电子封装低温互连技术研究进展

黄天甘贵生刘聪马鹏江兆琪许乾柱陈仕琦程大勇吴懿平

(重庆理工大学金龙精密铜管集团股份有限公司华中科技大学)

摘要：

电子产品作为现代电子行业的产物，已逐渐成为社会发展的主导力量，在电子产品封装过程中，电子器件的封装温度过高会产生较大的热应力，进而降低其可靠性。随着电子器件趋于微型化、高功率化、高集成化，其服役温度越来越高，如何解决电子器件“低温封装、高温服役”这一问题已迫在眉睫。本文就低温电子封装材料及方法，从封装母材、连接材料及连接方法三个方面进行总结，指出只有从母材、焊材及焊接方法同时入手，才能达到最佳技术效果，提出在母材表面制备链长更长的、易去除的临时保护层，采用烧结纳米银、纳米铜或瞬时液相混合焊料，借助与焊缝非直接接触的超声搅拌等材料和方法有望克服低温封装的技术瓶颈，同时提出采用微米级混合焊料并辅以超声振动实现连接的新思想。

1前言

随着5G技术、物联网技术、生物芯片技术等的崛起，现代电子行业也迎来了迅猛发展，支撑这些高新技术的电子产品逐渐趋于微型化、便携化和多功能化[1]。在电子产品的制造过程中，芯片的集成与封装一直以来都是行业的焦点，由于芯片与封装体存在热膨胀系数差异，在封装温度很高的情况下产生的热应力会降低其可靠性，甚至导致电路失效。近年来低温封装逐渐成为行业主流，其相关研究已在中国、美国、日本及欧洲等诸多大学和研究机构中广泛开展[2-4]。降低封装温度的方法主要包括三个方面：一是表面活化处理、表面纳米化(图形+结构)或表面无氧保护等封装母材表面处理技术，如Takigawa等[5]使用表面活化键合法(SAB)在室温条件下成功实现了GaN与LiNbO3的连接，Zhou等[6]使用电镀的方法在Cu基板上制备出纳米Ni阵列并使用Au膜覆盖其表面以实现对Cu基板的纳米化处理，Ghosh等[7]在Cu-Cu键合过程中使用自组装单层膜(SAM)来保护Cu表面使其免受氧化和其他污染；二是选用低温焊料、纳米焊料或混合焊料等连接材料，如Yang等[8]分别使用Sn5Bi、Sn10Bi和Sn58Bi三种低温焊料进行Cu-Cu互连，Fan等[9]使用树枝状Ag纳米结构物质作为连接材料，梅云辉等[10]将微米Ag颗粒(1~2μm)与纳米Ag颗粒(20~50nm)混合均匀并加入有机溶剂形成混合焊料，在℃烧结温度下连接了IGBT与DBC衬底；三是采用超声辅助、激光瞬时加热或局部加热等特殊的低温封装方法，如甘贵生等[11]使用SAC颗粒(混入10%45μmZn颗粒)作为焊料，在℃低温、4MPa压强下使用超声辅助实现了Cu-Cu互连，Kawano等[12]使用波长为nm的脉冲纳秒激光辐照Si表面，仅在2min内就实现了Si与LiNbO3的键合，Kim等[13]使用nm波长的均质矩形激光束辅助超薄倒装芯片封装(FCCSP)，激光辐照仅在局部产生加热效果，大大降低了热输入。基于WLP、SiP、3D-TSV等先进封装对低温互连的强烈需求，本文从封装母材、连接材料、连接方法三个方面综述了近几年来电子封装低温互连技术的研究进展，并就发展方向提出一些自己的见解。

2低温电子封装技术研究进展

2.1焊接母材表面处理的研究

母材表面活化

表面活化键合技术(SurfaceActivatedBonding，SAB)是通过Ar原子或离子高速轰击材料表面，使材料表面具有高活性，同时经过高能粒子轰击，材料表面的有机物及杂质在真空环境下分解，为材料表面进行原子级接触提供了可能，然后通过施加一定压力，使两个已被活化的表面在真空环境中紧密接触，依靠化学键的作用，使表面能量降低，实现原子尺度上的牢固结合，在低温条件下就能达到良好键合强度的真空低温键合方法。上个世纪90年代，日本东京大学的Suga课题组首先采用离子束高速轰击材料表面的方法，使材料获得了高活性，但由于材料直接暴露于空气当中，很容易使其表面氧化及污染，为此课题组开发了专门的表面活化键合设备，使得材料能在绝对真空的环境下进行活化和键合，实现了半导体材料领域的Si-Si、Si-GaAs以及Si-LiNbO3的键合[14]。

随着5G技术及大功率电子的迅速崛起与普及，以GaN、SiC为代表的具有禁带宽度大、击穿场强大、介电常数小、电子饱和漂移速度高、绝缘性能好等优异物理性能的第三代半导体(物性参数见表1[15,16])应运而生，高温、高频、大功率和高密度等极端工作环境对低温封装提出了新要求，诸多文献报道表明表面活化键合技术很好地契合了这些封装需求。如Mu等[17]采用氩离子束轰击GaN与Si表面，发现离子束轰击后的GaN表面有轻微的光滑效应，GaN-Si的结合强度与传统硅强度相当。Liang等[18]利用表面活化键合技术在室温下成功制备了GaN-金刚石异质接头，GaN/金刚石界面存在较小的压应力，但明显小于由晶体生长形成的GaN-on-diamond结构。Ryo等[19]采用含铁氩离子束轰击GaN和LiNbO3，沉积的含Fe中间层在LiNbO3表面和GaN表面间形成了牢固的结合(图1)，在室温条件下得到了抗拉强度26MPa的键合接头。Mu等[20]采用溅射沉积Si中间层的表面活化键合技术，仅在室温条件下就实现了GaN与更高导热率的单晶CVD金刚石衬底的键合；采用对SiC表面进行活化并溅射沉积Fe-Si中间层，在室温条件、4MPa压强下得到了剪切强度为18MPa的SiC-Si接头[21]；在SiO2表面溅射Si层并采用表面活化键合技术，极大减少了界面孔洞，SiC表面和溅射Si层后SiO2表面的粗糙度分别为0.25nm和0.33nm，溅射Si层使SiO2-SiC键合界面(图2)的表面能从0.2J/m2提高到2.4J/m2，成功实现了室温条件下SiC与SiO2之间的键合[22]。Ryo等[23]使用Ar离子束快速轰击SiC和LiNbO3表面进行活化，在室温条件下将其表面直接接触进行键合，测得SiC-LiNbO3接头的剪切强度为11MPa。Kang等[24]使用O2对SiC和Si基衬底进行持续时间60s左右的表面活化，然后在不到℃的低温条件下成功得到了SiC-SiO2、SiC-Si和SiC-玻璃的无空隙、稳定键合接头。

在电子封装领域中，陶瓷基板具有优良电绝缘性能、高导热特性、优异的软钎焊性和高的附着强度，并可像PCB板一样能刻蚀出各种图形，具有很大的载流能力，已成为大功率电子器件电路结构技术和互连技术的基础材料。AlN具有相对较高的热导率(约W/m·K)，常被作为高功率器件的散热器及第三代半导体的封装基板。多项研究表明，AlN基板可以通过表面活化键合技术直接键合到AlN、Al和Si基板上[25]。如Matsumae等[26]采用改进SAB技术(图3)，在Ar离子束高速轰击AlN表面去除有机污染物和氧化物后，再溅射沉积Si附着层，标准SAB接头中Si-Si键的结合强度仅为0.9J/m2，改进SAB接头中Si-N键的结合强度高达2.5J/m2。Kaaos等[27]通过O2、Ar、SF6、SF6+Ar和SF6+O2等离子体活化，对AlN表面进行SAB处理能使其表面亲水性增强、表面粗糙度降低，进而实现了室温条件下与Si直接键合。

除了应用于陶瓷材料之间的键合外，表面活化键合技术还常用于金属材料之间。Takahashi等[28]研究了采用高能Ar离子束持续轰击60s以上以除去Nb表面的氧化膜(Nb2O5和NbO)和其它杂质，得到了清洁的待键合表面，为室温下超导器Nb-Nb间的SAB直接键合提供了可能。He等[29]通过表面活化键合技术将Cu-Cu在超真空室温环境下进行了键合，Cu-Cu键合界面(图4)结合良好，未见孔洞与空隙，接头结合强度达到了2.5J/m2。Wang等[30]采用氩气(混合5%氢气)等离子体预处理Si表面的Cu镀层，降低了Cu表面的氧含量，有效地提高了其表面活性，℃下Cu-Sn连接界面无缺陷，接头剪切强度最高可达8MPa。He等[31]将含甲酸(HCOOH)的蒸汽通入流动氩气中并对Cu进行表面活化，在℃左右到了剪切强度高达MPa的Cu-Cu接头。Chua等[32]在Ar/N2等离子体环境下将Cu表面进行活化并在室温下键合，℃退火后Cu-Cu接头平均剪切强度最高可达20.3MPa，接头经过-40~℃的0次温度循环后，暴露的Cu表面虽被严重氧化，但接头仍能很好地结合(图5)。

此外，Kang等[33]还提出了一种表面活化混合键合机制(活化和键合过程如图6)，分别键合了Cu-Cu、SiO2-SiO2与Cu-SiO2。首先，用Ar/O2等离子体(其中O2含量为0.2%)对Cu和Si表面的热氧化物SiO2单步活化30~s，Ar等离子体可以去除表面有机污染物和氧化物，O2等离子体可以有效提供?OH基团，在50%甲酸(FA)溶液中浸泡20min后用去离子水超声清洗30s，最后用流动的氮气干燥。Cu-Cu、SiO2-SiO2与Cu-SiO2三种样品在℃(上压片)和25℃(下压片)的大气环境、2.5MPa压强中进行30min的热压连接，其中样品底部温度被稳定在℃左右，结合界面的实际温度为±3℃，随后连接样品在℃下退火2h。结果发现当活化时间延长至s时，Ar/O2→FA(表面活化后再甲酸处理)和FA→Ar/O2(甲酸处理后表面活化)活化得到的Cu-Cu接头最大剪切强度分别为13.46MPa和12.35MPa；对于SiO2-SiO2接头，FA→Ar/O2活化所得到样品的整体剪切强度高于Ar/O2→FA活化所得到样品，其最大剪切强度接近4MPa；使用FA→Ar/O2活化并低温键合的Cu与SiO2接头微孔较少、晶粒生长充分。

表面活化键合技术能成功应用于多种陶瓷材料与陶瓷材料、金属材料与金属材料、金属材料与陶瓷材料之间。该方法自诞生以来，就受到电子封装行业的广泛

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