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15
Cu-Cu连接接头的制备过程示意图[104]
正文中引用本图/表的段落
Liu等[104]通过多元醇方法制备的平均粒径为30 nm的纳米Cu颗粒用甲酸处理后与乙二醇混合制成纳米Cu浆, 之后在10 MPa, 5% H2+95% N2混合气氛中烧结5 min, 烧结温度160~320 ℃, 烧结过程示意图如图15所示。在260 ℃烧结时, Cu纳米颗粒层表现出5.65 μΩ·cm的低电阻率, 接头表现出43.4 MPa的高剪切强度。在320 ℃烧结时, 电阻率降低到3.16 μΩ·cm, 剪切强度提高到51.7 MPa。微观结构分析表明, Cu结合界面之间通过冶金结合实现。同样地, 本课题组的Pan等[105]采用以乙二醇为反应溶剂和还原剂合成的100~200 nm的纯铜粉在300 ℃下便实现了冶金结合, 并发现烧结层密度随烧结时间的延长而逐渐增大, 孔隙率逐渐降低, 纳米铜粉烧结30 min后基本稳定。
Liu等[ 104]通过多元醇方法制备的平均粒径为30 nm的纳米Cu颗粒用甲酸处理后与乙二醇混合制成纳米Cu浆, 之后在10 MPa, 5% H 2+95% N 2混合气氛中烧结5 min, 烧结温度160~320 ℃, 烧结过程示意图如 图15所示.在260 ℃烧结时, Cu纳米颗粒层表现出5.65 μΩ·cm的低电阻率, 接头表现出43.4 MPa的高剪切强度.在320 ℃烧结时, 电阻率降低到3.16 μΩ·cm, 剪切强度提高到51.7 MPa.微观结构分析表明, Cu结合界面之间通过冶金结合实现.同样地, 本课题组的Pan等[ 105]采用以乙二醇为反应溶剂和还原剂合成的100~200 nm的纯铜粉在300 ℃下便实现了冶金结合, 并发现烧结层密度随烧结时间的延长而逐渐增大, 孔隙率逐渐降低, 纳米铜粉烧结30 min后基本稳定. ...
Liu等[ 104]通过多元醇方法制备的平均粒径为30 nm的纳米Cu颗粒用甲酸处理后与乙二醇混合制成纳米Cu浆, 之后在10 MPa, 5% H 2+95% N 2混合气氛中烧结5 min, 烧结温度160~320 ℃, 烧结过程示意图如 图15所示.在260 ℃烧结时, Cu纳米颗粒层表现出5.65 μΩ·cm的低电阻率, 接头表现出43.4 MPa的高剪切强度.在320 ℃烧结时, 电阻率降低到3.16 μΩ·cm, 剪切强度提高到51.7 MPa.微观结构分析表明, Cu结合界面之间通过冶金结合实现.同样地, 本课题组的Pan等[ 105]采用以乙二醇为反应溶剂和还原剂合成的100~200 nm的纯铜粉在300 ℃下便实现了冶金结合, 并发现烧结层密度随烧结时间的延长而逐渐增大, 孔隙率逐渐降低, 纳米铜粉烧结30 min后基本稳定. ...
(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. ... Highly conductive Cu-Cu joint formation by low-temperature sintering of formic acid-treated Cu nanoparticles 4 2016 ... Liu等[104]通过多元醇方法制备的平均粒径为30 nm的纳米Cu颗粒用甲酸处理后与乙二醇混合制成纳米Cu浆, 之后在10 MPa, 5% H2+95% N2混合气氛中烧结5 min, 烧结温度160~320 ℃, 烧结过程示意图如图15所示.在260 ℃烧结时, Cu纳米颗粒层表现出5.65 μΩ·cm的低电阻率, 接头表现出43.4 MPa的高剪切强度.在320 ℃烧结时, 电阻率降低到3.16 μΩ·cm, 剪切强度提高到51.7 MPa.微观结构分析表明, Cu结合界面之间通过冶金结合实现.同样地, 本课题组的Pan等[105]采用以乙二醇为反应溶剂和还原剂合成的100~200 nm的纯铜粉在300 ℃下便实现了冶金结合, 并发现烧结层密度随烧结时间的延长而逐渐增大, 孔隙率逐渐降低, 纳米铜粉烧结30 min后基本稳定. ...
(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. ... Study on preparation and application of nano-copper powder for power semiconductor device packaging 1 ... Liu等[104]通过多元醇方法制备的平均粒径为30 nm的纳米Cu颗粒用甲酸处理后与乙二醇混合制成纳米Cu浆, 之后在10 MPa, 5% H2+95% N2混合气氛中烧结5 min, 烧结温度160~320 ℃, 烧结过程示意图如图15所示.在260 ℃烧结时, Cu纳米颗粒层表现出5.65 μΩ·cm的低电阻率, 接头表现出43.4 MPa的高剪切强度.在320 ℃烧结时, 电阻率降低到3.16 μΩ·cm, 剪切强度提高到51.7 MPa.微观结构分析表明, Cu结合界面之间通过冶金结合实现.同样地, 本课题组的Pan等[105]采用以乙二醇为反应溶剂和还原剂合成的100~200 nm的纯铜粉在300 ℃下便实现了冶金结合, 并发现烧结层密度随烧结时间的延长而逐渐增大, 孔隙率逐渐降低, 纳米铜粉烧结30 min后基本稳定. ... A metal-metal bonding process using metallic copper nanoparticles prepared in aqueous solution 1 2014 ... Comparison of various low-temperature sintering processes and their performance
本文的其它图/表
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