面向高密度封装的低温自修复铜互连形成研究

With the rapid development of integrated circuits, the traditional Cu-Sn-Cu interconnect technology is faced with great challenges under the decrease of the micro-bump size and the increase of the bump density. High-quality pure Cu interconnection technology indicates a new direction of development high-density packaging. However, due to the high melting point and oxidizability of Cu, the formation temperature and purity of Cu interconnection structure are difficult to meet the packaging requirements. Therefore, according to the theory of size effect, this project proposes a low-temperature Cu interconnection process based on self-healing Cu nanosolders and explores the corresponding application in high-density packaging. Specifically, by studying the formation mechanism of Cu nanoparticles and the self-healing mechanism of oxides, the preparation of ultra-small Cu nanoparticles and self-healing Cu nanosolders are developed to reduce the formation temperature of Cu interconnection and improve the interconnection purity. By studying the adhesion mechanism between micro-bumps and nanosolders, the patterned coating process is developed to achieve the application of self-healing Cu nanosolders for high-density interconnection. By assessing the reliability of interconnected samples, the nanosolder preparation and patterned process are optimized to ensure the structural quality and durability of low-temperature self-healing Cu interconnections. The successful implementation of this project will strongly promote the wide application of pure Cu interconnection technology in high-density packaging industry, which has important research significance and practical application value.

随着集成电路的快速发展，传统铜-锡-铜互连技术在微凸点尺寸微缩及密度增加的现状下面临极大挑战，高品质纯铜互连技术为高密度封装指明了新的发展方向。然而，由于铜材料的高熔点、易氧化特性，铜互连的形成温度与纯度难以满足封装需求。为此，本项目以尺度效应为理论基础，提出一种基于可自修复铜纳米焊料的低温铜互连工艺，并探索其在高密度封装中的图形化应用。具体通过研究铜纳米颗粒的形成与氧化物自修复机制，开发极细铜纳米颗粒合成与可自修复铜纳米焊料的制备工艺，以降低铜互连形成温度并提高互连纯度；通过研究铜纳米焊料与微凸点间的吸附机制，开发图形化涂覆工艺，以实现可自修复铜纳米焊料在高密度互连中的应用；通过对互连样品的可靠性评估，协同优化纳米焊料制备与图形化工艺，以保证低温自修复铜互连的结构质量与耐久性。本项目的成功执行将有力推动纯铜互连技术在高密度封装产业中的广泛应用，具有重要的研究意义与实际应用价值。

随着集成电路的快速发展，传统的锡基互连技术在集成电路尺寸微缩、密度增加、功率增加的现状下面临极大挑战，高质量的铜铜键合技术为先进封装互连指明了新的发展方向。然而，铜材料熔点高、易氧化，铜互连的形成温度及纯度难以满足封装需求。.本项目围绕以上技术痛点，围绕降低键合温度、控制铜氧化、实现高密度图形化等主要内容展开了系列研究，并根据当今功率半导体产业化迫切需求展开了纳米银烧结技术的开发，所实现的重要研究进展、关键数据及科学意义列举如下：.1. 基于极细铜纳米颗粒互连键合。提出了一种铜纳米团聚体的制备方法，使得5nm左右的极细铜纳米颗粒可在铜纳米团聚体表面附着，解决了极细铜纳米颗粒的收集难题，并同时保证了其低温烧结键合性能；.2. 基于氧化物自修复纳米铜焊膏的互连键合。开发了一种氧化物自修复铜纳米焊膏的制备方法与低温键合方法，可在氩气环境下经250°C实现强度超过25MPa的键合强度，免除了工艺过程对还原性气氛的依赖；.3. 用于柔性印刷电路的银离子墨水及改性研究。将氧化物自修复思路应用至银离子墨水及印刷电路中，并通过PVAc改性大幅提升了印刷电路的低温烧结电导率与可折叠性；.4. 基于银离子浆料的Cu-Ag-Cu互连。根据银离子墨水研究，将银离子墨水稠化后的浆料应用至铜互连中，可在200°C、1MPa下实现10min快速键合，并达到超过20MPa的键合强度；.5. 纳米焊膏的图形化及高密度互连形成。提出了一种选择性润湿的快速图形化方法，最低可将纳米银颗粒涂覆至5μm微凸点表面，并在250°C下实现强度为22.92MPa的高密度Cu-Ag-Cu互连；.6. 空气下铜MOD辅助的铜互连键合。提出了一种Cu MOD辅助的自还原纳米铜焊膏的制备方法，并可在空气环境、250°C下实现强度高达52.01MPa的互连键合，进一步提升了实际应用价值；.7. 银MOD辅助的低温Cu-Ag-Cu互连键合。提出了一种将稠化后的MOD引入纳米银焊膏中以提升低温烧结及键合性能的新方法，可在175°C的键合温度及10MPa的键合压力下实现剪切强度超过40MPa的互连键合，此技术有望扩充至更多的半导体低温封装应用场景。