Низкотемпературное термокомпрессионное сращивание меди
Введение
Повышение частоты функционирования радиоэлектронного устройства (быстродействие в гигагерцевом диапазоне) приводит к увеличению скорости изменения токов и напряжений в его цепях. Для достижения быстродействия такого устройства нужен принципиально иной подход на этапах его проектирования и изготовления, поскольку необходимо обеспечить электромагнитную совместимость, минимизацию помех и задержек распространения сигнала, а также соблюсти требования целостности сигнала, что не актуально в случае низкочастотных устройств [1].
На частотах функционирования прибора в ВЧ- и СВЧ-диапазоне паразитные явления в основном связаны с индуктивностью. Уменьшение длины соединительных проводников — один из путей ее снижения [2].
Согласно источнику [3], степень дезинтеграции можно характеризовать соотношением площадей кристалла (Skr), корпуса (Sko) и монтажного поля на коммутационной плате (Sm) (рис. 1). Современные типы корпусов позволяют снизить как занимаемую ИС площадь, так и длины межсоединений внутри корпуса, предполагая степень дезинтеграции от 6 до 52. В случае если кристалл предполагает монтаж без корпуса, степень дезинтеграции существенно снижена и находится в интервале от 1,5 до 2, что характерно для монтажа бескорпусных кристаллов ИС методами перевернутого кристалла (Flip-Chip) и разваркой выводов микропроволокой (Wire-Bonding).
Таким образом, среди существующих способов снижения влияния паразитных явлений на электрические характеристики радиоэлектронных узлов можно отметить два наиболее важных в рамках данной статьи:
- Снижение геометрических параметров связей интегральной схемы (далее — ИС) с коммутационной платой за счет монтажа бескорпусных кристаллов ИС.
- Снижение длины и оптимизация формы межсоединений кристаллов ИС и коммутационной платы.
Монтаж перевернутого кристалла ИС, а также разварка выводов кристалла ИС микропроволокой (рис. 2) во многом решают проблемы, возникающие при наличии у кристалла корпуса (паразитные емкость и большая индуктивность, низкий теплоотвод, большие габариты в целом и т. д.).
Однако эти методы не устраняют проблем, вызываемых наличием операций пайки и разварки (низкая надежность, сложно моделируемые процессы паразитного влияния индуктивности и т. д.). Решение было найдено при прямом сращивании бескорпусных кристаллов с межслойными переходами, выполненными по TSV-технологии (Through Silicon Vias) [4].
Существуют три типа стекирования по TSV-технологии (табл. 1): кристалл монтируется на кристалл, кристалл — на подложку и подложка — на подложку.
Кристалл — кристалл | Кристалл — подложка | Подложка — подложка |
---|---|---|
Малая производительность процесса сборки.
Использование стандартных методов соединения контактов. Высокий выход годных сборок при использовании заведомо исправных кристаллов (KGD). |
Могут быть использованы кристаллы разных размеров, выполненные по различным технологиям.
Все кристаллы могут быть проверены на исправность. |
Высокая производительность процесса сборки.
Размеры кристаллов должны совпадать. Высокие требования по совмещению подложек. |
Соединение по TSV-технологии состоит из трех основных процессов: формирование отверстий (переходов) в кремнии, заполнение переходов и сращивание выводов.
Формирование отверстий можно осуществить лазерным сверлением, ионным травлением или другими методами изотропного или анизотропного травления. По типу формирования отверстия различают выполнение данной операции на этапе FEOL и BEOL (до и после создания элементов кристалла соответственно).
Процесс заполнения переходов включает пассивацию стенок и заполнение пустот проводящим материалом. Медь имеет отличные проводящие свойства, но не согласована по КТР с кремнием, поэтому в качестве токопроводящих структур можно использовать молибден или вольфрам. Другое решение проблемы заключается в неполном заполнении отверстий, которое состоит из двух этапов: вакуумное осаждение тонкого слоя металла и гальваническое доращивание слоя до полного или частичного заполнения. Неполное заполнение закономерно повышает электросопротивление канала. В таблице 2 представлены основные способы соединения медных контактов [4].
На рис. 3 рассмотрена технологическая схема стекирования кристаллов ИС посредством прямого сращивания (англ. — Direct (Fusion) Bonding).
Предлагается использовать похожий процесс, но в ином масштабе (максимальный размер контактных элементов 100–250 мкм), для получения электромеханического соединения кристаллов с коммутационной платой, а также для стекирования между собой микрокоммутационных плат на различных основаниях (включая керамические, кремниевые, композиционные и т. д.).
На рис. 4 рассмотрена технологическая схема формирования электромеханического соединения двух тонкопленочных коммутационных плат посредством низкотемпературного термокомпрессионного сращивания (англ. — Low Temperature Thermocompression Bonding).
Предлагаемый способ термокомпрессионного сращивания заключается в приложении давления к приведенным в соприкосновение ювенильным поверхностям контактных площадок (далее — КП) платы и выводов кристалла или КП другой платы при температурах до +400 °C. Ограничение по верхнему пределу температуры накладывают конструкционные материалы объединяемых элементов, особенно согласованность коэффициентов термических линейных расширений материалов. Ограничение по нижнему пределу температуры накладывает скорость протекания взаимной диффузии медных контактов и, как следствие, длительность общего процесса.
Физико-химические основы термокомпрессионного сращивания
Рассматриваемый способ термокомпрессионного сращивания медных контактов представляет собой разновидность сварки давлением, физико-химические процессы которой могут быть описаны законами твердофазного взаимодействия. При плотном контакте двух медных структур в месте соединения происходит взаимная диффузия частиц, приводящая к устранению границ раздела структур и взаимному прорастанию кристаллов одной структуры в объем другой структуры. По своей сути это процесс контактной сварки с применением нагрева и давления, являющейся разновидностью стыковой сварки, с той разницей, что нагрев контактирующих поверхностей происходит через диэлектрическое основание плат и/или кристаллов.
Известно, что при диффузионной сварке однородных металлов температура составляет 0,5–0,7 от температуры плавления металла [9]. В случае термокомпрессионного сращивания медные контактные площадки платы и выводы кристаллов в процессе соединения находятся в твердом состоянии, продолжительное время тесно контактируя друг с другом при температурах, которые не превышают 0,3 от температуры плавления меди. В случае объединения кристаллов в единый модуль посредством термокомпрессионного сращивания медных контактов температуры могут достигать 0,5 от температуры плавления меди, поскольку материалы, используемые при изготовлении кристаллов по TSV-технологии, способны выдерживать подобную термонагрузку.
Основное требование, выдвигаемое к соединениям коммутационных плат или коммутационных плат с кристаллами, заключается в том, что электрическое сопротивление контакта должно быть минимальным. По оценочному расчету на основании данных таблицы 10 ГОСТ Р 53429-2009 для контакта с площадью сечения 50×50 мкм и высотой 20 мкм значение сопротивления не должно превышать 1,4×10–4 Ом. Это означает, что необходимо обеспечить объемное прорастание кристаллов одного медного контакта в другой с минимальным количеством примесей и растворенных газов вдоль границ зерен.
Следует отметить, что чем более мелкокристаллической будет медь, тем более протяженными будут границы зерен, что повлияет на скорость протекания диффузии, поскольку при температурах, не достигающих 0,8 от температуры плавления металла, механизм диффузии в большей мере развивается по дислокациям, протяженным дефектам, а также вдоль границ зерен. В работе [10] сообщается, что размер зерен, полученных при термокомпрессионном сращивании медных контактов двух кристаллов, при приложении усилия 4000 Н, температуры +300 °C в течение 1 ч и последующего отжига в N2 (0,001 торр) при температуре +400 °C на протяжении 1 ч составляет 300–500 нм. Таким образом, можно сделать предположение, что для области соединения медных контактов микрокоммутационных плат размер зерен меди следует выдерживать в пределах 500 нм.
Мелкозернистая структура также менее подвержена хрупкому разрушению, что важно при вибро- и ударных нагрузках, которым подвергаются приборы специального назначения на базе многокристальных модулей во время эксплуатации.
Границы зерен наряду с внешней поверхностью являются основным поставщиком вакансий. Известно, что высокая температура и интенсивная взаимная диффузия может привести к образованию пустот в зоне соединения. В работах [10, 11] показаны результаты рентгеноструктурного анализа мест соединения медных контактов после термокомпрессионного сращивания.
Представленные в работах фотографии (рис. 5) наглядно демонстрируют, как дислокации при приложении к медным контактам температуры +300 °C со временем при рекристаллизации металла и увеличении размеров зерен сливаются в пустоты, ослабляющие надежность соединения и ухудшающие электрические параметры соединения. Из чего можно сделать вывод о необходимости применения более низких температур при термокомпрессионном сращивании, чтобы предотвратить увеличение размеров зерен и объединение дислокаций в объемные пустоты. Использование более низких температур приведет к более длительному времени выполнения процесса, а качество контактирующих поверхностей и специальная атмосфера, в которой будет осуществляться твердофазное взаимодействие медных контактов, станут главными факторами процесса низкотемпературного термокомпрессионного сращивания.
Высокая шероховатость поверхности также является источником возникновения пустот. Для получения приемлемого значения шероховатости поверхностей сращиваемых контактов может быть использовано химическое или химико-механическое полирование. Рецептура основных растворов, созданных на основе неорганических кислот и применяемых для химического полирования меди, описана в патенте [12]. Согласно работе [13], неорганические кислоты (соляная, серная, азотная) в то же время эффективно удаляют окислы меди, тем самым активируя поверхности перед приведением медных контактов в соприкосновение.В работе [14] показано, каким образом окисляется напыленная магнетронным методом тонкая медная пленка, пребывая в атмосфере воздуха на протяжении 48 ч. Было выявлено формирование двойного слоя: внешний слой CuO толщиной 1,3 нм и внутренний слой Cu2O толщиной 2 нм. При таких толщинах окислов процесс взаимной диффузии меди контактов при температурах, не превышающих 0,3 от температуры плавления меди, не позволит получить электромеханическое соединение с требуемыми параметрами. Слои окислов должны быть удалены, например в неорганических кислотах [13], а непосредственно перед/во время процесса термокомпрессионного сращивания необходимо активировать медные контактирующие поверхности, восстановив медь из атомарных внешних слоев CuO.
Активировать контактирующие медные поверхности можно посредством органических кислот, разлагающихся при повышенных температурах, в ходе чего продукты разложения реагируют с окислами меди, восстанавливая медь и образуя летучие соединения.
Так, не стабилизированная добавлением воды метановая кислота (формула HCOOH) медленно разлагается на CO и Н2О при н. у. При повышении температуры происходит интенсификация процесса разложения, который идет по двум основным направлениям [15]:
HCOOH → (t) CO↑+H2O (пар) ↑
HCOOH → (t) CO2↑+H2↑
При температурах +(220…500) °C идет активное взаимодействие продуктов разложения кислоты с окислами меди:
CuO+H2 → (t) Cu+H2O (пар) ↑
CuO+CO → (t) Cu+CO2↑
2CuO+C → (t) 2Cu+CO2↑
В результате проведения одной из наиболее вероятных реакций (во многом зависит от температурных параметров процесса) медь восстанавливается из атомарных слоев окислов меди, создавая активную поверхность.
Технологические параметры термокомпрессионного сращивания
На момент написания статьи отсутствует справочная и специальная литература с описанием технологических параметров режимов низкотемпературного термокомпрессионного сращивания меди. На основании справочных изданий по диффузионной сварке [9] среди факторов, влияющих на качество получаемого соединения медных контактов за счет термокомпрессионного сращивания, следует выделить шесть основных:
- чистоту контактирующих поверхностей;
- шероховатость поверхностей, микрозазоры в зоне контактирования;
- активацию контактирующих поверхностей (отвод газообразных фаз после активации);
- температуру в зоне контактирования;
- давление сжатия;
- продолжительность процесса.
В таблице 3 перечислены способы обеспечения основных технологических параметров процесса и возможные дефекты.
Технологический параметр | Способ обеспечения параметра | Способ контроля | Возможные дефекты |
---|---|---|---|
Чистота поверхности | Химическая очистка, микротравление | Оптические приборы, бесконтактный гониометр | От частичного до полного отсутствия механического контакта |
Шероховатость, микрозазоры | Точение, химико-механическое и химическое полирование | Профилограф, профилометр | От частичного до полного отсутствия электрического и/или механического контактов |
Активация контактирующих поверхностей | Вакуумная камера, пары кислот | Газонезависимый мембранно-емкостный датчик, масспектрометр |
Окисление контактирующих поверхностей, отсутствие механического соединения |
Температура | Регулирование мощности источника нагрева | Термопары | Изменение структуры в зоне соединения, остаточное напряжение, пустоты, плохой электрический контакт |
Давление сжатия | Регулирование пневмостемы | Индикаторы, датчики силы | Остаточное напряжение, деформация контактов, трещины в керамических и полупроводниковых подложках |
Время процесса | Регулирование термокомпрессионного цикла | Таймер | Отсутствие механического контакта, изменение структуры в зоне соединения, избыточное электрическое сопротивление |
Реализация процесса стекирования кристаллов ИС или их монтажа на коммутационные платы при изготовлении многоуровневых 3D-микросборок может осуществляться на оборудовании таких производителей, как Suss MicroTec (Германия), EV Group (Австрия), SET Corporation SA (Франция), Idonus Sarl (Швейцария), Mitsubishi Heavy Industries Machine Tool Co., Ltd (Япония), Applied Microengineering Ltd (Великобритания).
На данный момент полуавтоматическое оборудование этих производителей приобретается в России в основном для бондирования (сращивания) полупроводниковых пластин, однако развитие в мире технологий 3D-интеграции бескорпусных кристаллов в микросборки позволяет сделать вывод о том, что таких установок будет приобретаться все больше для осуществления процессов сращивания металлических микроконтактов. Это заставляет внимательнее подходить к изучению физико-химических основ и освоению способов реализации низкотемпературного термокомпрессионного сращивания медных контактов при подготовке квалифицированных кадров для работы с высокотехнологичным оборудованием.
Реализация процесса низкотемпературного термокомпрессионного сращивания меди
В лаборатории микротехнологии кафедры «Электронные технологии в машиностроении» (МТ11) МГТУ им. Н. Э. Баумана была сделана пробная серия экспериментов для первичного ознакомления с реализацией процесса низкотемпературного термокомпрессионного сращивания медных выводов тестовых заготовок.
Эксперимент проводился на лабораторном пневматическом прессе RMP 210 производства Bungard Elektronik (Германия). Помимо прототипного и мелкосерийного производства многослойных печатных плат (до восьми слоев включительно), гибких и гибко-жестких плат, плат на металлическом основании, а также входного контроля новых базовых материалов, пресс позволяет осуществлять в рамках учебного процесса сборку модулей посредством пайки, термокомпрессионного сращивания и многое другое.
Пресс может быть модернизирован до модели RMP 210 VAC и оснащен вакуумной системой для удаления в процессе прессования остатков воздуха из полостей между слоями многослойных плат, а также легколетучих компонентов, выделяющихся при нагреве из материала плат и препрега, паров флюса при пайке, а также паров кислот при термокомпрессионном сращивании.
Технические характеристики применяемого в эксперименте пресса RMP 210 приведены в таблице 4.
Основные геометрические параметры тестовых образцов, материалы, а также существенные параметры процесса описаны в таблице 5.
Описание | Образец № 1 | Образец № 2 | Образец № 3 |
---|---|---|---|
Материал нижней заготовки | Фольгированный стекло-текстолит FR4 18/0–0,5 | Фольгированный стеклотекстолит FR4 18/0–1,5 | |
Материал верхней заготовки | FR4 18/0–0,5 | FR4 18/0–1,5 | |
Площадь верхней/нижней заготовки | 2 дм2 | ||
Материал КП нижней заготовки | Медная фольга толщиной 18 мкм | ||
Материал КП верхней заготовки | Медная фольга толщиной 18 мкм |
Медная фольга толщиной 18 мкм, покрытая гальванической медью толщиной 30 мкм | |
Минимальный размер типовой КП нижней заготовки | Круглые КП диаметром 500 мкм |
Медная поверхность без КП | |
Минимальный размер типовой КП верхней заготовки | Круглые КП диаметром 250 мкм | Проводники шириной 300 и 400 мкм, замкнутые контуры из проводников шириной 300 и 400 мкм | Проводники шириной 250 и 300 мкм |
Предварительная подготовка поверхности КП (в 10%-ном водном растворе H2SO4) | 1 мин | 2 мин | 5 мин |
Удаление окислов с поверхности КП в процессе сращивания | Предварительное нанесение на КП HCOOH (85%, х. ч.) | ||
Способ нагрева заготовок | Загрузка заготовок в «холодный пресс».
Нагрев совместно с плитами пресса от +20 до +175 °С |
Загрузка заготовок в «горячий пресс».
Предварительный нагрев плит пресса от +21 до +175 °С. |
|
Скорость прогрева основания | Около 4,5 °С/мин | Около 15 °С/мин | Около 1 °С/мин |
Прикладываемое усилие | 1 т/дм2 | 2,5 т/дм2 | |
Время процесса | 6 ч | 5 ч | |
Результат | Нет электромеханического соединения заготовок; поверхность контактных площадок сильно окислившаяся |
Нет электромеханического соединения только между замкнутыми контурами и медной поверхностью нижней заготовки | Получено неразъемное соединение верхней и нижней заготовок. Отрыв по границе медная фольга — стеклотекстолит |
На рис. 6 представлены результаты низкотемпературного термокомпрессионного сращивания образца № 3. Видно, как при разъединении заготовок в месте контактирования отрывается фольга от стеклотекстолита как верхней, так и нижней заготовки.
По результатам проведенного эксперимента можно сделать следующие выводы:
- С уменьшением размеров контактов (в эксперименте минимальный диаметр был равен 250 мкм) происходит более качественное термокомпрессионное сращивание, минимизируя площадь контактирования, можно добиться меньшего времени процесса.
- Для химической очистки поверхностей крупных медных контактов необходима обработка в 10%-ном водном растворе серной кислоты не менее 5 мин. Для более глубокой химической очистки использовать более концентрированный раствор серной и соляной кислот, который при добавлении хромового ангидрида также может быть использован для химического полирования.
- После проведения всех необходимых «мокрых» процессов заготовку необходимо высушить так, чтобы не вызывать относительно глубокого окисления медных контактов, но удалить максимум влаги — например, в течение 1–4 ч при +(75…85) °C в вакуумном сушильном шкафу (время сушки выбирать в зависимости от гигроскопичности конструкционных материалов коммутационных плат, участвующих в сборке).
- При активации медных контактов метановая кислота должна подаваться на нагретые поверхности.
- Во время активации медной поверхности необходимо обеспечить своевременный отвод продуктов разложения метановой кислоты и продуктов их реакции с окислами меди из зоны контактирования:
- операция должна осуществляться в вакуумной камере;
- топология вокруг соединяемых медных контактов коммутационных плат не должна образовывать замкнутый контур.
Заключение
Статья объединяет и дополняет результаты исследований термокомпрессионного сращивания меди, опубликованные ранее в работах [16,17].
В данной работе уделено значительное внимание физико-химическим основам термокомпрессионного сращивания меди, что может быть использовано при подготовке квалифицированных кадров для работы на высокотехнологичном оборудовании для стекирования кристаллов ИС, монтажа бескорпусных кристаллов ИС на коммутационные платы и т. п.
Впервые предложен способ использования низкотемпературного термокомпрессионного сращивания меди для получения высокоплотных многоуровневых коммутационных плат на керамических и полупроводниковых основаниях, которые не могут быть объединены в многослойную плату посредством традиционной операции прессования через соединительную стеклоткань, пропитанную неполимеризованной смолой.
Приведены результаты апробации процесса низкотемпературного термокомпрессионного сращивания медных контактов при объединении двух тестовых плат с целью получения неразъемного электромеханического соединения. Показано, что данный процесс может быть реализован в рамках обучения инженеров‑технологов на оборудовании для производства многослойных печатных плат.
- Кечиев Л. Н. Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры. М.: ООО «Группа ИДТ», 2007.
- Климачев И. И., Иовдальский В. А. СВЧ ГИС. Основы технологии и конструирования. М.: Техносфера, 2006.
- Медведев А. М. Сборка и монтаж электронных устройств. М.: Техносфера, 2007.
- Tummala R. Introduction to System-on-Package (SOP). Miniaturization of the Entire System. New York, McGraw Hill, 2008.
- Tong M., Lai Y. S., Wong. C. P. Advanced Flip Chip Packaging. New York, Springer, 2013.
- Dragoi V., Pabo Wafer bonding for MEMS and CMOS integration // MicrosystTechnol. 2012. Vol. 18. № 7, 8.
- Flötgen et al. Wafer bonding using Cu-Sn intermetallic bonding layers // MicrosystTechnol, 2013.
- Daily Microscrubbing: an Alternative Method for 3D Thermo-compression Bonding Cu-Cu Bumps and High Bump Density devices with Low Force. Time and Temperature, Electronic Components & Technology Conference, 2013.
- Николаев Г. А. идр. Сварка в машиностроении. Справочник в 4 т. Т. 1. Под ред. Н. А. Ольшанского. М.: Машиностроение, 1978.
- Chuan T., Chandrakasan A., Reif R. Progress in copper-based wafer bonding. Cambridge, MIT.
- Chuan T. Cu-to-Cu Thermo-compression Bonding and Its Recent Progress. International Workshop on 3D Design and Nanoelectronic System Technologies. Singapore, Nanyang Technological University, 2009.
- Ребров Е. Е., Нориков С. В., Балмасов А. В. и др. Раствор для химического полирования меди и ее сплавов. Патент № 2299269. Российская Федерация, 2005.
- Habbache , Alane N., Djerad S., Tifouti L. Leaching of copper oxide with different acid solutions // Chemical Engineering Journal. 2009. № 152.
- Keil , Lützenkirchen-Hecht D., Frahm R. Investigation of Room Temperature Oxidation of Cu in Air. Germany. Bergische Universität Wuppertal, 2007.
- Schmeißer Decomposition of formic acid. Chemnitz University of Technology, 2011.
- Боброва Ю. С., Андроник М. М., Жуков В. В., Тахаутдинов Р. Ш., Бычков С. П. Низкотемпературное термокомпрессионное сращивание меди в технологии изготовления высокоплотных микросистем // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2016. № 6.
- Березина Е. Ю., Андроник М. М. Низкотемпературное термокомпрессионное сращивание меди. Всероссийская научно-техническая конференция «Студенческая научная весна: Машиностроительные технологии». Материалы конференции, 5–8 апреля, 2016, Москва, МГТУ им. Н. Э. Баумана. М.: ООО «КванторФорм», 2016.