納米技術在微電子連接中的應用

本文示舉兩例，介紹納米技術在微電子連接方面的應用。納米技術(nanotechnology)是一門在0.1～100nm空間尺度內操縱原子和分子，對材料進行加工，制造具有特定功能的產(chǎn)品，或對某物質進行研究，掌握其原子和分子的運動規(guī)律和特性的嶄新高技術。

納米印刷技術

在半導體產(chǎn)業(yè)中，微細加工技術是實現(xiàn)器件的集成化和高性能化不可欠缺的技術。但是，在進行微米尺度以下的加工時，必須在清洗環(huán)境下排除振動，保持一定的加工環(huán)境溫度，抑制由熱膨脹引發(fā)的尺寸變化，因而會增加相當大的成本。

近年來，以美國為主，不少國家開始使用微米連接印刷、毛細管微型模板、浸筆印板術等可以簡單地形成納米結構的新型制造技術，這種新的加工技術被稱為柔性印板術。其與微細加工技術的開發(fā)點不同，其最大特征是簡便且低成本。柔性印板術中的納米印刷技術，其原理簡單，而且已有成型設備在市場上銷售。

1 納米印刷技術

納米印刷技術的基本原理如圖1所示，就是把有納米級凹凸圖形的模板擠壓在涂覆了樹脂薄膜的基板上，再在樹脂薄膜的表面復制凹凸圖形。在普通的納米印刷技術中，能等倍復制模板，而在高寬比納米印刷技術中，則能形成高出納米模板凹部的結構體。

圖1 納米印刷原理

在納米印刷工程中，首先用旋轉法等把樹脂薄膜涂覆在玻璃和硅制的基板上，再將樹脂薄膜加熱，使其復合在基板上。然后，在變軟的樹脂上擠壓納米模板，最后再把納米模板從樹脂薄膜上脫離開去。通過以上過程，納米模板表面的圖形就被復制在樹脂薄膜的表面。

2 高寬比微細結構的形成

在納米印刷技術中，將金屬凸模擠壓樹脂薄膜上，便會形成凹部。但要形成平面比較大的細長結構，必須有深度雕刻的納米模板，因為模板從樹脂薄膜脫離時，必然會拉伸樹脂，所以能形成高出納米模板凹部的柱狀結構體，這種方法就稱為高寬比納米印刷技術。

在高寬比納米印刷技術中，可以簡單地形成直徑為25nm、高3μm(平面比為12)的納米級柱狀結構集合體(見圖2)。該結構在以往的精密塑料成型中是很難形成的，但使用了高寬比納米印刷技術，用一次壓延就能成型。

圖2 用納米印刷技術形成的納米柱結構

3 前景

納米印刷技術被認為是最接近實用化的制造技術，日本已有納米印刷裝置在市場上出售。但為了形成良好的結構體，必須要發(fā)展以納米模板和樹脂材料為先導的相關技術。目前，這一研究正在全世界范圍內展開。這一技術的應用重點將是電子領域，但也開始涉及邊緣能源等領域。

納米連接技術

納米粒子所具有的基本特性(如耐久性強、熔點和燒結溫度低)是眾所周知的，但其很多應用都沒有得到拓展。國外有人提出了利用納米粒子的表面能量與低溫燒結功能，把它作為連接材料的新型方案。用該連接法進行低溫連接后，經(jīng)燒結后的納米粒子會使連接處具有高熔點，這一優(yōu)點非常適合高溫連接較困難的無鉛焊接。這里主要介紹應用有機物—銀復合納米粒子的連接工藝特點及其在電子焊接上的適用性。

1 有機物—銀復合納米粒子的特性

由于納米粒子表面呈活性，為防止其自身凝聚必須要做表面控制。我們所用的納米粒子是平均直徑為10nm左右的銀納米粒子，其表面用有機物保護層進行了涂覆。圖3為有機物—銀復合納米粒子的掃描電鏡圖像，圖4為其結構模式圖。

圖3 銀納米粒子TEM圖像

圖4 銀納米粉粒子模式圖
 

這種納米粒子的功能在其有機外殼熱分解去除后便展示出來。圖5顯示了銀納米粒子的熱分析結果(DTA/TG曲線)。從DTA曲線來看，在發(fā)熱反應開始的同時，粒子質量迅速減少，可以認為這時的有機外殼已被分解與去除。而且，當提升加熱速度時，分解溫度則向高溫側移動。圖6顯示了分解結束溫度與加熱速度的關系，從圖可知，即使把加熱速度加快到20℃/m，分解也在 265℃左右結束，在300℃以下出現(xiàn)納米粒子的功能。也就是說，在300℃以下可利用該納米粒子進行連接。

圖5 銀納米粒子熱分析結果(DTA/TC曲線)

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圖6 有機外殼分解結束溫度與加熱溫度的關系

2 應用有機物—銀復合納米粒子的連接特點

日本大阪大學應用銅質圓板型試驗片作銀納米粒子連接試驗，分別測出了銀微米粒子(平均粒徑為100nm)和銀納米粒子的脆斷強度(見圖7)。其中，該試驗是在300℃、保溫300min、加壓5Mpa的條件下進行的。如圖7所示，納米粒子連接與微粒子連接相比，顯示出了很高的脆斷強度。

圖7 脆斷強度結果

用電鏡分別對各自的連接斷面觀察，發(fā)現(xiàn)用銀微米粒子的場合，其與銅的連接面有空隙狀缺陷。銀微米粒子的觸點破壞發(fā)生在銀/銅界面，所得的5Mpa左右的觸點強度被認為是兩者簧片的機械連接結果。而銀納米粒子的觸點破壞面被認為是銀伸長而塑性變形的痕跡，其在界面附近的銀層中會斷裂(圖8)。由此可見，用銀納米粒子連接比用銀微粒子連接的界面強度更高。

圖8 銀納米粒子燒結層/Cu界面附近的TEM圖像
 

3 焊接參數(shù)對斷面強度的影響

圖9顯示了焊接溫度、焊接時間、加壓等焊接參數(shù)對銀納米粒子銅觸點斷面強度的影響。從圖可得，焊接溫度和加壓是影響斷面強度的關鍵參數(shù)。在焊接溫度方面，強度隨著加壓增大而上升，但在焊接溫度高的情況下，加壓的影響會變小。另外就焊接溫度而言，加壓低的情況下，焊接溫度對強度影響大，而加壓增高時則焊接溫度的影響變小。所以，在260℃左右的溫度下加大壓力，而盡可能在低加壓場合提高連接溫度，這樣做才最有效。

4 應對高溫無鉛焊接的可能性

銀納米粒子連接法的一個最佳應用，就是在電子領域的高溫無鉛焊接中。為實現(xiàn)安裝用焊料的無鉛化，人們一直在積極開發(fā)新的替代品。原來使用的Sn-Pb共晶焊料(屬低中溫焊料)將由Sn-Zn系代替。但對于封裝內焊接所使用的富鉛焊料(Pb≥85%的Sn-Pb焊料)，目前還沒有合適的替代品。

圖9 銀納米粒子銅觸點的連接強度受焊接參數(shù)的影響

在現(xiàn)行富鉛高溫焊料液相溫度(300℃、315℃)以下的溫度范圍內(260℃～300℃)，銀納米粒子焊接工藝可以使用。圖10是連接條件與強度的關系。圖中虛線是富鉛焊料Pb-5Sn、 Pb-10Sn與Cu圓板型接頭的斷面強度(分別為18Mpa,30MPa),實線則代表銀納米粒子連接的斷面強度。由圖可知，銀納米粒子不僅有與Pb-5Sn相匹敵的強度，而且可以在低溫、低壓等較寬的連接條件下使用。其次，無論是升溫還是增壓，銀納米粒子連接的斷面強度都是其他兩者無可比擬的。而且，該連接的連接處有高熔點，所以在隨后的2次焊接等熱工藝中不會熔化。另外，就芯片鍵合部所要求的電氣傳導度和熱傳導性而言，由于連接處是由金屬銀形成的，所以一定比現(xiàn)行高溫焊料的特性還要好。