如何將鍵合和封裝工藝做得更牢固？

發(fā)布時(shí)間：2021-04-02

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1. 引言
隨著鍵合間距的減小，系統(tǒng)級(jí)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(zhì)封裝中的器件的焊料不太實(shí)用。
2. 技術(shù)要點(diǎn)
在熱壓鍵合中，突出的銅凸塊會(huì)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(zhì)中，從而降低了氧化的風(fēng)險(xiǎn)。但是，在兩種情況下，銅的表面擴(kuò)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(kuò)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(jié)晶，其暴露表面對(duì)應(yīng)于立方體的表面，與四個(gè)相對(duì)的角交叉的平面或與三個(gè)角相交的平面。結(jié)晶學(xué)家根據(jù)晶格的米勒指數(shù)分別標(biāo)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(kuò)散速度要快幾個(gè)數(shù)量級(jí)：（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(dāng)粘合（111）表面時(shí)，中國臺(tái)灣的國立交通大學(xué)的Chien-Min Liu及其同事在低至150°C的溫度下實(shí)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(yùn)行，并且許多臨時(shí)膠粘劑設(shè)計(jì)用于該溫度范圍。
       （111）表面還提供更高的原子密度，從而導(dǎo)致更強(qiáng)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(jié)破壞。
表面取向取決于用于沉積銅特征的電鍍工藝。應(yīng)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(cè)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(cè)壁鍍覆空隙的風(fēng)險(xiǎn)。
       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(cè)壁生長的晶粒切斷。對(duì)于大于1.5的長寬比，這種“縮小”甚至可能導(dǎo)致內(nèi)部空隙。電鍍工藝需要在取向，沉積速率和無孔生長之間權(quán)衡取舍。
       晶粒尺寸和方向也受焊盤陣列內(nèi)位置的影響，而與焊盤尺寸無關(guān)。邊緣焊盤的晶粒較小，向陣列內(nèi)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(xué)成分之間的相互作用。當(dāng)兩個(gè)高度定向的表面相遇時(shí)，結(jié)果將非常顯著。國立交通大學(xué)的Jing Ye Juang及其同事觀察到連續(xù)的晶格結(jié)構(gòu)，消除了預(yù)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(qiáng)。同樣，電阻與塊狀銅相當(dāng)。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(jié)構(gòu)。盡管對(duì)于BEOL和TSV應(yīng)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(shù)的未來

相對(duì)于引線鍵合，晶圓鍵合是一種技術(shù)含量更高，發(fā)展?jié)摿Ω蟮逆I合工藝。晶圓鍵合，可以實(shí)現(xiàn)高級(jí)封裝，扇出型封裝，2.5D和3D封裝等工藝。EVG的晶圓鍵合設(shè)備，目前已經(jīng)讓晶圓鍵合技術(shù)提高到了一個(gè)新的高度，受到了如臺(tái)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(shù)是非常值得信任的。