微互連技術的研究現狀

肖 金，程 偉，周艷瓊

（廣東工業大學 華立學院，廣東 廣州 511300）

0 引言

半導體器件是非常脆弱的器件，為了保護半導體器件及其工作環境，通常采用電子封裝技術。電子封裝支撐保護電路，防止空氣對芯片電路的腐蝕，將芯片工作時產生的熱擴散，為進出芯片的信號提供連接通路，便于芯片的安裝和運輸。

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

隨著電子產品的微型化，電子封裝技術由傳統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的發展，對微電子互連技術的發展影響巨大。傳統的布線互連技術受到堆疊層數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 三維封裝技術簡介

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

1.1 引線鍵合技術

引線鍵合技術是應用最廣泛，也是最早的互連技術。這種技術成本低，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，甚至會導致信號延遲，所以這種技術越來越不適應目前高密度封裝趨勢的要求。

1.2 倒裝芯片技術

倒裝芯片連接技術使上下層芯片間的電信號連接由引線鍵合演化為焊點球鍵合的模式。焊點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，增強了連接的可靠性，而且也比較美觀，在高密度封裝結構中，這種技術非常具有優勢。

1.3 硅通孔連接技術

硅通孔技術是由垂直芯片的通孔實現疊層芯片間的互連技術。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，目前這種技術是半導體制造商和研究人員的研究重點。

1.4 低溫互連技術

低溫互連技術是一種新型互連技術。這種技術相對于上述的三種互連技術，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，低溫互連技術的出現對電子封裝行業影響巨大。

（1）不需要回流焊工藝。回流焊所需要的高溫會導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，這對封裝質量影響大。再次，焊接的高溫很容易使焊縫區產生金屬間化合物，這種組織脆性大，而且促進焊縫處產生空洞，嚴重威脅互連的可靠性。

（2）工藝簡單。因為減少了回流焊，因此，不需要考慮焊料的潤濕性以及表面張力的問題，與回流焊相適應的一系列繁瑣的工序將被省略，這將極大地提高生產效率。

（3）保護環境。低溫互連技術能耗少，對環境的負荷少。另外，鉛焊料由于對環境污染大，采用無鉛焊料一直是電子封裝技術的研究重點，低溫互連技術很好地處理了這個問題，因此越來越多的團隊正在研究這種技術，主要有以下幾個研究方向。

2 直接鍵合技術

直接鍵合技術是通過構建兩個非常平坦，非常干凈的平面，通過平面之間的范德華力使這兩個平面結合在一起，通過在真空中加熱到1000℃進行熱處理，在兩個平面的接觸界面形成共價鍵，這種熱處理，不僅增加了連接強度，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展，熱處理溫度下降到400℃以下，而且也不需要真空保護。

意法半導體最先將這種工藝應用于金屬銅之間的互連。通過對兩個接觸銅面的化學機械拋光處理，這兩個銅面的粗糙度很低，而且具有很強的親水性。但范德華分子力畢竟還是不可靠的，這種技術進行后續的熱處理必不可少，圖1 展示了沒有經過熱處理和經過熱處理后的樣品銅結合界面的組織，可以看出在350℃下處理1小時，結合界面有銅原子擴散，晶粒生長有明顯的凸起形狀。金屬銅之間的直接鍵合技術在硅通孔互連技術中有很好的應用前景，研究發現通過平面與平面之間的互連，導電性能良好。

3 表面活化鍵合技術

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

表面活化鍵合技術是在直接鍵合技術的基礎上改良而成。東京大學的Suga 教授將兩片已經經過化學機械拋光，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，在真空條件下進行鍵合，這種技術的互連效果可靠[5]。除了鍵合銅金屬，Suga 教授還在異性金屬互連領域進行了探索，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，界面間的結合強度在10Mpa～20Mpa 范圍內。表面活化鍵合實現了低溫低壓鍵合以及差強人意的結合強度，但要求復雜昂貴的設備以及苛刻的工作條件，難以實現批量化生產。

4 共晶反應鍵合技術

共晶反應鍵合的原理是將兩種金屬加熱到共晶點，發生共晶反應，生成共晶化合物，實現互連的技術。為了防止氧化以及污染，這種技術必須真空條件或者惰性氣體保護氛圍，但不需要后續的熱處理以及粗糙度較低的鍵合平面，在電子封裝中應用廣泛。常見的共晶反應金屬偶有金–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

上海交通大學微電子材料與技術研究室對微納米組織互連技術進行了大量探索[6]。其中的一項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獲得鎳基微納米組織，這種組織的特點是沿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結合，微納米組織的巨大表面積促進了結合面的原子擴散，實現了可靠的機械咬合。

由于微納米組織的特殊形狀，互連的溫度下降到200℃，遠遠低于回流焊的溫度，實現了低溫低壓固態互連，結合強度良好，尤其對鍵合界面進行熱處理后，結合強度還會進一步提高，解決了高溫熔化焊料對半導體器件造成的不良影響，給無鉛焊料的應用賦予新的模式。

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

6 結束語

隨著電子產品的微型化趨勢，越來越追求高密度封裝，這對微互連技術提出了更高的使用有求，低溫互連技術與綠色無鉛焊料技術相結合，符合綠色環保的發展要求，將是未來互連技術的發展方向。

[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的最新手段[J]. 電子與封裝，2004，4.

[4]Shimbo，M.，Furukawa, 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.