TSV立体集成用Cu/Sn键合工艺

为实现硅通孔(TSV)立体集成多层芯片可靠堆叠,对一种具备低温键合且不可逆特点的Cu/Sn等温凝固键合技术进行了研究。基于Cu/Sn系二元合金平衡相图,分析了金属层间低温扩散反应机理,设计了微凸点键合结构并开展了键合工艺实验。通过优化键合工艺参数,获取了性能稳定的金属间化合物(IMC)层,且剪切力键合强度值达到了国家标准,具备良好的热、机械特性。将其应用到多芯片逐层键合工艺实验当中,成功获取了4层堆叠样品,验证了Cu/Sn等温凝固键合技术在TSV立体集成中的应用潜力。     

Cu/Sn等温凝固技术在MEMS气密封装中的应用

研究了Cu/Sn等温凝固键合技术在MEMS气密性封装中的应用。设计了等温凝固键合多层材料的结构和密封环图形,优化了键合工艺,对影响气密性的因素(如密封环尺寸等)进行了分析。在350°C实现了良好的键合效果,其最大剪切强度达到27.7MPa,漏率~2×10-4Pa·cm3/sHe,完全可以满足美国军方标准(MIL-STD-883E)的要求,验证了Cu/Sn等温凝固键合技术在MEMS气密封装中的适用性。     

新型的3D堆叠封装制备工艺及其实验测试

为了满足超大规模集成电路(VLSI)芯片高性能、多功能、小尺寸和低功耗的需求,采用了一种基于贯穿硅通孔(TSV)技术的3D堆叠式封装模型.先用深反应离子刻蚀法(DRIE)形成通孔,然后利用离子化金属电浆(IMP)溅镀法填充通孔,最后用Cu/Sn混合凸点互连芯片和基板,从而形成了3D堆叠式封装的制备工艺样本.对该样本的接触电阻进行了实验测试,结果表明,100 μm2Cu/Sn混合凸点接触电阻约为6.7 mΩ高90 μm的斜通孔电阻在20～30mΩ该模型在高达10 GHz的频率下具有良好的机械和电气性能.     

面向射频微系统应用的圆片-芯片集成工艺技术研究

利用Au-Sn共晶合金反应实现硅基圆片-芯片(Die to Wafer)键合是一种可行的集成方案,通过优化关键实验条件改善圆片-芯片键合层质量及键合强度,探索出适合射频微系统应用的D2W集成工艺条件;使用扫描电子显微镜(SEM)观察各组圆片-芯片界面质量状态,分析其键合层元素组成;在常温及300℃高温下完成水平推力测试,分析了键合样片键合强度和耐高温水平。结果表明:键合压力、Sn浸润时间、Au-Sn共晶合金温度及时间、芯片键合前处理等条件对键合层质量影响较大;对芯片进行前处理,使用少量助焊剂,240℃浸润2 min,并在温度为290℃、压力为4 N的条件下键合6 min,可以得到具备良好键合层质量的键合样片,水平推力达到55 N。     

面向先进封装应用的混合键合技术研究进展

随着摩尔定律推进至纳米级节点,以硅通孔(TSV)、重布线层(RDL)、薄芯片堆叠键合等为支撑的三维集成被认为是延续摩尔定律的重要途径. Cu/SiO₂混合键合可以持续缩小芯片间三维互连节距、增大三维互连密度,是芯片堆叠键合前沿技术. 近年来它在互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)、Xtacking 3D NAND、 2.5D/3D集成等商业化应用突破,使之成为国内外领先半导体研究机构研究关注的热点话题. 本文将系统梳理混合键合技术的研究历史与产业应用现状,重点分析近年来国内外代表性研究工作的技术路线、研究方法、关键问题等, 在此基础上,对混合键合技术的未来发展方向进行展望.     

Au/Sn共晶键合技术在MEMS封装中的应用

研究了Au/Sn共晶圆片键合技术在MEMS气密性封装中的应用。设计了共晶键合多层材料的结构和密封环图形,盖帽层采用Ti/Ni/Au/Sn/Au结构,器件层采用Ti/Ni/Au结构,盖帽层腔体尺寸为4.5 mm×4.5 mm×20μm,Au/Sn环的宽度为700μm,优化了键合工艺,对影响气密性的因素(如组分配比、键合前处理和键合温度等)进行了分析。两层硅片在氮气气氛中靠静态的压力实现紧密接触。在峰值温度为300℃、持续时间为2 min的条件下实现了良好的键合效果,其剪切力平均值达到16.663 kg,漏率小于2×10-3 Pa·cm3/s,满足检验标准(GJB548A)的要求,验证了Au/Sn共晶键合技术在MEMS气密封装中的适用性。     

Si/Si直接键合界面的FTIR和XPS研究

通过新颖的键合方法实现了Si/Si直接键合.采用傅里叶红外透射谱(FTIR)对Si/Si键合界面进行了研究,结果表明,高温退火样品的界面组分为Si和O,无OH和H网络存在.X射线光电子谱(XPS)测试结果进一步表明,界面主要为单质Si和SiOx混合网络,且随着退火温度的升高,界面层Si-Si直接成键的密度也越高.     

利用金属过渡层低温键合硅晶片

在Si/Si之间采用Ti/Au金属过渡层,实现了Si/Si低温键合,键合温度可低至414 ℃.采用拉伸强度测试对Si/Si键合结构的界面特性进行测试,结果表明,键合强度高于1.27MPa;I-V测试表明,Si/Ti/Au/Ti/Si键合界面基本为欧姆接触;X射线光电子能谱(XPS)测试结果进一步表明,界面主要为Si-Au共晶合金.不同温度的变温退火实验表明,键合温度越高,键合强度越大,且渐变退火有利于提高键合强度.     

利用金属过渡层低温键合硅晶片

在Si/Si之间采用Ti/Au金属过渡层,实现了Si/Si低温键合,键合温度可低至414 ℃.采用拉伸强度测试对Si/Si键合结构的界面特性进行测试,结果表明,键合强度高于1.27MPa;I-V测试表明,Si/Ti/Au/Ti/Si键合界面基本为欧姆接触;X射线光电子能谱(XPS)测试结果进一步表明,界面主要为Si-Au共晶合金.不同温度的变温退火实验表明,键合温度越高,键合强度越大,且渐变退火有利于提高键合强度.     

基于铜-锡等温键合技术的圆片级气密封装

本文提出了一种新颖的基于铜-锡等温键合技术的圆片级气密封装方法。设计了多层焊环结构,并且根据理论计算和实验结果对焊料用量以及键合工艺参数进行了优化。验证实验证明该方法可以成功避免焊料层的氧化,空洞的生成以及贝壳状Cu6Sn5相的生成。利用金相分析、剪切强度和气密性检测对键合质量进行了分析,实验结果表明：优化后的Cu/Sn键合结构具有理想的键合效果,平均剪切力强度为19.5MPa,漏率约为1.9×10-9atm cc/s,达到了MIL-STD-883E表准的要求。     

应用于3D集成的高密度Cu/Sn微凸点键合技术

3D-IC技术被看作是应对未来半导体产业不断增长的晶体管密度最有希望的解决方案,而微凸点键合技术是实现3D集成的关键技术之一.采用电镀工艺制作了直径为50μm、间距为130μm的高密度Cu/Sn微凸点,分析了不同预镀时间及电流密度对Cu微凸点形成质量的影响,并使用倒装焊机实现了高密度Cu/Sn微凸点的键合.利用直射式X射线、分层式X射线对键合样片进行无损检测,结果表明键合对准精度高,少量微凸点边缘有锡被挤出,这是由于锡层过厚导致.观察键合面形貌,可以发现Cu和Sn结合得不够紧密.进一步对键合面金属间化合物进行能谱分析,证实存在Cu6 Sn5和Cu3 Sn两种物质,说明Cu6 Sn5没有与Cu充分反应生成稳态产物Cu3 Sn,可以通过增加键合时间、减少Sn层厚度或增加退火工艺来促进Cu3 Sn的生成.     

应用于三维集成的晶圆级键合技术

随着芯片集成度的不断提高以及CMOS工艺复杂度的增加,集成电路的成本及性能方面的问题越来越突出,基于TSV技术的三维集成已成为研究热点,并很有可能是未来集成电路发展的方向.在三维集成中,键合技术为芯片堆叠提供电学连接和机械支撑,从而实现两层或多层芯片间电路的垂直互连.介绍了几种晶圆级三维集成键合技术的特点及研究现状.     

硅通孔技术的发展与挑战

3D堆叠技术近年来发展迅速,采用硅通孔技术(TSV)是3D堆叠封装的主要趋势.介绍了3D堆叠集成电路、硅通孔互连技术的研究现状、TSV模型;同时阐述了TSV的关键技术与材料,比如工艺流程、通孔制作、通孔填充材料、键合技术等;最后分析了其可靠性以及面临的挑战.TSV技术已经成为微电子领域的热点,也是未来发展的必然趋势,运用它将会使电子产品获得高性能、低成本、低功耗和多功能性.     

石墨烯MEMS压力传感器Au/Sn共晶键合气密性封装

针对石墨烯MEMS压力传感器气密性封装的需求,设计出一种用于石墨烯MEMS压力传感器芯片级Au/Sn共晶键合工艺方法。石墨烯压力传感器芯片键合密封环金属采用50/400 nm的Cr/Au,基板键合密封环金属采用50/400/500/3 nm的Cr/Au/Sn/Au。随后使用倒装焊机在280℃以及8 kN的压力环境下保持6 min,完成芯片与基板的Au/Sn互溶扩散键合工艺,从而实现石墨烯压力传感器芯片的气密性封装。对键合指标进行测试,平均剪切力达20.88 MPa,平均漏率为4.91×10^-4 Pa·cm³/s,满足GJB548B-2005的要求。通过比较键合前后的芯片电学特性,石墨烯敏感结电阻平均值变化了1.1%,具有较高的稳定性。此外键合界面能谱测试结果符合Au/Sn键合金属合金元素组分,为石墨烯MEMS压力传感器低成本、高效率气密性封装奠定了基础。     

一种基于Ag-Sn等温凝固的圆片键合技术

研究了用Ag-Sn作为键合中间层的圆片健合。相对于成熟的Au-Sn键合系统(典型键合温度是280℃),该系统可以提供更低成本、更高键合后分离(De-Bonding)温度的圆片级键合方案。使用直径为100mm硅片,盖板硅片上溅射多层金属Ti/Ni/Sn/Au,利用Lift-off工艺来形成图形。基板硅片上溅射Ti/Ni/Au/Ag。硅片制备好后,将盖板和基板叠放在一起送入键合机进行键合。键合过程在N2气氛中进行,键合过程中不需要使用助焊剂。研究了不同键合参数,如键合压力、温度等对键合结果的影响。剪切强度测试表明样品的剪切强度平均在55.17MPa。TMA测试表明键合后分离温度可以控制在500℃左右。He泄漏测试证明封接的气密性极好。     

微系统感应局部加热封装与键合设计

整体加热封装(即封装过程中整个衬底、芯片、键合层都处于加热状态),不仅工艺时间长,而且高温会对衬底上温度敏感的微结构和电路产生热损坏,或者因为热膨胀系数不匹配导致键合区热应力增大,影响器件可靠性。首先对电磁感应加热实现微系统局部加热封装进行了论述,重点对感应局部加热键合原理、电源选择、感应器和键合层设计,以及键合过程中的温度测试等方面进行了设计分析。对于感应局部加热键合而言,键合区必须设计成封闭环形,其宽度应大于临界尺寸,并且存在一个最佳频率范围。根据键合层材料和结构不同,感应局部加热可用于焊料键合、共晶键合、扩散键合,以实现微系统器件的封装和结构制作。     

用于三维封装的铜-铜低温键合技术进展

在三维系统封装技术中,金属热压键合是实现多层芯片堆叠和垂直互连的关键技术。为了解决热压键合产生的高温带来的不利影响,工业界和各大科研机构相继开发出了多种低温键合技术。综述了多种不同的低温金属键合技术(主要是Cu-Cu键合),重点阐述了国内外低温金属键合技术的最新研究进展及成果,并对不同低温金属键合技术的优缺点进行了分析和比较。     

多层圆片级堆叠THz硅微波导结构的制作

基于微电子机械系统(MEMS)工艺,提出一种多层圆片堆叠的THz硅微波导结构及其制作方法。为了验证该结构在制作THz无源器件中的优势,基于6层圆片堆叠的硅微波导结构,设计了一种中心频率365 GHz、带宽80 GHz的功率分配/合成结构,并对其进行了仿真。研究了制作该结构的工艺流程,攻克了工艺过程中的关键技术,包括硅深槽刻蚀技术和多层热压键合技术,并给出了工艺结果。最终实现了多层圆片堆叠功率分配/合成结构的工艺制作和测试。测试结果表明,尽管样品的插入损耗较仿真值增加3 dB左右,考虑到加工误差和夹具损耗等情况,样品主要技术指标与设计值较为一致。     

Cu—Cu键合工艺及其在高功率声光器件中的应用

介绍了一种低温Cu—Cu扩散键合工艺技术,利用电子束蒸发Cr/Cu薄膜作为键合层制作了声光调制器。实验表明,Cr/Cu/Cu/Cr键合层厚为755.5 nm、键合温度120℃、键合压强30 MPa时,器件键合强度可达2.7 MPa。采用该工艺制作的调制器能够承受的最大电功率为8 W/mm~2,且峰值衍射效率达到70%,为研制高功率声光器件奠定了工艺基础。     

MEMS圆片级封装用Cu-Sn低温键合机理与工艺研究

研究了利用低温等温凝固技术实现Cu-Sn键合在MEMS圆片级封装中的应用.基于Cu-Sn二元平衡相图,对键合层结构进行了设计,同时设计了用于测试的键合图形,并对设计的键合结构进行了流片实验.通过对圆片制作及键合等工艺的一系列优化,在250℃的低温条件下生成了熔点为415℃的金属间化合物,获得了良好的键合层.得到的键合样品剪切力强度值达到了GJB548B-2005标准的要求.研究表明,Cu-Sn等温凝固键合技术具有实际应用的潜力.