第三代半导体互连材料与低温烧结纳米铜材的研究进展
柯鑫, 谢炳卿, 王忠, 张敬国, 王建伟, 李占荣, 贺会军, 汪礼敏
无机材料学报
2024, 39 ( 1):
17-31.
DOI:10.15541/jim20230345
半导体材料是现代科技发展和产业革新的核心, 随着高频、高压、高温、高功率等工况的日趋严峻及“双碳”目标的需要, 以新型碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等为代表的第三代半导体材料逐步进入工业应用。半导体产业的贯通以及市场规模的快速扩大, 导致摩尔定律正逐渐达到极限, 先进封装互连将成为半导体行业关注的焦点。第三代半导体封装互连材料有高温焊料、瞬态液相键合材料、导电胶、低温烧结纳米Ag/Cu等几个发展方向, 其中纳米Cu因其优异的导电导热性、低温烧结特性和良好的可加工性成为一种封装互连的新型方案, 具有低成本、高可靠性和可扩展性, 近年来从材料研究向产业链终端应用贯通的趋势非常明显。本文首先介绍了半导体材料的发展概况并总结了第三代半导体封装互连材料类别; 然后结合近期研究成果进一步围绕纳米Cu低温烧结在封装互连等电子领域中的应用进行重点阐述, 主要包括纳米铜粉的粒度、形貌、表面处理和烧结工艺对纳米铜烧结体导电性能和剪切性能的影响; 最后总结了目前纳米铜在应用转化中面临的困境和亟待解决的难点, 并展望了未来的发展方向, 以期为低温烧结纳米铜领域的研究提供参考。
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图9
双峰铜浆在不同气氛下的烧结示意图[93]
正文中引用本图/表的段落
Peng等[90]通过调节纳米(10 nm)与微米(1 μm)颗粒的质量比和烧结参数, 系统研究了Cu-Cu接头的组织和结合性能, 利用纳米粒子的小尺寸效应和微米粒子的填充效应, 提高键合性能。结果表明, 纳米粒子与微米粒子的质量比为3 : 2时, 在2 MPa压力下、250 ℃Ar气氛中烧结15 min, 抗剪强度达到45.6 MPa, 电阻率为5.44 μΩ·cm, 孔隙率为2.67%, 断口和结合界面分别出现了显著的塑性变形和颈部生长组织。Gao等[91]采用一步多元醇法合成的200和1000 nm的双峰铜粒子与聚乙二醇(PEG)的还原剂混合形成糊状, 在氮气和真空烧结气氛下制备铜接头, 如图9所示。其中在350 ℃, 0.4 MPa N2气氛中烧结, 剪切强度达到40 MPa, 而真空气氛下烧结仅达到22.4 MPa。Matsuda等[92]使用0.53 μm(A)、0.61 μm(B)和0.95 μm(C)三种不同粒径的铜颗粒, 研究了在还原性气体气氛下, 表面氧化物和铜粉粒径对烧结性能的影响。结果表明, 在N2-3%H2混合气氛中300 ℃无压烧结30 min, 采用0.53 μm(A)粒径的铜材烧结后的剪切强度最高为23 MPa, 其氧化层厚度也最薄(仅为几纳米)。Li等[93]研制了一种纳米铜和3-二甲氨基-1,2-丙二醇甲酸铜(DMAPD)配合物组成的铜混合油墨, Cu-DMAPD配合物在140 ℃左右可转化为铜纳米颗粒和DMAPD配体,分散在油墨的大铜纳米粒子周围的小铜纳米颗粒可以在相对较低的温度下烧结, 从而在较大的纳米颗粒之间形成连接, 残留的DMAPD有利于铜纳米颗粒的抗氧化保护, 且可在烧结过程中去除。结果表明, 含质量分数38% Cu-DMAPD 的混合油墨在N2气氛下200 ℃烧结1 h的铜膜导电性最好, 电阻率为18 μΩ·cm。
(1)纳米Cu易氧化: 纳米Cu颗粒的制备和保存困难，其表面在空气中极易氧化为较稳定的CuO和Cu 2O, 杂质的电阻率和熔点都高于单质铜.纳米Cu颗粒表面的氧化层在烧结过程中阻碍了Cu原子间的扩散, 进而提升了烧结温度, 且会对致密度和导电性能造成不利影响. ... Die bonding performance using bimodal Cu particle paste under different sintering atmospheres 2 2017 ... Peng等[90]通过调节纳米(10 nm)与微米(1 μm)颗粒的质量比和烧结参数, 系统研究了Cu-Cu接头的组织和结合性能, 利用纳米粒子的小尺寸效应和微米粒子的填充效应, 提高键合性能.结果表明, 纳米粒子与微米粒子的质量比为3 : 2时, 在2 MPa压力下、250 ℃Ar气氛中烧结15 min, 抗剪强度达到45.6 MPa, 电阻率为5.44 μΩ·cm, 孔隙率为2.67%, 断口和结合界面分别出现了显著的塑性变形和颈部生长组织.Gao等[91]采用一步多元醇法合成的200和1000 nm的双峰铜粒子与聚乙二醇(PEG)的还原剂混合形成糊状, 在氮气和真空烧结气氛下制备铜接头, 如图9所示.其中在350 ℃, 0.4 MPa N2气氛中烧结, 剪切强度达到40 MPa, 而真空气氛下烧结仅达到22.4 MPa.Matsuda等[92]使用0.53 μm(A)、0.61 μm(B)和0.95 μm(C)三种不同粒径的铜颗粒, 研究了在还原性气体气氛下, 表面氧化物和铜粉粒径对烧结性能的影响.结果表明, 在N2-3%H2混合气氛中300 ℃无压烧结30 min, 采用0.53 μm(A)粒径的铜材烧结后的剪切强度最高为23 MPa, 其氧化层厚度也最薄(仅为几纳米).Li等[93]研制了一种纳米铜和3-二甲氨基-1,2-丙二醇甲酸铜(DMAPD)配合物组成的铜混合油墨, Cu-DMAPD配合物在140 ℃左右可转化为铜纳米颗粒和DMAPD配体,分散在油墨的大铜纳米粒子周围的小铜纳米颗粒可以在相对较低的温度下烧结, 从而在较大的纳米颗粒之间形成连接, 残留的DMAPD有利于铜纳米颗粒的抗氧化保护, 且可在烧结过程中去除.结果表明, 含质量分数38% Cu-DMAPD 的混合油墨在N2气氛下200 ℃烧结1 h的铜膜导电性最好, 电阻率为18 μΩ·cm. ...
(1)纳米Cu易氧化: 纳米Cu颗粒的制备和保存困难，其表面在空气中极易氧化为较稳定的CuO和Cu 2O, 杂质的电阻率和熔点都高于单质铜.纳米Cu颗粒表面的氧化层在烧结过程中阻碍了Cu原子间的扩散, 进而提升了烧结温度, 且会对致密度和导电性能造成不利影响. ... Reduction behavior of surface oxide on submicron copper particles for pressureless sintering under reducing atmosphere 2 2021 ... Peng等[90]通过调节纳米(10 nm)与微米(1 μm)颗粒的质量比和烧结参数, 系统研究了Cu-Cu接头的组织和结合性能, 利用纳米粒子的小尺寸效应和微米粒子的填充效应, 提高键合性能.结果表明, 纳米粒子与微米粒子的质量比为3 : 2时, 在2 MPa压力下、250 ℃Ar气氛中烧结15 min, 抗剪强度达到45.6 MPa, 电阻率为5.44 μΩ·cm, 孔隙率为2.67%, 断口和结合界面分别出现了显著的塑性变形和颈部生长组织.Gao等[91]采用一步多元醇法合成的200和1000 nm的双峰铜粒子与聚乙二醇(PEG)的还原剂混合形成糊状, 在氮气和真空烧结气氛下制备铜接头, 如图9所示.其中在350 ℃, 0.4 MPa N2气氛中烧结, 剪切强度达到40 MPa, 而真空气氛下烧结仅达到22.4 MPa.Matsuda等[92]使用0.53 μm(A)、0.61 μm(B)和0.95 μm(C)三种不同粒径的铜颗粒, 研究了在还原性气体气氛下, 表面氧化物和铜粉粒径对烧结性能的影响.结果表明, 在N2-3%H2混合气氛中300 ℃无压烧结30 min, 采用0.53 μm(A)粒径的铜材烧结后的剪切强度最高为23 MPa, 其氧化层厚度也最薄(仅为几纳米).Li等[93]研制了一种纳米铜和3-二甲氨基-1,2-丙二醇甲酸铜(DMAPD)配合物组成的铜混合油墨, Cu-DMAPD配合物在140 ℃左右可转化为铜纳米颗粒和DMAPD配体,分散在油墨的大铜纳米粒子周围的小铜纳米颗粒可以在相对较低的温度下烧结, 从而在较大的纳米颗粒之间形成连接, 残留的DMAPD有利于铜纳米颗粒的抗氧化保护, 且可在烧结过程中去除.结果表明, 含质量分数38% Cu-DMAPD 的混合油墨在N2气氛下200 ℃烧结1 h的铜膜导电性最好, 电阻率为18 μΩ·cm. ...
(1)纳米Cu易氧化: 纳米Cu颗粒的制备和保存困难，其表面在空气中极易氧化为较稳定的CuO和Cu 2O, 杂质的电阻率和熔点都高于单质铜.纳米Cu颗粒表面的氧化层在烧结过程中阻碍了Cu原子间的扩散, 进而提升了烧结温度, 且会对致密度和导电性能造成不利影响. ... Mixed ink of copper nanoparticles and copper formate complex with low sintering temperatures 4 2016 ... Peng等[90]通过调节纳米(10 nm)与微米(1 μm)颗粒的质量比和烧结参数, 系统研究了Cu-Cu接头的组织和结合性能, 利用纳米粒子的小尺寸效应和微米粒子的填充效应, 提高键合性能.结果表明, 纳米粒子与微米粒子的质量比为3 : 2时, 在2 MPa压力下、250 ℃Ar气氛中烧结15 min, 抗剪强度达到45.6 MPa, 电阻率为5.44 μΩ·cm, 孔隙率为2.67%, 断口和结合界面分别出现了显著的塑性变形和颈部生长组织.Gao等[91]采用一步多元醇法合成的200和1000 nm的双峰铜粒子与聚乙二醇(PEG)的还原剂混合形成糊状, 在氮气和真空烧结气氛下制备铜接头, 如图9所示.其中在350 ℃, 0.4 MPa N2气氛中烧结, 剪切强度达到40 MPa, 而真空气氛下烧结仅达到22.4 MPa.Matsuda等[92]使用0.53 μm(A)、0.61 μm(B)和0.95 μm(C)三种不同粒径的铜颗粒, 研究了在还原性气体气氛下, 表面氧化物和铜粉粒径对烧结性能的影响.结果表明, 在N2-3%H2混合气氛中300 ℃无压烧结30 min, 采用0.53 μm(A)粒径的铜材烧结后的剪切强度最高为23 MPa, 其氧化层厚度也最薄(仅为几纳米).Li等[93]研制了一种纳米铜和3-二甲氨基-1,2-丙二醇甲酸铜(DMAPD)配合物组成的铜混合油墨, Cu-DMAPD配合物在140 ℃左右可转化为铜纳米颗粒和DMAPD配体,分散在油墨的大铜纳米粒子周围的小铜纳米颗粒可以在相对较低的温度下烧结, 从而在较大的纳米颗粒之间形成连接, 残留的DMAPD有利于铜纳米颗粒的抗氧化保护, 且可在烧结过程中去除.结果表明, 含质量分数38% Cu-DMAPD 的混合油墨在N2气氛下200 ℃烧结1 h的铜膜导电性最好, 电阻率为18 μΩ·cm. ...
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