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如何將鍵合和封裝工藝做得更牢固?

發布時間:2021-04-02

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1. 引言
       隨著鍵合間距的減小,系統級封裝集成商正朝著芯片之間的銅-銅直接鍵合方向發展,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。結晶學家根據晶格的米勒指數分別標記這些面(100),(110)和(111)。
立方晶體中的平面.png
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及其同事發現,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,發展潛力更大的鍵合工藝。晶圓鍵合,可以實現高級封裝,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。

EVG晶圓鍵合機_工藝設備

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