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在高级封装中更强,更好的粘接

研究人员专注于不同的铜结构。

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随着键距的降低,封装内系统集成商正在转向芯片间的铜对铜直接键合,使得用于连接异质封装中的设备的焊料变得不那么实用。

在热压粘合中,突出的铜凸块粘合到底层基板上的垫片上。在混合键合中,铜垫镶嵌在介电介质中,减少了氧化的风险。然而,在这两种情况下,铜的表面扩散率决定了键形成的速率和温度依赖性。

然而,在这两种情况下,铜的表面扩散率决定了键形成的速率和温度依赖性。铜在一个立方体晶格中结晶,暴露的表面对应于立方体的面,一个与四个相对的角相交的平面,或一个与三个角相交的平面。晶体学家根据晶格的米勒指数分别标出这些面(100)、(110)和(111)。


图1:立方晶体中的平面。来源:维基共享

铜的氧化速度慢得多,扩散率也慢得多快几个数量级: 1.22 x 105在(111)表面250°C时,cm2/sec,但只有4.74×109在(100)表面上Cm2 /sec, 3.56 x 10-10年在(110)表面的Cm2 /秒。当粘接(111)表面时,台湾国立交通大学的Chien-Min Liu和他的同事在低至150°C的温度下实现了坚固的连接,而取向较低的表面的最低粘接温度接近350°C。典型的焊锡回流过程在250°C左右运行,许多临时胶粘剂就是为这个温度范围设计的。

(111)表面也提供了更高的原子密度,导致更强的键。小于25%的晶粒沿此方向取向的表面容易发生粘结破坏。

表面取向取决于用于沉积铜的电镀工艺特征。应用材料工艺工程师Marvin Bernt解释说,宽而浅的特征没有明显的侧壁。该特性的底部可以作为定向增长的模板。随着特征深度的增加,保形的种子层有助于减少沿侧壁电镀空洞的风险。

不幸的是,在种子表面生长的铜层趋于均匀地积累。从该特征底部生长的柱状晶粒被从侧壁生长的晶粒所切断。对于高宽比大于1.5的情况,这种“掐掉”甚至会导致内部空隙。电镀过程需要平衡取向、沉积速率和无空洞生长之间的权衡。

晶粒尺寸和取向也受衬垫阵列内的位置影响,而不受衬垫尺寸的影响。边缘垫有更小的颗粒,向数组内部增加。三星的SeokHo Kim和他的同事说,晶粒取向取决于衬垫的大小和位置发现,可能是由于电镀过程中电流密度的变化。因此,实现所期望的柱状晶粒,取决于种子层、电镀工具提供的电流波形和电镀槽的化学性质之间的相互作用。

当两个高度定向的表面相遇时,结果是显著的。Jing Ye Juang和他的同事在国立交通大学观察到的一种连续的晶格结构,消除了pre-bonding界面。在拉拔试验中,铜-铜界面强度大于铜-硅键和试样与测试夹具之间的粘接强度。同样,电阻与散装铜相当。

成功的铜-铜结合依赖于能够提供一致的铜颗粒结构的电镀工艺。虽然电镀在BEOL和TSV应用中已经很成熟,但铜-铜结合的具体要求是新的。

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1评论

阿齐兹博士 说:

关于铜与铜结合的非常翔实的研究。

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