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如何將鍵合和封裝工藝做得更牢固？
發(fā)布時間：2021-04-02
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1. 引言
隨著鍵合間距的減小，系統(tǒng)級封裝集成商正朝著芯片之間的銅-銅直接鍵合方向發(fā)展，這使得用于連接異質封裝中的器件的焊料不太實用。
2. 技術要點
在熱壓鍵合中，突出的銅凸塊會鍵合至下層基板上的焊盤。在混合鍵合中，銅焊盤被嵌入電介質中，從而降低了氧化的風險。但是，在兩種情況下，銅的表面擴散率都決定了鍵形成的速率和溫度依賴性。但是，在兩種情況下，銅的表面擴散率都決定了鍵形成的速率和溫度依賴性。銅以立方晶格結晶，其暴露表面對應于立方體的表面，與四個相對的角交叉的平面或與三個角相交的平面。結晶學家根據(jù)晶格的米勒指數(shù)分別標記這些面（100），（110）和（111）。
（111）表面還提供更高的原子密度，從而導致更強的鍵合。少于該方向取向的晶粒的25％的表面容易發(fā)生粘結破壞。
表面取向取決于用于沉積銅特征的電鍍工藝。應用材料工藝工程師Marvin Bernt解釋說，寬而淺的特征沒有明顯的側壁。該功能的底部可以用作定向增長的模板。隨著特征深度的增加，共形種子層有助于降低沿側壁鍍覆空隙的風險。
不幸的是，生長的銅層趨于均勻地聚集在所有種子表面上。從特征底部生長的柱狀晶粒被從側壁生長的晶粒切斷。對于大于1.5的長寬比，這種“縮小”甚至可能導致內部空隙。電鍍工藝需要在取向，沉積速率和無孔生長之間權衡取舍。
晶粒尺寸和方向也受焊盤陣列內位置的影響，而與焊盤尺寸無關。邊緣焊盤的晶粒較小，向陣列內部增大。三星公司的SeokHo Kim及其同事發(fā)現(xiàn)，晶粒的取向取決于焊盤的尺寸和焊盤的位置，這可能是由于電鍍過程中電流密度的變化所致。然后，獲得所需的柱狀晶粒取決于晶種層，電鍍工具提供的電流波形以及電鍍液化學成分之間的相互作用。當兩個高度定向的表面相遇時，結果將非常顯著。國立交通大學的Jing Ye Juang及其同事觀察到連續(xù)的晶格結構，消除了預鍵合界面。在拉力測試中，銅-銅界面比銅-硅鍵和樣品與測試夾具之間的粘合劑都強。同樣，電阻與塊狀銅相當。這是成功的銅-銅鍵合取決于電鍍工藝，該工藝可以提供一致的銅晶粒結構。盡管對于BEOL和TSV應用而言，電鍍已廣為人知，但銅銅鍵合的特殊要求卻是新的。
3. 鍵合工藝技術的未來
隨著鍵合間距的減小，系統(tǒng)級封裝集成商正朝著芯片之間的銅-銅直接鍵合方向發(fā)展，這使得用于連接異質封裝中的器件的焊料不太實用。
2. 技術要點
在熱壓鍵合中，突出的銅凸塊會鍵合至下層基板上的焊盤。在混合鍵合中，銅焊盤被嵌入電介質中，從而降低了氧化的風險。但是，在兩種情況下，銅的表面擴散率都決定了鍵形成的速率和溫度依賴性。但是，在兩種情況下，銅的表面擴散率都決定了鍵形成的速率和溫度依賴性。銅以立方晶格結晶，其暴露表面對應于立方體的表面，與四個相對的角交叉的平面或與三個角相交的平面。結晶學家根據(jù)晶格的米勒指數(shù)分別標記這些面（100），（110）和（111）。
圖1：立方晶體中的平面。資料來源： Wikimedia Commons
在銅中，氧化要慢得多，擴散速度要快幾個數(shù)量級：（111）表面在250°C下為1.22 x 10 -5 cm2 / sec，但在（100）表面上瑾為4.74×10 -9 cm2 / sec表面，以及（110）表面上的尺寸為3.56 x 10 -10 cm2 / sec。當粘合（111）表面時，中國臺灣的國立交通大學的Chien-Min Liu及其同事在低至150°C的溫度下實現(xiàn)了牢固的連接，而取向較弱的表面的蕞小粘合溫度則接近350°C。典型的回流焊工藝在約250°C的溫度下運行，并且許多臨時膠粘劑設計用于該溫度范圍。（111）表面還提供更高的原子密度，從而導致更強的鍵合。少于該方向取向的晶粒的25％的表面容易發(fā)生粘結破壞。
表面取向取決于用于沉積銅特征的電鍍工藝。應用材料工藝工程師Marvin Bernt解釋說，寬而淺的特征沒有明顯的側壁。該功能的底部可以用作定向增長的模板。隨著特征深度的增加，共形種子層有助于降低沿側壁鍍覆空隙的風險。
不幸的是，生長的銅層趨于均勻地聚集在所有種子表面上。從特征底部生長的柱狀晶粒被從側壁生長的晶粒切斷。對于大于1.5的長寬比，這種“縮小”甚至可能導致內部空隙。電鍍工藝需要在取向，沉積速率和無孔生長之間權衡取舍。
晶粒尺寸和方向也受焊盤陣列內位置的影響，而與焊盤尺寸無關。邊緣焊盤的晶粒較小，向陣列內部增大。三星公司的SeokHo Kim及其同事發(fā)現(xiàn)，晶粒的取向取決于焊盤的尺寸和焊盤的位置，這可能是由于電鍍過程中電流密度的變化所致。然后，獲得所需的柱狀晶粒取決于晶種層，電鍍工具提供的電流波形以及電鍍液化學成分之間的相互作用。當兩個高度定向的表面相遇時，結果將非常顯著。國立交通大學的Jing Ye Juang及其同事觀察到連續(xù)的晶格結構，消除了預鍵合界面。在拉力測試中，銅-銅界面比銅-硅鍵和樣品與測試夾具之間的粘合劑都強。同樣，電阻與塊狀銅相當。這是成功的銅-銅鍵合取決于電鍍工藝，該工藝可以提供一致的銅晶粒結構。盡管對于BEOL和TSV應用而言，電鍍已廣為人知，但銅銅鍵合的特殊要求卻是新的。
3. 鍵合工藝技術的未來
相對于引線鍵合，晶圓鍵合是一種技術含量更高，發(fā)展?jié)摿Ω蟮逆I合工藝。晶圓鍵合，可以實現(xiàn)高級封裝，扇出型封裝，2.5D和3D封裝等工藝。EVG的晶圓鍵合設備，目前已經(jīng)讓晶圓鍵合技術提高到了一個新的高度，受到了如臺積電、三星和中芯等各大晶圓廠的青睞，說明他們的晶圓鍵合技術是非常值得信任的。
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