Brewer Science新型鍵合和介電材料為5G,IoT設(shè)備提供封裝解決方案

來源：《半導(dǎo)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(yù)算永久鍵合材料部門

半導(dǎo)體IC封裝技術(shù)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(chuàng)新材料和工藝開發(fā)與制造領(lǐng)域的全球技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)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(zhì)制造尖端半導(dǎo)體以及5G和物聯(lián)網(wǎng)微電子設(shè)備。

將兩個(gè)元件永久鍵合在一起應(yīng)用于先進(jìn)封裝的許多領(lǐng)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(shù)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(dāng)今半導(dǎo)體行業(yè)中最常用的永久鍵合技術(shù)，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(gè)表面連接到另一個(gè)表面的粘接，具有顯著的優(yōu)勢，包括：

1）提高設(shè)計(jì)靈活性;

2）良好的表面平坦化和對表面形貌的適應(yīng)性;

3）較低的粘合溫度，可以保護(hù)敏感部件;

4）更好的顆粒耐受性。憑借所有這些優(yōu)點(diǎn)，粘合劑鍵合最近在微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）封裝和異構(gòu)集成方面受到廣泛關(guān)注，以將邏輯芯片、存儲(chǔ)芯片和圖像傳感器等單個(gè)IC組件組裝成高密度、超薄集成封裝。人工智能（AI）、數(shù)據(jù)中心、5G和高端移動(dòng)產(chǎn)品等高性能計(jì)算應(yīng)用需要此類模塊。

Brewer Science此前在“歐洲3D和系統(tǒng)峰會(huì)”（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(wěn)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(xiàn)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(wěn)定性和高達(dá)350℃的改進(jìn)熱預(yù)算。這些材料進(jìn)一步提供低壓、低介電常數(shù)、高耐化學(xué)性和長保質(zhì)期的室溫粘合。

與廣泛使用的鍵合粘合劑苯并環(huán)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(qiáng)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(yīng)力樹脂”，具有低翹曲的優(yōu)點(diǎn)，為柔性基材上的應(yīng)用帶來了廣闊的機(jī)會(huì)。

下一代PBM具有良好的熱穩(wěn)定性，在氮?dú)鈿夥罩械姆纸鉁囟雀哂?70℃。由于材料的固有柔韌性和流動(dòng)性，可以在25℃、2kN下2分鐘實(shí)現(xiàn)鍵合。

圖1顯示了由SONIX掃描聲學(xué)顯微鏡表征的下一代PBM的鍵合質(zhì)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(shí)開始固化。在250℃固化3分鐘，或220℃固化30分鐘時(shí)，固化率超過90%。還對固化材料進(jìn)行了高溫（300℃和350℃）熱測試，以進(jìn)一步研究其熱穩(wěn)定性。圖1中的C-SAM圖像顯示，下一代PBM具有良好的熱預(yù)算：在300℃和350℃熱處理一小時(shí)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(shí)后（中）、在350℃下熱測試1小時(shí)后（右）的下一代PBM的C-SAM圖像。

低損耗光成像電介質(zhì)

隨著對高速數(shù)據(jù)連接需求的爆炸式增長，5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的新頻譜正在全球迅速部署。自2019年以來，服務(wù)提供商發(fā)起了一場爭奪5G市場的競賽——換句話說：寬帶蜂窩網(wǎng)絡(luò)的第五代技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。許多網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商隨后報(bào)告說，他們意識(shí)到了5G的迷人功能，包括卓越的速度和低延遲，這迅速擴(kuò)大了用例的數(shù)量，并進(jìn)一步推動(dòng)了對數(shù)據(jù)和性能的需求。

在這個(gè)5G時(shí)代，對新材料和新封裝架構(gòu)的需求不斷增長，以確保高帶寬毫米波（mmWave）射頻傳輸?shù)牡?a target="_blank">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(yīng)力緩沖應(yīng)用中。5G頻譜使用更高的頻率，這可能導(dǎo)致更大的信號丟失風(fēng)險(xiǎn)。

具有低損耗的光成像電介質(zhì)（Photo-imageable dielectric,PID）現(xiàn)在備受關(guān)注，特別是對于高速和高頻應(yīng)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(huán)氧/苯酚。然而，它們中的大多數(shù)顯示出大于3的介電常數(shù)，耗散因數(shù)約為0.02，這對于頻率在6GHz以下頻段的現(xiàn)有應(yīng)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(xiàn)的要求和未來挑戰(zhàn)。

在此，Brewer Science開發(fā)了一種新型低損耗PID材料，以滿足對5G毫米波和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用日益增長的需求。Brewer Science低損耗PID材料的介電常數(shù)（Dk）在10GHz和108GHz時(shí)測量為2.6，而10GHz時(shí)的耗散因數(shù)（Df）為0.0016，在108GHz時(shí)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(jìn)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(cè)壁角，沒有立足點(diǎn)/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(shù)和損耗角正切外，對光成像電介質(zhì)的其他要求包括強(qiáng)附著力、良好的熱穩(wěn)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(zhì)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(jié)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(yīng)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(jié)

本文介紹了Brewer Science公司新開發(fā)的永久鍵合材料（PBM）和低損耗光成像電介質(zhì)（PID）。其一般材料特性總結(jié)于表1中。這些材料具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括出色的熱穩(wěn)定性、低粘合溫度和壓力，低Dk和低Df，以及對各種基材的強(qiáng)附著力。這許多有益的品質(zhì)使其成為有吸引力的候選者，以滿足對5G和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(guān)重要。

△表1.Brewer Science下一代PBM和低損耗PID材料的特性。