來源：《半導體芯科技》雜志 12/1月刊

作者：Baron Huang, Mei Dong, Ziwei Liu, BREWER SCIENCE公司高熱預算永久鍵合材料部門

半導體IC封裝技術包括利用3D集成來提高芯片密度，最大限度地提高性能并降低功耗。創新材料和工藝開發與制造領域的全球技術領導者Brewer Science最近推出了其最新的封裝解決方案，利用永久鍵合材料和光成像電介質制造尖端半導體以及5G和物聯網微電子設備。

將兩個元件永久鍵合在一起應用于先進封裝的許多領域，可以為三維集成電路（3D IC）的制造提供z軸方向集成。這種永久鍵合技術包括：直接/熔合粘接、陽極粘接、焊接和熱壓粘接。雖然熔接仍然是當今半導體行業中最常用的永久鍵合技術，但粘合劑鍵合的趨勢正在快速增長。

粘合劑鍵合，即使用聚合物材料作為中間層將一個表面連接到另一個表面的粘接，具有顯著的優勢，包括：

1）提高設計靈活性;

2）良好的表面平坦化和對表面形貌的適應性;

3）較低的粘合溫度，可以保護敏感部件;

4）更好的顆粒耐受性。憑借所有這些優點，粘合劑鍵合最近在微機電系統（MEMS）封裝和異構集成方面受到廣泛關注，以將邏輯芯片、存儲芯片和圖像傳感器等單個IC組件組裝成高密度、超薄集成封裝。人工智能（AI）、數據中心、5G和高端移動產品等高性能計算應用需要此類模塊。

Brewer Science此前在“歐洲3D和系統峰會”（European 3D & Systems Summit）上推出了其首款永久鍵合粘合劑PermaSOL?系列材料。PermaSOL材料旨在通過提供具有良好熱穩定性和低吸濕性的可靠粘合來滿足芯片級和晶圓級封裝要求。Brewer Science現在正在推出其下一代永久鍵合材料（permanent bonding material, PBM），具有出色的熱穩定性和高達350℃的改進熱預算。這些材料進一步提供低壓、低介電常數、高耐化學性和長保質期的室溫粘合。

與廣泛使用的鍵合粘合劑苯并環丁烯相比，Brewer Science下一代PBM具有更低的固化溫度、更小的拉伸強度和模量，以及更大的CTE。這些特性使Brewer Science的PBM材料成為一種“超低應力樹脂”，具有低翹曲的優點，為柔性基材上的應用帶來了廣闊的機會。

下一代PBM具有良好的熱穩定性，在氮氣氣氛中的分解溫度高于470℃。由于材料的固有柔韌性和流動性，可以在25℃、2kN下2分鐘實現鍵合。

圖1顯示了由SONIX掃描聲學顯微鏡表征的下一代PBM的鍵合質量，展示了無空隙的粘合線。粘合后，粘合劑材料通過熱固化過程固化。該材料在160℃時開始固化。在250℃固化3分鐘，或220℃固化30分鐘時，固化率超過90%。還對固化材料進行了高溫（300℃和350℃）熱測試，以進一步研究其熱穩定性。圖1中的C-SAM圖像顯示，下一代PBM具有良好的熱預算：在300℃和350℃熱處理一小時后無缺陷且收縮率低。

△圖1：在室溫下鍵合后（左）、在300℃下熱測試1小時后（中）、在350℃下熱測試1小時后（右）的下一代PBM的C-SAM圖像。

低損耗光成像電介質

隨著對高速數據連接需求的爆炸式增長，5G移動網絡的新頻譜正在全球迅速部署。自2019年以來，服務提供商發起了一場爭奪5G市場的競賽——換句話說：寬帶蜂窩網絡的第五代技術標準。許多網絡運營商隨后報告說，他們意識到了5G的迷人功能，包括卓越的速度和低延遲，這迅速擴大了用例的數量，并進一步推動了對數據和性能的需求。

在這個5G時代，對新材料和新封裝架構的需求不斷增長，以確保高帶寬毫米波（mmWave）射頻傳輸的低信號損耗。此外，還需要可靠的測量，特別是在晶圓級封裝、3D集成、TSV填充和應力緩沖應用中。5G頻譜使用更高的頻率，這可能導致更大的信號丟失風險。

具有低損耗的光成像電介質（Photo-imageable dielectric,PID）現在備受關注，特別是對于高速和高頻應用。各種聚合物介電材料已被評估為用于封裝高速和高頻器件的PID，包括聚苯并惡唑、聚酰亞胺、聚硅氧烷和環氧/苯酚。然而，它們中的大多數顯示出大于3的介電常數，耗散因數約為0.02，這對于頻率在6GHz以下頻段的現有應用來說可能很好，但無法滿足5G毫米波通信在60GHz或更高頻率下出現的要求和未來挑戰。

在此，Brewer Science開發了一種新型低損耗PID材料，以滿足對5G毫米波和物聯網應用日益增長的需求。Brewer Science低損耗PID材料的介電常數（Dk）在10GHz和108GHz時測量為2.6，而10GHz時的耗散因數（Df）為0.0016，在108GHz時為0.0041。此外，低損耗PID材料可以在低紫外線暴露劑量（約300mJ/cm2）下進行圖案化;它提供了良好的線條/空間分辨率，縱橫比約為1:1;圖案化的線/空間、溝槽和通孔特征如圖2所示。在低損耗PID材料的SEM/FIB圖像中也觀察到接近90度的陡峭側壁角，沒有立足點/圓角。

△圖2：（a）硅基底上的低損耗PID材料的SEM/FIB圖像;（b）鈦/銅（Ti/Cu）基底上的低損耗PID材料的SEM/FIB圖像。

除了需要低介電常數和損耗角正切外，對光成像電介質的其他要求包括強附著力、良好的熱穩定性和可靠性，以及低吸濕性、高伸長率、低收縮率和高光敏性。通過交叉影線膠帶剝離測試檢查了Brewer Science低損耗PID材料的粘合質量。

圖3顯示了低損耗PID材料對各種基材具有良好的附著力（4B），包括硅、玻璃和鋁，以及鈦和銅表面。表1總結了低損耗PID材料的其他性能，表明該材料可以滿足甚至超過高速和高頻器件封裝的廣泛應用要求。

△圖3：交叉陰影帶剝離測試表明，低損耗PID材料對各種基材具有良好的附著力，包括硅、玻璃、鋁和鈦/銅表面。

總結

本文介紹了Brewer Science公司新開發的永久鍵合材料（PBM）和低損耗光成像電介質（PID）。其一般材料特性總結于表1中。這些材料具有許多優點，包括出色的熱穩定性、低粘合溫度和壓力，低Dk和低Df，以及對各種基材的強附著力。這許多有益的品質使其成為有吸引力的候選者，以滿足對5G和物聯網設備封裝不斷增長的需求，其中可靠性、效率和性能對成功至關重要。

△表1.Brewer Science下一代PBM和低損耗PID材料的特性。