中国粉体网讯    在半导体封装技术国际学会“2015 Electronic Components and Technology Conference（ECTC）”（2015年5月26～29日于美国圣地亚哥举行）上，IBM苏黎世研究所发表了用铜纳米粒子使铜柱的倒装芯片接合实现了低温化目标的成果。演讲题目为“Nanoparticle Assembly and Sintering Towards All-Copper Flip Chip Interconnects”。

　　虽尚在初步评测阶段，但拥有可在150℃的低温下接合的潜在可能，有能缓和组装时芯片与封装间应力的优点。并且，由于使用铜纳米粒子来接合铜柱，因此接合部最终会仅由铜构成的块。另外，对电流导致金属离子移动的电迁移还有良好耐受力，称能够实现可通过大电流的接合。

　　在实际评测的键合条件下，向接合部供给铜纳米粒子后，以250℃烘烤，将铜纳米粒子烧结成体块。此前人们知道的接合铜表面的方法是热压键合，但其量产的门槛较高。存在如对接合部的平坦性的要求精度较高、要求接合面清洁以及要在400℃高温下高压接合等课题。此次的技术若能实用化，便可轻松实现仅由铜构成的体块接合，具有很大的优点。

　　公开接合方法和接合后的强度评测结果

　　此次发布的成果，尚未进入电迁移评测阶段，只报告了接合方法和接合后的强度评测结果。该研究所表示，尝试了两种向铜柱与焊盘间供给铜纳米粒子的方法。

　　第一种是在具备铜柱的倒装芯片对准配备到封装基板的状态下，将含有铜纳米粒子的稀释墨水（按重量计算为15～25％）充入填充到芯片与封装基板之间。之后令溶剂蒸发，使墨水浓度变浓，墨水会自然向铜柱与焊盘的界面以及铜柱的根部集中，使有机粘合剂和铜纳米粒子析出。最后，铜纳米粒子会聚集在铜柱和基板的接合部以及铜柱的根部（图1）。


图1

　　第二种方法是使用提高了铜纳米粒子浓度的墨水（按重量计算为45～55％），将墨水转印到铜柱前端。向旋转的托盘上供给含有铜纳米粒子的墨水，用刮板保持一定厚度，使铜柱2/3以下的高度浸渍在墨水中来转印。之后再配备到封装基板上的焊盘上（图2）。


图2

　　这两种方法均是在配备到基板上之后放入烘箱，在蚁酸还原气体环境下以250℃烘烤1小时，来烧结铜纳米粒子。

　　电阻及机械强度与焊锡接合相当

　　对接合评测的结果表明，第一种方法，铜纳米粒子在整个表面析出，造成了铜柱间短路。偏离了只在铜柱与焊盘的界面以及铜柱根部等合适部位析出的估计。作为对策，可通过形成亲水性及拨水性区域令其作选择性析出。

　　第二种方法是通过调整含有铜纳米粒子的墨水的浓度，将适量的铜纳米粒子转印到铜柱上。墨水粘度会影响转印量，而墨水中含有的铜纳米粒子则会影响向接合部的铜供给量。

　　对转印评测的结果表明，将墨水在托盘上放置3小时，并使铜纳米粒子的浓度提高至按重量计算为75％的水平后，显示出了良好的转印特性。这种方法的适用范围为焊盘尺寸/间距＝75/150μm。烧结后的铜为多孔质，粒径比自由状态下烧结小两个数量级。并且，在数个样品中，铜柱与焊盘间的界面有了裂纹（图3）。演讲指出，铜柱及基板焊盘表面镀的铜可能是影响裂纹产生的因素。


图3

　　研究表明，烧结后的铜柱接合的电阻及机械强度，与焊锡接合为同等水平，性能上没有问题。另外，在电迁移方面，由于是只有铜的接合，因此预计相关情况良好，但尚未做相关评测。如果这一点得以确认，那就意味着能够通过大电流。作为倒装芯片用接合方法，该技术将会有更广泛的可能性。