基于纳米多孔金属的低温热压键合技术研究

3D system packaging can increase device integration and slove the problem of "More than Moore", while decreasing thermocompression bonding temperature is the key technique for 3D system packaging. This research will greatly boost the development of micro/nano fabrication, 3D packaging and heterogeneous integration. It includes: 1) Analysis the atom diffusion behaviors at the interface of nano thermocompression bonding, building the nanobonding model based on molecular dynamics(MD) and illustration the mechanism of thermocompression bonding using nanoporous metal; 2) Prepration of size-controlable nanoporous metal (gold and copper) using selctive corrsion (dealloying) and testing their structure and performances; 3)Low temperature thermocpmpression bonding experiments and multi-layer stack bonding applications using nanoporous metal, which can decrease the requirements for bonding temperature, pressure and surface roughness. Nowadays, 3D system packaging poses a new requirement for low cost and high performances (low stress and high reliability) fabrication, it is necessary and urgent to develope novel low temperature bonding technology. This project will open a path for nanopackaging and low temperature bonding techniques, and it will boost the development of system in packaging (SiP) and optoelectronic integration.

三维系统封装是提高器件集成度，超越摩尔定律的重要手段，而降低热压键合温度是三维系统封装技术发展的关键，本研究对微纳制造、三维封装、异质集成技术的发展具有积极推动作用。研究内容包括：1）理论分析纳米热压键合界面的原子扩散与受压变形行为，建立键合界面分子动力学（MD）模型，阐明纳米热压键合的内在机制；2）纳米多孔金属制备与性能测试，通过选择性腐蚀（脱合金化）及其改进技术制备出尺寸与性能可控的纳米多孔金属（Cu、Au），满足低温热压键合需求；3）基于纳米多孔金属的低温热压键合试验与应用研究，有效降低热压键合温度、压力和表面粗糙度要求。目前，三维系统封装对低成本、高性能（低应力、高可靠性）制造提出了新的要求，迫切需要发展新型低温键合技术。本项目实施为纳米封装与互连、低温键合技术研发开辟了新思路，对促进系统封装（SiP）、光电集成技术发展具有重要推动作用。

项目通过理论分析与分子动力学（MD）模拟，揭示纳米热压键合界面原子扩散与受压变形规律，并通过选择性腐蚀技术制备出纳米多孔铜作为键合层，实现了低温热压键合。该研究为纳米封装与互连、低温键合技术研发开辟了新思路，对促进系统封装（SiP）、光电集成技术发展具有重要推动作用。主要研究内容与结论包括：.1）基于分子动力学模拟，建立了应用纳米多孔铜（NPC）作为键合材料的纳米热压键合模型；分析了键合温度、压力、纳米多孔铜尺寸等因素对键合过程的影响；研究表明，空位迁移是纳米多孔铜界面热扩散的主导机制。.2）系统研究了工艺条件（合金成分、去合金化温度、腐蚀剂种类、元素掺杂、外加电场等）对纳米多孔铜结构（尺寸和形貌）及性能的影响。结果表明，纳米多孔铜材料的弹性模量和硬度随韧带尺寸减小而增加，但都明显低于纯铜块体材料的硬度（约为10%-20%），适合作为热压键合材料。.3）应用纳米多孔铜作为键合材料，在低温下（200℃和250℃）实现了纳米热压键合，键合强度大于8MPa；扫描电子显微镜（SEM）和扫描超声显微镜（SAM）测试表面，键合质量良好，键合界面无缺陷。.4）基于纳米热压键合原理，实现了三维封装多层（7层和10层）堆叠键合；将纳米热压键合技术应用于陶瓷覆铜板制备，开发出一种新型低温键合陶瓷基板（LTBC），具有制备温度低（低于400℃）、成本低，基板性能优良（热应力低，可靠性好），环保无污染等优点，满足大功率LED等功率器件封装散热需求。目前，该技术通过专利许可实现了技术转化与产业化。. 项目实施期间，项目组成员参加国内外学术交流15人次，接待国内外学术交流6人次；培养博士生和硕士生5人；发表学术论文12篇（其中SCI论文4篇，Ei收录论文7篇，1篇论文获国际会议优秀论文奖）；申请并授权专利2项；获2015年教育部技术发明一等奖，2016年国家技术发明二等奖。