半导体第十六讲新型封装

1、材料论坛 2010.03.17上海应用技术学院上海应用技术学院新型封装技术新型封装技术第十五讲第十五讲上海应用技术学院上海应用技术学院材料论坛 2010.03.17上海应用技术学院上海应用技术学院材料论坛 2010.03.17上海应用技术学院上海应用技术学院大脑大脑心脏心脏信息系统信息系统执行系统执行系统感知系统感知系统l情报收集情报收集l信息储存信息储存l信息处理信息处理l信息指令信息指令能量系统能量系统l能量供给能量供给l散热系统散热系统信息信息能量能量信息信息能量能量向人体一样包含两大系统：神经网络向人体一样包含两大系统：神经网络+血液循环血液循环材料论坛 2010.03.17上海应用技

2、术学院上海应用技术学院集成电路集成电路l电路（神经网络）电路（神经网络） 各种布线、各种互连高度集成高度集成材料论坛 2010.03.17上海应用技术学院上海应用技术学院材料论坛 2010.03.17上海应用技术学院上海应用技术学院互连作用互连作用DIEChipChip印刷线路板（PCB）材料论坛 2010.03.17上海应用技术学院上海应用技术学院晶体管制造与互连晶体管制造与互连 30-500纳米纳米封装体内互连封装体内互连 5-50微米微米基板上互连基板上互连 50-500微米微米仪器设备内互连仪器设备内互连 1000微米微米半导体芯片半导体芯片仪器设备组装仪器设备组装电子封装电子封装印刷

3、板上组装印刷板上组装硅片制造硅片制造材料论坛 2010.03.17上海应用技术学院上海应用技术学院集成与封装的三维化集成与封装的三维化芯片特征尺寸减小芯片特征尺寸减小材料论坛 2010.03.17上海应用技术学院上海应用技术学院材料论坛 2010.03.17上海应用技术学院上海应用技术学院（摘自2007STRJ报告）典型的典型的3D-封装产品示意图封装产品示意图TSV堆叠结构堆叠结构器件内置多层基板器件内置多层基板TSVThrough Silicon Via 传统打线方法传统打线方法材料论坛 2010.03.17上海应用技术学院上海应用技术学院晶圆制造晶圆制造电子封装电子封装PCB微组装微组装

4、晶圆制造晶圆制造电子封装电子封装基板基板晶圆制造晶圆制造电子封装电子封装 1990 System on Board1990 2D-System in Package 22-32nm3D-System IntegrationPOPSoCTSV由单品的高密度，小型化向多功能系统集成化发展由单品的高密度，小型化向多功能系统集成化发展由分散独立向技术交叉，紧密合作，共同开发发展由分散独立向技术交叉，紧密合作，共同开发发展晶圆制造晶圆制造电子封装电子封装基板基板2000 45-130nm，3D-System in PackageWB-3DMCMBGATSV-3D材料论坛 2010.03.17上海应用技术

5、学院上海应用技术学院材料论坛 2010.03.17上海应用技术学院上海应用技术学院CSCM (Chip Scale Camera Module) WLP东芝材料论坛 2010.03.17上海应用技术学院上海应用技术学院l硅孔制作硅孔制作l绝缘层、阻挡层和种子层沉积绝缘层、阻挡层和种子层沉积l硅孔导电物质填充硅孔导电物质填充l晶圆减薄晶圆减薄l晶圆键合晶圆键合材料论坛 2010.03.17上海应用技术学院上海应用技术学院 在TSV-3D封装技术中，以铜互连材料及工艺为主的通孔填充和芯片叠层键合在制造成本中所占比例最高，分别达40%，34%，是三维封装中的关键技术日本权威机构预测的制造成本构成日本

6、权威机构预测的制造成本构成材料论坛 2010.03.17上海应用技术学院上海应用技术学院TSV硅孔镀铜技术硅孔镀铜技术低温固态键合技术低温固态键合技术材料可靠性材料可靠性引线框架引线框架塑封树脂塑封树脂微凸点技术微凸点技术新型无铅焊料研究开发新型无铅焊料研究开发材料论坛 2010.03.17上海应用技术学院上海应用技术学院材料论坛 2010.03.17上海应用技术学院上海应用技术学院材料论坛 2010.03.17上海应用技术学院上海应用技术学院材料论坛 2010.03.17上海应用技术学院上海应用技术学院材料论坛 2010.03.17上海应用技术学院上海应用技术学院通孔制作手段通孔制作手段湿法

7、刻蚀湿法刻蚀干法刻蚀干法刻蚀激光钻孔激光钻孔成孔速度成孔速度111m/min111m/min可达可达50m/min50m/min24002400通孔通孔/s/s定位精度定位精度掩模决定掩模决定+掩模决定掩模决定+传送装置决定，约几传送装置决定，约几mm深宽比深宽比1:11:601:11:601:801:801:71:7成孔精度成孔精度亚微米亚微米亚微米亚微米10m10m通孔质量通孔质量非常好非常好一般一般好好材料论坛 2010.03.17上海应用技术学院上海应用技术学院材料论坛 2010.03.17上海应用技术学院上海应用技术学院旋转喷射刻蚀所用的喷头材料论坛 2010.03.17上海应用技术

8、学院上海应用技术学院旋转喷射刻蚀后的硅片，左、右边分别为清洗前和清洗后。材料论坛 2010.03.17上海应用技术学院上海应用技术学院芯片上层间铜互连芯片上层间铜互连基板内层间铜互连基板内层间铜互连硅片间铜互连（硅片间铜互连（TSV）材料论坛 2010.03.17上海应用技术学院上海应用技术学院Via last镀铜填充镀铜填充Via first多晶硅填充多晶硅填充Via last电镀填充（电镀填充（Cu,Ni/Au)微镜头就是采用此方法微镜头就是采用此方法材料论坛 2010.03.17上海应用技术学院上海应用技术学院材料论坛 2010.03.17上海应用技术学院上海应用技术学院材料论坛 201

9、0.03.17上海应用技术学院上海应用技术学院TSVTSV硅孔的孔内面积（平方微米）硅孔的孔内面积（平方微米）填孔所需镀铜时间填孔所需镀铜时间（分钟）（分钟）数据来源：罗门哈斯数据来源：罗门哈斯材料论坛 2010.03.17上海应用技术学院上海应用技术学院材料论坛 2010.03.17上海应用技术学院上海应用技术学院Inclined ViasVertical Vias不同硅孔填充效果不同硅孔填充效果我们发现的填充机制我们发现的填充机制 我们与上海新阳半导体材料股份公司合作，经过近两年的我们与上海新阳半导体材料股份公司合作，经过近两年的努力，发现了新的填充机制，据此已成功开发出国内第一代超努力，

10、发现了新的填充机制，据此已成功开发出国内第一代超级镀铜溶液，效果良好。目前，正在进行工业化产品开发级镀铜溶液，效果良好。目前，正在进行工业化产品开发材料论坛 2010.03.17上海应用技术学院上海应用技术学院加速区加速区抑制区抑制区极化电位极化电位电流电流l加速剂尽量在低极化区发挥作用；加速剂尽量在低极化区发挥作用；l抑制剂尽可能在高极化区发挥作用抑制剂尽可能在高极化区发挥作用材料论坛 2010.03.17上海应用技术学院上海应用技术学院chipRCCcore substrateadhesivechipRCCcore substrateadhesive材料论坛 2010.03.17上海应用技

11、术学院上海应用技术学院电镀电镀/印刷印刷Au/Ni电镀电镀/印刷印刷凸点材质凸点材质焊锡球焊锡球金金金金电镀电镀金金金镀层金镀层熔融键合熔融键合基板侧基板侧表面材质表面材质焊锡层焊锡层焊锡层焊锡层制备方法制备方法制备方法制备方法电镀电镀/印刷印刷电镀电镀/印刷印刷电镀电镀电镀电镀接触键合接触键合各项异性各项异性导电胶导电胶Au/Ni电镀电镀材料论坛 2010.03.17上海应用技术学院上海应用技术学院Sn-9Zn-0.05Cr Sn-9Zn-0.3Cr Sn-9Zn-0.1Cr Sn-9Zn Sn-9Zn-XCr 00.050.10.3加加 热热 前前 加加 热热 后后25025 h44464

12、8505247.7552.2950.7846.450.5Cr0.3Cr0.1Cr0CrSpreading Area /mm2Content of Cr (wt%)u使金相组织显著细化使金相组织显著细化u抗氧化性提高近三倍抗氧化性提高近三倍u延展性提高延展性提高30%以上以上u润湿性得到相应改善润湿性得到相应改善u有效抑制有效抑制IMC层生长层生长 随着绿色电子技术的发展，微互连关键材料随着绿色电子技术的发展，微互连关键材料无铅焊料的应用越来越广泛。但目前无铅焊料的应用越来越广泛。但目前应用的无铅焊料存在着熔点高、成本高、焊接界面应用的无铅焊料存在着熔点高、成本高、焊接界面IMCIMC层生长过快

13、或抗氧化性较差，抗冲击层生长过快或抗氧化性较差，抗冲击性不好等问题。为此，本研究室展开了大量的基础研究工作，成功开发了一系列含微量性不好等问题。为此，本研究室展开了大量的基础研究工作，成功开发了一系列含微量CrCr新型中低温无铅焊料。该成果申请国家发明专利新型中低温无铅焊料。该成果申请国家发明专利6 6项（已授权项（已授权4 4项）。项）。 微量微量Cr的作用的作用焊料的抗氧化性IMC层的抑制效果焊料的力学性能Sn-3Ag-3Bi Sn-3Ag-3Bi-0.1Cr Sn-9Zn-3Bi-xCr Sn-3Ag-3Bi-0.3CrSn-3Ag-3Bi Cr对Sn-Ag-Bi焊料IMC层的抑制效果材

14、料论坛 2010.03.17上海应用技术学院上海应用技术学院u键合尺寸进一步降低，凸点等精度要求提高；键合尺寸进一步降低，凸点等精度要求提高；u降低键合温度，减少应力影响降低键合温度，减少应力影响u尽量避免使用助焊剂尽量避免使用助焊剂u前后道工艺有良好兼容性；前后道工艺有良好兼容性；u简化工艺，降低成本；简化工艺，降低成本；u凸点的无铅化；凸点的无铅化；DIEChipChip印刷线路板（PCB）材料论坛 2010.03.17上海应用技术学院上海应用技术学院 随着封装密度的提高和三维封装技术的发展，微凸点尺寸与间距变得越来越小。当凸随着封装密度的提高和三维封装技术的发展，微凸点尺寸与间距变得越来

15、越小。当凸点尺寸缩小到点尺寸缩小到4040微米以后，目前工业上采用的置球法和丝网印刷法将难于保证精度，成本微米以后，目前工业上采用的置球法和丝网印刷法将难于保证精度，成本也将大幅上升。光刻也将大幅上升。光刻- -电沉积方法是高密度凸点形成的有效方法。本研究所已成功开发了无电沉积方法是高密度凸点形成的有效方法。本研究所已成功开发了无铅微凸点的整套技术，为今后工业化生产奠定了基础。铅微凸点的整套技术，为今后工业化生产奠定了基础。 电沉积后的微凸点电沉积后的微凸点回流后的微凸点回流后的微凸点电沉积微凸点的制作过程电沉积微凸点的制作过程电沉积法制备高密度凸点的优势电沉积法制备高密度凸点的优势材料论坛

16、2010.03.17上海应用技术学院上海应用技术学院电沉积后的电沉积后的Sn凸点凸点回流后的微凸点回流后的微凸点我们研究室制作的各种凸点我们研究室制作的各种凸点Cu/Ni/In凸点凸点材料论坛 2010.03.17上海应用技术学院上海应用技术学院l需要等离子刻蚀需要等离子刻蚀l镀液要保证良好的浸润性镀液要保证良好的浸润性l超声处理有助于凸点形成超声处理有助于凸点形成材料论坛 2010.03.17上海应用技术学院上海应用技术学院接插式键合互连方法接插式键合互连方法数据来源：日立数据来源：日立材料论坛 2010.03.17上海应用技术学院上海应用技术学院Au-In低温互连低温互连在低温下生成高熔点

17、的金属间化合物在低温下生成高熔点的金属间化合物材料论坛 2010.03.17上海应用技术学院上海应用技术学院SEM images of the Ni nanocone arrays. (a) Low magnification, (b) high magnification.Demonstration of the bonding process.Shear strength of the bumps.SEM image of the interface. (a, b) edge of the bump, (c, d) center of the bump. 电子封装中的微互连大都采用焊料的熔

18、融焊接方法，由电子封装中的微互连大都采用焊料的熔融焊接方法，由于存在助焊剂污染，熔融焊料流溢等问题，很难适应今后的于存在助焊剂污染，熔融焊料流溢等问题，很难适应今后的三维高密度封装。为此，我们提出了基于纳米阵列材料的低三维高密度封装。为此，我们提出了基于纳米阵列材料的低温固态焊接方法，根据目前的初步研究，证明该方法是非常温固态焊接方法，根据目前的初步研究，证明该方法是非常可行的，在今后可行的，在今后3D3D高密度电子封装技术中有望得到推广应用。高密度电子封装技术中有望得到推广应用。材料论坛 2010.03.17上海应用技术学院上海应用技术学院 表面纳米阵列材料是指表面纳米管、纳米球、表面纳米阵

19、列材料是指表面纳米管、纳米球、纳米线、纳米孔等纳米结构有序排列的阵列材料。纳米线、纳米孔等纳米结构有序排列的阵列材料。表面纳米阵列材料可采用光刻，铝氧化模板，气表面纳米阵列材料可采用光刻，铝氧化模板，气相沉积和自组装等方法制备，但设备和工艺复杂，相沉积和自组装等方法制备，但设备和工艺复杂，难于实现大面积可控制备。本技术通过特殊的难于实现大面积可控制备。本技术通过特殊的电电化学定向电结晶方法化学定向电结晶方法成功开发了镍基、钴基以及成功开发了镍基、钴基以及铜基表面纳米针锥阵列材料（铜基表面纳米针锥阵列材料（NCA）的可控制备）的可控制备技术，为在各领域的应用创造了条件。技术，为在各领域的应用创造

20、了条件。不需要任何模板不需要任何模板工艺简单、制造成本低工艺简单、制造成本低材料大小、形状不受限制材料大小、形状不受限制可在各种基材上实现可在各种基材上实现易于大面积可控制备易于大面积可控制备工艺特点工艺特点结构特点结构特点 特殊的阵列结构特殊的阵列结构庞大的真实表面积庞大的真实表面积较高的表面活性较高的表面活性复合界面高结合强度复合界面高结合强度卓越的散热效果卓越的散热效果各种化学催化剂的载体各种化学催化剂的载体良好的场发射效应良好的场发射效应特殊传感器或纳米器件特殊传感器或纳米器件功能特点功能特点 锥晶高锥晶高200nm 300nm 400nm 600nm 850nm 1100nm 材料论

21、坛 2010.03.17上海应用技术学院上海应用技术学院材料论坛 2010.03.17上海应用技术学院上海应用技术学院剪切强度剪切强度（MPa）3.84普通普通Pd PPF 5.81纳米针阵列纳米针阵列10.67纳米针阵列纳米针阵列8.08纳米针阵列纳米针阵列 微观形貌微观形貌 由于由于Pd PPF无铅引线框架封装技术表面为贵金属，化学反应活性差，对于在高温下可靠性无铅引线框架封装技术表面为贵金属，化学反应活性差，对于在高温下可靠性要求高的要求高的IC（如汽车发动机周边用（如汽车发动机周边用IC等）存在引线框架与树脂结合强度低等问题。通过本技术等）存在引线框架与树脂结合强度低等问题。通过本技术在集成电路引线框架表面引进纳米针阵列结构、使引线框架与封装树脂的结合强度提高两倍以在集成电路引线框架表面引进纳米针阵列结构、使引线框架与封装树脂的结合强度提高两倍以上，大大提高了封装器件的可靠性。上，大大提高了封装器件的可靠性。NCA Pd PPFNormal Pd PPF引线