基于烧结纳米铜颗粒的低温全铜互连研究

发布时间：2020-08-05 13:09

【摘要】：近年来,随着电子元器件的高密度化、微型化和多功能化,以及宽带隙半导体高温器件的发展,微电子封装系统的可靠性面临着更大的挑战。传统的锡基无铅焊料合金因金属间化合物过度生长、较低的抗电迁移性能和自身熔点较低等问题,已不适用于下一代芯片互连封装材料。纳米铜介质材料因纳米材料的尺寸效应得以在远低于块体铜熔点的温度下实现烧结连接,同时又兼具良好的导电导热和抗电迁移性能,从而受到国内外学者的广泛关注和研究。然而,纳米铜颗粒极易氧化,难以储存,其作为连接材料需要在较高的烧结温度和压力下才能获得具有理想互连强度的接头,这在很大程度上限制了纳米铜介质材料在微电子封装领域内的应用和发展。本文通过调整纳/微米铜颗粒之间的质量配比和优化铜基板的粗糙度来提高在低温低压条件下基于烧结纳/微米铜介质材料的铜-铜互连接头连接强度,同时通过磷化处理来提高纳米铜颗粒及其连接接头的高温和长期抗氧化性能,最后通过建立模型、计算公式和分析断面微观结构来研究这三种方式对接头剪切强度的强化机理。主要得出以下结论:(1)在烧结过程中,纳米铜颗粒可以填充在微米铜颗粒之间的空隙中,且倾向于包围微米铜颗粒,形成包围结构,从而提高铜颗粒烧结连接层的结构致密度。在烧结温度为250°C、压力为4MPa条件下,当纳/微米铜颗粒之间的质量配比为9/1时,接头连接层的烧结结构致密度最大,接头连接强度最高,约为20.5MPa。相比于纳米铜焊膏,纳/微米铜混合焊膏具有更好的抗氧化性能、更高的连接强度和更低的成本。(2)铜基板粗糙表面上的凹槽可以和铜颗粒烧结连接层之间形成锯齿结构,增加铜颗粒和铜基板之间的接触面积,促进它们之间的机械咬合作用。当铜基板的粗糙度为Ra=189.9±5.4nm时,其表面与铜颗粒之间的接触面积最大,接头的剪切强度也最高。此外,连接基板的最佳粗糙度值会因其材质和铜颗粒尺寸的变化而变化。(3)纳米铜颗粒的最佳磷化处理时间为30min。经过磷化处理后,纳米铜颗粒的高温抗氧化温度高达300°C,并且可以在常温空气中保存数月而不被氧化。纳米铜颗粒的粒径也因表面磷化反应物的生成而由原始的50nm增加到了200nm。在高温烧结(250°C以上)以及后续的老化和储存实验中,磷化纳米铜颗粒因具有良好的抗氧化性能,其连接的接头剪切强度都高于未处理纳米铜颗粒所连接的接头剪切强度。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN405;TB383.1
【图文】：

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图 1.1 微电子封装不同层级示意图。Fig. 1.1 Packaging Hierarchy.片级封装互连技术汇总线键合集成电路封装中，芯片之间以及芯片和基板之间的互连在芯片与外和信号输送中起着重要作用，是封装中最关键的步骤之一。实现内主要有三种：引线键合、倒装焊和载带自动焊，而引线键合以工艺廉和适用性广等优点成为微电子封装领域中的主要封装形式。虽然幅改善封装性能，但由于相对较高的成本使其主要应用于一些高端场上一般的产品性能要求，引线键合基本能够满足[10]。线键合，是利用细金属线连接芯片和基板引脚从而实现它们之间的图 1.2 所示。在引线键合前，先用热压法或者超声波将半导体元件焊上，并在引线框架表面镀上一层导电金属。然后用金属线将半导体架键合起来，最后用保护性树脂来封装键合后的集成电路[11]。引线

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图 1.2 引线键合示意图。Fig. 1.2 Wire Bonding.图 1.3 球形键合焊接形式[12]。图 1.4 楔形键合焊接形式[12]。Fig. 1.3 Ball Bonding. Fig. 1.4 Wedge Bonding.引线键合作为半导体集成电路生产后道工序中的关键，在未来相当长一仍然是封装内部连接的主流方式。铜互连材料、低介电常数材料、有机

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3图 1.3 球形键合焊接形式[12]。图 1.4 楔形键合焊接形式[12]。Fig. 1.3 Ball Bonding. Fig. 1.4 Wedge Bonding.引线键合作为半导体集成电路生产后道工序中的关键，在未来相当长一段时间内仍然是封装内部连接的主流方式。铜互连材料、低介电常数材料、有机基底材料、多芯片模块和层叠芯片等半导体发展的新趋向正不断对引线键合技术提出新的要求。而引线键合金属丝及其相关键合设备的持续改进[13]，使得引线键合这种方法更适用于电子元器件的封装工艺。同时在高密度封装快速发展趋势的推动下，引线键合演化速度不断加快，不断发展的引线键合技术使其能够继续满足目前乃至未来一段时间内封装工艺的苛刻要求。1.2.2 软钎焊连接技术随着现代微电子封装技术的出现，软钎料合金逐渐成为了应用最普遍的电子互连材料。软钎料主要为两相或三相合金系统，通过在焊接过程中与基底材料接

【参考文献】