?半导体封装Cu-Cu互连接头烧结性能研究

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失效分析赵工半导体工程师 2024年10月01日 10:01 北京摘要：
使用不添加任何助焊剂的铜膏，获得了高烧结性能的Cu-Cu 互连接头。使用扫描电子显微镜、X 射线衍射仪和热重分析仪对粒径分别为（20±10） nm、（80±20） nm 和（100±20） nm 的纳米铜颗粒进行分析表征。选择粒径为（80±20） nm 的纳米铜颗粒和松油醇混合配成纳米铜膏，用于互连接头的烧结性能研究。探究了不同的烧结温度、保温时间、升温速率和烧结压力对互连接头的剪切强度和失效面微观形貌的影响，得出了最佳的工艺参数。在升温速率为0.1 ℃/s、保温时间为30 min、烧结温度为260℃和无压条件下烧结，互连接头的剪切强度达到了5.0 MPa 。在同样的升温速率和保温时间、烧结温度为300 ℃、压力为5 MPa 的条件下烧结，互连接头的剪切强度达到了33.3 MPa 。 Cu-Cu互连接头能够满足功率半导体器件的互连应用要求。
1 引言
以Si 和GaAs 基为代表的传统功率半导体器件，广泛应用于计算机、通信、消费电子、汽车电子等行业，然而其在功率处理、最高频率和工作温度方面正接近物理极限[1-2
，不能适应行业向高频、高温、高功率和耐恶劣环境的发展方向的要求[3-4
，例如Si基器件在200 ℃以上工作，会在自加热下导致内部温度的升高[5
。以SiC和GaN基为代表的第三代功率半导体器件相对于传统功率半导体器件，具有更大的禁带宽度和更高的击穿电压，能够在恶劣环境下工作，因而成为功率半导体器件的关键性技术。严苛的应用环境对封装互连材料提出了更高的要求，比如需要其具有优越的热传导性能、耐高温、高机械性能以及高可靠性[6
。
应用于第三代功率半导体器件的封装互连材料主要有纳米银膏和纳米铜膏。由于尺寸效应，纳米材料相较块体材料具有更低的熔点、更大的比表面积，在互连过程中表现得更加活跃。这表明纳米尺度的互连有望在低温下进行[7-8
。大量研究结果表明，纳米铜颗粒和纳米银颗粒能够在低温下实现烧结，烧结成型后具有与块体金属相近的熔点，且满足“低温成型，高温服役”的需求[9-10
。铜材料具有和银材料相近的导电率、导热率，同时具有更低的成本，且不易发生电迁移现象，受到了研究者的青睐。低温烧结技术利用了纳米铜颗粒能够低温成型的特性，烧结后纳米铜互连层形成网状互连结构，纳米铜和基板之间通过金属扩散形成有效互连。烧结工艺的参数选择对互连接头的烧结性能具有重要影响[11
，现有工艺通常在铜膏中添加助焊剂，并在高压、高温下辅助烧结，以提高互连接头的烧结性能。 LI等人[12
将粒径为80~120 nm的纳米铜颗粒与N－甲基－2－吡咯烷酮混合，配成纳米铜颗粒质量分数为70%的铜膏，在氢/氩混合气氛、烧结温度为350℃下烧结，随着烧结压力从20MPa上升到40MPa ，互连接头的剪切强度从22.96 MPa 提高到28.43 MPa 。然而较高的烧结温度和压力必然会极大地降低封装器件的良率。 ZUO等人[13
将平均直径为50 nm的纳米铜颗粒在主要成分为磷酸、硝酸锌和正磷酸二氢锌的烧结促进剂中处理30 min 后，干燥成粉末，最后与有机溶剂混合制备成纳米铜膏，在烧结压力为2 MPa、烧结温度分别为175℃和300℃下烧结，得到了剪切强度分别为1.1 MPa 和9.4 MPa 的互连接头。烧结促进剂中的无机酸和有机卤素等成分对温度敏感，会对封装基板进行腐蚀，且烧结后会有大量残留，这会极大地影响互连接头的烧结性能。为了满足易碎和热敏芯片的严格封装要求，需要进一步降低烧结温度和压力，同时减少铜膏中的杂质。因此，迫切需要在低温（不高于300 ℃）、低压（不高于5 MPa）和不添加烧结促进剂的情况下，探究工艺参数对互连接头烧结性能的影响，以提高互连接头的烧结性能。
为了应对这些挑战，本研究在低压、低温和不添加任何烧结促进剂的情况下，探究保温时间、升温速率和烧结压力对互连接头的剪切强度和失效面微观形貌的影响，并得出最佳的工艺参数，在氢/氩混合气氛的保护下，实现高强度的Cu-Cu互连接头。
2 试验材料与方法
2.1 纳米铜膏的制备和互连工艺
首先把粒径为（20±10）nm、（80±20）nm 和（100±20）nm 的商用麦克林纳米铜粉在稀硫酸水溶液（浓度为8%）中进行超声洗涤，然后放入真空干燥箱中干燥，最后分别把3种铜粉和松油醇按照8:2 的重量比均匀混合，配成纳米铜膏。为了更好地模拟电子工业中实际的Cu-Cu 互连接头，本文设计了一种模拟芯片（表面镀Ti/Cu 铜板）/ 纳米铜膏/ 基板（表面镀Ti/Cu铜板）的三明治结构。模拟芯片的尺寸为4 mm×4 mm×0.8 mm ，基板尺寸为10 mm×10 mm×0.8 mm 。本研究中Cu-Cu互连工艺过程如下：第一步，对模拟芯片和裸铜基板进行抛光处理，然后在其表面镀厚度为2 μm 的Ti/Cu 层；第二步，通过丝网印刷的方式在裸铜基板上印刷厚度为120 μm 的铜膏，接着把模拟芯片覆盖在铜膏上，形成三明治结构的互连样品；最后，把样品置于热压炉，在氢氩混合气氛（氢气的体积分数为5% ，氩气的体积分数为95%）中，选择在一定的升温速率、烧结压力以及温度下进行互连。
2.2 测试与表征方法
使用场发射扫描电子显微镜（型号为SU8220 ，日本Hitachi 公司）观察样品颗粒的粒径和形貌，采用X射线衍射仪（型号为D8 ADVANCE ，德国Bruker 公司）测定样品的物相和结构，采用高温同步热分析仪（型号为TGA/DSC3+ ，瑞士Mettler Toledo 公司）在氮气气氛下检测样品在25~600 ℃温度范围内的热行为，采用IC 封装焊接强度测试仪（型号为SERIES-4000 ，英国Dage 公司）测试Cu-Cu 互连接头的剪切强度。对8个样品进行测试，取其平均值为剪切强度。
【?半导体封装Cu-Cu互连接头烧结性能研究】3 纳米铜颗粒表征
图1 是3 种粒径纳米铜颗粒的扫描电子显微镜（SEM）照片，可见3 种纳米铜颗粒在不同程度上都存在团聚现象，分散性较差，其中粒径为（20±10）nm 的纳米铜颗粒因其粒径最小，表面能最大，团聚现象最为严重。粒径为（80±20）nm和（100±20）nm的纳米铜颗粒因为其粒径相对较大，团聚现象较为轻微。

为了测试3种粒径纳米铜颗粒的氧化情况和不同温度下的热行为，对其进行了X射线衍射（XRD）测试和热重（TG）测试，图2 是纳米铜颗粒的XRD 和TG图谱。

3 种纳米铜颗粒在2θ=43.3°、2θ=50.4°和2θ=74.1°处都有明显的衍射峰，分别对应着面心立方结构的单质铜Cu（111）、Cu（200）和Cu（220）晶面。其中粒径为（20±10）nm 和（80±20）nm 的纳米铜颗粒，可在36.5°处观察到轻微的衍射峰，该衍射峰对应着Cu2O（111）晶面，这说明铜颗粒发生了轻微的氧化；而粒径为（100±20）nm 的纳米铜颗粒除了在36.5°处有明显的代表Cu2O（111）晶面的衍射峰存在，在42.5°和61.6°处还有代表Cu2O（200）和Cu2O（220）面的衍射峰存在，这说明粒径为（100±20）nm 的纳米铜颗粒相较于粒径（20±10）nm 和（80±20）nm 的纳米铜颗粒，被氧化程度更深。铜颗粒表面的氧化层会极大地阻碍烧结互连过程中铜颗粒、基板和芯片之间的互连，使得互连条件更加苛刻。纳米铜颗粒在25~600℃的TG图谱如图2（b）所示。 3种纳米铜颗粒在整个升温过程中都伴随着重量的损失，低于150℃失重的主要原因为铜粉中残留溶剂的挥发，高于150℃失重的原因可能是残留的小分子有机物分解。粒径为（20±10）nm的纳米铜颗粒的重量总损失为0.48% ，高于150 ℃的重量损失（0.16%）；粒径为（80±20）nm 的纳米铜颗粒的重量总损失为0.85% ，高于150 ℃的重量损失（0.43%）；粒径为（100±20）nm 的纳米铜颗粒的总重量损失为0.93% ，高于150℃的重量损失（0.51%）。 3种纳米铜颗粒的总重量损失都小于1% ，这说明铜颗粒的纯度非常高。通过对比发现，粒径为（80±20）nm 的纳米铜颗粒发生团聚的情况较少，仅有轻微氧化，且高温下质量损失较少。因此，选择粒径为（80±20）nm 的纳米铜颗粒配成铜膏，进行互连工艺的研究。
4 互连接头的烧结性能研究
在不同烧结工艺参数下对纳米铜膏进行互连，进而探究保温时间、升温速率和烧结压力对Cu-Cu互连接头烧结性能和微观组织形貌的影响，从试验结果中得出最佳工艺参数。
4.1 保温时间
在0.1 ℃/s 的升温速率以及不同的烧结温度下对互连接头进行无压烧结，并探究不同保温时间（10 min、30 min和50 min）对互连接头剪切强度的影响，如图3所示。保温时间从10 min提高到30 min ，互连接头的剪切强度得到了巨大的提升，其中，在260℃的烧结温度下剪切强度提升最大，提高了138.1% 。从30 min提高到50 min ，互连接头的剪切强度普遍发生大幅度下降，其中，在260 ℃的烧结温度下剪切强度下降最多，下降了66% 。这说明保温时间的提高，并不一定有利于提高互连接头的剪切强度。保温时间为10 min 和50 min 时，烧结温度的提高有助于提高互连接头的剪切强度；然而保温时间为30 min、烧结温度从260℃提高到300 ℃时，互连接头的剪切强度反而下降了22% 。这说明保温时间和烧结温度共同决定了互连接头的烧结性能。当保温时间为30 min、烧结温度为260℃时，互连接头的剪切强度最高可达到5.0 MPa 。

为了更加直观地观察保温时间对互连接头微观组织形貌的影响，检测在260℃的烧结温度、不同保温时间下互连接头的失效面，其SEM 图和孔隙图见图4 。在不同保温时间下，可以观察到纳米铜颗粒之间存在烧结颈，说明接头已经形成良好的连接。孔隙率和互连强度具有密切的关系，通常孔隙率越高互连性能越好，互连接头的剪切强度越高。在保温时间为30 min时，互连接头的孔隙率最小，为19.7%；在保温时间分别为10 min 和50 min 时，孔隙率相对较大，分别为40%和38% 。保温时间太短，纳米铜颗粒之间、纳米铜颗粒与铜基板之间的物质扩散相对较少，使得孔隙相对较大；保温时间太长，物质扩散会更倾向于发生在纳米铜颗粒之间，而不是纳米铜颗粒与铜基板之间的，这会造成纳米铜颗粒与铜基板之间形成较大的孔隙，导致互连接头的剪切强度降低。在保温时间为30 min 时，纳米铜颗粒之间以及铜颗粒、铜基板和芯片之间的物质扩散刚好处在一种平衡的状态，此时剪切强度达到最大。
为了更加直观地观察保温时间对互连接头微观组织形貌的影响，检测在260℃的烧结温度、不同保温时间下互连接头的失效面，其SEM 图和孔隙图见图4 。在不同保温时间下，可以观察到纳米铜颗粒之间存在烧结颈，说明接头已经形成良好的连接。孔隙率和互连强度具有密切的关系，通常孔隙率越高互连性能越好，互连接头的剪切强度越高。在保温时间为30 min时，互连接头的孔隙率最小，为19.7%；在保温时间分别为10 min 和50 min 时，孔隙率相对较大，分别为40%和38% 。保温时间太短，纳米铜颗粒之间、纳米铜颗粒与铜基板之间的物质扩散相对较少，使得孔隙相对较大；保温时间太长，物质扩散会更倾向于发生在纳米铜颗粒之间，而不是纳米铜颗粒与铜基板之间的，这会造成纳米铜颗粒与铜基板之间形成较大的孔隙，导致互连接头的剪切强度降低。在保温时间为30 min 时，纳米铜颗粒之间以及铜颗粒、铜基板和芯片之间的物质扩散刚好处在一种平衡的状态，此时剪切强度达到最大。

4.2 升温速率
在保温时间为30 min 以及不同的烧结温度条件下，对互连接头进行无压烧结，并探究不同升温速率（0.1 ℃/s 和1 ℃/s）对互连接头剪切强度的影响，不同升温速率下互连接头的剪切强度如图5所示。当升温速率为0.1 ℃/s 时，互连接头剪切强度随着烧结温度的增加呈现先升高后降低的趋势，在烧结温度为260 ℃时，剪切强度达到最高，为5.0 MPa；当升温速率为1℃/s时，互连接头剪切强度随着烧结温度的增加呈现先降低后升高的趋势，在烧结温度为260℃时，剪切强度达到最低，为2.7 MPa 。烧结温度为260 ℃时，升温速率为0.1 ℃/s 的互连接头剪切强度是升温速率为1℃/s 的互连接头剪切强度的近1.9 倍。而在烧结温度分别为220 ℃和300 ℃时， 2 种升温速率下的互连接头剪切强度相差不大。这说明烧结温度和升温速率共同影响着互连接头的烧结性能。当烧结温度较低时，选择较高的升温速率，而当烧结温度较高时，选择较低的升温速率，均有助于提高互连接头的剪切强度。
图6是在烧结温度为260℃、不同升温速率下的互连接头失效面的SEM 图和孔隙图，从中可以更加直观地观察升温速率对互连接头微观组织形貌的影响。在2种升温速率下进行烧结时，纳米铜颗粒之间均已形成明显的烧结颈，烧结组织也较为粗大。在升温速率为0.1℃/s 时，纳米铜颗粒之间的孔隙小而多，孔隙率相对较小，为19.7%；在升温速率为1 ℃/s 时，纳米铜颗粒之间的孔隙大而少，孔隙率相对较大，为31% 。大孔洞周围会出现较大的应力，这会降低互连接头的剪切强度。在较高的升温速率下，纳米铜膏样品中的溶剂在短时间内剧烈沸腾，同时快速地大量挥发，使得互连接头内部产生大的孔隙甚至是裂纹，这会极大地降低封装器件的可靠性。

4.3 烧结压力
在保温时间为30 min、升温速率为0.1 ℃/s 以及不同的烧结温度下，探究不同烧结压力（0 MPa、2 MPa和5 MPa）对互连接头剪切强度的影响，互连接头剪切强度如图7所示。在不同的烧结温度下，提高烧结压力都能提高互连接头的剪切强度，烧结压力和剪切强度呈正相关。然而，随着烧结压力的提升，压力对剪切强度的影响急剧变小，压力从0 MPa 提高到2 MPa时，剪切强度提升了100%~633.3%；从2 MPa 提高到5 MPa时，剪切强度的提升仅为16.4%~75% 。只有在无压力下烧结时，压力对互连接头的剪切强度起到关键作用。当烧结压力较大时，会降低封装器件在低温烧结过程中的良率，通过增大烧结压力来提高互连接头剪切强度的意义不大。当烧结压力为5 MPa、烧结温度为300℃时，互连接头的剪切强度最大，为33.3 MPa 。

图8 为当烧结压力分别为0 MPa 和2 MPa 时互连接头失效面的SEM 图和孔隙图，从中可以进一步探究烧结压力对互连接头微观组织形貌的影响。

从图8（a）可以看出，当温度为220~300 ℃时，无压烧结失效面的铜颗粒之间已经形成了明显的烧结颈，但是没有出现互连组织被剪切的痕迹，说明互连接头的烧结性能较差。从图8（b）可以看出，随着烧结温度的上升，在无压烧结失效面中的互连接头孔隙发生变化，在220℃时孔隙率为21.3% ，在260 ℃时孔隙率降低至19.7% ，在300℃时孔隙率上升至33.8% 。从图8（c）可以看出，在2 MPa 的烧结压力下，烧结温度低至220℃ ，互连接头的失效面已经出现了明显的剪切痕迹，说明此时已经形成了有效的互连，且随着烧结温度的提高，剪切痕迹愈加明显，互连组织也愈加强壮。从图8（d）可以看出，随着烧结温度的提高，互连接头的孔隙逐渐减少，在220℃时孔隙率为14.7% ，在260 ℃时孔隙率降低至11.5% ，在300 ℃时降低至9.6% ，且该互连接头的孔隙率明显低于无压烧结的互连接头，说明在2 MPa 的烧结压力下，随着烧结温度的提高，互连接头的剪切强度在进一步增强，且增加烧结压力有助于提高互连接头的剪切强度。
5 结论
本文探究了保温时间、升温速率和烧结压力对互连接头的剪切强度和失效面微观形貌的影响。在无压烧结时，随着保温时间的延长，互连接头的剪切强度先增大后减小。当保温时间为30 min时，互连接头的剪切强度最高，可以达到5.0 MPa 。当烧结温度较低时，选择较高的升温速率，当烧结温度较高时，选择较低的升温速率，有助于提高互连接头的剪切强度。烧结压力的提高会增强互连接头的剪切强度，但是压力对剪切强度提升的影响会变小，在5 MPa 的烧结压力下，剪切强度能达到33.3 MPa 。使用不添加烧结促进剂的铜膏在低温、低压下进行烧结，获得了高剪切强度的Cu-Cu互连接头，大大促进了铜膏在功率半导体器件封装中的互连应用。
解决高级半导体封装应用难题的临时接合技术发展RamachandranK. Trichur ， Tony D. Flaim
摘要：
薄晶圆处理 (TWH) 技术的应用在逐渐增长和多样化，该技术将设备基材临时接合到支撑载体上。 TWH 技术广泛用于高级半导体封装的应用中，例如用于制造具有 TSV 、 3D-IC 和扇出型晶圆级封装的 2.5-D 中介层。临时接合技术已得到成功运用，可以在这些高级封装形式的制造过程中，对常见的所有背面加工中的薄基材进行处理。在解决每项应用中独特难题的过程中，引入了多代的粘合剂接合材料和新的接合与分离（剥离）技术。回顾了 TWH 技术的发展，并对加工的要求和复杂性（可对选择的接合材料与剥离方法进行界定）进行说明。
10 年前，没有人能预言如今无处不在的智能手机和个人设备（例如可穿戴设备）对日常生活产生的影响。硬件、软件与用户体验在过去 10 年中的多项变革性发展共同引导我们走到今天。例如，重新定义的手机硬件和彻底改造的接口将手机从纯粹的语音通讯工具变为强大的多功能设备，手机具有通用的物联网 (IoT) 应用接口，同时能作为门户来使用社交媒体、视频流以及种类不断增加的生产应用。这些应用连同移动电子产品与电子消费品中仍在不断涌现的应用，正推动半导体行业专注于提高集成能力与规模，以满足日益增加的性能和功能需求，以及对降低成本、尺寸和功耗的要求。
薄晶圆处理 (TWH) 技术应用的发展和多样性也与此大致相同，该技术将设备基材临时接合到支撑载体上。 TWH 技术在大约 16 年前引入，目的是为了解决对脆弱的 III-V 和化合物半导体基材进行薄化和处理时出现的问题。此后，该技术广泛用于高级半导体封装的应用中，例如用于制造具有 TSV、3D-IC 和扇出型晶圆级封装 (FOWLP)的 2.5-D 中介层。临时接合技术已得到成功运用，可以在这些高级封装形式的制造过程中，对常见的所有背面加工中的薄基材进行处理。在解决每项应用中独特难题的过程中，引入了多代的粘合剂接合材料和新的接合与分离（剥离）技术。本文将回顾 TWH 技术的发展，并对加工的要求和复杂性（可对选择的接合材料与剥离方法进行界定）进行说明。
1 临时接合技术
临时接合技术使用聚合物接合材料或粘合剂，将设备基材临时固定在坚硬载体上，从而以机械方式固定设备基材。在许多情况下，聚合物粘合剂会与载体上涂敷的另一种聚合物层搭配使用（粘合剂粘附在该层上）。该聚合物层有助于在背面加工完成后分离接合的结构。在薄化和随后的背面加工期间，接合材料与载体基材会以机械方式支撑设备晶圆。对结构进行分离（或剥离）的主要方法包括在粘合剂和聚合物层之间采用热滑动、轻力剥离（机械剥离），以及对聚合物层进行激光烧蚀（激光剥离）以释放载体。这些工艺如图 1 所示。

最初，将晶圆厚度研磨到＜100 μm 后，蜡是临时接合所用的主要粘合材料。但是蜡的流变性质很差，热稳定性有限，很难应用，这迫使高级的半导体封装需寻求更好的接合材料解决方案。因此，人们开发了多代的聚合物粘合剂，它们具有更高的加工热机械稳定性，并在加工结束后更易于剥离。通过这些材料，可以处理超薄的基材 (＜50 μm) ，以及非常容易弯曲和变形的基材（例如高级 FOWLP流程工艺中所用的重组晶圆和面板）。表 1 展示了薄晶圆处理技术的重要趋势，以及对该技术用于大批量制造的预期。

2 使用热塑性粘合剂进行热压接合
热塑性粘合剂材料具有进行临时晶圆接合的多种优势。这些优势包括：(1) 能通过选择组合参数来微调软化温度、黏性、附着性与模数，进而控制接合温度和接合材料向结构施加的应力等级；(2)能在加工结束并分离结构后，通过溶剂溶解来消除设备晶圆中的热塑性材料。这些功能与所有主要剥离方法（包括化学溶解、机械剥离、热滑动以及激光辅助剥离）兼容。同时，热塑性接合材料的性质与液态可固化型粘合剂形成鲜明对比，后者在接合加工时会变为交联状态，因此在分离后无法溶解。必须改为将其整层从基材上剥离，这样很容易破坏金属设备特性，并将复杂的残留物留在设备晶圆表面。
3 熔体流变能力
热塑性聚合物适合作为临时粘合剂材料的重要性质之一，是在加热时会发生可逆的软化。这项性质可以用其熔体流变能力来描述，该能力是指聚合物材料的动态黏度和温度之间的关系。绝对黏度表述的是流体内部的流动阻力，而动态黏度表述的是在流体相对其他水平面保持单位距离的条件下，以单位速度移动水平面时，每单位面积所需的切向力。动态黏度可以表明在对临时接合的晶圆堆叠进行背面加工的过程中，热塑性接合材料在剪切力和应力的作用下将表现出哪些性质。确定粘合剂的熔体流变能力对于优化接合条件、估计最高的使用中工作温度，以及预测接合层在研磨和沉淀加工中出现的压缩性和拉伸性应力作用下的稳定性都很有用。图 2 展示出 3 种不同热塑性粘合平台的熔体流变能力曲线，并展示出每个平台的黏度随温度的变化。

图 2 中，每个平台熔体流变能力曲线的形状体现了该平台的热塑性质。（请注意，图中绘制的复合黏度采用对数刻度。）在某个特定温度（称为软化点），熔体黏度会快速下降，随后随温度的升高而或多或少地线性降低。材料 B 和 C 是高分子量的单组分热塑性体系，具有明显的软化点，对应于从玻璃态到坚硬橡胶态的转化。与之相对，材料A 是低分子量树脂和极高分子量聚合物的组合物，与高分子量单组分聚合物的组合物相比，其软化速度快得多，而且黏度会下降很多。
热塑性粘合剂配方中的多种元素会影响最终产品的熔体流变能力，从而影响最大可用下游加工温度。虽然分子量（可以将其视为大约是聚合物链的平均长度）会主导高于软化温度时的流体性质，但是其他因素也会影响熔体流变能力，包括向纯聚合物中添加填充剂、支化、聚合物链的偶极相互作用和晶态相互作用、分子量分布，以及在粘合剂中混合同种或异种聚合物。可以调整这些因素，以产生最适合特定设备制造工艺的接合材料配方。
4 Brewer Science 临时接合材料的发展
我们已经开发出多代临时接合材料，以解决不同高级封装应用中的薄晶圆处理难题。在不断升高的工作温度下接合层具有稳定性，以及在高应力点处能保持所接合晶圆堆叠的附着性，这两点需求已成为提高产品性能的主要推动力。表2 列出了我们的产品组合中每代接合材料的重要性质。

5 适用于中度应力应用的 GEN 1 与 GEN 2高温 (HT) 接合材料
我们的前两代热塑性接合材料经过精心设计，与之前的工艺体系（例如热熔蜡和对压力很敏感的粘合剂）相比具有更高的热稳定性和耐溶剂性。这两代材料主要用于在 2.5-D 和 3-D 集成方案中进行晶圆薄化和 TSV 显露。这些接合材料是聚合物混合体系，其两种成分共同控制最终接合材料配方的流动与熔化温度。它们具有很低的软化点（60～ 80 ℃），因此可以在 140～190 ℃ 的范围内进行接合，此外背面加工可以在 200 ℃时保持稳定性。图 3 展示了 GEN 1 和 GEN 2 接合材料的热重分析 (TGA) 结果，两者在 200 ℃时的质量损失都＜2% 。图 4 是接合的晶圆堆叠在研磨和施加热应力后的贯通接合 CSAM 影像。接合层没有任何缺陷，这表示 BrewerBOND誖220 材料在这些条件下具有出色的稳定性。

GEN 1 和 GEN 2 接合材料中所用的成分为非极性的类碳氢化合物成分，它们可以耐受所有常用的光刻胶溶剂，甚至是强力溶剂（例如光刻胶清洁工艺中所用的 NMP）。同样，这些接合材料不受酸溶液、基料和电镀化学物的影响。如果将这些接合材料涂敷在设备晶圆上，即使厚度达到 100 μm ，产生的应力也很小。这一结论的证据是，该配方产生后接合弯曲（对于全厚度的晶圆）时的厚度＜5 μm ，而其他接合材料平台在厚度相当的晶圆上产生弯曲时的厚度是 80～150 μm 。表 3 显示了在使用分别涂敷 BrewerBOND 誖 220 材料（GEN 2 材料）和 BrewerBOND誖 305 材料（专为高温应用而设计的 GEN 3 材料）的基材时产生的典型晶圆弯曲。这些弯曲值是在将材料涂敷至超平晶圆并烘烤后确定的。

GEN 1 和 GEN 2 接合材料主要与化学溶解或热滑动剥离模式搭配使用。在化学溶解方法中，接合的晶圆对采用多孔的玻璃晶圆作为载体。将接合的晶圆对浸泡在溶剂中，溶剂将通过多孔的载体渗入接合层，并溶解粘合剂。在热滑动方法中，接合的晶圆对位于两个真空夹头之间，加热到某温度后，热塑粘合剂材料软化，此后向晶圆施加切向力，会使两者发生方向相反的滑动，直到分离为止。 GEN 1 和 GEN 2 材料在温度＞150 ℃时具有很高的熔体流动能力，这便于在接合工艺中采用良好的接合配方，并在剥离工艺中实现快速的滑动分离。
6 GEN 3 超高温 (VHT) 接合材料
GEN 1 和 GEN 2 HT 粘合剂主要针对热滑动剥离方法而设计，能在高达 200 ℃的背面加工温度下保持稳定。由于只能通过应用更高的温度和切向力来提高滑动剥离的速度（这可能会伤害已薄化的设备晶圆），因此该方法不太适用于需要高生产量的制造环境。此外，若设备基材在晶圆面向外部的一侧具有很高的表面特征，则此方法与该设备基材不兼容，因为在分离过程中，必须使用加热的夹头夹住该面。因此，我们开发了 GEN 3 系列的热塑性接合材料，以便在高达 250 ℃的温度下提供加工稳定性，并使用轻力剥离方法。
GEN 3 热塑性接合材料 BrewerBOND誖305是聚合物接合材料体系。该材料在 80～ 150 ℃范围内软化，并在高达 180 ℃时保持很高的熔体黏度，这使接合层能在很高的加工温度下保持稳定，防止在机械应力下出现回流和层离。该材料可承受 250 ℃的加工温度，并具有出众的热解耐受力(T d ＞400 ℃) ，此外对所有光刻胶溶剂和其他加工化学物也有出众的耐受力。此外，我们还开发了GEN 3 接合材料，它采用新颖的机械剥离方法，可以在室温下以很低的机械力对晶圆进行分离。在此方法中，与设备晶圆接触的 GEN 3 接合材料接合到涂有聚合物层的载体晶圆上，该聚合物层与接合材料构成强力的物理接合，但不与接合材料表面发生化学发应。首先在两个聚合物层之间开出一条裂缝，轻轻偏转载体晶圆使裂缝波及整个界面，然后施加很小的剥离力即可剥离。完成剥离只需几秒钟时间。我们开发了多种施加旋转的表面处理方法，以便在载体上制作低能耗的表面，从而控制接合材料与其接合的强度。图 5 展示了GEN 3 接合材料的 TGA ，图 6 是接合晶圆（在270 ℃环境下暴露 30 min 后，采用 BrewerBOND誖305 材料）的 CSAM 影像。

此外，也可以使用激光辅助方法剥离 GEN 3接合材料。在激光剥离方法中，会将高温稳定的超薄聚合物涂层体系（例如 BrewerBOND誖701 材料）涂敷到透明的玻璃载体上，并以物理方式接合到GEN 3 接合材料。若使用 UV 准分子激光透过载体扫描该薄层，该薄层将烧蚀（或分解），从而释放载体。激光释放层对常用的 248、308 和 355 nm 的扫描波长非常敏感。此外，该方法经过精心设计，还可以在激光能量密度很低 (180 mJ/cm 2 ) 时进行干净的烧蚀，以实现高生产量的剥离。释放层提供适用于多数粘合剂的出众接合表面，可耐受分解或流动时很高的背面加工温度。在对激光释放材料进行烧蚀所用的 UV 波长下，我们的粘合剂不会吸收，因此不必担心在与激光释放层接触的接合材料表面上形成烧蚀残留物。图 7 展示了激光释放层相对于波长的折射率(n)与 k 值，显示出在波长＜400 nm 出现高吸收。此图展示了成功的晶圆剥离（使用 3.5 W 功率的 355 nm 激光光源）。请注意，在光谱的深UV 部分 (200～350 nm) ，吸收幅度很大，如曲线在该区域的高 k 值所示。此图展示了成功执行激光剥离后的设备晶圆与透明的载体设备。

7 适用于 FOWLP 的 GEN 3+ 接合材料
在 FOWLP 中，会选取已知合格的芯片，将其放置在基材上，然后使用环氧树脂成型化合物执行超模压，从而生成重组晶圆。由于重组晶圆具有硅与环氧树脂材料的混合组成物，因此具有很大的内部应力。如果将这些基材薄化到＜400 μm ，然后加热到＞150 ℃ ，通常会产生严重的弯曲和变形，导致在标准的晶圆处理设备中几乎不可能对其进行处理。因此，将薄的重组晶圆临时接合到载体，以便在分离之前进行加工，这已成为通用的作法。
GEN 3+ 接合材料的开发目的是对重组晶圆（成分包括硅、氮化硅、多种金属，以及诸如聚酰亚胺、聚苯并恶唑 (PBO) 和苯并环丁烯 (BCB)等聚合物介电层）的表面产生很强的附着性。因此，材料成分从非极性的热塑性材料转变为极性热塑性材料，以便具有更高的粘附强度。极性热塑性材料一般会牢固粘附在设备材料和释放层上，因此使接合层对高温加工期间（此时接合材料处于软化状态）的层离和形成空隙具有更好的耐受力。
GEN 3+ 接合材料是热塑性粘合剂体系，其软化温度范围是 100～50 ℃ 。该材料具有很好的润湿作用，并能牢固粘附在半导体和重组晶圆上。此外，它们还可以将加工热稳定性提高到225 ℃以上，在某些情况下可以在高达 300 ℃时保持接合层稳定性。图 8 展示了 GEN 3+ 材料的TGA 光谱，表明在高达 350 ℃时质量损失＜2% 。该材料在施加 260 ℃的热应力达 2 h 的情况下显示出良好的接合层稳定性，如图 9 中的接合晶圆对 CSAM 影像所示。 GEN 3+ 接合材料可搭配使用多种伴随机械层和激光释放层。在诸如环戊酮等溶剂中，极性 GEN 3+ 材料能快速完整溶解，因此清洁速度快于先前各代热塑性接合材料体系。

在加工期间，重组晶圆会对粘合剂层与各种释放层之间的界面施加过大压力。最近，我们开发了新的聚合物机械释放层，它能提供与结合材料的更牢固的界面接合，同时仍能执行轻力机械剥离。在载体上对超薄 (0.15～0.25 μm) 聚合物机械释放层施加旋转，只需在大约 200 ℃时短暂烘烤即可剥离（使用 BrewerBOND誖530 材料）。在执行背面加工和剥离之后，使用溶剂可以取下释放层，以轻松实现载体的回收利用。我们正在开发具有更高软化点且在高达 275 ℃和 350 ℃时流动性更有限的其他 GEN 3+ 接合材料平台。
8 结论

临时接合材料开发的推动力来自高级封装工艺中薄晶圆处理要求的不断变化。在处理残留应力和满足对粘附力、加工热稳定性、释气、化学物耐受和分离的要求方面， FOWLP、2.5-D 和 3-D IC 集成中的应用都对接合材料提出了独特要求。深入了解接合材料的聚合物结构和其性质（例如熔体流动能力、热稳定性、可溶性和表面能）之间的关系对于开发满足这些困难（并且经常彼此冲突）要求的临时粘合体系不可或缺。单一材料无法满足现在实施的许多不同制造工艺流程的要求，因此需要一系列临时粘合体系。我们预期临时接合材料需要继续提高可承受的加工温度（高达 400 ℃），以满足新兴应用（例如涉及高温高压的芯片到晶圆永久接合）的要求。为了回应这种预料之中的趋势，我们已经在对运用创新接合层架构的第四代高性能材料进行现场测试。
半导体封装Cu-Cu互连接头烧结性能研究来源：半导体封装工程师之家作者：吴松张昱曹萍杨冠南黄光汉崔成强
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