2015-06-03 再為台灣半導體業發展開啟新紀元 交大研發出第五代高階電子封裝技術

再為台灣半導體業發展開啟新紀元 交大研發出第五代高階電子封裝技術
交大陳智教授(右二)及電子系陳冠能教授(中)領導的研究團隊利用特殊電鍍發展銅銅接合技術,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。

【大成報記者羅蔚舟/新竹報導】 

 

長期以來,台灣半導體科技業最上游學界裡扮演領頭羊角色的交通大學,在微電子封裝業的研究上再有重大突破。交大團隊利用特殊電鍍技術,發展出低溫低壓的銅銅接合技術,由於降低了接合溫度與時間,因此,可應用於3D IC,以及應用手機與電腦散熱管(heat pipe)的接合,並具有減少成本與節能減碳等效益,這項成果已經獲得台灣發明專利,並同時申請美國及德國專利。交大指出,該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,更是晶圓級且異質結合的新世代封裝技術,尤將有助台灣發展物聯網(IoT)。 

 

交通大學從前任校長張俊彥博士號稱開發出台灣第一顆IC之研究成果,以及撰寫出台灣最早期的半導體產業發展白皮書後,交大一直在國內半導體等科技業界最上游的學界裡扮演著舵手角色,甚至交大更由上而下、合縱連橫地活化微電子產業創新發展。交大這次在微電子封裝技術的研究有重大突破,是由交大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杜經寧院士合作下,研發出「第五代高階電子封裝技術 」。該研究團隊成員由陳冠能教授領導,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,研究成果具有世界級競爭力。 

 

據陳智表示,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的負3次方 torr)下,以低溫(150度C)低壓(小於1MPa)進行銅-銅接合,接合過程可在60分鐘內完成。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度C,將可在10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)。 

 

交大研究團隊表示,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度C,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的負8次方 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的負8次方 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的負3次方 torr)環境下,利用300度C的熱壓可接合兩片銅膜,但300度C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(CIS),希望其接合溫度能降低到200度C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「一般的真空環境下(10的負3次方 torr)」、「接合溫度需低於300度C」兩個要求。