?半導體封裝Cu-Cu互連接頭燒結性能研究
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失效分析 趙工 半導體工程師 2024年10月01日 10:01 北京摘要：
使用不添加任何助焊劑的銅膏 ， 獲得了高燒結性能的Cu-Cu 互連接頭 。 使用掃描電子顯微鏡、X 射線衍射儀和熱重分析儀對粒徑分別為（20±10） nm、（80±20） nm 和（100±20） nm 的納米銅顆粒進行分析表征 。 選擇粒徑為（80±20） nm 的納米銅顆粒和松油醇混合配成納米銅膏 ， 用于互連接頭的燒結性能研究 。 探究了不同的燒結溫度、保溫時間、升溫速率和燒結壓力對互連接頭的剪切強度和失效面微觀形貌的影響 ， 得出了最佳的工藝參數 。 在升溫速率為0.1 ℃/s、保溫時間為30 min、燒結溫度為260℃和無壓條件下燒結 ， 互連接頭的剪切強度達到了5.0 MPa 。 在同樣的升溫速率和保溫時間、燒結溫度為300 ℃、壓力為5 MPa 的條件下燒結 ， 互連接頭的剪切強度達到了33.3 MPa 。 Cu-Cu互連接頭能夠滿足功率半導體器件的互連應用要求 。
1 引言
以Si 和GaAs 基為代表的傳統功率半導體器件 ， 廣泛應用于計算機、通信、消費電子、汽車電子等行業(yè) ， 然而其在功率處理、最高頻率和工作溫度方面正接近物理極限[1-2
， 不能適應行業(yè)向高頻、高溫、高功率和耐惡劣環(huán)境的發(fā)展方向的要求[3-4
， 例如Si基器件在200 ℃以上工作 ， 會在自加熱下導致內部溫度的升高[5
。 以SiC和GaN基為代表的第三代功率半導體器件相對于傳統功率半導體器件 ， 具有更大的禁帶寬度和更高的擊穿電壓 ， 能夠在惡劣環(huán)境下工作 ， 因而成為功率半導體器件的關鍵性技術 。 嚴苛的應用環(huán)境對封裝互連材料提出了更高的要求 ， 比如需要其具有優(yōu)越的熱傳導性能、耐高溫、高機械性能以及高可靠性[6
。
應用于第三代功率半導體器件的封裝互連材料主要有納米銀膏和納米銅膏 。 由于尺寸效應 ， 納米材料相較塊體材料具有更低的熔點、更大的比表面積 ， 在互連過程中表現得更加活躍 。 這表明納米尺度的互連有望在低溫下進行[7-8
。 大量研究結果表明 ， 納米銅顆粒和納米銀顆粒能夠在低溫下實現燒結 ， 燒結成型后具有與塊體金屬相近的熔點 ， 且滿足“低溫成型 ， 高溫服役”的需求[9-10
。 銅材料具有和銀材料相近的導電率、導熱率 ， 同時具有更低的成本 ， 且不易發(fā)生電遷移現象 ， 受到了研究者的青睞 。 低溫燒結技術利用了納米銅顆粒能夠低溫成型的特性 ， 燒結后納米銅互連層形成網狀互連結構 ， 納米銅和基板之間通過金屬擴散形成有效互連 。 燒結工藝的參數選擇對互連接頭的燒結性能具有重要影響[11
， 現有工藝通常在銅膏中添加助焊劑 ， 并在高壓、高溫下輔助燒結 ， 以提高互連接頭的燒結性能 。 LI等人[12
將粒徑為80~120 nm的納米銅顆粒與N－甲基－2－吡咯烷酮混合 ， 配成納米銅顆粒質量分數為70%的銅膏 ， 在氫/氬混合氣氛、燒結溫度為350℃下燒結 ， 隨著燒結壓力從20MPa上升到40MPa ， 互連接頭的剪切強度從22.96 MPa 提高到28.43 MPa 。 然而較高的燒結溫度和壓力必然會極大地降低封裝器件的良率 。 ZUO等人[13
將平均直徑為50 nm的納米銅顆粒在主要成分為磷酸、硝酸鋅和正磷酸二氫鋅的燒結促進劑中處理30 min 后 ， 干燥成粉末 ， 最后與有機溶劑混合制備成納米銅膏 ， 在燒結壓力為2 MPa、燒結溫度分別為175℃和300℃下燒結 ， 得到了剪切強度分別為1.1 MPa 和9.4 MPa 的互連接頭 。 燒結促進劑中的無機酸和有機鹵素等成分對溫度敏感 ， 會對封裝基板進行腐蝕 ， 且燒結后會有大量殘留 ， 這會極大地影響互連接頭的燒結性能 。 為了滿足易碎和熱敏芯片的嚴格封裝要求 ， 需要進一步降低燒結溫度和壓力 ， 同時減少銅膏中的雜質 。 因此 ， 迫切需要在低溫（不高于300 ℃）、低壓（不高于5 MPa）和不添加燒結促進劑的情況下 ， 探究工藝參數對互連接頭燒結性能的影響 ， 以提高互連接頭的燒結性能 。
為了應對這些挑戰(zhàn) ， 本研究在低壓、低溫和不添加任何燒結促進劑的情況下 ， 探究保溫時間、升溫速率和燒結壓力對互連接頭的剪切強度和失效面微觀形貌的影響 ， 并得出最佳的工藝參數 ， 在氫/氬混合氣氛的保護下 ， 實現高強度的Cu-Cu互連接頭 。
2 試驗材料與方法
2.1 納米銅膏的制備和互連工藝
首先把粒徑為（20±10）nm、（80±20）nm 和（100±20）nm 的商用麥克林納米銅粉在稀硫酸水溶液（濃度為8%）中進行超聲洗滌 ， 然后放入真空干燥箱中干燥 ， 最后分別把3種銅粉和松油醇按照8:2 的重量比均勻混合 ， 配成納米銅膏 。 為了更好地模擬電子工業(yè)中實際的Cu-Cu 互連接頭 ， 本文設計了一種模擬芯片（表面鍍Ti/Cu 銅板）/ 納米銅膏/ 基板（表面鍍Ti/Cu銅板）的三明治結構 。 模擬芯片的尺寸為4 mm×4 mm×0.8 mm ， 基板尺寸為10 mm×10 mm×0.8 mm 。 本研究中Cu-Cu互連工藝過程如下：第一步 ， 對模擬芯片和裸銅基板進行拋光處理 ， 然后在其表面鍍厚度為2 μm 的Ti/Cu 層；第二步 ， 通過絲網印刷的方式在裸銅基板上印刷厚度為120 μm 的銅膏 ， 接著把模擬芯片覆蓋在銅膏上 ， 形成三明治結構的互連樣品；最后 ， 把樣品置于熱壓爐 ， 在氫氬混合氣氛（氫氣的體積分數為5% ， 氬氣的體積分數為95%）中 ， 選擇在一定的升溫速率、燒結壓力以及溫度下進行互連 。
2.2 測試與表征方法
使用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（型號為SU8220 ， 日本Hitachi 公司）觀察樣品顆粒的粒徑和形貌 ， 采用X射線衍射儀（型號為D8 ADVANCE ， 德國Bruker 公司）測定樣品的物相和結構 ， 采用高溫同步熱分析儀（型號為TGA/DSC3+ ， 瑞士Mettler Toledo 公司）在氮氣氣氛下檢測樣品在25~600 ℃溫度范圍內的熱行為 ， 采用IC 封裝焊接強度測試儀（型號為SERIES-4000 ， 英國Dage 公司）測試Cu-Cu 互連接頭的剪切強度 。 對8個樣品進行測試 ， 取其平均值為剪切強度 。
【?半導體封裝Cu-Cu互連接頭燒結性能研究】3 納米銅顆粒表征
圖1 是3 種粒徑納米銅顆粒的掃描電子顯微鏡（SEM）照片 ， 可見3 種納米銅顆粒在不同程度上都存在團聚現象 ， 分散性較差 ， 其中粒徑為（20±10）nm 的納米銅顆粒因其粒徑最小 ， 表面能最大 ， 團聚現象最為嚴重 。 粒徑為（80±20）nm和（100±20）nm的納米銅顆粒因為其粒徑相對較大 ， 團聚現象較為輕微 。
為了測試3種粒徑納米銅顆粒的氧化情況和不同溫度下的熱行為 ， 對其進行了X射線衍射（XRD）測試和熱重（TG）測試 ， 圖2 是納米銅顆粒的XRD 和TG圖譜 。
3 種納米銅顆粒在2θ=43.3°、2θ=50.4°和2θ=74.1°處都有明顯的衍射峰 ， 分別對應著面心立方結構的單質銅Cu（111）、Cu（200）和Cu（220）晶面 。 其中粒徑為（20±10）nm 和（80±20）nm 的納米銅顆粒 ， 可在36.5°處觀察到輕微的衍射峰 ， 該衍射峰對應著Cu2O（111）晶面 ， 這說明銅顆粒發(fā)生了輕微的氧化；而粒徑為（100±20）nm 的納米銅顆粒除了在36.5°處有明顯的代表Cu2O（111）晶面的衍射峰存在 ， 在42.5°和61.6°處還有代表Cu2O（200）和Cu2O（220）面的衍射峰存在 ， 這說明粒徑為（100±20）nm 的納米銅顆粒相較于粒徑（20±10）nm 和（80±20）nm 的納米銅顆粒 ， 被氧化程度更深 。 銅顆粒表面的氧化層會極大地阻礙燒結互連過程中銅顆粒、基板和芯片之間的互連 ， 使得互連條件更加苛刻 。 納米銅顆粒在25~600℃的TG圖譜如圖2（b）所示 。 3種納米銅顆粒在整個升溫過程中都伴隨著重量的損失 ， 低于150℃失重的主要原因為銅粉中殘留溶劑的揮發(fā) ， 高于150℃失重的原因可能是殘留的小分子有機物分解 。 粒徑為（20±10）nm的納米銅顆粒的重量總損失為0.48% ， 高于150 ℃的重量損失（0.16%）；粒徑為（80±20）nm 的納米銅顆粒的重量總損失為0.85% ， 高于150 ℃的重量損失（0.43%）；粒徑為（100±20）nm 的納米銅顆粒的總重量損失為0.93% ， 高于150℃的重量損失（0.51%） 。 3種納米銅顆粒的總重量損失都小于1% ， 這說明銅顆粒的純度非常高 。 通過對比發(fā)現 ， 粒徑為（80±20）nm 的納米銅顆粒發(fā)生團聚的情況較少 ， 僅有輕微氧化 ， 且高溫下質量損失較少 。 因此 ， 選擇粒徑為（80±20）nm 的納米銅顆粒配成銅膏 ， 進行互連工藝的研究 。
4 互連接頭的燒結性能研究
在不同燒結工藝參數下對納米銅膏進行互連 ， 進而探究保溫時間、升溫速率和燒結壓力對Cu-Cu互連接頭燒結性能和微觀組織形貌的影響 ， 從試驗結果中得出最佳工藝參數 。
4.1 保溫時間
在0.1 ℃/s 的升溫速率以及不同的燒結溫度下對互連接頭進行無壓燒結 ， 并探究不同保溫時間（10 min、30 min和50 min）對互連接頭剪切強度的影響 ， 如圖3所示 。 保溫時間從10 min提高到30 min ， 互連接頭的剪切強度得到了巨大的提升 ， 其中 ， 在260℃的燒結溫度下剪切強度提升最大 ， 提高了138.1% 。 從30 min提高到50 min ， 互連接頭的剪切強度普遍發(fā)生大幅度下降 ， 其中 ， 在260 ℃的燒結溫度下剪切強度下降最多 ， 下降了66% 。 這說明保溫時間的提高 ， 并不一定有利于提高互連接頭的剪切強度 。 保溫時間為10 min 和50 min 時 ， 燒結溫度的提高有助于提高互連接頭的剪切強度；然而保溫時間為30 min、燒結溫度從260℃提高到300 ℃時 ， 互連接頭的剪切強度反而下降了22% 。 這說明保溫時間和燒結溫度共同決定了互連接頭的燒結性能 。 當保溫時間為30 min、燒結溫度為260℃時 ， 互連接頭的剪切強度最高可達到5.0 MPa 。
為了更加直觀地觀察保溫時間對互連接頭微觀組織形貌的影響 ， 檢測在260℃的燒結溫度、不同保溫時間下互連接頭的失效面 ， 其SEM 圖和孔隙圖見圖4 。 在不同保溫時間下 ， 可以觀察到納米銅顆粒之間存在燒結頸 ， 說明接頭已經形成良好的連接 。 孔隙率和互連強度具有密切的關系 ， 通常孔隙率越高互連性能越好 ， 互連接頭的剪切強度越高 。 在保溫時間為30 min時 ， 互連接頭的孔隙率最小 ， 為19.7%；在保溫時間分別為10 min 和50 min 時 ， 孔隙率相對較大 ， 分別為40%和38% 。 保溫時間太短 ， 納米銅顆粒之間、納米銅顆粒與銅基板之間的物質擴散相對較少 ， 使得孔隙相對較大；保溫時間太長 ， 物質擴散會更傾向于發(fā)生在納米銅顆粒之間 ， 而不是納米銅顆粒與銅基板之間的 ， 這會造成納米銅顆粒與銅基板之間形成較大的孔隙 ， 導致互連接頭的剪切強度降低 。 在保溫時間為30 min 時 ， 納米銅顆粒之間以及銅顆粒、銅基板和芯片之間的物質擴散剛好處在一種平衡的狀態(tài) ， 此時剪切強度達到最大 。
為了更加直觀地觀察保溫時間對互連接頭微觀組織形貌的影響 ， 檢測在260℃的燒結溫度、不同保溫時間下互連接頭的失效面 ， 其SEM 圖和孔隙圖見圖4 。 在不同保溫時間下 ， 可以觀察到納米銅顆粒之間存在燒結頸 ， 說明接頭已經形成良好的連接 。 孔隙率和互連強度具有密切的關系 ， 通?？紫堵试礁呋ミB性能越好 ， 互連接頭的剪切強度越高 。 在保溫時間為30 min時 ， 互連接頭的孔隙率最小 ， 為19.7%；在保溫時間分別為10 min 和50 min 時 ， 孔隙率相對較大 ， 分別為40%和38% 。 保溫時間太短 ， 納米銅顆粒之間、納米銅顆粒與銅基板之間的物質擴散相對較少 ， 使得孔隙相對較大；保溫時間太長 ， 物質擴散會更傾向于發(fā)生在納米銅顆粒之間 ， 而不是納米銅顆粒與銅基板之間的 ， 這會造成納米銅顆粒與銅基板之間形成較大的孔隙 ， 導致互連接頭的剪切強度降低 。 在保溫時間為30 min 時 ， 納米銅顆粒之間以及銅顆粒、銅基板和芯片之間的物質擴散剛好處在一種平衡的狀態(tài) ， 此時剪切強度達到最大 。
4.2 升溫速率
在保溫時間為30 min 以及不同的燒結溫度條件下 ， 對互連接頭進行無壓燒結 ， 并探究不同升溫速率（0.1 ℃/s 和1 ℃/s）對互連接頭剪切強度的影響 ， 不同升溫速率下互連接頭的剪切強度如圖5所示 。 當升溫速率為0.1 ℃/s 時 ， 互連接頭剪切強度隨著燒結溫度的增加呈現先升高后降低的趨勢 ， 在燒結溫度為260 ℃時 ， 剪切強度達到最高 ， 為5.0 MPa；當升溫速率為1℃/s時 ， 互連接頭剪切強度隨著燒結溫度的增加呈現先降低后升高的趨勢 ， 在燒結溫度為260℃時 ， 剪切強度達到最低 ， 為2.7 MPa 。 燒結溫度為260 ℃時 ， 升溫速率為0.1 ℃/s 的互連接頭剪切強度是升溫速率為1℃/s 的互連接頭剪切強度的近1.9 倍 。 而在燒結溫度分別為220 ℃和300 ℃時 ， 2 種升溫速率下的互連接頭剪切強度相差不大 。 這說明燒結溫度和升溫速率共同影響著互連接頭的燒結性能 。 當燒結溫度較低時 ， 選擇較高的升溫速率 ， 而當燒結溫度較高時 ， 選擇較低的升溫速率 ， 均有助于提高互連接頭的剪切強度 。
圖6是在燒結溫度為260℃、不同升溫速率下的互連接頭失效面的SEM 圖和孔隙圖 ， 從中可以更加直觀地觀察升溫速率對互連接頭微觀組織形貌的影響 。 在2種升溫速率下進行燒結時 ， 納米銅顆粒之間均已形成明顯的燒結頸 ， 燒結組織也較為粗大 。 在升溫速率為0.1℃/s 時 ， 納米銅顆粒之間的孔隙小而多 ， 孔隙率相對較小 ， 為19.7%；在升溫速率為1 ℃/s 時 ， 納米銅顆粒之間的孔隙大而少 ， 孔隙率相對較大 ， 為31% 。 大孔洞周圍會出現較大的應力 ， 這會降低互連接頭的剪切強度 。 在較高的升溫速率下 ， 納米銅膏樣品中的溶劑在短時間內劇烈沸騰 ， 同時快速地大量揮發(fā) ， 使得互連接頭內部產生大的孔隙甚至是裂紋 ， 這會極大地降低封裝器件的可靠性 。
4.3 燒結壓力
在保溫時間為30 min、升溫速率為0.1 ℃/s 以及不同的燒結溫度下 ， 探究不同燒結壓力（0 MPa、2 MPa和5 MPa）對互連接頭剪切強度的影響 ， 互連接頭剪切強度如圖7所示 。 在不同的燒結溫度下 ， 提高燒結壓力都能提高互連接頭的剪切強度 ， 燒結壓力和剪切強度呈正相關 。 然而 ， 隨著燒結壓力的提升 ， 壓力對剪切強度的影響急劇變小 ， 壓力從0 MPa 提高到2 MPa時 ， 剪切強度提升了100%~633.3%；從2 MPa 提高到5 MPa時 ， 剪切強度的提升僅為16.4%~75% 。 只有在無壓力下燒結時 ， 壓力對互連接頭的剪切強度起到關鍵作用 。 當燒結壓力較大時 ， 會降低封裝器件在低溫燒結過程中的良率 ， 通過增大燒結壓力來提高互連接頭剪切強度的意義不大 。 當燒結壓力為5 MPa、燒結溫度為300℃時 ， 互連接頭的剪切強度最大 ， 為33.3 MPa 。
圖8 為當燒結壓力分別為0 MPa 和2 MPa 時互連接頭失效面的SEM 圖和孔隙圖 ， 從中可以進一步探究燒結壓力對互連接頭微觀組織形貌的影響 。
從圖8（a）可以看出 ， 當溫度為220~300 ℃時 ， 無壓燒結失效面的銅顆粒之間已經形成了明顯的燒結頸 ， 但是沒有出現互連組織被剪切的痕跡 ， 說明互連接頭的燒結性能較差 。 從圖8（b）可以看出 ， 隨著燒結溫度的上升 ， 在無壓燒結失效面中的互連接頭孔隙發(fā)生變化 ， 在220℃時孔隙率為21.3% ， 在260 ℃時孔隙率降低至19.7% ， 在300℃時孔隙率上升至33.8% 。 從圖8（c）可以看出 ， 在2 MPa 的燒結壓力下 ， 燒結溫度低至220℃ ， 互連接頭的失效面已經出現了明顯的剪切痕跡 ， 說明此時已經形成了有效的互連 ， 且隨著燒結溫度的提高 ， 剪切痕跡愈加明顯 ， 互連組織也愈加強壯 。 從圖8（d）可以看出 ， 隨著燒結溫度的提高 ， 互連接頭的孔隙逐漸減少 ， 在220℃時孔隙率為14.7% ， 在260 ℃時孔隙率降低至11.5% ， 在300 ℃時降低至9.6% ， 且該互連接頭的孔隙率明顯低于無壓燒結的互連接頭 ， 說明在2 MPa 的燒結壓力下 ， 隨著燒結溫度的提高 ， 互連接頭的剪切強度在進一步增強 ， 且增加燒結壓力有助于提高互連接頭的剪切強度 。
5 結論
本文探究了保溫時間、升溫速率和燒結壓力對互連接頭的剪切強度和失效面微觀形貌的影響 。 在無壓燒結時 ， 隨著保溫時間的延長 ， 互連接頭的剪切強度先增大后減小 。 當保溫時間為30 min時 ， 互連接頭的剪切強度最高 ， 可以達到5.0 MPa 。 當燒結溫度較低時 ， 選擇較高的升溫速率 ， 當燒結溫度較高時 ， 選擇較低的升溫速率 ， 有助于提高互連接頭的剪切強度 。 燒結壓力的提高會增強互連接頭的剪切強度 ， 但是壓力對剪切強度提升的影響會變小 ， 在5 MPa 的燒結壓力下 ， 剪切強度能達到33.3 MPa 。 使用不添加燒結促進劑的銅膏在低溫、低壓下進行燒結 ， 獲得了高剪切強度的Cu-Cu互連接頭 ， 大大促進了銅膏在功率半導體器件封裝中的互連應用 。
解決高級半導體封裝應用難題的臨時接合技術發(fā)展RamachandranK. Trichur ， Tony D. Flaim
摘要：
薄晶圓處理 (TWH) 技術的應用在逐漸增長和多樣化 ， 該技術將設備基材臨時接合到支撐載體上 。 TWH 技術廣泛用于高級半導體封裝的應用中 ， 例如用于制造具有 TSV 、 3D-IC 和扇出型晶圓級封裝的 2.5-D 中介層 。 臨時接合技術已得到成功運用 ， 可以在這些高級封裝形式的制造過程中 ， 對常見的所有背面加工中的薄基材進行處理 。 在解決每項應用中獨特難題的過程中 ， 引入了多代的粘合劑接合材料和新的接合與分離（剝離）技術 。 回顧了 TWH 技術的發(fā)展 ， 并對加工的要求和復雜性（可對選擇的接合材料與剝離方法進行界定）進行說明 。
10 年前 ， 沒有人能預言如今無處不在的智能手機和個人設備（例如可穿戴設備）對日常生活產生的影響 。 硬件、軟件與用戶體驗在過去 10 年中的多項變革性發(fā)展共同引導我們走到今天 。 例如 ， 重新定義的手機硬件和徹底改造的接口將手機從純粹的語音通訊工具變?yōu)閺姶蟮亩喙δ茉O備 ， 手機具有通用的物聯網 (IoT) 應用接口 ， 同時能作為門戶來使用社交媒體、視頻流以及種類不斷增加的生產應用 。 這些應用連同移動電子產品與電子消費品中仍在不斷涌現的應用 ， 正推動半導體行業(yè)專注于提高集成能力與規(guī)模 ， 以滿足日益增加的性能和功能需求 ， 以及對降低成本、尺寸和功耗的要求 。
薄晶圓處理 (TWH) 技術應用的發(fā)展和多樣性也與此大致相同 ， 該技術將設備基材臨時接合到支撐載體上 。 TWH 技術在大約 16 年前引入 ， 目的是為了解決對脆弱的 III-V 和化合物半導體基材進行薄化和處理時出現的問題 。 此后 ， 該技術廣泛用于高級半導體封裝的應用中 ， 例如用于制造具有 TSV、3D-IC 和扇出型晶圓級封裝 (FOWLP)的 2.5-D 中介層 。 臨時接合技術已得到成功運用 ， 可以在這些高級封裝形式的制造過程中 ， 對常見的所有背面加工中的薄基材進行處理 。 在解決每項應用中獨特難題的過程中 ， 引入了多代的粘合劑接合材料和新的接合與分離（剝離）技術 。 本文將回顧 TWH 技術的發(fā)展 ， 并對加工的要求和復雜性（可對選擇的接合材料與剝離方法進行界定）進行說明 。
1 臨時接合技術
臨時接合技術使用聚合物接合材料或粘合劑 ， 將設備基材臨時固定在堅硬載體上 ， 從而以機械方式固定設備基材 。 在許多情況下 ， 聚合物粘合劑會與載體上涂敷的另一種聚合物層搭配使用（粘合劑粘附在該層上） 。 該聚合物層有助于在背面加工完成后分離接合的結構 。 在薄化和隨后的背面加工期間 ， 接合材料與載體基材會以機械方式支撐設備晶圓 。 對結構進行分離（或剝離）的主要方法包括在粘合劑和聚合物層之間采用熱滑動、輕力剝離（機械剝離） ， 以及對聚合物層進行激光燒蝕（激光剝離）以釋放載體 。 這些工藝如圖 1 所示 。
最初 ， 將晶圓厚度研磨到＜100 μm 后 ， 蠟是臨時接合所用的主要粘合材料 。 但是蠟的流變性質很差 ， 熱穩(wěn)定性有限 ， 很難應用 ， 這迫使高級的半導體封裝需尋求更好的接合材料解決方案 。 因此 ， 人們開發(fā)了多代的聚合物粘合劑 ， 它們具有更高的加工熱機械穩(wěn)定性 ， 并在加工結束后更易于剝離 。 通過這些材料 ， 可以處理超薄的基材 (＜50 μm) ， 以及非常容易彎曲和變形的基材（例如高級 FOWLP流程工藝中所用的重組晶圓和面板） 。 表 1 展示了薄晶圓處理技術的重要趨勢 ， 以及對該技術用于大批量制造的預期 。
2 使用熱塑性粘合劑進行熱壓接合
熱塑性粘合劑材料具有進行臨時晶圓接合的多種優(yōu)勢 。 這些優(yōu)勢包括：(1) 能通過選擇組合參數來微調軟化溫度、黏性、附著性與模數 ， 進而控制接合溫度和接合材料向結構施加的應力等級；(2)能在加工結束并分離結構后 ， 通過溶劑溶解來消除設備晶圓中的熱塑性材料 。 這些功能與所有主要剝離方法（包括化學溶解、機械剝離、熱滑動以及激光輔助剝離）兼容 。 同時 ， 熱塑性接合材料的性質與液態(tài)可固化型粘合劑形成鮮明對比 ， 后者在接合加工時會變?yōu)榻宦摖顟B(tài) ， 因此在分離后無法溶解 。 必須改為將其整層從基材上剝離 ， 這樣很容易破壞金屬設備特性 ， 并將復雜的殘留物留在設備晶圓表面 。
3 熔體流變能力
熱塑性聚合物適合作為臨時粘合劑材料的重要性質之一 ， 是在加熱時會發(fā)生可逆的軟化 。 這項性質可以用其熔體流變能力來描述 ， 該能力是指聚合物材料的動態(tài)黏度和溫度之間的關系 。 絕對黏度表述的是流體內部的流動阻力 ， 而動態(tài)黏度表述的是在流體相對其他水平面保持單位距離的條件下 ， 以單位速度移動水平面時 ， 每單位面積所需的切向力 。 動態(tài)黏度可以表明在對臨時接合的晶圓堆疊進行背面加工的過程中 ， 熱塑性接合材料在剪切力和應力的作用下將表現出哪些性質 。 確定粘合劑的熔體流變能力對于優(yōu)化接合條件、估計最高的使用中工作溫度 ， 以及預測接合層在研磨和沉淀加工中出現的壓縮性和拉伸性應力作用下的穩(wěn)定性都很有用 。 圖 2 展示出 3 種不同熱塑性粘合平臺的熔體流變能力曲線 ， 并展示出每個平臺的黏度隨溫度的變化 。
圖 2 中 ， 每個平臺熔體流變能力曲線的形狀體現了該平臺的熱塑性質 。 （請注意 ， 圖中繪制的復合黏度采用對數刻度 。 ）在某個特定溫度（稱為軟化點） ， 熔體黏度會快速下降 ， 隨后隨溫度的升高而或多或少地線性降低 。 材料 B 和 C 是高分子量的單組分熱塑性體系 ， 具有明顯的軟化點 ， 對應于從玻璃態(tài)到堅硬橡膠態(tài)的轉化 。 與之相對 ， 材料A 是低分子量樹脂和極高分子量聚合物的組合物 ， 與高分子量單組分聚合物的組合物相比 ， 其軟化速度快得多 ， 而且黏度會下降很多 。
熱塑性粘合劑配方中的多種元素會影響最終產品的熔體流變能力 ， 從而影響最大可用下游加工溫度 。 雖然分子量（可以將其視為大約是聚合物鏈的平均長度）會主導高于軟化溫度時的流體性質 ， 但是其他因素也會影響熔體流變能力 ， 包括向純聚合物中添加填充劑、支化、聚合物鏈的偶極相互作用和晶態(tài)相互作用、分子量分布 ， 以及在粘合劑中混合同種或異種聚合物 。 可以調整這些因素 ， 以產生最適合特定設備制造工藝的接合材料配方 。
4 Brewer Science 臨時接合材料的發(fā)展
我們已經開發(fā)出多代臨時接合材料 ， 以解決不同高級封裝應用中的薄晶圓處理難題 。 在不斷升高的工作溫度下接合層具有穩(wěn)定性 ， 以及在高應力點處能保持所接合晶圓堆疊的附著性 ， 這兩點需求已成為提高產品性能的主要推動力 。 表2 列出了我們的產品組合中每代接合材料的重要性質 。
5 適用于中度應力應用的 GEN 1 與 GEN 2高溫 (HT) 接合材料
我們的前兩代熱塑性接合材料經過精心設計 ， 與之前的工藝體系（例如熱熔蠟和對壓力很敏感的粘合劑）相比具有更高的熱穩(wěn)定性和耐溶劑性 。 這兩代材料主要用于在 2.5-D 和 3-D 集成方案中進行晶圓薄化和 TSV 顯露 。 這些接合材料是聚合物混合體系 ， 其兩種成分共同控制最終接合材料配方的流動與熔化溫度 。 它們具有很低的軟化點（60～ 80 ℃） ， 因此可以在 140～190 ℃ 的范圍內進行接合 ， 此外背面加工可以在 200 ℃時保持穩(wěn)定性 。 圖 3 展示了 GEN 1 和 GEN 2 接合材料的熱重分析 (TGA) 結果 ， 兩者在 200 ℃時的質量損失都＜2% 。 圖 4 是接合的晶圓堆疊在研磨和施加熱應力后的貫通接合 CSAM 影像 。 接合層沒有任何缺陷 ， 這表示 BrewerBOND誖220 材料在這些條件下具有出色的穩(wěn)定性 。
GEN 1 和 GEN 2 接合材料中所用的成分為非極性的類碳氫化合物成分 ， 它們可以耐受所有常用的光刻膠溶劑 ， 甚至是強力溶劑（例如光刻膠清潔工藝中所用的 NMP） 。 同樣 ， 這些接合材料不受酸溶液、基料和電鍍化學物的影響 。 如果將這些接合材料涂敷在設備晶圓上 ， 即使厚度達到 100 μm ， 產生的應力也很小 。 這一結論的證據是 ， 該配方產生后接合彎曲（對于全厚度的晶圓） 時的厚度＜5 μm ， 而其他接合材料平臺在厚度相當的晶圓上產生彎曲時的厚度是 80～150 μm 。 表 3 顯示了 在 使 用 分 別 涂 敷 BrewerBOND 誖 220 材料（GEN 2 材料）和 BrewerBOND誖 305 材料（專為高溫應用而設計的 GEN 3 材料）的基材時產生的典型晶圓彎曲 。 這些彎曲值是在將材料涂敷至超平晶圓并烘烤后確定的 。
GEN 1 和 GEN 2 接合材料主要與化學溶解或熱滑動剝離模式搭配使用 。 在化學溶解方法中 ， 接合的晶圓對采用多孔的玻璃晶圓作為載體 。 將接合的晶圓對浸泡在溶劑中 ， 溶劑將通過多孔的載體滲入接合層 ， 并溶解粘合劑 。 在熱滑動方法中 ， 接合的晶圓對位于兩個真空夾頭之間 ， 加熱到某溫度后 ， 熱塑粘合劑材料軟化 ， 此后向晶圓施加切向力 ， 會使兩者發(fā)生方向相反的滑動 ， 直到分離為止 。 GEN 1 和 GEN 2 材料在溫度＞150 ℃時具有很高的熔體流動能力 ， 這便于在接合工藝中采用良好的接合配方 ， 并在剝離工藝中實現快速的滑動分離 。
6 GEN 3 超高溫 (VHT) 接合材料
GEN 1 和 GEN 2 HT 粘合劑主要針對熱滑動剝離方法而設計 ， 能在高達 200 ℃的背面加工溫度下保持穩(wěn)定 。 由于只能通過應用更高的溫度和切向力來提高滑動剝離的速度（這可能會傷害已薄化的設備晶圓） ， 因此該方法不太適用于需要高生產量的制造環(huán)境 。 此外 ， 若設備基材在晶圓面向外部的一側具有很高的表面特征 ， 則此方法與該設備基材不兼容 ， 因為在分離過程中 ， 必須使用加熱的夾頭夾住該面 。 因此 ， 我們開發(fā)了 GEN 3 系列的熱塑性接合材料 ， 以便在高達 250 ℃的溫度下提供加工穩(wěn)定性 ， 并使用輕力剝離方法 。
GEN 3 熱塑性接合材料 BrewerBOND誖305是聚合物接合材料體系 。 該材料在 80～ 150 ℃范圍內軟化 ， 并在高達 180 ℃時保持很高的熔體黏度 ， 這使接合層能在很高的加工溫度下保持穩(wěn)定 ， 防止在機械應力下出現回流和層離 。 該材料可承受 250 ℃的加工溫度 ， 并具有出眾的熱解耐受力(T d ＞400 ℃) ， 此外對所有光刻膠溶劑和其他加工化學物也有出眾的耐受力 。 此外 ， 我們還開發(fā)了GEN 3 接合材料 ， 它采用新穎的機械剝離方法 ， 可以在室溫下以很低的機械力對晶圓進行分離 。 在此方法中 ， 與設備晶圓接觸的 GEN 3 接合材料接合到涂有聚合物層的載體晶圓上 ， 該聚合物層與接合材料構成強力的物理接合 ， 但不與接合材料表面發(fā)生化學發(fā)應 。 首先在兩個聚合物層之間開出一條裂縫 ， 輕輕偏轉載體晶圓使裂縫波及整個界面 ， 然后施加很小的剝離力即可剝離 。 完成剝離只需幾秒鐘時間 。 我們開發(fā)了多種施加旋轉的表面處理方法 ， 以便在載體上制作低能耗的表面 ， 從而控制接合材料與其接合的強度 。 圖 5 展示了GEN 3 接合材料的 TGA ， 圖 6 是接合晶圓 （在270 ℃環(huán)境下暴露 30 min 后 ， 采用 BrewerBOND誖305 材料）的 CSAM 影像 。
此外 ， 也可以使用激光輔助方法剝離 GEN 3接合材料 。 在激光剝離方法中 ， 會將高溫穩(wěn)定的超薄聚合物涂層體系（例如 BrewerBOND誖701 材料）涂敷到透明的玻璃載體上 ， 并以物理方式接合到GEN 3 接合材料 。 若使用 UV 準分子激光透過載體掃描該薄層 ， 該薄層將燒蝕（或分解） ， 從而釋放載體 。 激光釋放層對常用的 248、308 和 355 nm 的掃描波長非常敏感 。 此外 ， 該方法經過精心設計 ， 還可以在激光能量密度很低 (180 mJ/cm 2 ) 時進行干凈的燒蝕 ， 以實現高生產量的剝離 。 釋放層提供適用于多數粘合劑的出眾接合表面 ， 可耐受分解或流動時很高的背面加工溫度 。 在對激光釋放材料進行燒蝕所用的 UV 波長下 ， 我們的粘合劑不會吸收 ， 因此不必擔心在與激光釋放層接觸的接合材料表面上形成燒蝕殘留物 。 圖 7 展示了激光釋放層相對于波長的折射率(n)與 k 值 ， 顯示出在波長＜400 nm 出現高吸收 。 此圖展示了成功的晶圓剝離（使用 3.5 W 功率的 355 nm 激光光源） 。 請注意 ， 在光譜的深UV 部分 (200～350 nm) ， 吸收幅度很大 ， 如曲線在該區(qū)域的高 k 值所示 。 此圖展示了成功執(zhí)行激光剝離后的設備晶圓與透明的載體設備 。
7 適用于 FOWLP 的 GEN 3+ 接合材料
在 FOWLP 中 ， 會選取已知合格的芯片 ， 將其放置在基材上 ， 然后使用環(huán)氧樹脂成型化合物執(zhí)行超模壓 ， 從而生成重組晶圓 。 由于重組晶圓具有硅與環(huán)氧樹脂材料的混合組成物 ， 因此具有很大的內部應力 。 如果將這些基材薄化到＜400 μm ， 然后加熱到＞150 ℃ ， 通常會產生嚴重的彎曲和變形 ， 導致在標準的晶圓處理設備中幾乎不可能對其進行處理 。 因此 ， 將薄的重組晶圓臨時接合到載體 ， 以便在分離之前進行加工 ， 這已成為通用的作法 。
GEN 3+ 接合材料的開發(fā)目的是對重組晶圓（成分包括硅、氮化硅、多種金屬 ， 以及諸如聚酰亞胺、聚苯并惡唑 (PBO) 和苯并環(huán)丁烯 (BCB)等聚合物介電層）的表面產生很強的附著性 。 因此 ， 材料成分從非極性的熱塑性材料轉變?yōu)闃O性熱塑性材料 ， 以便具有更高的粘附強度 。 極性熱塑性材料一般會牢固粘附在設備材料和釋放層上 ， 因此使接合層對高溫加工期間（此時接合材料處于軟化狀態(tài)）的層離和形成空隙具有更好的耐受力 。
GEN 3+ 接合材料是熱塑性粘合劑體系 ， 其軟化溫度范圍是 100～50 ℃ 。 該材料具有很好的潤濕作用 ， 并能牢固粘附在半導體和重組晶圓上 。 此外 ， 它們還可以將加工熱穩(wěn)定性提高到225 ℃以上 ， 在某些情況下可以在高達 300 ℃時保持接合層穩(wěn)定性 。 圖 8 展示了 GEN 3+ 材料的TGA 光譜 ， 表明在高達 350 ℃時質量損失＜2% 。 該材料在施加 260 ℃的熱應力達 2 h 的情況下顯示出良好的接合層穩(wěn)定性 ， 如圖 9 中的接合晶圓對 CSAM 影像所示 。 GEN 3+ 接合材料可搭配使用多種伴隨機械層和激光釋放層 。 在諸如環(huán)戊酮等溶劑中 ， 極性 GEN 3+ 材料能快速完整溶解 ， 因此清潔速度快于先前各代熱塑性接合材料體系 。
在加工期間 ， 重組晶圓會對粘合劑層與各種釋放層之間的界面施加過大壓力 。 最近 ， 我們開發(fā)了新的聚合物機械釋放層 ， 它能提供與結合材料的更牢固的界面接合 ， 同時仍能執(zhí)行輕力機械剝離 。 在載體上對超薄 (0.15～0.25 μm) 聚合物機械釋放層施加旋轉 ， 只需在大約 200 ℃時短暫烘烤即可剝離（使用 BrewerBOND誖530 材料） 。 在執(zhí)行背面加工和剝離之后 ， 使用溶劑可以取下釋放層 ， 以輕松實現載體的回收利用 。 我們正在開發(fā)具有更高軟化點且在高達 275 ℃和 350 ℃時流動性更有限的其他 GEN 3+ 接合材料平臺 。
8 結論
臨時接合材料開發(fā)的推動力來自高級封裝工藝中薄晶圓處理要求的不斷變化 。 在處理殘留應力和滿足對粘附力、加工熱穩(wěn)定性、釋氣、化學物耐受和分離的要求方面 ， FOWLP、2.5-D 和 3-D IC 集成中的應用都對接合材料提出了獨特要求 。 深入了解接合材料的聚合物結構和其性質（例如熔體流動能力、熱穩(wěn)定性、可溶性和表面能）之間的關系對于開發(fā)滿足這些困難（并且經常彼此沖突）要求的臨時粘合體系不可或缺 。 單一材料無法滿足現在實施的許多不同制造工藝流程的要求 ， 因此需要一系列臨時粘合體系 。 我們預期臨時接合材料需要繼續(xù)提高可承受的加工溫度（高達 400 ℃） ， 以滿足新興應用（例如涉及高溫高壓的芯片到晶圓永久接合）的要求 。 為了回應這種預料之中的趨勢 ， 我們已經在對運用創(chuàng)新接合層架構的第四代高性能材料進行現場測試 。
半導體封裝Cu-Cu互連接頭燒結性能研究來源：半導體封裝工程師之家作者：吳松 張昱 曹萍 楊冠南 黃光漢 崔成強
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