3D封裝不是夢，就靠奈米雙晶銅

2020 -09 -03

隨著半導體產業快速發展，晶片尺寸逐漸縮減，因此封裝技術必須隨之提升，其中晶片間之接合便是3D IC封裝技術之關鍵，現今常用的接合方式為覆晶焊錫技術，利用焊錫球與金屬反應層的冶金反應形成可靠的接點，為了提高單位面積下I/O數量，晶片尺寸需要微縮，接點間距與焊錫球直徑亦需縮小，然而，在回焊過程中發現會發生橋接失效與side wetting使得接點失效，並提出將焊錫球完全移除只剩金屬層對接利用擴散來形成可靠接點。
在金屬/金屬接合的低熱預算製程中，由於銅在<111>具較快之擴散速率，本研究團隊將引入具高<111>優選方向之奈米雙晶銅，主要發展出快速接合與低溫接合兩個重要方向，達到降低熱預算的要求。快速接合的溫度在300℃，而時間可壓縮至30秒內，甚至是5秒，此接合製程除了降低熱預算，還能夠加速生產速率，有望在未來完成chip-to-wafer等製程的量產；而低溫接合的溫度則可以降低到250℃以下，甚至降到150℃，在記憶體等元件封裝上有重要的價值。
在進一步探討接合時間與溫度對於接合強度之關係，在10秒和30秒內進行即時接合製程，並在300℃下進行一小時熱處理，再將試片分為未經二次退火及在氬氣氛圍下進行二次退火，探討接點強度之變化，結果顯示經二次退火之試片，其接合強度與導電性有顯著提升。
在異質接合(hybrid bonding)中主要分為聚亞醯胺(PI)/銅及非導電膠(NCP)/銅兩種接合製程，在聚亞醯胺(PI)/銅之異質接合製程中，採真空熱壓接合方式進行銅柱/PI薄膜對接PI薄膜，再升溫固化達一定固化程度，使PI同時具有可交聯性及足夠強度；透過上述製程，能夠調控PI薄膜和銅的結構，使其具有穩定的機械性質，並且仍然能夠繼續完成固化以及接合，在微電子封裝產業中具有應用潛力。在非導電膠(NCP)於奈米雙晶銅薄膜之接合製程中，能夠在大氣環境下進行接合，同時完成接合及NCP之固化，其接合強度佳，且NCP的填充性也不錯，整體具不錯之良率，未來在業界應用具有潛力，有望成為新一代之封裝技術，將奈米雙晶銅應用於接點間的接合，NCP能夠為接合提供良好保護，可望能夠成為一個不錯的解決方式。