低溫銅鍵合技術(shù)突破 開創(chuàng)電子封裝新紀(jì)元
香港城市大學(xué)（城大）研究人員在電子封裝技術(shù)上取得重大突破，成功開發(fā)出創(chuàng)新的納米晶（nanocrystalline, NC）銅材料，實現(xiàn)低溫直接銅對銅鍵合。這項技術(shù)可為先進晶片設(shè)計開辟新的可能性，對許多下一代技術(shù)發(fā)展至關(guān)重要。
城大系統(tǒng)工程學(xué)系馮憲平教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊成功開發(fā)出一種可在低溫下進行直接銅對銅（Copper-to-Copper, Cu-Cu）鍵合的納米晶銅材料。這種創(chuàng)新方法顯著降低了銅鍵合所需的熱能，同時保持優(yōu)異的鍵合品質(zhì)，有效解決了電子封裝領(lǐng)域長期存在的技術(shù)難題。該技術(shù)對工業(yè)量產(chǎn)特別有價值，因為它需要較少的熱量和時間就能形成可靠的鍵合。
這項研究成果最近發(fā)表在期刊 Nature Communications，題為“Nanocrystalline copper for direct copper-to-copper bonding with improved cross-interface formation at low thermal budget”。
使用納米晶銅進行直接銅對銅鍵合是極具潛力的先進電子封裝技術(shù)。然而，它面臨兩大挑戰(zhàn)。首先，納米晶銅有許多晶界，容易聚集雜質(zhì)，令晶粒難以在低溫下充分生長。其次，在低溫退火過程中，晶粒僅在頂部表面生長，無法在底部生長，導(dǎo)致在底部銅種子層附近形成空隙。這些問題令制作高強度且可靠的鍵合變得更加困難。
為了克服這些挑戰(zhàn)，研究團隊開發(fā)戰(zhàn)略性雙層設(shè)計，其中粗晶層作為雜質(zhì)匯集區(qū)，令雜質(zhì)擴散可控，并防止在銅種子層附近形成空隙。
馮憲平教授解釋：「透過開發(fā)添加劑，我們能夠電鍍具有均勻納米晶粒尺寸和低雜質(zhì)的納米晶銅，使其能在低溫下實現(xiàn)快速的晶粒生長。我們發(fā)現(xiàn)單一納米銅層對于銅對銅鍵合的整體效果不理想，因此提出一種雙層結(jié)構(gòu)，將納米銅層電鍍在一般的粗晶銅層之上。」
在低溫下實現(xiàn)銅鍵合將促進先進晶片的設(shè)計。工程師可將不同類型的晶片（特別是對熱敏感的晶片）整合，實現(xiàn)更緊湊和更高密度的3D結(jié)構(gòu)。這項突破可以促進更復(fù)雜的異質(zhì)晶片堆迭封裝，對其他先進技術(shù)創(chuàng)新至關(guān)重要，例如人工智慧（AI）、高性能運算（HPC）、5G網(wǎng)絡(luò)以及擴增/虛擬實境（AR/VR）等。展望未來，研究團隊將與半導(dǎo)體制造商合作，將這種新型鍵合技術(shù)整合到現(xiàn)有的生產(chǎn)流程中，包括熱壓鍵合和混合鍵合等。
如有查詢，歡迎聯(lián)絡(luò)城大系統(tǒng)工程學(xué)系及機械工程學(xué)系 馮憲平教授 (電郵：shiefeng@cityu.edu.hk）。