Brewer Science新型键合和介电材料为5G,IoT设备提供封装解决方案

来源：《半导体芯科技》杂志 12/1月刊

作者：Baron Huang, Mei Dong, Ziwei Liu, BREWER SCIENCE公司高热预算永久键合材料部门

半导体IC封装技术包括利用3D集成来提高芯片密度，最大限度地提高性能并降低功耗。创新材料和工艺开发与制造领域的全球技术领导者Brewer Science最近推出了其最新的封装解决方案，利用永久键合材料和光成像电介质制造尖端半导体以及5G和物联网微电子设备。

将两个元件永久键合在一起应用于先进封装的许多领域，可以为三维集成电路（3D IC）的制造提供z轴方向集成。这种永久键合技术包括：直接/熔合粘接、阳极粘接、焊接和热压粘接。虽然熔接仍然是当今半导体行业中最常用的永久键合技术，但粘合剂键合的趋势正在快速增长。

粘合剂键合，即使用聚合物材料作为中间层将一个表面连接到另一个表面的粘接，具有显著的优势，包括：

1）提高设计灵活性;

2）良好的表面平坦化和对表面形貌的适应性;

3）较低的粘合温度，可以保护敏感部件;

4）更好的颗粒耐受性。凭借所有这些优点，粘合剂键合最近在微机电系统（MEMS）封装和异构集成方面受到广泛关注，以将逻辑芯片、存储芯片和图像传感器等单个IC组件组装成高密度、超薄集成封装。人工智能（AI）、数据中心、5G和高端移动产品等高性能计算应用需要此类模块。

Brewer Science此前在“欧洲3D和系统峰会”（European 3D & Systems Summit）上推出了其首款永久键合粘合剂PermaSOL®系列材料。PermaSOL材料旨在通过提供具有良好热稳定性和低吸湿性的可靠粘合来满足芯片级和晶圆级封装要求。Brewer Science现在正在推出其下一代永久键合材料（permanent bonding material, PBM），具有出色的热稳定性和高达350℃的改进热预算。这些材料进一步提供低压、低介电常数、高耐化学性和长保质期的室温粘合。

与广泛使用的键合粘合剂苯并环丁烯相比，Brewer Science下一代PBM具有更低的固化温度、更小的拉伸强度和模量，以及更大的CTE。这些特性使Brewer Science的PBM材料成为一种“超低应力树脂”，具有低翘曲的优点，为柔性基材上的应用带来了广阔的机会。

下一代PBM具有良好的热稳定性，在氮气气氛中的分解温度高于470℃。由于材料的固有柔韧性和流动性，可以在25℃、2kN下2分钟实现键合。

图1显示了由SONIX扫描声学显微镜表征的下一代PBM的键合质量，展示了无空隙的粘合线。粘合后，粘合剂材料通过热固化过程固化。该材料在160℃时开始固化。在250℃固化3分钟，或220℃固化30分钟时，固化率超过90%。还对固化材料进行了高温（300℃和350℃）热测试，以进一步研究其热稳定性。图1中的C-SAM图像显示，下一代PBM具有良好的热预算：在300℃和350℃热处理一小时后无缺陷且收缩率低。

△图1：在室温下键合后（左）、在300℃下热测试1小时后（中）、在350℃下热测试1小时后（右）的下一代PBM的C-SAM图像。

低损耗光成像电介质

随着对高速数据连接需求的爆炸式增长，5G移动网络的新频谱正在全球迅速部署。自2019年以来，服务提供商发起了一场争夺5G市场的竞赛——换句话说：宽带蜂窝网络的第五代技术标准。许多网络运营商随后报告说，他们意识到了5G的迷人功能，包括卓越的速度和低延迟，这迅速扩大了用例的数量，并进一步推动了对数据和性能的需求。

在这个5G时代，对新材料和新封装架构的需求不断增长，以确保高带宽毫米波（mmWave）射频传输的低信号损耗。此外，还需要可靠的测量，特别是在晶圆级封装、3D集成、TSV填充和应力缓冲应用中。5G频谱使用更高的频率，这可能导致更大的信号丢失风险。

具有低损耗的光成像电介质（Photo-imageable dielectric,PID）现在备受关注，特别是对于高速和高频应用。各种聚合物介电材料已被评估为用于封装高速和高频器件的PID，包括聚苯并恶唑、聚酰亚胺、聚硅氧烷和环氧/苯酚。然而，它们中的大多数显示出大于3的介电常数，耗散因数约为0.02，这对于频率在6GHz以下频段的现有应用来说可能很好，但无法满足5G毫米波通信在60GHz或更高频率下出现的要求和未来挑战。

在此，Brewer Science开发了一种新型低损耗PID材料，以满足对5G毫米波和物联网应用日益增长的需求。Brewer Science低损耗PID材料的介电常数（Dk）在10GHz和108GHz时测量为2.6，而10GHz时的耗散因数（Df）为0.0016，在108GHz时为0.0041。此外，低损耗PID材料可以在低紫外线暴露剂量（约300mJ/cm2）下进行图案化;它提供了良好的线条/空间分辨率，纵横比约为1:1;图案化的线/空间、沟槽和通孔特征如图2所示。在低损耗PID材料的SEM/FIB图像中也观察到接近90度的陡峭侧壁角，没有立足点/圆角。

△图2：（a）硅基底上的低损耗PID材料的SEM/FIB图像;（b）钛/铜（Ti/Cu）基底上的低损耗PID材料的SEM/FIB图像。

除了需要低介电常数和损耗角正切外，对光成像电介质的其他要求包括强附着力、良好的热稳定性和可靠性，以及低吸湿性、高伸长率、低收缩率和高光敏性。通过交叉影线胶带剥离测试检查了Brewer Science低损耗PID材料的粘合质量。

图3显示了低损耗PID材料对各种基材具有良好的附着力（4B），包括硅、玻璃和铝，以及钛和铜表面。表1总结了低损耗PID材料的其他性能，表明该材料可以满足甚至超过高速和高频器件封装的广泛应用要求。

△图3：交叉阴影带剥离测试表明，低损耗PID材料对各种基材具有良好的附着力，包括硅、玻璃、铝和钛/铜表面。

总结

本文介绍了Brewer Science公司新开发的永久键合材料（PBM）和低损耗光成像电介质（PID）。其一般材料特性总结于表1中。这些材料具有许多优点，包括出色的热稳定性、低粘合温度和压力，低Dk和低Df，以及对各种基材的强附着力。这许多有益的品质使其成为有吸引力的候选者，以满足对5G和物联网设备封装不断增长的需求，其中可靠性、效率和性能对成功至关重要。

△表1.Brewer Science下一代PBM和低损耗PID材料的特性。

审核编辑：汤梓红