微互連技術(shù)的研究現(xiàn)狀

肖 金，程 偉，周艷瓊

（廣東工業(yè)大學(xué) 華立學(xué)院，廣東 廣州 511300）

0 引言

半導(dǎo)體器件是非常脆弱的器件，為了保護(hù)半導(dǎo)體器件及其工作環(huán)境，通常采用電子封裝技術(shù)。電子封裝支撐保護(hù)電路，防止空氣對芯片電路的腐蝕，將芯片工作時(shí)產(chǎn)生的熱擴(kuò)散，為進(jìn)出芯片的信號提供連接通路，便于芯片的安裝和運(yùn)輸。

在晶體管發(fā)明不久之后，開始出現(xiàn)了電子封裝技術(shù)。最開始是簡單晶體管外殼封裝，僅僅只能容納一個(gè)單晶體管芯片。然后出現(xiàn)了雙列封裝技術(shù)、小型外殼封裝、小型外殼集成電路、四角扁平封裝、引腳網(wǎng)格陣列、球形網(wǎng)格陣列、芯片級封裝、多芯片模塊封裝技術(shù)[1]。

隨著電子產(chǎn)品的微型化，電子封裝技術(shù)由傳統(tǒng)的高密度單層封裝向堆疊式三維封裝演變，而且在今后的流行趨勢當(dāng)中，堆疊式三維封裝依然是電子封裝的主要形式。三維高密度封裝技術(shù)的發(fā)展，對微電子互連技術(shù)的發(fā)展影響巨大。傳統(tǒng)的布線互連技術(shù)受到堆疊層數(shù)越來越高以及芯片尺寸越來越小的限制，其次高的焊接溫度嚴(yán)重影響三維高密度封裝的可靠性和安全性。

1 三維封裝技術(shù)簡介

到目前為止，三維封裝技術(shù)的互連方法有：傳統(tǒng)引線鍵合、倒裝芯片連接、硅通孔連接和新型低溫互連技術(shù)。

1.1 引線鍵合技術(shù)

引線鍵合技術(shù)是應(yīng)用最廣泛，也是最早的互連技術(shù)。這種技術(shù)成本低，操作簡便，通過銅，金，銀等金屬引線將各堆疊芯片連接到基板上[2]，為了保證互連效果的準(zhǔn)確性和可靠性，必須留給引線的足夠空間，隨著芯片堆疊密度的增加，引線空間趨于極限值，這會加劇信號的擁堵和干擾，甚至?xí)?dǎo)致信號延遲，所以這種技術(shù)越來越不適應(yīng)目前高密度封裝趨勢的要求。

1.2 倒裝芯片技術(shù)

倒裝芯片連接技術(shù)使上下層芯片間的電信號連接由引線鍵合演化為焊點(diǎn)球鍵合的模式。焊點(diǎn)球鍵合不需要拉出長長的引線，大大縮短了電氣連接的路徑[3]，有利于減少電阻和電感，增強(qiáng)了連接的可靠性，而且也比較美觀，在高密度封裝結(jié)構(gòu)中，這種技術(shù)非常具有優(yōu)勢。

1.3 硅通孔連接技術(shù)

硅通孔技術(shù)是由垂直芯片的通孔實(shí)現(xiàn)疊層芯片間的互連技術(shù)。垂直通孔使芯片間的連接路徑更短，堆疊芯片的密度更高，芯片運(yùn)行可靠性更高，使不同芯片間的互連成為可能，是取代引線鍵合最可行的方式，目前這種技術(shù)是半導(dǎo)體制造商和研究人員的研究重點(diǎn)。

1.4 低溫互連技術(shù)

低溫互連技術(shù)是一種新型互連技術(shù)。這種技術(shù)相對于上述的三種互連技術(shù)，所需的溫度更低，普遍低于200℃甚至是在室溫條件下，所需的壓力也更小，低溫互連技術(shù)的出現(xiàn)對電子封裝行業(yè)影響巨大。

（1）不需要回流焊工藝?；亓骱杆枰母邷貢?dǎo)致薄芯片及不耐高溫元件受損，影響互連的可靠性。而且，助焊劑受到芯片尺寸的限制，沒有辦法清理干凈，這對封裝質(zhì)量影響大。再次，焊接的高溫很容易使焊縫區(qū)產(chǎn)生金屬間化合物，這種組織脆性大，而且促進(jìn)焊縫處產(chǎn)生空洞，嚴(yán)重威脅互連的可靠性。

（2）工藝簡單。因?yàn)闇p少了回流焊，因此，不需要考慮焊料的潤濕性以及表面張力的問題，與回流焊相適應(yīng)的一系列繁瑣的工序?qū)⒈皇÷裕@將極大地提高生產(chǎn)效率。

（3）保護(hù)環(huán)境。低溫互連技術(shù)能耗少，對環(huán)境的負(fù)荷少。另外，鉛焊料由于對環(huán)境污染大，采用無鉛焊料一直是電子封裝技術(shù)的研究重點(diǎn)，低溫互連技術(shù)很好地處理了這個(gè)問題，因此越來越多的團(tuán)隊(duì)正在研究這種技術(shù)，主要有以下幾個(gè)研究方向。

2 直接鍵合技術(shù)

直接鍵合技術(shù)是通過構(gòu)建兩個(gè)非常平坦，非常干凈的平面，通過平面之間的范德華力使這兩個(gè)平面結(jié)合在一起，通過在真空中加熱到1000℃進(jìn)行熱處理，在兩個(gè)平面的接觸界面形成共價(jià)鍵，這種熱處理，不僅增加了連接強(qiáng)度，而且消除了接觸界面的孔洞，提高了互連的可靠性[4]。隨著表面處理工藝的發(fā)展，熱處理溫度下降到400℃以下，而且也不需要真空保護(hù)。

意法半導(dǎo)體最先將這種工藝應(yīng)用于金屬銅之間的互連。通過對兩個(gè)接觸銅面的化學(xué)機(jī)械拋光處理，這兩個(gè)銅面的粗糙度很低，而且具有很強(qiáng)的親水性。但范德華分子力畢竟還是不可靠的，這種技術(shù)進(jìn)行后續(xù)的熱處理必不可少，圖1 展示了沒有經(jīng)過熱處理和經(jīng)過熱處理后的樣品銅結(jié)合界面的組織，可以看出在350℃下處理1小時(shí)，結(jié)合界面有銅原子擴(kuò)散，晶粒生長有明顯的凸起形狀。金屬銅之間的直接鍵合技術(shù)在硅通孔互連技術(shù)中有很好的應(yīng)用前景，研究發(fā)現(xiàn)通過平面與平面之間的互連，導(dǎo)電性能良好。

3 表面活化鍵合技術(shù)

圖1 Cu-Cu 直接互連的界面Fig.1 Cu-Cu Direct interconnect interface

表面活化鍵合技術(shù)是在直接鍵合技術(shù)的基礎(chǔ)上改良而成。東京大學(xué)的Suga 教授將兩片已經(jīng)經(jīng)過化學(xué)機(jī)械拋光，非常干凈的銅金屬基板平面上采用低能量的（40～100eV）氬電子束轟擊，使得鍵合表面活化，在真空條件下進(jìn)行鍵合，這種技術(shù)的互連效果可靠[5]。除了鍵合銅金屬，Suga 教授還在異性金屬互連領(lǐng)域進(jìn)行了探索，比如將金屬金和錫在大氣中，150℃，20Mpa 加壓鍵合，使得互連界面上生成了金屬間化合物，通過測試，界面間的結(jié)合強(qiáng)度在10Mpa～20Mpa 范圍內(nèi)。表面活化鍵合實(shí)現(xiàn)了低溫低壓鍵合以及差強(qiáng)人意的結(jié)合強(qiáng)度，但要求復(fù)雜昂貴的設(shè)備以及苛刻的工作條件，難以實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。

4 共晶反應(yīng)鍵合技術(shù)

共晶反應(yīng)鍵合的原理是將兩種金屬加熱到共晶點(diǎn)，發(fā)生共晶反應(yīng)，生成共晶化合物，實(shí)現(xiàn)互連的技術(shù)。為了防止氧化以及污染，這種技術(shù)必須真空條件或者惰性氣體保護(hù)氛圍，但不需要后續(xù)的熱處理以及粗糙度較低的鍵合平面，在電子封裝中應(yīng)用廣泛。常見的共晶反應(yīng)金屬偶有金–硅（380～400°C），金–錫（約310°C），金–銦（約280°C），銅–錫（260°C），鉛–錫（200°C），銦–錫（約125°C）。

5 微納米組織鍵合技術(shù)

上海交通大學(xué)微電子材料與技術(shù)研究室對微納米組織互連技術(shù)進(jìn)行了大量探索[6]。其中的一項(xiàng)研究方向是采用鎳基微納米組織，其原理是：首先采用電沉積技術(shù)獲得鎳基微納米組織，這種組織的特點(diǎn)是沿Z 軸方向，針錐高度600nm～1μm 之間，針尖10～50nm，表面均勻分布的高密度針狀晶。然后將堅(jiān)硬的鎳納米陣列在一定的溫度和壓力下，與加熱軟化的無鉛焊料凸點(diǎn)結(jié)合，微納米組織的巨大表面積促進(jìn)了結(jié)合面的原子擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)了可靠的機(jī)械咬合。

由于微納米組織的特殊形狀，互連的溫度下降到200℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于回流焊的溫度，實(shí)現(xiàn)了低溫低壓固態(tài)互連，結(jié)合強(qiáng)度良好，尤其對鍵合界面進(jìn)行熱處理后，結(jié)合強(qiáng)度還會進(jìn)一步提高，解決了高溫熔化焊料對半導(dǎo)體器件造成的不良影響，給無鉛焊料的應(yīng)用賦予新的模式。

圖2 鎳基微納米針表面形貌Fig.2 Surface morphology of nickel based micro-nano needle

6 結(jié)束語

隨著電子產(chǎn)品的微型化趨勢，越來越追求高密度封裝，這對微互連技術(shù)提出了更高的使用有求，低溫互連技術(shù)與綠色無鉛焊料技術(shù)相結(jié)合，符合綠色環(huán)保的發(fā)展要求，將是未來互連技術(shù)的發(fā)展方向。

[1]Mitchell, C.,Berg, H. Thermal studies of a plastic dual-in-line package[J]. IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology，1979，4.

[2]Harman, G. G. Wire bonding in microelectronics: materials, processes, reliability, and yield[M].McGraw-Hill New-York，1997.

[3]李秀清. 倒裝芯片將成為封裝技術(shù)的最新手段[J]. 電子與封裝，2004，4.

[4]Shimbo，M.，F(xiàn)urukawa, K.,Fukuda, K., et al. Silicon-to-silicon direct bonding method[J]. Journal of Applied Physics，1986，8.

[5]Takagi, H.,Kikuchi, K.,Maeda, R., et al. Surface activated bonding of silicon wafers at room temperature [J]. Applied Physics Letters，1996，16.

[6]Chen，Z.，Luo，T.，Hang，T.，et al.Low-Temperature Solid State Bonding of Sn and Nickel Micro Cones for Micro Interconnection [J]. ECS Solid State Letters，2012，1.