Термокомпрессионное соединение - Thermocompression bonding

Термокомпрессионное соединение описывает соединение пластин техника и также упоминается как диффузионное соединение, сварка под давлением, термокомпрессионная сварка или сварка в твердом состоянии. Два металла, например золото (Au) -золото (Au), приводятся в атомный контакт, прикладывая одновременно силу и тепло.[1] В распространение требует атомного контакта между поверхности из-за атомной движение. Атомы мигрируют из одного кристаллическая решетка к другому на основе колебание кристаллической решетки.[2] Это атомное взаимодействие склеивает интерфейс вместе.[1]Процесс диффузии описывается следующими тремя процессами:

Этот метод обеспечивает защиту внутренней структуры корпусов устройств и прямые электрические межсоединения без дополнительных шагов, помимо процесса поверхностного монтажа.[3]

Обзор

Самые популярные материалы для термокомпрессия связь медь (Cu), золото (Au) и алюминий (Al)[1] из-за их высокой скорости диффузии.[4] Кроме того, алюминий и медь как относительно мягкие металлы обладают хорошими характеристиками. пластичный характеристики.

Для соединения с Al или Cu требуется температура ≥ 400 ° C для обеспечения достаточного герметичное уплотнение. Более того, алюминий требует обширного осаждения и требует большого приложенного усилия для растрескивания поверхности окись, так как не может проникать сквозь оксид.

С помощью золото для диффузии необходима температура около 300 ° C, чтобы добиться хорошего склеивания. По сравнению с Al или Cu он не образует оксид. Это позволяет пропустить процедуру очистки поверхности перед приклеиванием.[1]

Медь имеет тот недостаток, что дамасский процесс очень обширный.[5] Также он сразу образует поверхностный оксид, который можно удалить с помощью муравьиная кислота пар уборка. Удаление оксида ведет также к пассивации поверхности.

Распространение металла требует хорошего контроля CTE различия между двумя пластинами для предотвращения возникающих напряжений.[1] Следовательно, температура обоих нагревателей должна быть согласованной и однородной по всей длине. Это приводит к синхронизированному расширению пластины.[2]

Процедурные шаги

Предварительное кондиционирование

Окисление и примеси в металлических пленках влияют на реакции диффузии за счет снижения скорости диффузии. Поэтому применяются методы чистого осаждения и связывания с удалением оксида и этапами предотвращения повторного окисления.[6] Удаление оксидного слоя может осуществляться различными оксидными методы химии травления. Сухое травление процессы, то есть очистка паров муравьиной кислоты, являются предпочтительными на основе минимизации погружения в жидкости и результирующего травления пассивация или адгезионный слой.[5] С использованием CMP процесс, который особенно необходим для Cu и Al, создает планаризованную поверхность с микрошероховатостью около нескольких нанометров и позволяет достичь пустота -свободные диффузионные связи.[7] Кроме того, обработка поверхности для удаления органических веществ, например Возможно воздействие УФ-озона.[8]

Методы, т.е. плазма предварительная обработка поверхности, обеспечивает повышенную скорость диффузии на основе увеличенного контакта с поверхностью.[2] Также считается, что использование этапа ультрапланаризации улучшает сцепление из-за уменьшения переноса материала, необходимого для диффузии. Это улучшение основано на определенной высоте Cu, Au и Sn.[9]

Отложение

Металлические пленки могут быть нанесены испарение, распыление или же гальваника. Испарение и распыление с образованием высококачественных пленок с ограниченным количеством примесей являются медленными и поэтому используются для толщины слоя микрометра и субмикрона. Гальваника обычно используется для более толстых пленок и требует тщательного контроля и контроля шероховатости пленки и чистоты слоя.[5]

Золотая пленка также может быть нанесена на диффузионный барьер фильм, т.е. окись или же нитрид.[8] Кроме того, дополнительная нанокристаллическая металлическая пленка, например Ta, Cr, W или Ti могут повысить адгезионную прочность диффузионной связи при пониженном прилагаемом давлении и температуре соединения.[4]

Склеивание

Факторы выбранной температуры и приложенного давления зависят от скорости диффузии. Диффузия происходит между кристаллическими решетками за счет колебаний решетки. Атомы не могут перепрыгивать через свободное пространство, то есть через загрязнения или пустоты. Помимо самого быстрого процесса диффузии (поверхностной диффузии), существуют границы зерен и объемная диффузия.[5]

Связующий интерфейс Ti-Si.[7]

Поверхностная диффузия, также называемая диффузией атомов, описывает процесс вдоль поверхности раздела, когда атомы перемещаются с поверхности на поверхность с получением свободной энергии.

В зернограничная диффузия условия бесплатные миграция атомов в свободных пространствах атомных решеток. В основе этого лежит поликристаллический слой и его границы неполного согласования атомной решетки и зерен.

В диффузия через объемный кристалл это обмен атомами или вакансиями внутри решетки, который делает возможным перемешивание. Объемная диффузия начинается при температуре от 30 до 50% температуры плавления материалов, экспоненциально возрастающей с температурой.[6]

Чтобы сделать возможным процесс диффузии, прикладывают большое усилие для пластической деформации неровностей поверхности пленки, то есть уменьшения изгиба и коробления металла.[5] Кроме того, приложенная сила и ее равномерность важны и зависят от вафля диаметр и металл плотность Особенности. Высокая степень однородности силы снижает общую необходимую силу и уменьшает градиенты напряжения и чувствительность к хрупкость.[2] Температуру склеивания можно снизить, используя более высокое прилагаемое давление, и наоборот, учитывая, что высокое давление увеличивает вероятность повреждения конструкционного материала или пленок.[8]

Сам процесс склеивания происходит в вакуум или же формовочный газ окружающая среда, например N2.[10] Атмосфера давления поддерживает теплопроводность и предотвращает вертикальные градиенты температуры на пластине и повторное окисление.[2] Основываясь на сложном управлении тепловое расширение различия между двумя пластинами, точность совмещения и высокое качество приспособления используются.[10]

Параметры соединения для наиболее распространенных металлов следующие (для пластин 200 мм):[1]

Алюминий (Al)
температура склеивания может составлять от 400 до 450 ° C при прилагаемой силе выше 70 кН в течение 20-45 мин.
Золото (Au)
температура склеивания от 260 до 450 ° C с приложенным усилием более 40 кН в течение 20-45 минут.
Медь (Cu)
температура склеивания составляет от 380 до 450 ° C с приложенной силой от 20 до 80 кН в течение 20-60 минут.

Примеры

1. Термокомпрессионное соединение хорошо зарекомендовало себя в CMOS промышленность и реализует вертикальные интегрированные устройства и производство корпусов на уровне пластины с меньшими форм-факторами.[10] Эта процедура склеивания используется для производства датчики давления, акселерометры, гироскопы и RF MEMS.[8]

2. Как правило, термокомпрессионные соединения выполняются путем подачи тепла и давления к сопрягаемой поверхности с помощью инструмента для связывания с твердым покрытием. Податливое склеивание[11] представляет собой уникальный метод формирования твердотельной связи этого типа между золотым свинцом и поверхностью золота, поскольку тепло и давление передаются через податливую или деформируемую среду. Использование совместимой среды обеспечивает физическую целостность вывода за счет контроля степени деформации провода. Этот процесс также позволяет склеивать несколько золотых проводов различных размеров одновременно, поскольку совместимая среда обеспечивает контакт и деформацию всех выводных проводов.

Технические характеристики

Материалы
  • Al
  • Au
  • Cu
Температура
  • Al: ≥ 400 ° C
  • Au: ≥ 260 ° C
  • Cu: ≥ 380 ° C
Преимущества
  • локальное отопление
  • быстрое охлаждение
  • хороший уровень герметичности
Недостатки
  • обширная подготовка Al, Cu
  • обширное осаждение Al, Cu
Исследования
  • Слои наностержня Cu
  • Технология ультрапланаризации

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж Фарренс, С. (2008). Новейшие металлические технологии для трехмерной интеграции и соединения на уровне пластин MEMS (отчет). SUSS MicroTec Inc.
  2. ^ а б c d е Фарренс, С. (2008). "Технологии и стратегии соединения пластин для трехмерных ИС". In Tan, C. S .; Gutmann, R.J .; Рейф, Л. Р. (ред.). Технологический процесс ИС 3-D уровня вафли. Интегральные схемы и системы. Springer США. С. 49–85. Дои:10.1007/978-0-387-76534-1.
  3. ^ Юнг, Э., Остманн, А. и Вимер, М., и Колесник, И., и Хаттер, М. (2003). «Процесс запайки пайкой для сборки защитного колпачка для MEMS CSP». Симпозиум по проектированию, тестированию, интеграции и упаковке MEMS / MOEMS 2003. С. 255–260. Дои:10.1109 / DTIP.2003.1287047.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  4. ^ а б Шимацу, Т. и Уомото, М. (2010). «Атомно-диффузионное связывание пластин с тонкими нанокристаллическими металлическими пленками». Журнал вакуумной науки и техники B. 28 (4). С. 706–714. Дои:10.1116/1.3437515.
  5. ^ а б c d е Фарренс, Шари и Суд, Сумант (2008). «Упаковка на уровне пластины: требования к балансировочному устройству и свойства материалов» (PDF). IMAPS. Международное общество микроэлектроники и упаковки.
  6. ^ а б Фарренс, С. (2008). "Упаковка уровня вафель на металлической основе". Глобальный SMT и упаковка.
  7. ^ а б Вимер, М., Фромель, Дж., Ченпинг, Дж., Хаубольд, М., и Гесснер, Т. (2008). «Вафельные технологии и оценка качества». 58-я конференция по электронным компонентам и технологиям (ECTC). С. 319–324. Дои:10.1109 / ECTC.2008.4549989.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  8. ^ а б c d Цау, К. Х. и Спиринг, С. М. и Шмидт, М. А. (2004). «Характеристика межфланцевых термокомпрессионных соединений». Журнал микроэлектромеханических систем. 13 (6). С. 963–971. Дои:10.1109 / JMEMS.2004.838393.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  9. ^ Райнерт, В. и Функ, К. (2010). «Термокомпрессионное соединение Au-Au для интеграции 3D MEMS с плоскими металлическими конструкциями». Международный семинар IEEE по низкотемпературному склеиванию для 3D-интеграции.
  10. ^ а б c Фарренс, С. (2009). Методы склеивания пластин на металлической основе для упаковки на уровне пластин. Промышленная группа MEMS (Отчет). 4. SUSS MicroTec Inc.
  11. ^ A.Coucoulas, «Compliant Bonding» Proceedings 1970 20-я конференция IEEE по электронным компонентам, стр. 380-89, 1970. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:CompliantBondingPublic_1-10.pdf https://www.researchgate.net/publication/225284187_Compliant_Bonding_Alexander_Coucoulas_1970_Proceeding_Electronic_Components_Conference_Awarded_Best_Paper