微互连技术的研究现状

肖 金，程 伟，周艳琼

（广东工业大学 华立学院，广东 广州 511300）

0 引言

半导体器件是非常脆弱的器件，为了保护半导体器件及其工作环境，通常采用电子封装技术。电子封装支撑保护电路，防止空气对芯片电路的腐蚀，将芯片工作时产生的热扩散，为进出芯片的信号提供连接通路，便于芯片的安装和运输。

在晶体管发明不久之后，开始出现了电子封装技术。最开始是简单晶体管外壳封装，仅仅只能容纳一个单晶体管芯片。然后出现了双列封装技术、小型外壳封装、小型外壳集成电路、四角扁平封装、引脚网格阵列、球形网格阵列、芯片级封装、多芯片模块封装技术[1]。

随着电子产品的微型化，电子封装技术由传统的高密度单层封装向堆叠式三维封装演变，而且在今后的流行趋势当中，堆叠式三维封装依然是电子封装的主要形式。三维高密度封装技术的发展，对微电子互连技术的发展影响巨大。传统的布线互连技术受到堆叠层数越来越高以及芯片尺寸越来越小的限制，其次高的焊接温度严重影响三维高密度封装的可靠性和安全性。

1 三维封装技术简介

到目前为止，三维封装技术的互连方法有：传统引线键合、倒装芯片连接、硅通孔连接和新型低温互连技术。

1.1 引线键合技术

引线键合技术是应用最广泛，也是最早的互连技术。这种技术成本低，操作简便，通过铜，金，银等金属引线将各堆叠芯片连接到基板上[2]，为了保证互连效果的准确性和可靠性，必须留给引线的足够空间，随着芯片堆叠密度的增加，引线空间趋于极限值，这会加剧信号的拥堵和干扰，甚至会导致信号延迟，所以这种技术越来越不适应目前高密度封装趋势的要求。

1.2 倒装芯片技术

倒装芯片连接技术使上下层芯片间的电信号连接由引线键合演化为焊点球键合的模式。焊点球键合不需要拉出长长的引线，大大缩短了电气连接的路径[3]，有利于减少电阻和电感，增强了连接的可靠性，而且也比较美观，在高密度封装结构中，这种技术非常具有优势。

1.3 硅通孔连接技术

硅通孔技术是由垂直芯片的通孔实现叠层芯片间的互连技术。垂直通孔使芯片间的连接路径更短，堆叠芯片的密度更高，芯片运行可靠性更高，使不同芯片间的互连成为可能，是取代引线键合最可行的方式，目前这种技术是半导体制造商和研究人员的研究重点。

1.4 低温互连技术

低温互连技术是一种新型互连技术。这种技术相对于上述的三种互连技术，所需的温度更低，普遍低于200℃甚至是在室温条件下，所需的压力也更小，低温互连技术的出现对电子封装行业影响巨大。

（1）不需要回流焊工艺。回流焊所需要的高温会导致薄芯片及不耐高温元件受损，影响互连的可靠性。而且，助焊剂受到芯片尺寸的限制，没有办法清理干净，这对封装质量影响大。再次，焊接的高温很容易使焊缝区产生金属间化合物，这种组织脆性大，而且促进焊缝处产生空洞，严重威胁互连的可靠性。

（2）工艺简单。因为减少了回流焊，因此，不需要考虑焊料的润湿性以及表面张力的问题，与回流焊相适应的一系列繁琐的工序将被省略，这将极大地提高生产效率。

（3）保护环境。低温互连技术能耗少，对环境的负荷少。另外，铅焊料由于对环境污染大，采用无铅焊料一直是电子封装技术的研究重点，低温互连技术很好地处理了这个问题，因此越来越多的团队正在研究这种技术，主要有以下几个研究方向。

2 直接键合技术

直接键合技术是通过构建两个非常平坦，非常干净的平面，通过平面之间的范德华力使这两个平面结合在一起，通过在真空中加热到1000℃进行热处理，在两个平面的接触界面形成共价键，这种热处理，不仅增加了连接强度，而且消除了接触界面的孔洞，提高了互连的可靠性[4]。随着表面处理工艺的发展，热处理温度下降到400℃以下，而且也不需要真空保护。

意法半导体最先将这种工艺应用于金属铜之间的互连。通过对两个接触铜面的化学机械抛光处理，这两个铜面的粗糙度很低，而且具有很强的亲水性。但范德华分子力毕竟还是不可靠的，这种技术进行后续的热处理必不可少，图1 展示了没有经过热处理和经过热处理后的样品铜结合界面的组织，可以看出在350℃下处理1小时，结合界面有铜原子扩散，晶粒生长有明显的凸起形状。金属铜之间的直接键合技术在硅通孔互连技术中有很好的应用前景，研究发现通过平面与平面之间的互连，导电性能良好。

3 表面活化键合技术

图1 Cu-Cu 直接互连的界面Fig.1 Cu-Cu Direct interconnect interface

表面活化键合技术是在直接键合技术的基础上改良而成。东京大学的Suga 教授将两片已经经过化学机械抛光，非常干净的铜金属基板平面上采用低能量的（40～100eV）氩电子束轰击，使得键合表面活化，在真空条件下进行键合，这种技术的互连效果可靠[5]。除了键合铜金属，Suga 教授还在异性金属互连领域进行了探索，比如将金属金和锡在大气中，150℃，20Mpa 加压键合，使得互连界面上生成了金属间化合物，通过测试，界面间的结合强度在10Mpa～20Mpa 范围内。表面活化键合实现了低温低压键合以及差强人意的结合强度，但要求复杂昂贵的设备以及苛刻的工作条件，难以实现批量化生产。

4 共晶反应键合技术

共晶反应键合的原理是将两种金属加热到共晶点，发生共晶反应，生成共晶化合物，实现互连的技术。为了防止氧化以及污染，这种技术必须真空条件或者惰性气体保护氛围，但不需要后续的热处理以及粗糙度较低的键合平面，在电子封装中应用广泛。常见的共晶反应金属偶有金–硅（380～400°C），金–锡（约310°C），金–铟（约280°C），铜–锡（260°C），铅–锡（200°C），铟–锡（约125°C）。

5 微纳米组织键合技术

上海交通大学微电子材料与技术研究室对微纳米组织互连技术进行了大量探索[6]。其中的一项研究方向是采用镍基微纳米组织，其原理是：首先采用电沉积技术获得镍基微纳米组织，这种组织的特点是沿Z 轴方向，针锥高度600nm～1μm 之间，针尖10～50nm，表面均匀分布的高密度针状晶。然后将坚硬的镍纳米阵列在一定的温度和压力下，与加热软化的无铅焊料凸点结合，微纳米组织的巨大表面积促进了结合面的原子扩散，实现了可靠的机械咬合。

由于微纳米组织的特殊形状，互连的温度下降到200℃，远远低于回流焊的温度，实现了低温低压固态互连，结合强度良好，尤其对键合界面进行热处理后，结合强度还会进一步提高，解决了高温熔化焊料对半导体器件造成的不良影响，给无铅焊料的应用赋予新的模式。

图2 镍基微纳米针表面形貌Fig.2 Surface morphology of nickel based micro-nano needle

6 结束语

随着电子产品的微型化趋势，越来越追求高密度封装，这对微互连技术提出了更高的使用有求，低温互连技术与绿色无铅焊料技术相结合，符合绿色环保的发展要求，将是未来互连技术的发展方向。

[1]Mitchell, C.,Berg, H. Thermal studies of a plastic dual-in-line package[J]. IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology，1979，4.

[2]Harman, G. G. Wire bonding in microelectronics: materials, processes, reliability, and yield[M].McGraw-Hill New-York，1997.

[3]李秀清. 倒装芯片将成为封装技术的最新手段[J]. 电子与封装，2004，4.

[4]Shimbo，M.，Furukawa, K.,Fukuda, K., et al. Silicon-to-silicon direct bonding method[J]. Journal of Applied Physics，1986，8.

[5]Takagi, H.,Kikuchi, K.,Maeda, R., et al. Surface activated bonding of silicon wafers at room temperature [J]. Applied Physics Letters，1996，16.

[6]Chen，Z.，Luo，T.，Hang，T.，et al.Low-Temperature Solid State Bonding of Sn and Nickel Micro Cones for Micro Interconnection [J]. ECS Solid State Letters，2012，1.