善仁納米銀在微系統(tǒng)集成方面應(yīng)用

1.引 言

納米技術(shù)對(duì)現(xiàn)代科技的推動(dòng)顯示出了巨大的成效。在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域內(nèi)，納米技術(shù)使得摩爾定律得以延續(xù)。HP實(shí)驗(yàn)室量子研究所負(fù)責(zé)人斯坦利指出，“納米技術(shù)具有長(zhǎng)期的潛力，即使把微電子、塑料和鋼鐵加在一起，納米技術(shù)也能讓它們相形見(jiàn)絀”。

在納米技術(shù)領(lǐng)域，納米CMOS器件、碳納米管、納米晶體LED、納米草、納米開(kāi)關(guān)、納米超導(dǎo)晶體管、納米硅膠等納米器件、納米材料先后被日本、 美國(guó)、歐盟等研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)出來(lái)。基于納米技術(shù)的各種產(chǎn)品逐漸在市場(chǎng)上亮相。

隨著納米器件的出現(xiàn)，微電子封裝逐漸走向納電子封裝。美國(guó)喬治亞封裝研究中心的Tummala教授明確提出微系統(tǒng)封裝已經(jīng)從毫米級(jí)、微米級(jí)走到納米級(jí)。隨著微系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，高互聯(lián)密度的需求大大增加，新型納米材料將在微系統(tǒng)集成領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用。這些納米材料主要解決微型器件的饋電和射頻互聯(lián)，如圖1所示的納米銅 。

圖1通過(guò)電鍍法得到的納米結(jié)構(gòu)的銅

2.納米銀性能簡(jiǎn)介

微系統(tǒng)的性能、集成工藝、應(yīng)用及發(fā)展等決定于構(gòu)成微系統(tǒng)的各類材料，這類材料包括半導(dǎo)體材料、封裝基板材料、絕緣材料、導(dǎo)體材料、鍵合連接材料、封裝材料等。運(yùn)用納米科技對(duì)微系統(tǒng)產(chǎn)品所用的材料進(jìn)行改進(jìn)，無(wú)疑會(huì)改善微系統(tǒng)的性能。微系統(tǒng)集成技術(shù)的進(jìn)步與微系統(tǒng)封裝材料的發(fā)展是緊密相關(guān)的。

善仁新材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)材料顆粒達(dá)到納米級(jí)時(shí)，其具有很高的表面活性和表面能，這使得納米顆粒的熔點(diǎn)或者說(shuō)燒結(jié)溫度遠(yuǎn)低于塊體材料。但其燒結(jié)后形成的材料具有和塊體材料相似的熔點(diǎn)和性能。這就使其在微系統(tǒng)集成領(lǐng)域具有很廣闊的應(yīng)用前景。

因金屬銀具有很高的熱導(dǎo)率、良好的導(dǎo)電性、抗腐蝕性及抗蠕變性能，且在服役過(guò)程中不存在固態(tài)老化現(xiàn)象。特別適合作為大功率產(chǎn)品的組裝材料。使得在眾多的納米材料中，納米銀成為研究比較熱門的封裝材料。

善仁新材研發(fā)的納米銀AS9000系列的主要特性之一就是低溫?zé)Y(jié)，高溫服役。其燒結(jié)溫度可低至150℃，甚至室溫，再次熔化溫度理論上可達(dá)到960℃。這種特性對(duì)于復(fù)雜微系統(tǒng)產(chǎn)品集成具有明顯優(yōu)勢(shì)，特別是在多級(jí)組裝時(shí)，不再受溫度梯度的影響。可以說(shuō)對(duì)微系統(tǒng)產(chǎn)品的集成工藝發(fā)展具有跨時(shí)代的意義。

3.納米銀在三維集成領(lǐng)域研究進(jìn)展

從上個(gè)世紀(jì)80年代開(kāi)始，納米銀已經(jīng)被諸多學(xué)者及機(jī)構(gòu)研究。在電子封裝領(lǐng)域，納米銀的應(yīng)用研究稍晚。

SEMIKRON公司采用納米銀燒結(jié)技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Bongding技術(shù)制作出了IGBT模塊，如圖2和圖3所示所示。使用納米銀漿燒結(jié)技術(shù)后，不但組件的散熱問(wèn)題，同時(shí)使組件的可裝性和可靠性大幅度提高。

圖2 納米銀漿在大功率產(chǎn)品中的應(yīng)用形式

圖3 納米銀漿和傳統(tǒng)組裝方式對(duì)比

在電子封裝領(lǐng)域，納米銀漿較先被應(yīng)用在大功率封裝領(lǐng)域。圖4到圖7所示為Guo-Quan Lu等人采用30nm-50nm的納米銀漿在275℃無(wú)壓狀態(tài)下獲得了良好的燒結(jié)接頭。接頭的致密度可達(dá)80%，剪切強(qiáng)度達(dá)到20MPa。燒結(jié)層的熱傳導(dǎo)率是普通共晶焊料的5 倍以上，這種由納米Ag 燒結(jié)層構(gòu)成互連層的芯片基板互連技術(shù)是一種潛在的適合寬禁帶半導(dǎo)體器件（SiC或GaN）的技術(shù)。此外接頭還可承受300℃下，400小時(shí)的溫度存儲(chǔ)試驗(yàn)。

圖4 2mmx3mm 硅功率MOSFET在DBC鍍銀面燒結(jié)

圖5 2mm x 2mm SiC器件在DBC鍍金面燒結(jié)

圖6 4mm×4mm SiC器件在銅鍍銀面燒結(jié)

圖7 2mm x 3mm 硅MOSFET在可閥合金上燒結(jié)

日本バソド化學(xué)公司2003年開(kāi)發(fā)成功一種納米銀漿（粒徑數(shù)10nm），這種銀漿適用于樹脂系印刷電路板，可低溫?zé)刹⒈３值偷碾娮杪剩鳛橛∷㈦娐钒宓奈⒓?xì)電路構(gòu)成將獲得實(shí)際應(yīng)用。銀的熔點(diǎn)為961℃，而這種銀漿的熔點(diǎn)僅有100~150℃，可以用于各式各樣的印刷電路板貼裝。

Bai John G等人將含30 nm 納米銀粉的焊膏加熱到280℃，其密度可以達(dá)到全密度的80%。該燒結(jié)的多孔銀粉焊膏的熱傳導(dǎo)率240W/(K·m)，電導(dǎo)率約為3.8×105S/cm，彈性模量為約9 GPa，拉伸強(qiáng)度為43 MPa。這種材料的物理性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通釬料合金材料的性能，更適合應(yīng)用于高可靠性領(lǐng)域。

Daisuke Wakuda, Keun-Soo Kim等人通過(guò)化學(xué)方法制備出納米銀，其平均直徑不到10nm如圖8所示。然后在其中加入少量烷基胺制備出納米銀漿。這種納米銀漿可在室溫下燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)間在30min內(nèi)，提高燒結(jié)溫度可加速燒結(jié)過(guò)程并進(jìn)一步降低接頭的電阻率。23℃燒結(jié)接頭的電阻率低至4.9×10-6Ωm，150℃燒結(jié)接頭（圖9所示）的電阻率可低至3.2×10-7Ωm。接頭的剪切強(qiáng)度可達(dá)8MPa。美中不足的是接頭在燒結(jié)時(shí)需要大約1MPa的壓力。在一定程度上限制了其應(yīng)用邊界。

圖8 Daisuke Wakuda等制備的納米銀顆粒TEM圖像

圖9 150℃燒結(jié)接頭TEM圖像

張穎川等采用化學(xué)還原法制備的平均直徑40nm的納米銀在5MPa、250℃下燒結(jié)5min后，其接頭剪切強(qiáng)度可達(dá)56MPa。

王帥、計(jì)紅軍等人采用化學(xué)還原方法制備了平均直徑10nm的納米銀漿，如圖10所示。這種納米銀漿在150℃-200℃之間保溫20min~30min可達(dá)到很好的燒結(jié)效果。而且燒結(jié)過(guò)程中不需要外加壓力，給應(yīng)用帶來(lái)了很大靈活性。經(jīng)試驗(yàn)，其接頭的剪切強(qiáng)度達(dá)到25 MPa，熱導(dǎo)率值達(dá)到74 W/(m·K)，性能相當(dāng)優(yōu)異。

圖10 王帥等制備的納米銀顆粒透射電鏡圖像

善仁新材制備出平均直徑10nm的納米銀導(dǎo)電漿料。這種導(dǎo)電漿料燒結(jié)后的表面形貌與納米銀的含量有關(guān)。當(dāng)納米銀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，在150 ℃就可以燒結(jié)得比較致密，并且具有良好的導(dǎo)電性。