引线键合的狭窄弯月形三维电沉积直写技术.docx

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1、引线键合的狭窄弯月形三维电沉积直写技术电子工业中对减小元器件的尺寸取得了持续的进展，使得一些微米级的引线键合需要用引线直接将集成的芯片与电路板相连。我们发展了一种方法，利用微纳米级的液体弯月形型的热力学稳定性去创造之前设计好的纯铜和铂的三维立体结构。我们将演示一种自动化的引线键合过程，它可以使连引线直径径小到1微米，键合点尺寸小于3微米，拥有每平方米十的十一次方安培的击穿电流。这项技术被用来制造高密度高质量的产品的连接和复杂的三维微尺度甚至纳米尺度的金属结构的连接问题。作为集成芯片制造的重要组成部分，互联为那些需要回路去传导信号的电器设备提供了路径。随着电子芯片的设计密

2、度逐渐增加，导致连接线的密度和设计的复杂程度成指数增长。随着3D芯片结构的引入，芯片之间形成3d堆叠的想法出现，于是需要一种灵活的可以键合3D微纳米尺度的引线键合技术。传统的引线键合技术已经为电子工业服务了好多年，封装设计需要更令人满意的互联技术。最近到倒装芯片互联技术被引进作为一种方法去提高连接的密度和提高设备高频率操作的性能。然而，这种连接在微米级的尺度上是非常困难的。超热声金线引线键合最小的尺度是40微米，而倒装芯片技术在工业生产中可以达到100微米。这增加了芯片为衬底留下的空间，减少了每个硅片可以生产的芯片数目，增加了每个芯片的成本。人们期望降低传统的互联的的尺

3、度，但是不会遇到可靠性的问题，也满足目前在非常小的间距下的电流密度。将3D微制造技术和电子器件设计相融合，用电子束和聚焦离子束沉积或者用金属胶状物直写的方法去制造3D纳米和微米级尺寸的连接，这种方法已经在探索中。电子束和聚焦离子束沉积可以制造特征尺寸小于10纳米的3D结构。但是这个过程必须在高真空的环境下制造，它的效率是很低的。可供选择的沉积材料被特殊的化合物的不足限制，沉积的金属一般导电性能比较差。用金属的胶体直写技术已经被用来制造连接的桥梁，用银的胶体制造了直径10微米的导线。然而限制的部分是不能进一步降低引线的尺寸：胶体材料的有限尺寸，和这些材料自身的分散作用，最

4、后限制了喷发胶状分散体的喷嘴的最小限度尺寸。进一步导致一种特殊的胶体材料系统必须被开发，为了将各种不同类型的金属引线从胶状体引线装换到金属引线，列如，用热处理的办法。因此我们展示了一种自动化的利用狭窄弯月形的3D电沉积直写引线键合技术，这项技术可以在开放的环境中进行操作。这项技术制造的互联引线是亚微米的直径和小于10平方微米的连接点。引线是由铜甚至一些惰性金属例如Pt来制造的，也可以由一些现成金属的电解质溶液电镀沉积来制造。这些引线拥有大于1011A/m2的电流密度，高于焊点电流密度六个数量级。狭窄弯月形的3D电沉积技术依靠一个装有电解液的微量吸液管，它有一个微小的滴涂

5、喷嘴作为工作的刀具。当微量吸液管接近基底的表面，在喷嘴和基底之间一个液体的半月板形状被建立。将一个合适的电流用在微量吸管和基底之间，在弯月形表面将发生持续的电沉积。建造引线的关键是使微量吸液管的拉速和沉积的速度合拍。这样才能一直在喷嘴和沉积的引线之间形成半月形，从而使微纳米级的引线能够一直生长。这个想法比许多技术都先进，例如电化学浸笔光刻，它的沉积受到表面图案的限制。在喷嘴和生长的金属引线之间形成的弯月形的尺寸和形状由喷嘴的尺寸、液体热力学的属性、有关的接口、喷嘴和生长的引线的前端的分离速率所决定的。理论上的，一个窄至2纳米弯月形可以被建立，如此小的弯月形的的热力学稳定

6、性在实验和理论上是值得慎重对待的。因为这弯月形的尺寸决定了沉积的引线的的直径大小，这种想法可以将建造的引线的尺寸降到纳米级。实际上这个系统的机械稳定性，和小尺寸喷嘴的实用性，离子的传输性，电沉积物和基底的相互作用，和在一个狭窄的弯月面的环境下的电化学作用都影响着用这种方法制造的纳米结构的质量和最小特征尺寸。我们已经用这个技术生产各种直径的金属引线，最小的直径是100nm，用直径100nm的喷嘴生产的。我们生产的引线长度大于80微米，仅仅被该压电线性阶段的行程限制。为了促进互联桥梁的制造，这会涉及到金属引线越过大跨度的侧面生长，我们需要制造合适的微型吸管喷嘴的形状。图1B

7、展示了一个合适的拥有直径3微米的喷嘴的玻璃微型吸液管的形状。喷嘴的末端和侧孔的结构能够形成一个牢固的弯月面，这个弯月面的引线可以调整0到90度任何方向，这个喷嘴的外形是用聚焦离子束的方法来加工的，它提供了一个必备的精度。图1C展示了一系列的不同角度的铜引线，这是用侧开口的喷嘴制造的。这垂直和横向的长度和铜丝的取向一样，是由微型吸管的行走路径所控制的，铜丝的直径是由侧开口喷嘴的尺寸决定的。引线是由0.05M的硫酸铜水溶液制造的和偏置于0.2V的金涂层样品表面。微型吸管有一个公称喷嘴直径为3微米。铜引线在这些条件下的生长速率是0.25微米每秒