2015-06-03
陳智教授(左)、陳冠能教授團隊利用特殊電鍍發展銅銅接合技術 陳智教授(左)、陳冠能教授團隊利用特殊電鍍發展銅銅接合技術
交通大學材料系特聘教授暨奈米學士班主任陳智以及交通大學電子系教授暨國際半導體產業學院副院長陳冠能團隊,與美國UCLA杜經寧院士合作,在微電子封裝業的研究有重大突破。團隊利用特殊電鍍技術,發展低溫低壓的銅銅接合技術,若未來進一步提升反應速度與均勻度,將有望取代銲錫,成為繼打線接合、捲帶自動接合、覆晶封裝技術、微凸塊/矽穿孔電鍍後的第五代電子封裝技術。
 
交通大學材料系特聘教授暨奈米學士班主任陳智表示,2012年團隊利用特殊電鍍技術,製備具有高度(111)優選方向的奈米雙晶銅金屬膜 (當時發表於Science期刊)。因為(111)面為最密堆積平面,其平面上的銅原子擴散速度較快的特性,團隊開始發展低溫低壓的銅銅接合技術,目前已經可以成功在一般真空環境(10-3 torr)下,以低溫(150 oC)低壓(小於1MPa)進行銅-銅接合,接合過程可在60分鐘內完成(如下圖)。此溫度已經遠低於一般無鉛銲錫迴銲的溫度,若將溫度提昇至250 oC,將可在十分鐘內接合完成,此一令人振奮的結果在銅-銅接合發展上,是一重大突破,並已發表於五月出版的科學報導(Scientific Reports)。
 
研究團隊表示,現今半導體界的發展乃跟隨著摩爾定律的曲線,但預期即將達到微影技術及材料的物理極限,無法再繼續微縮。而三微積體電路(3D IC)技術低耗能及高傳導的優點,被預期能使各大廠繼續維持在摩爾定律上的技術,並且能大幅減少元件尺寸。現今3D IC 技術中,因銲錫具有低熔點及製程簡單的優點,所以自1969年以來被廣泛應用於半導體元件中的接點,但在大家不斷追逐體積縮小的效應下,會造成機械性質較脆、導熱速度慢。因此,使用焊錫接點在3D IC的應用會引發許多可靠度的問題。
 
銅具有非常好的導電率與導熱係數,但因熔點為1083 oC,要將兩片銅膜直接接合有其難度。過去銅接合的研究指出可在超高真空(10-8 torr)的環境下,將兩片經過氬離子束表面活化且具有高平整度的銅膜,可在室溫且不需施加壓力的情況下做接合。但由於此方法需要超高真空(10-8 torr)的環境,對於業界來說所需耗費的成本過高。此外,也有研究提出可在一般的真空(10-3 torr)環境下,利用300oC的熱壓可接合兩片銅膜,但300oC的溫度對於業界實際應用來說溫度還是過高。除了熱預算對成本及可靠度的影響外,有些應用例如CMOS image sensor,希望其接合溫度能降低到200 oC以下。綜合以上所述,銅直接接合技術要能實際應用在業界,必須符合兩個要求: (1)一般的真空環境下(10-3  torr)、(2)接合溫度需低於300 oC。
 
交大研究團隊成功研發在一般真空環境(10-3 torr)下,以低溫(150 oC)低壓(小於1MPa)進行銅-銅接合,實為學術與產業界一大突破。更難能可貴的是,此一研究為台灣團隊主導,實驗也都在台灣完成,足以證明交大與台灣的研究水準具世界級競爭力。此技術已經獲得台灣發明專利,並同時申請美國及德國專利。
 
本研究是台灣團隊主導,研究水準具世界級競爭力
 
此研究由交通大學材料系陳智教授與電子系陳冠能教授領導,團隊成員包含交通大學材料系博士後研究員劉健民博士、蕭翔耀博士,與博士班學生劉道奇、林漢文、呂佳凌、黃以撒,碩士班學生呂典融,以及加州大學洛杉磯分校,同時也是中研院院士杜經寧教授等人,所有的實驗都在台灣完成。

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