点20上电镀30μm厚的SnPb 第一钎料层22；提供芯片第二衬底30，在所述芯片第二衬底30上电镀20μm厚 的Cu第二金属凸点40阵列；Cu第一金属凸点20和Cu第二金属凸点40具有 呈镜面对称的阵列图形；

步骤二：将SnPb第一钎料层22和Cu第二金属凸点40一一对准，面对面 接触放置，形成一个组合体，如图2所示；

步骤三：加热步骤二形成的组合体并进行钎焊回流，使Cu第一金属凸点20 的温度达到220℃且低于Cu第二金属凸点40的温度，即在Cu第一金属凸点20 和Cu第二金属凸点40之间形成70℃/cm的温度梯度，直至SnPb第一钎料层22 熔化后发生钎焊反应全部转变为Cu₆Sn₅金属间化合物50和富Pb残余相52，实 现芯片到芯片的金属间化合物键合，如图4所示。

实施例7

本发明三维封装芯片堆叠用金属间化合物键合方法通过下述具体工艺步骤 实现：

步骤一：提供芯片第一衬底10，在所述芯片第一衬底10上电镀2μm厚的 Cu第一金属凸点20阵列，在所述Cu第一金属凸点20上电镀50μm厚的SnAgCu 第一钎料层22；提供芯片第二衬底30，在所述芯片第二衬底30上电镀50μm厚 的Cu第二金属凸点40阵列；Cu第一金属凸点20和Cu第二金属凸点40具有 呈镜面对称的阵列图形；

步骤二：将SnAgCu第一钎料层22和Cu第二金属凸点40一一对准，面对 面接触放置，形成一个组合体，如图2所示；

步骤三：加热步骤二形成的组合体并进行钎焊回流，使Cu第一金属凸点20 的温度达到250℃且低于Cu第二金属凸点40的温度，即在Cu第一金属凸点20 和Cu第二金属凸点40之间形成80℃/cm的温度梯度，直至SnAgCu第一钎料层 22熔化后发生钎焊反应全部转变为Cu₆Sn₅金属间化合物50和Ag₃Sn残余相52， 实现芯片到芯片的金属间化合物键合，如图4所示。

实施例8

本发明三维封装芯片堆叠用金属间化合物键合方法通过下述具体工艺步骤 实现：

步骤一：提供芯片第一衬底10，在所述芯片第一衬底10上电镀4μm厚的 Ni第一金属凸点20阵列，在所述Ni第一金属凸点20上电镀20μm厚的SnBi 第一钎料层22；提供芯片第二衬底30，在所述芯片第二衬底30上电镀20μm厚 的Ni第二金属凸点40阵列，在所述Ni第二金属凸点40上电镀20μm厚的SnBi 第二钎料层42；Ni第一金属凸点20和Ni第二金属凸点40具有呈镜面对称的阵 列图形；

步骤二：将SnBi第一钎料层22和SnBi第二钎料层42一一对准，面对面接 触放置，形成一个组合体，如图1所示；

步骤三：加热步骤二形成的组合体并进行钎焊回流，使Ni第一金属凸点20 的温度达到170℃且低于Ni第二金属凸点40的温度，即在Ni第一金属凸点20 和Ni第二金属凸点40之间形成85℃/cm的温度梯度，直至SnBi第一钎料层22 和SnBi第二钎料层42熔化后发生钎焊反应全部转变为Ni₃Sn₄金属间化合物50 和富Bi残余相52，实现芯片到芯片的金属间化合物键合，如图4所示。

实施例9

本发明三维封装芯片堆叠用金属间化合物键合方法通过下述具体工艺步骤 实现：

步骤一：提供芯片第一衬底10，在所述芯片第一衬底10上电镀10μm厚的 Ni第一金属凸点20阵列，在所述Ni第一金属凸点20上电镀25μm厚的In第一 钎料层22；提供芯片第二衬底30，在所述芯片第二衬底30上电镀50μm厚的 Ni第二金属凸点40阵列，在所述Ni第二金属凸点40上电镀25μm厚的In第二 钎料层42；Ni第一金属凸点20和Ni第二金属凸点40具有呈镜面对称的阵列图 形；

步骤二：将In第一钎料层22和In第二钎料层42一一对准，面对面接触放 置，形成一个组合体，如图1所示；

步骤三：加热步骤二形成的组合体并进行钎焊回流，使Ni第一金属凸点20 的温度达到200℃且低于Ni第二金属凸点40的温度，即在Ni第一金属凸点20 和Ni第二金属凸点40之间形成90℃/cm的温度梯度，直至In第一钎料层22和 In第二钎料层42熔化后发生钎焊反应全部转变为Ni-In金属间化合物50，实现 芯片到芯片的金属间化合物键合，如图3所示。

实施例10

本发明三维封装芯片堆叠用金属间化合物键合方法通过下述具体工艺步骤 实现：

步骤一：提供芯片第一衬底10，在所述芯片第一衬底10上溅射1μm厚的单 晶Au第一金属凸点20阵列，在所述单晶Au第一金属凸点20上电镀1μm厚的 SnAu第一钎料层22；提供芯片第二衬底30，在所述芯片第二衬底30上电镀3μm 厚的Au第二金属凸点40阵列，在所述Au第二金属凸点40上电镀1μm厚的SnAu 第二钎料层42；单晶Au第一金属凸点20和Au第二金属凸点40具有呈镜面对 称的阵列图形；

步骤二：将SnAu第一钎料层22和第二钎料层42一一对准，面对面接触放 置，形成一个组合体，如图1所示；

步骤三：加热步骤二形成的组合体并进行钎焊回流，使单晶Au第一金属凸 点20的温度达到300℃且低于Au第二金属凸点40的温度，即在单晶Au第一 金属凸点20和Au第二金属凸点40之间形成130℃/cm的温度梯度，直至SnAu 第一钎料层22和第二钎料层42熔化后发生钎焊反应全部转变为Au-Sn金属间化 合物50，实现芯片到芯片的金属间化合物键合，如图3所示。

实施例11

本发明三维封装芯片堆叠用金属间化合物键合方法通过下述具体工艺步骤 实现：

步骤一：提供芯片第一衬底10，在所述芯片第一衬底10上溅射1μm厚的 Au第一金属凸点20阵列，在所述Au第一金属凸点20上溅射2μm厚的In第一 钎料层22；提供芯片第二衬底30，在所述芯片第二衬底30上溅射2μm厚的Au 第二金属凸点40阵列；Au第一金属凸点20和Au第二金属凸点40具有呈镜面 对称的阵列图形；

步骤二：将In第一钎料层22和Au第二金属凸点40一一对准，面对面接触 放置，形成一个组合体，如图2所示；

步骤三：加热步骤二形成的组合体并进行钎焊回流，使Au第一金属凸点20 的温度达到180℃且低于Au第二金属凸点40的温度，即在Au第一金属凸点 20和Au第二金属凸点40之间形成165℃/cm的温度梯度，直至In第一钎料层 22熔化后发生钎焊反应全部转变为Au-In金属间化合物50，实现芯片到芯片的 金属间化合物键合，如图3所示。

实施例12

本发明三维封装芯片堆叠用金属间化合物键合方法通过下述具体工艺步骤 实现：

步骤一：提供芯片第一衬底10，在所述芯片第一衬底10上溅射2μm厚的 Ag第一金属凸点20阵列，在所述Ag第一金属凸点20上电镀10μm厚的InAg 第一钎料层22；提供芯片第二衬底30，在所述芯片第二衬底30上电镀20μm厚 的Ag第二金属凸点40阵列；Ag第一金属凸点20和Ag第二金属凸点40具有 呈镜面对称的阵列图形；

步骤二：将InAg第一钎料层22和Ag第二金属凸点40一一对准，面对面 接触放置，形成一个组合体，如图2所示；

步骤三：加热步骤二形成的组合体并进行钎焊回流，使Ag第一金属凸点20 的温度达到200℃且低于Ag第二金属凸点40的温度，即在Ag第一金属凸点 20和Ag第二金属凸点40之间形成170℃/cm的温度梯度，直至InAg第一钎料 层22熔化后发生钎焊反应全部转变为Ag-In金属间化合物50，实现芯片到芯片 的金属间化合物键合，如图3所示。

实施例13

本发明三维封装芯片堆叠用金属间化合物键合方法通过下述具体工艺步骤 实现：

步骤一：提供芯片第一衬底10，在所述芯片第一衬底10上溅射1μm厚的单 晶Ag第一金属凸点20阵列，在所述单晶Ag第一金属凸点20上电镀10μm厚 的SnAg第一钎料层22；提供芯片第二衬底30，在所述芯片第二衬底30上电镀 30μm厚的Ag第二金属凸点40阵列；单晶Ag第一金属凸点20和Ag第二金属 凸点40具有呈镜面对称的阵列图形；

步骤二：将SnAg第一钎料层22和Ag第二金属凸点40一一对准，面对面 接触放置，形成一个组合体，如图2所示；

步骤三：加热步骤二形成的组合体并进行钎焊回流，使单晶Ag第一金属凸 点20的温度达到200℃且低于Ag第二金属凸点40的温度，即在单晶Ag第一 金属凸点20和Ag第二金属凸点40之间形成175℃/cm的温度梯度，直至SnAg 第一钎料层22熔化后发生钎焊反应全部转变为Ag₃Sn金属间化合物50，实现芯 片到芯片的金属间化合物键合，如图3所示。

实施例14

本发明三维封装芯片堆叠用金属间化合物键合方法通过下述具体工艺步骤 实现：

步骤一：提供晶圆第一衬底10，在所述晶圆第一衬底10上电镀5μm厚的择 优取向Cu第一金属凸点20阵列，在所述择优取向Cu第一金属凸点20上电镀 25μm厚的Sn第一钎料层22；提供晶圆第二衬底30，在所述晶圆第二衬底30 上电镀50μm厚的Cu第二金属凸点40阵列，在所述Cu第二金属凸点40上电镀 25μm厚的Sn第二钎料层42；择优取向Cu第一金属凸点20和Cu第二金属凸点 40具有呈镜面对称的阵列图形；

步骤二：将Sn第一钎料层22和Sn第二钎料层42一一对准，面对面接触放 置，形成一个组合体，如图1所示；

步骤三：加热步骤二形成的组合体并进行钎焊回流，使择优取向Cu第一金 属凸点20的温度达到260℃且低于Cu第二金属凸点40的温度，即在择优取向 Cu第一金属凸点20和Cu第二金属凸点40之间形成200℃/cm的温度梯度，直 至Sn第一钎料层22和Sn第二钎料层42熔化后发生钎焊反应全部转变为Cu₆Sn₅金属间化合物50，实现晶圆到晶圆的金属间化合物键合，如图3所示。

对比例1

本对比例中，设定加热处理以进行钎焊反应的温度为250℃，未形成温度梯 度，即在传统钎焊回流(等温时效)条件下进行反应，其它步骤、材料和工艺条 件等均与实施例1相同。

本对比例的金属间化合物生长速率如图6中250℃等温时效曲线图所示。