纳米技术在微电子连接方面的应用

摘 要：纳米技术在微电子连接方面的应用一直是业内人士关心的内容。此项技术如果成熟，无疑会给现有的科技和生活带来巨大改变。本文介绍了纳米印刷技术和纳米连接技术，并在此基础上分析纳米技术在微电子连接方面的应用。

关键词：纳米技术；微电子连接；技术应用

中图分类号：TN405 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）04-0057-02

Abstract：The application of nano-technology in microelectronic connection has always been a concern for the industry. If this technology is mature，it will undoubtedly bring great changes to the existing technology and life. This topic introduces nano printing technology and nano connection technology，in order to analyze the application of nano-technology in microelectronic connection.

Keywords：nano-technology；microelectronic connection；technology application

1 相关概念

1.1 纳米技术的概念

纳米技术（Nano-technologv）是研究尺寸在0.1～100nm之间的原子或分子材料的一种科学技术。它是一种针对材料的加工，制造、研究某一特定物质，掌握该物质内部原子、分子的运动状态和轨迹的高等技术。纳米技术作为一门交叉类学科，研究涉及的领域较为广泛，主要包括纳米材料学、生物学、纳米化学、纳米的精细加工、纳米物理学等众多领域，这些学科之间既相互关联，又相对独立。纳米技术主要的应用于器件、材料、尺度的检测表征等三个方面。其中纳米科技以制备、检测纳米材料为基础，主要研究纳米电子学，理论研究的基础是纳米化学和物理学。

1.2 微电子连接技术

将十万甚至百万的电子元器件进行组装，形成一个小巧紧凑的封装体，这就是微电子的封装。它主要由外部供电，并和外部交流信息。微电子封装一般需要考虑多芯片和单芯片封装的设计与制造、封装的工艺、基板的制造和设计、芯片之间的组装和连接、总体的尺寸、电性能、热性能、物理化学性能以及封装的材料等众多方面。微电子的封装不仅对其性能有所影响，更重要的是会影响电子产品整体尺寸、功能的多样性、可靠程度和生产成本。目前该项技术应用的范围广泛，技术较为成熟，得到了社会的一致认可，因此越来越受到人们的重视。微电子连接技术目前以表面贴装技术（SMT）为主流而不断地发展，组成它的三大要素为表面贴装的器件、生产的工艺以及其设备。随着微电子封装技术的不断进步，微电子连接技术发展迅速，在精细加工和自动化程度等方面都有了很大的提升。

2 微电子连接中纳米技术的应用

2.1 纳米印刷技术

在当前的半导体产业中，精细加工成为高性能化和高集成度的一种必不可少的技术。但是，微米以下的器件加工一定要保持温度的恒定，防止器件随温度变化膨胀改变尺寸大小，而且排除振动一定要在清洗环境的条件下进行，否则会增加成本。近几年，以美国为首的西方国家开始使用一项新的柔性印板术，即通过使用浸笔印刷术、微米连接印刷、毛细管微型模版等形成了的簡单的纳米结构制造的一种新技术。这种技术最大的特点是成本低、原理简单、制造简单，其中以柔性印板术为基础的纳米印刷术设备，目前已经在市面上广泛地销售。

2.1.1 纳米印刷技术简介

纳米印刷术是一种压印、转印的新型技术，主要应用于加工、制造凹凸的纳米图像。纳米印刷术以凹凸纳米图像模具为“印版”，将提前准备的玻璃片或硅片涂上聚合物作为被印物（基板），在各种器件模具和设备的相互作用下，精确地压印，然后定型，最后把基板与模具相分离。这时可以发现模具上的凹凸纳米图像分毫不差地转印到了硅片的聚合物上，而且图像的大小、深浅程度都一模一样，只有凹凸形状相反，即模具上凹的地方在聚合物膜上是凸起的地方，反之亦然。我们将这种利用凹凸纳米图像模具印版、聚合物转印的技术成为纳米印刷技术。

利用纳米印刷技术加工的步骤为：第一步，将聚合物树脂薄膜旋涂在硅片或玻璃片上，通过加热复合到基底上；第二步，将加热后的聚合物按压在凹凸的纳米模具上；最后，将聚合物与模具分离。以上就是复制模具上的纳米图像到聚合物上的全过程。

2.1.2 高宽比微细结构的形成

通过以上对纳米印刷术的介绍，我们知道金属的凹陷处按压在聚合物上就会凸起，但要注意的是，当要形成一个较大的平面细长结构时，需要对纳米模具进行更深的雕刻，防止它们分离时造成聚合物的拉伸。因此，我们称这种高出模具凹陷结构的方法为高宽比纳米印刷术。在这项技术中，形成了一个简单的平面比为12的柱状纳米级聚合体，其中高为3μm，直径为25nm。一般情况下，很难在精密的塑料结构中成型，但是有了高宽比纳米印刷术就可以压印一次成型。

2.1.3 纳米印刷技术的应用

各种微米、纳米级尺寸的高分子材料器件都可采用纳米印刷技术来制造。这项技术发展快速，其精确度甚至达到10nm，广泛应用于微射流器件、显微镜的镜头以及主流芯片的制造中。除此之外，它在具有高密度的磁性记录器方面也有着不可估量的潜能。作为一种应用性很强的技术，纳米印刷技术用于制造纳米光学器件、纳米电子器件，甚至沃尔夫寻找的生产先进电脑芯片的纳米线的技术就是纳米印刷技术。在医学上，纳米印刷术通过绘图的方式可以精确地找出病人病变的位置。麻省理工研究人员在今年4月发明了一种新型的纳米印刷术，这个发明可以批量生产DNA微阵列器件。

2.1.4 纳米印刷技术的前景

目前，作为最实用的制造技术，纳米印刷术一直在不断地发展进步，日本现在已经制备了纳米印刷设备并开始销售。为了使这项技术得到更好的发展，必须先发展聚合物材料以及纳米模具等技术。最新的研究报告表明，消费者更喜欢纳米印刷产出的无污染、色泽明丽、包装精美的产品。调查发现2017年上半年，纳米印刷的包装盒销量较传统的提升了31.5%。纳米印刷术不仅可以保护环境不受污染，而且它的产品色泽亮丽，往往可以带来超乎想象的效果，弥补了传统技术的不足，如油墨干燥等，丰富了更多的功能，深受消费者的喜爱

2.2 纳米连接技术

纳米粒子具有耐久性强、熔点低、烧结温度低等特点，但是由于技术的局限性，纳米粒子的很多特性并没有应用到科技和生活中。在西方发达国家，有科学家假设将纳米粒子的表面能量与低温烧结功能结合起来，这种技术可以利用在纳米连接材料上，这种连接方法在经过低温连接之后，烧结后的纳米粒子可以让连接点具有很高的熔点。如果这个假设在技术上行得通，可以将此项技术应用在高温连接较为困难的无铅焊接中。本课题以此为背景，主要研究分析有机物-银复合纳米粒子的连接工艺以及在电子无铅焊接方面的适用性。

2.2.1 有机物-银复合纳米粒子的特性

纳米粒子表面呈现活性状态，但是这种状态容易自身凝聚。为了防止凝聚，必须对其表面控制，正常情况下，我们会使用直径在l0nm左右的银纳米粒子，利用技术手段，将银纳米粒子的表面涂覆一层保护层，当保护层溶解之后，银纳米粒子的特性和功能就会显示出来。有实验表明，当发热反应开始时，银纳米粒子的质量就开始减少，证明其外部的保护层开始分解，当提升加热速度时，分解温度则向高温侧移动。在温度达到300℃时，银纳米粒子的特性就会显示，这也就证明了在300℃左右就可以利用银纳米粒子进行连接。

2.2.2 应用有机物-银复合纳米粒子的连接特点

日本科学家曾做过一项实验，用铜制的试验片来进行纳米粒子连接，该项实验测试出银微米粒子和银纳米粒子在脆断强度方面的数据，数据表明，在外部环境相同的情况下，银纳米粒子比银微米粒子在脆断强度上更高，用电镜观察两者断面特点，银微米粒子与铜制试验片之间存在空隙，而银纳米粒子则不然，有银伸长而塑性变形的痕迹，这也就说明了银纳米粒子的连接界面强度更高。

2.2.3 焊接参数对断面强度的影响

在分析银纳米粒子铜接触点时，发现焊接温度、时间和压力对断面的强度都有一定的影响，其中焊接温度和压力对断面强度的影响最大，在焊接温度不变的情况下，加压的强度不断上升，强度也会随之上升，当焊接温度较高时，加压的影响反而会变小。实验表明，在焊接温度在260℃的情况下增加压力，而在低压场合则要提高焊接温度，此时的效果最为明显。

2.2.4 应对高温无铅焊接的可能性

电子领域高温无铅焊接一直被业界关注，银纳米粒子连接法为高温无铅焊接技术带来了新的希望。在高温无铅焊接中，原来人们一直使用Sn-Pb，后来被Sn-Zb系列代替，但是封装内焊接使用的富铅焊接材料一直没有找到替代品，距离实现高温无铅焊接还有一段距离。银纳米粒子的应用将打破这一僵局。实验证明，银纳米粒子不仅具有富铅焊料的强度，可以实现在低温、低压环境下操作，降低了使用成本，同时银纳米粒子连接的断面强度也非常高，是之前使用的材料无法达到的。连接处的熔点也高，这些特性增加了此项技术的可实行性。

3 结 论

在纳米粒子技术中，银纳米粒子连接工艺具有更强的技术性和可行性，但是此项技术还需要进一步的探索和实验，比如要对连接机理进行分析、对银纳米颗粒与铜制品以外的金属连接之间进行研究等。总之，纳米技术在微电子连接方面的前景是值得期待的。

参考文献：

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[5] 吴念租，蔡均达.锡焊技术与可靠性 [M].北京：人民郵电出版社，1989.

作者简介：汪雲杰（1996-），男，汉族。研究方向：微电子科学。