在半導體封裝技術國際學會“2015 Electronic Components and Technology Conference（ECTC）”（2015年5月26～29日於美國聖地牙哥舉行）上，IBM蘇黎世研究所發表了用銅奈米粒子使銅柱的倒裝晶片接合實現了低溫化目標的成果。演講題目為“Nanoparticle Assembly and Sintering Towards All-Copper Flip Chip Interconnects”。
雖尚在初步評測階段，但擁有可在150℃的低溫下接合的潛在可能，有能緩和組裝時晶片與封裝間應力的優點。並且，由於使用銅奈米粒子來接合銅柱，因此接合部最終會僅由銅構成的塊。另外，對電流導致金屬離子移動的電遷移還有良好耐受力，稱能夠實現可通過大電流的接合。
在實際評測的鍵合條件下，向接合部供給銅奈米粒子後，以250℃烘烤，將銅奈米粒子燒結成體塊。此前人們知道的接合銅表面的方法是熱壓鍵合，但其量產的門檻較高。存在如對接合部的平坦性的要求精度較高、要求接合面清潔以及要在400℃高溫下高壓接合等課題。此次的技術若能實用化，便可輕鬆實現僅由銅構成的體塊接合，具有很大的優點。
公開接合方法和接合後的強度評測結果
此次發佈的成果，尚未進入電遷移評測階段，只報告了接合方法和接合後的強度評測結果。該研究所表示，嘗試了兩種向銅柱與焊盤間供給銅奈米粒子的方法。
第一種是在具備銅柱的倒裝晶片對準配備到封裝基板的狀態下，將含有銅奈米粒子的稀釋墨水（按重量計算為15～25％）充入填充到晶片與封裝基板之間。之後令溶劑蒸發，使墨水濃度變濃，墨水會自然向銅柱與焊盤的界面以及銅柱的根部集中，使有機黏合劑和銅奈米粒子析出。最後，銅奈米粒子會聚集在銅柱和基板的接合部以及銅柱的根部（圖1）。
第二種方法是使用提高了銅奈米粒子濃度的墨水（按重量計算為45～55％），將墨水轉印到銅柱前端。向旋轉的托盤上供給含有銅奈米粒子的墨水，用刮板保持一定厚度，使銅柱2/3以下的高度浸漬在墨水中來轉印。之後再配備到封裝基板上的焊盤上（圖2）。
這兩種方法均是在配備到基板上之後放入烘箱，在蟻酸還原氣體環境下以250℃烘烤1小時，來燒結銅奈米粒子。
電阻及機械強度與焊錫接合相當
對接合評測的結果表明，第一種方法，銅奈米粒子在整個表面析出，造成了銅柱間短路。偏離了只在銅柱與焊盤的界面以及銅柱根部等合適部位析出的估計。作為對策，可通過形成親水性及撥水性區域令其作選擇性析出。
第二種方法是通過調整含有銅奈米粒子的墨水的濃度，將適量的銅奈米粒子轉印到銅柱上。墨水黏度會影響轉印量，而墨水中含有的銅奈米粒子則會影響向接合部的銅供給量。
對轉印評測的結果表明，將墨水在托盤上放置3小時，並使銅奈米粒子的濃度提高至按重量計算為75％的水準後，顯示出了良好的轉印特性。這種方法的適用範圍為焊盤尺寸/間距＝75/150μm。燒結後的銅為多孔質，粒徑比自由狀態下燒結小兩個數量級。並且，在數個樣品中，銅柱與焊盤間的界面有了裂紋（圖3）。演講指出，銅柱及基板焊盤表面鍍的銅可能是影響裂紋產生的因素。
研究表明，燒結後的銅柱接合的電阻及機械強度，與焊錫接合為同等水準，性能上沒有問題。另外，在電遷移方面，由於是只有銅的接合，因此預計相關情況良好，但尚未做相關評測。如果這一點得以確認，那就意味著能夠通過大電流。作為倒裝晶片用接合方法，該技術將會有更廣泛的可能性。（特約撰稿人：中島宏文，IEEE電子元件、封裝及製造技術學會亞太區計劃主管） ■日文原文
留言列表
生技醫療產業 (1)