肖 金,程 偉,周艷瓊
(廣東工業(yè)大學(xué) 華立學(xué)院,廣東 廣州 511300)
半導(dǎo)體器件是非常脆弱的器件,為了保護(hù)半導(dǎo)體器件及其工作環(huán)境,通常采用電子封裝技術(shù)。電子封裝支撐保護(hù)電路,防止空氣對芯片電路的腐蝕,將芯片工作時(shí)產(chǎn)生的熱擴(kuò)散,為進(jìn)出芯片的信號提供連接通路,便于芯片的安裝和運(yùn)輸。
在晶體管發(fā)明不久之后,開始出現(xiàn)了電子封裝技術(shù)。最開始是簡單晶體管外殼封裝,僅僅只能容納一個(gè)單晶體管芯片。然后出現(xiàn)了雙列封裝技術(shù)、小型外殼封裝、小型外殼集成電路、四角扁平封裝、引腳網(wǎng)格陣列、球形網(wǎng)格陣列、芯片級封裝、多芯片模塊封裝技術(shù)[1]。
隨著電子產(chǎn)品的微型化,電子封裝技術(shù)由傳統(tǒng)的高密度單層封裝向堆疊式三維封裝演變,而且在今后的流行趨勢當(dāng)中,堆疊式三維封裝依然是電子封裝的主要形式。三維高密度封裝技術(shù)的發(fā)展,對微電子互連技術(shù)的發(fā)展影響巨大。傳統(tǒng)的布線互連技術(shù)受到堆疊層數(shù)越來越高以及芯片尺寸越來越小的限制,其次高的焊接溫度嚴(yán)重影響三維高密度封裝的可靠性和安全性。
到目前為止,三維封裝技術(shù)的互連方法有:傳統(tǒng)引線鍵合、倒裝芯片連接、硅通孔連接和新型低溫互連技術(shù)。
引線鍵合技術(shù)是應(yīng)用最廣泛,也是最早的互連技術(shù)。這種技術(shù)成本低,操作簡便,通過銅,金,銀等金屬引線將各堆疊芯片連接到基板上[2],為了保證互連效果的準(zhǔn)確性和可靠性,必須留給引線的足夠空間,隨著芯片堆疊密度的增加,引線空間趨于極限值,這會加劇信號的擁堵和干擾,甚至?xí)?dǎo)致信號延遲,所以這種技術(shù)越來越不適應(yīng)目前高密度封裝趨勢的要求。
倒裝芯片連接技術(shù)使上下層芯片間的電信號連接由引線鍵合演化為焊點(diǎn)球鍵合的模式。焊點(diǎn)球鍵合不需要拉出長長的引線,大大縮短了電氣連接的路徑[3],有利于減少電阻和電感,增強(qiáng)了連接的可靠性,而且也比較美觀,在高密度封裝結(jié)構(gòu)中,這種技術(shù)非常具有優(yōu)勢。
硅通孔技術(shù)是由垂直芯片的通孔實(shí)現(xiàn)疊層芯片間的互連技術(shù)。垂直通孔使芯片間的連接路徑更短,堆疊芯片的密度更高,芯片運(yùn)行可靠性更高,使不同芯片間的互連成為可能,是取代引線鍵合最可行的方式,目前這種技術(shù)是半導(dǎo)體制造商和研究人員的研究重點(diǎn)。
低溫互連技術(shù)是一種新型互連技術(shù)。這種技術(shù)相對于上述的三種互連技術(shù),所需的溫度更低,普遍低于200℃甚至是在室溫條件下,所需的壓力也更小,低溫互連技術(shù)的出現(xiàn)對電子封裝行業(yè)影響巨大。
(1)不需要回流焊工藝?;亓骱杆枰母邷貢?dǎo)致薄芯片及不耐高溫元件受損,影響互連的可靠性。而且,助焊劑受到芯片尺寸的限制,沒有辦法清理干凈,這對封裝質(zhì)量影響大。再次,焊接的高溫很容易使焊縫區(qū)產(chǎn)生金屬間化合物,這種組織脆性大,而且促進(jìn)焊縫處產(chǎn)生空洞,嚴(yán)重威脅互連的可靠性。
(2)工藝簡單。因?yàn)闇p少了回流焊,因此,不需要考慮焊料的潤濕性以及表面張力的問題,與回流焊相適應(yīng)的一系列繁瑣的工序?qū)⒈皇÷裕@將極大地提高生產(chǎn)效率。
(3)保護(hù)環(huán)境。低溫互連技術(shù)能耗少,對環(huán)境的負(fù)荷少。另外,鉛焊料由于對環(huán)境污染大,采用無鉛焊料一直是電子封裝技術(shù)的研究重點(diǎn),低溫互連技術(shù)很好地處理了這個(gè)問題,因此越來越多的團(tuán)隊(duì)正在研究這種技術(shù),主要有以下幾個(gè)研究方向。
直接鍵合技術(shù)是通過構(gòu)建兩個(gè)非常平坦,非常干凈的平面,通過平面之間的范德華力使這兩個(gè)平面結(jié)合在一起,通過在真空中加熱到1000℃進(jìn)行熱處理,在兩個(gè)平面的接觸界面形成共價(jià)鍵,這種熱處理,不僅增加了連接強(qiáng)度,而且消除了接觸界面的孔洞,提高了互連的可靠性[4]。隨著表面處理工藝的發(fā)展,熱處理溫度下降到400℃以下,而且也不需要真空保護(hù)。
意法半導(dǎo)體最先將這種工藝應(yīng)用于金屬銅之間的互連。通過對兩個(gè)接觸銅面的化學(xué)機(jī)械拋光處理,這兩個(gè)銅面的粗糙度很低,而且具有很強(qiáng)的親水性。但范德華分子力畢竟還是不可靠的,這種技術(shù)進(jìn)行后續(xù)的熱處理必不可少,圖1 展示了沒有經(jīng)過熱處理和經(jīng)過熱處理后的樣品銅結(jié)合界面的組織,可以看出在350℃下處理1小時(shí),結(jié)合界面有銅原子擴(kuò)散,晶粒生長有明顯的凸起形狀。金屬銅之間的直接鍵合技術(shù)在硅通孔互連技術(shù)中有很好的應(yīng)用前景,研究發(fā)現(xiàn)通過平面與平面之間的互連,導(dǎo)電性能良好。
圖1 Cu-Cu 直接互連的界面Fig.1 Cu-Cu Direct interconnect interface
表面活化鍵合技術(shù)是在直接鍵合技術(shù)的基礎(chǔ)上改良而成。東京大學(xué)的Suga 教授將兩片已經(jīng)經(jīng)過化學(xué)機(jī)械拋光,非常干凈的銅金屬基板平面上采用低能量的(40~100eV)氬電子束轟擊,使得鍵合表面活化,在真空條件下進(jìn)行鍵合,這種技術(shù)的互連效果可靠[5]。除了鍵合銅金屬,Suga 教授還在異性金屬互連領(lǐng)域進(jìn)行了探索,比如將金屬金和錫在大氣中,150℃,20Mpa 加壓鍵合,使得互連界面上生成了金屬間化合物,通過測試,界面間的結(jié)合強(qiáng)度在10Mpa~20Mpa 范圍內(nèi)。表面活化鍵合實(shí)現(xiàn)了低溫低壓鍵合以及差強(qiáng)人意的結(jié)合強(qiáng)度,但要求復(fù)雜昂貴的設(shè)備以及苛刻的工作條件,難以實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。
共晶反應(yīng)鍵合的原理是將兩種金屬加熱到共晶點(diǎn),發(fā)生共晶反應(yīng),生成共晶化合物,實(shí)現(xiàn)互連的技術(shù)。為了防止氧化以及污染,這種技術(shù)必須真空條件或者惰性氣體保護(hù)氛圍,但不需要后續(xù)的熱處理以及粗糙度較低的鍵合平面,在電子封裝中應(yīng)用廣泛。常見的共晶反應(yīng)金屬偶有金–硅(380~400°C),金–錫(約310°C),金–銦(約280°C),銅–錫(260°C),鉛–錫(200°C),銦–錫(約125°C)。
上海交通大學(xué)微電子材料與技術(shù)研究室對微納米組織互連技術(shù)進(jìn)行了大量探索[6]。其中的一項(xiàng)研究方向是采用鎳基微納米組織,其原理是:首先采用電沉積技術(shù)獲得鎳基微納米組織,這種組織的特點(diǎn)是沿Z 軸方向,針錐高度600nm~1μm 之間,針尖10~50nm,表面均勻分布的高密度針狀晶。然后將堅(jiān)硬的鎳納米陣列在一定的溫度和壓力下,與加熱軟化的無鉛焊料凸點(diǎn)結(jié)合,微納米組織的巨大表面積促進(jìn)了結(jié)合面的原子擴(kuò)散,實(shí)現(xiàn)了可靠的機(jī)械咬合。
由于微納米組織的特殊形狀,互連的溫度下降到200℃,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于回流焊的溫度,實(shí)現(xiàn)了低溫低壓固態(tài)互連,結(jié)合強(qiáng)度良好,尤其對鍵合界面進(jìn)行熱處理后,結(jié)合強(qiáng)度還會進(jìn)一步提高,解決了高溫熔化焊料對半導(dǎo)體器件造成的不良影響,給無鉛焊料的應(yīng)用賦予新的模式。
圖2 鎳基微納米針表面形貌Fig.2 Surface morphology of nickel based micro-nano needle
隨著電子產(chǎn)品的微型化趨勢,越來越追求高密度封裝,這對微互連技術(shù)提出了更高的使用有求,低溫互連技術(shù)與綠色無鉛焊料技術(shù)相結(jié)合,符合綠色環(huán)保的發(fā)展要求,將是未來互連技術(shù)的發(fā)展方向。
[1]Mitchell, C.,Berg, H. Thermal studies of a plastic dual-in-line package[J]. IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology,1979,4.
[2]Harman, G. G. Wire bonding in microelectronics: materials, processes, reliability, and yield[M].McGraw-Hill New-York,1997.
[3]李秀清. 倒裝芯片將成為封裝技術(shù)的最新手段[J]. 電子與封裝,2004,4.
[4]Shimbo,M.,F(xiàn)urukawa, K.,Fukuda, K., et al. Silicon-to-silicon direct bonding method[J]. Journal of Applied Physics,1986,8.
[5]Takagi, H.,Kikuchi, K.,Maeda, R., et al. Surface activated bonding of silicon wafers at room temperature [J]. Applied Physics Letters,1996,16.
[6]Chen,Z.,Luo,T.,Hang,T.,et al.Low-Temperature Solid State Bonding of Sn and Nickel Micro Cones for Micro Interconnection [J]. ECS Solid State Letters,2012,1.