Development of vapor-assisted low temperature direct metal bonding and the joint reliability evaluation

現今微電子構裝諸多研發方向中，積體電路持續往微小化、整合化發展，其中三維晶片(3D IC)概念，因具大幅縮減導線連接路徑等優點，已成主流趨勢，3D IC縱向以TSV(through Si via)進行晶片堆疊並以Cu填充導孔，因此Cu對Cu之低溫接合為迫切課題。此外，隨著SiC、GaN等高功率元件模組的發展，能承受高達250 oC操作溫度的固晶接點技術仍有待突破。本研究開發以有機酸氣氛改質金屬表面並進行同質與異質金屬低溫直接接合製程，具有應用於3D IC與車用高功率IC構裝之高度潛力。實驗結果顯示本製程可於250oC成功接合Cu/Cu接點，以及於300oC以下接合異質接點包括Cu/Zn以及Cu/Ag，各材料組合接點之室溫剪變破壞強度皆可達25MPa以上，其中Cu/Zn接點更可達40MPa以上。顯微組織分析結果顯示Cu5Zn8與CuZn5形成於Cu/Zn接點介面，Cu/Ag介面則無明顯反應物生成。在高溫機械性質方面，隨著測試溫度升高至250oC，Cu/Zn接點強度與 Cu/Ag相比由較高轉為較低，其成因應為Zn基材高溫軟化所致。在可靠度方面，Cu/Zn與Cu/Ag接點在經1000次-65oC~150oC熱疲勞後剪變破壞強度均未明顯弱化，但Cu/Zn在250oC高溫時效方面表現遠不如Cu/Ag，其強度隨時效時間增加一路下滑，在200小時後轉為持平，該現象經證實與Cu5Zn8與CuZn5兩者競爭成長所導致之CuZn5崩裂與氧化有關。摘要 i Abstract ii 總目錄 iv 表目錄 vi 圖目錄 vii 第一章 前言 1 第二章 文獻回顧 2 2.1 Cu對Cu接合技術發展現況 2 2.2 高功率模組之固晶要求 4 2.3 高功率固晶材料之發展現況 4 2.3.1 Au-Sn合金 4 2.3.2 Bi-Ag合金 5 2.3.3 奈米Ag燒結 6 2.3.4 Zn-Sn合金與純Zn 6 2.4 Ag薄膜熱壓接合 7 2.5 甲酸於金屬表面之催化 8 2.6 甲酸蒸氣於電子構裝之應用 9 2.6.1 甲酸蒸氣於銲料上的應用 9 2.6.2 甲酸蒸氣於直接接合上的應用 10 第三章 實驗步驟 30 3.1 以甲酸進行Ag與Zn表面改質 30 3.1.1 試片製作 30 3.1.2 甲酸處理 30 3.1.3 UV-vis光譜分析及XRD分析 30 3.2 接合試片製備 30 3.2.1 Cu/Cu接合試片製備 30 3.2.2 Cu/Zn接合試片製備 31 3.2.3 Cu/Ag接合試片製備 31 3.3橫截面分析 32 3.4 機械性質與可靠度評估 32 3.5 破壞行為分析 32 第四章 結果與討論 36 4.1 甲酸對Ag與Zn表面處理效果分析 36 4.1.1 Zn表面甲酸處理 36 4.1.2 Ag表面甲酸處理 36 4.2 接合介面分析 36 4.3 機械性質分析 37 4.3.1 常溫剪力試驗分析 37 4.3.2 高溫剪力試驗分析 38 4.3.3 溫度循環試驗分析 38 4.3.4 時效試驗分析 38 4.4 破壞行為分析 38 4.4.1 常溫破壞行為分析 38 4.4.2 Cu/Zn高溫破壞行為分析 39 4.4.3 Cu/Zn時效試驗破壞行為分析 39 第五章 結論 60 參考文獻 6