納米技術(shù)在微電子連接方面的應(yīng)用

摘 要：納米技術(shù)在微電子連接方面的應(yīng)用一直是業(yè)內(nèi)人士關(guān)心的內(nèi)容。此項(xiàng)技術(shù)如果成熟，無疑會(huì)給現(xiàn)有的科技和生活帶來巨大改變。本文介紹了納米印刷技術(shù)和納米連接技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上分析納米技術(shù)在微電子連接方面的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：納米技術(shù)；微電子連接；技術(shù)應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TN405 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2018）04-0057-02

Abstract：The application of nano-technology in microelectronic connection has always been a concern for the industry. If this technology is mature，it will undoubtedly bring great changes to the existing technology and life. This topic introduces nano printing technology and nano connection technology，in order to analyze the application of nano-technology in microelectronic connection.

Keywords：nano-technology；microelectronic connection；technology application

1 相關(guān)概念

1.1 納米技術(shù)的概念

納米技術(shù)（Nano-technologv）是研究尺寸在0.1～100nm之間的原子或分子材料的一種科學(xué)技術(shù)。它是一種針對(duì)材料的加工，制造、研究某一特定物質(zhì)，掌握該物質(zhì)內(nèi)部原子、分子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和軌跡的高等技術(shù)。納米技術(shù)作為一門交叉類學(xué)科，研究涉及的領(lǐng)域較為廣泛，主要包括納米材料學(xué)、生物學(xué)、納米化學(xué)、納米的精細(xì)加工、納米物理學(xué)等眾多領(lǐng)域，這些學(xué)科之間既相互關(guān)聯(lián)，又相對(duì)獨(dú)立。納米技術(shù)主要的應(yīng)用于器件、材料、尺度的檢測表征等三個(gè)方面。其中納米科技以制備、檢測納米材料為基礎(chǔ)，主要研究納米電子學(xué)，理論研究的基礎(chǔ)是納米化學(xué)和物理學(xué)。

1.2 微電子連接技術(shù)

將十萬甚至百萬的電子元器件進(jìn)行組裝，形成一個(gè)小巧緊湊的封裝體，這就是微電子的封裝。它主要由外部供電，并和外部交流信息。微電子封裝一般需要考慮多芯片和單芯片封裝的設(shè)計(jì)與制造、封裝的工藝、基板的制造和設(shè)計(jì)、芯片之間的組裝和連接、總體的尺寸、電性能、熱性能、物理化學(xué)性能以及封裝的材料等眾多方面。微電子的封裝不僅對(duì)其性能有所影響，更重要的是會(huì)影響電子產(chǎn)品整體尺寸、功能的多樣性、可靠程度和生產(chǎn)成本。目前該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用的范圍廣泛，技術(shù)較為成熟，得到了社會(huì)的一致認(rèn)可，因此越來越受到人們的重視。微電子連接技術(shù)目前以表面貼裝技術(shù)（SMT）為主流而不斷地發(fā)展，組成它的三大要素為表面貼裝的器件、生產(chǎn)的工藝以及其設(shè)備。隨著微電子封裝技術(shù)的不斷進(jìn)步，微電子連接技術(shù)發(fā)展迅速，在精細(xì)加工和自動(dòng)化程度等方面都有了很大的提升。

2 微電子連接中納米技術(shù)的應(yīng)用

2.1 納米印刷技術(shù)

在當(dāng)前的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，精細(xì)加工成為高性能化和高集成度的一種必不可少的技術(shù)。但是，微米以下的器件加工一定要保持溫度的恒定，防止器件隨溫度變化膨脹改變尺寸大小，而且排除振動(dòng)一定要在清洗環(huán)境的條件下進(jìn)行，否則會(huì)增加成本。近幾年，以美國為首的西方國家開始使用一項(xiàng)新的柔性印板術(shù)，即通過使用浸筆印刷術(shù)、微米連接印刷、毛細(xì)管微型模版等形成了的簡單的納米結(jié)構(gòu)制造的一種新技術(shù)。這種技術(shù)最大的特點(diǎn)是成本低、原理簡單、制造簡單，其中以柔性印板術(shù)為基礎(chǔ)的納米印刷術(shù)設(shè)備，目前已經(jīng)在市面上廣泛地銷售。

2.1.1 納米印刷技術(shù)簡介

納米印刷術(shù)是一種壓印、轉(zhuǎn)印的新型技術(shù)，主要應(yīng)用于加工、制造凹凸的納米圖像。納米印刷術(shù)以凹凸納米圖像模具為“印版”，將提前準(zhǔn)備的玻璃片或硅片涂上聚合物作為被印物（基板），在各種器件模具和設(shè)備的相互作用下，精確地壓印，然后定型，最后把基板與模具相分離。這時(shí)可以發(fā)現(xiàn)模具上的凹凸納米圖像分毫不差地轉(zhuǎn)印到了硅片的聚合物上，而且圖像的大小、深淺程度都一模一樣，只有凹凸形狀相反，即模具上凹的地方在聚合物膜上是凸起的地方，反之亦然。我們將這種利用凹凸納米圖像模具印版、聚合物轉(zhuǎn)印的技術(shù)成為納米印刷技術(shù)。

利用納米印刷技術(shù)加工的步驟為：第一步，將聚合物樹脂薄膜旋涂在硅片或玻璃片上，通過加熱復(fù)合到基底上；第二步，將加熱后的聚合物按壓在凹凸的納米模具上；最后，將聚合物與模具分離。以上就是復(fù)制模具上的納米圖像到聚合物上的全過程。

2.1.2 高寬比微細(xì)結(jié)構(gòu)的形成

通過以上對(duì)納米印刷術(shù)的介紹，我們知道金屬的凹陷處按壓在聚合物上就會(huì)凸起，但要注意的是，當(dāng)要形成一個(gè)較大的平面細(xì)長結(jié)構(gòu)時(shí)，需要對(duì)納米模具進(jìn)行更深的雕刻，防止它們分離時(shí)造成聚合物的拉伸。因此，我們稱這種高出模具凹陷結(jié)構(gòu)的方法為高寬比納米印刷術(shù)。在這項(xiàng)技術(shù)中，形成了一個(gè)簡單的平面比為12的柱狀納米級(jí)聚合體，其中高為3μm，直徑為25nm。一般情況下，很難在精密的塑料結(jié)構(gòu)中成型，但是有了高寬比納米印刷術(shù)就可以壓印一次成型。

2.1.3 納米印刷技術(shù)的應(yīng)用

各種微米、納米級(jí)尺寸的高分子材料器件都可采用納米印刷技術(shù)來制造。這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展快速，其精確度甚至達(dá)到10nm，廣泛應(yīng)用于微射流器件、顯微鏡的鏡頭以及主流芯片的制造中。除此之外，它在具有高密度的磁性記錄器方面也有著不可估量的潛能。作為一種應(yīng)用性很強(qiáng)的技術(shù)，納米印刷技術(shù)用于制造納米光學(xué)器件、納米電子器件，甚至沃爾夫?qū)ふ业纳a(chǎn)先進(jìn)電腦芯片的納米線的技術(shù)就是納米印刷技術(shù)。在醫(yī)學(xué)上，納米印刷術(shù)通過繪圖的方式可以精確地找出病人病變的位置。麻省理工研究人員在今年4月發(fā)明了一種新型的納米印刷術(shù)，這個(gè)發(fā)明可以批量生產(chǎn)DNA微陣列器件。

2.1.4 納米印刷技術(shù)的前景

目前，作為最實(shí)用的制造技術(shù)，納米印刷術(shù)一直在不斷地發(fā)展進(jìn)步，日本現(xiàn)在已經(jīng)制備了納米印刷設(shè)備并開始銷售。為了使這項(xiàng)技術(shù)得到更好的發(fā)展，必須先發(fā)展聚合物材料以及納米模具等技術(shù)。最新的研究報(bào)告表明，消費(fèi)者更喜歡納米印刷產(chǎn)出的無污染、色澤明麗、包裝精美的產(chǎn)品。調(diào)查發(fā)現(xiàn)2017年上半年，納米印刷的包裝盒銷量較傳統(tǒng)的提升了31.5%。納米印刷術(shù)不僅可以保護(hù)環(huán)境不受污染，而且它的產(chǎn)品色澤亮麗，往往可以帶來超乎想象的效果，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)技術(shù)的不足，如油墨干燥等，豐富了更多的功能，深受消費(fèi)者的喜愛

2.2 納米連接技術(shù)

納米粒子具有耐久性強(qiáng)、熔點(diǎn)低、燒結(jié)溫度低等特點(diǎn)，但是由于技術(shù)的局限性，納米粒子的很多特性并沒有應(yīng)用到科技和生活中。在西方發(fā)達(dá)國家，有科學(xué)家假設(shè)將納米粒子的表面能量與低溫?zé)Y(jié)功能結(jié)合起來，這種技術(shù)可以利用在納米連接材料上，這種連接方法在經(jīng)過低溫連接之后，燒結(jié)后的納米粒子可以讓連接點(diǎn)具有很高的熔點(diǎn)。如果這個(gè)假設(shè)在技術(shù)上行得通，可以將此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用在高溫連接較為困難的無鉛焊接中。本課題以此為背景，主要研究分析有機(jī)物-銀復(fù)合納米粒子的連接工藝以及在電子無鉛焊接方面的適用性。

2.2.1 有機(jī)物-銀復(fù)合納米粒子的特性

納米粒子表面呈現(xiàn)活性狀態(tài)，但是這種狀態(tài)容易自身凝聚。為了防止凝聚，必須對(duì)其表面控制，正常情況下，我們會(huì)使用直徑在l0nm左右的銀納米粒子，利用技術(shù)手段，將銀納米粒子的表面涂覆一層保護(hù)層，當(dāng)保護(hù)層溶解之后，銀納米粒子的特性和功能就會(huì)顯示出來。有實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)發(fā)熱反應(yīng)開始時(shí)，銀納米粒子的質(zhì)量就開始減少，證明其外部的保護(hù)層開始分解，當(dāng)提升加熱速度時(shí)，分解溫度則向高溫側(cè)移動(dòng)。在溫度達(dá)到300℃時(shí)，銀納米粒子的特性就會(huì)顯示，這也就證明了在300℃左右就可以利用銀納米粒子進(jìn)行連接。

2.2.2 應(yīng)用有機(jī)物-銀復(fù)合納米粒子的連接特點(diǎn)

日本科學(xué)家曾做過一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，用銅制的試驗(yàn)片來進(jìn)行納米粒子連接，該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)測試出銀微米粒子和銀納米粒子在脆斷強(qiáng)度方面的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)表明，在外部環(huán)境相同的情況下，銀納米粒子比銀微米粒子在脆斷強(qiáng)度上更高，用電鏡觀察兩者斷面特點(diǎn)，銀微米粒子與銅制試驗(yàn)片之間存在空隙，而銀納米粒子則不然，有銀伸長而塑性變形的痕跡，這也就說明了銀納米粒子的連接界面強(qiáng)度更高。

2.2.3 焊接參數(shù)對(duì)斷面強(qiáng)度的影響

在分析銀納米粒子銅接觸點(diǎn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)焊接溫度、時(shí)間和壓力對(duì)斷面的強(qiáng)度都有一定的影響，其中焊接溫度和壓力對(duì)斷面強(qiáng)度的影響最大，在焊接溫度不變的情況下，加壓的強(qiáng)度不斷上升，強(qiáng)度也會(huì)隨之上升，當(dāng)焊接溫度較高時(shí)，加壓的影響反而會(huì)變小。實(shí)驗(yàn)表明，在焊接溫度在260℃的情況下增加壓力，而在低壓場合則要提高焊接溫度，此時(shí)的效果最為明顯。

2.2.4 應(yīng)對(duì)高溫?zé)o鉛焊接的可能性

電子領(lǐng)域高溫?zé)o鉛焊接一直被業(yè)界關(guān)注，銀納米粒子連接法為高溫?zé)o鉛焊接技術(shù)帶來了新的希望。在高溫?zé)o鉛焊接中，原來人們一直使用Sn-Pb，后來被Sn-Zb系列代替，但是封裝內(nèi)焊接使用的富鉛焊接材料一直沒有找到替代品，距離實(shí)現(xiàn)高溫?zé)o鉛焊接還有一段距離。銀納米粒子的應(yīng)用將打破這一僵局。實(shí)驗(yàn)證明，銀納米粒子不僅具有富鉛焊料的強(qiáng)度，可以實(shí)現(xiàn)在低溫、低壓環(huán)境下操作，降低了使用成本，同時(shí)銀納米粒子連接的斷面強(qiáng)度也非常高，是之前使用的材料無法達(dá)到的。連接處的熔點(diǎn)也高，這些特性增加了此項(xiàng)技術(shù)的可實(shí)行性。

3 結(jié) 論

在納米粒子技術(shù)中，銀納米粒子連接工藝具有更強(qiáng)的技術(shù)性和可行性，但是此項(xiàng)技術(shù)還需要進(jìn)一步的探索和實(shí)驗(yàn)，比如要對(duì)連接機(jī)理進(jìn)行分析、對(duì)銀納米顆粒與銅制品以外的金屬連接之間進(jìn)行研究等。總之，納米技術(shù)在微電子連接方面的前景是值得期待的。

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作者簡介：汪雲(yún)杰（1996-），男，漢族。研究方向：微電子科學(xué)。