深圳先进电子材料国际创新研究院专题
编者按
先进电子材料是集成电路的三大要素之一，是电子信息产业的重要基础和支撑。近年来发生的贸易摩擦事件充分说明了材料，尤其是应用于集成电路产业链的电子材料的战略重要性。为此，本刊特别邀请了中国科学院深圳先进技术研究院先进材料科学与工程研究所所长、深圳先进电子材料国际创新研究院院长孙蓉研究员担任本期客座编辑，组织其先进电子封装材料团队科研骨干聚焦集成电路高端电子封装材料研究工作出版了本期专题，旨在促进电子材料领域基础研究和产业应用的交流，从而推动该领域进一步创新发展。
深圳先进电子材料国际创新研究院（简称“电子材料院”）依托中国科学院深圳先进技术研究院、广东省先进电子封装材料创新团队和先进电子封装材料国家地方联合实验室十五年坚实的研究基础组建，是深圳市十大新型基础研究机构之一。电子材料院聚焦集成电路高端电子封装材料，围绕5G芯片先进封装需求，已开展晶圆级封装材料、芯片级封装材料、热管理材料、电子级纳米材料、电磁屏蔽材料、电介质材料等主要材料研发，并开展材料计算与仿真和材料服役可靠性工作，支持材料研究开发，并已在产业应用中发挥重要作用。
本期客座编辑
孙蓉 研究员
中国科学院深圳先进技术研究院先进材料科学与工程研究所所长、深圳先进电子材料国际创新研究院院长，主要研究方向为电子封装关键材料。
文章列表
2021, 10(1):3-13.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.20200916001
摘要:
第三代半导体与功率器件的快速发展对封装互连技术提出了新的需求，纳米铜、银烧结互连技术因其优异的导电、导热、高温服役特性，成为近年来第三代半导体封装进一步突破的关键技术。 其中，纳米铜相较于纳米银烧结具有明显的成本优势和更优异的抗电迁移性能，然而小尺寸铜纳米颗粒的制备、收集与抗氧化性都难以保证，影响了其低温烧结性能与存储、使用的可靠性。该文回顾了近年来面向第三代半导体与功率器件封装的纳米铜烧结技术的最新研究成果，分析了尺度效应、铜氧化物对烧结温度及扩散的影响，总结了键合表面纳米化修饰、铜纳米焊料的制备与烧结键合、铜纳米焊料氧化物自还原等多项技术的优势与特点，展望了烧结铜技术进一步面向产业化应用的研究方向。
第三代半导体与功率器件的快速发展对封装互连技术提出了新的需求，纳米铜、银烧结互连技术因其优异的导电、导热、高温服役特性，成为近年来第三代半导体封装进一步突破的关键技术。 其中，纳米铜相较于纳米银烧结具有明显的成本优势和更优异的抗电迁移性能，然而小尺寸铜纳米颗粒的制备、收集与抗氧化性都难以保证，影响了其低温烧结性能与存储、使用的可靠性。该文回顾了近年来面向第三代半导体与功率器件封装的纳米铜烧结技术的最新研究成果，分析了尺度效应、铜氧化物对烧结温度及扩散的影响，总结了键合表面纳米化修饰、铜纳米焊料的制备与烧结键合、铜纳米焊料氧化物自还原等多项技术的优势与特点，展望了烧结铜技术进一步面向产业化应用的研究方向。
2021, 10(1):14-22.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.20201223001
摘要:
以 Al2O3 和 AlN 的球形粉体颗粒作为导热填料、以硅橡胶为基体，通过特定的工艺手段得到具有高导热特征的 Al2O3-AlN/硅橡胶复合材料。结果表明：根据颗粒级配理论模型的计算可得最密堆积配方，该配方的复合材料在 9.6 wt% 填料填量下的热导率可高达 9.6 W/(m·K)，其热导率相比只填充 Al2O3颗粒的样品提高了 60%。复合材料热导率的显著提高和样品内部导热路径的增多密切相关。通过极端的冷热循环应用条件模拟测试，该复合材料的热导率保持良好，表现出了良好的可靠性。
以 Al2O3 和 AlN 的球形粉体颗粒作为导热填料、以硅橡胶为基体，通过特定的工艺手段得到具有高导热特征的 Al2O3-AlN/硅橡胶复合材料。结果表明：根据颗粒级配理论模型的计算可得最密堆积配方，该配方的复合材料在 9.6 wt% 填料填量下的热导率可高达 9.6 W/(m·K)，其热导率相比只填充 Al2O3颗粒的样品提高了 60%。复合材料热导率的显著提高和样品内部导热路径的增多密切相关。通过极端的冷热循环应用条件模拟测试，该复合材料的热导率保持良好，表现出了良好的可靠性。
2021, 10(1):23-34.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.20200925001
摘要:
临时键合技术作为一项解决先进制造与封装的关键工艺，可为薄晶圆器件的加工提供一种高可靠性的解决方案。该文成功研发出热滑移解键合和紫外激光解键合两种不同解键合方式的临时键合材料。结果显示，与国外同类产品相比，热滑移临时键合材料 WLP TB130 和 WLP TB140 具有更高的耐热性，5% 的热失重温度均大于 400 ℃，同时也具有更好的耐化性，其中 WLP TB140 可在 160 ℃ 实 现低温解键合。紫外激光解键合材料为 WLP TB4130 与 WLP LB210 配合使用(WLP TB4130 作为黏结 层，WLP LB210 作为激光释放层)，超薄器件晶圆键合对通过激光解键合方式实现室温、无应力地与支撑晶圆分离。
临时键合技术作为一项解决先进制造与封装的关键工艺，可为薄晶圆器件的加工提供一种高可靠性的解决方案。该文成功研发出热滑移解键合和紫外激光解键合两种不同解键合方式的临时键合材料。结果显示，与国外同类产品相比，热滑移临时键合材料 WLP TB130 和 WLP TB140 具有更高的耐热性，5% 的热失重温度均大于 400 ℃，同时也具有更好的耐化性，其中 WLP TB140 可在 160 ℃ 实 现低温解键合。紫外激光解键合材料为 WLP TB4130 与 WLP LB210 配合使用(WLP TB4130 作为黏结 层，WLP LB210 作为激光释放层)，超薄器件晶圆键合对通过激光解键合方式实现室温、无应力地与支撑晶圆分离。
2021, 10(1):35-46.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.20201119001
摘要:
钽电解电容器具有较高的电容密度和较好的稳定性，将钽电解电容器制作成埋入式电容能够 扩展钽电容的应用。传统钽电容经钽粉压块、烧结、被膜等工艺制作而成，其具有较大的尺寸而不能 被埋入到电路板或者基板内部。该研究探索了电化学蚀刻钽箔的方法来制作钽电解电容阳极并进一步 制作成片状埋入式钽电解电容器。在 0.1 mol/L 稀硫酸水溶液中测试经蚀刻并氧化后的钽箔阳极，得到 最大比电容为 74 nF/mm2。将该钽箔阳极制备成钽电解电容器件，测试结果显示电容器件在 100 Hz～1 MHz 的电容值＞30 nF/mm2；持续施加 10 V 直流电压 1 200 s，其漏电流最大为 2.7×10－6 A，薄膜电容的总厚度约为 75 μm。
钽电解电容器具有较高的电容密度和较好的稳定性，将钽电解电容器制作成埋入式电容能够 扩展钽电容的应用。传统钽电容经钽粉压块、烧结、被膜等工艺制作而成，其具有较大的尺寸而不能 被埋入到电路板或者基板内部。该研究探索了电化学蚀刻钽箔的方法来制作钽电解电容阳极并进一步 制作成片状埋入式钽电解电容器。在 0.1 mol/L 稀硫酸水溶液中测试经蚀刻并氧化后的钽箔阳极，得到 最大比电容为 74 nF/mm2。将该钽箔阳极制备成钽电解电容器件，测试结果显示电容器件在 100 Hz～1 MHz 的电容值＞30 nF/mm2；持续施加 10 V 直流电压 1 200 s，其漏电流最大为 2.7×10－6 A，薄膜电容的总厚度约为 75 μm。
2021, 10(1):47-54.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.20200927001
摘要:
焊球可靠性是电子封装过程中重点关注的问题之一，底部填充胶被引入电子封装领域用来匹 配基板和芯片之间的热膨胀系数，从而保护焊球，提高焊球的可靠性，但是底部填充胶的引入也会出 现老化过程中一些由材料本体变化造成的可靠性问题。该文主要研究了几种老化处理对底部填充胶热 机械性能和黏接性能的影响。对于胶水的热机械性能，经过水热老化处理和高温存储老化处理后的变 化最为明显。对于胶水的黏接性能，老化处理在有机基底和无机基底表现出的影响并不相同。其中， 对无机基底影响较为明显的是高温存储，而对有机基底影响较为明显的是水热老化处理。
焊球可靠性是电子封装过程中重点关注的问题之一，底部填充胶被引入电子封装领域用来匹 配基板和芯片之间的热膨胀系数，从而保护焊球，提高焊球的可靠性，但是底部填充胶的引入也会出 现老化过程中一些由材料本体变化造成的可靠性问题。该文主要研究了几种老化处理对底部填充胶热 机械性能和黏接性能的影响。对于胶水的热机械性能，经过水热老化处理和高温存储老化处理后的变 化最为明显。对于胶水的黏接性能，老化处理在有机基底和无机基底表现出的影响并不相同。其中， 对无机基底影响较为明显的是高温存储，而对有机基底影响较为明显的是水热老化处理。
2021, 10(1):55-62.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.20200924001
摘要:
纳米孪晶铜具有高强高导高韧的优异性能，使其成为近年来电子封装领域的研究热点。众所 周知，添加剂在直流电镀过程中对镀层质量起着至关重要的作用。亚甲基蓝作为一种常用的染料型添 加剂，在电镀铜行业中被广泛使用。该研究在直流电镀过程中，将不同浓度的亚甲基蓝添加到纳米孪 晶铜电解液中，并进一步研究纳米孪晶铜的微观组织和力学性能与亚甲基蓝添加浓度的关系。随着亚 甲基蓝浓度的增加，镀膜的生长速度缓慢下降，晶粒逐渐细化。当亚甲基蓝浓度为 2 mg/L 时，可以看 到自底向上生长的柱状晶，且存在高密度孪晶结构。使用动态热机械分析仪对其力学性能进行测试发 现，此浓度下薄膜的拉伸强度可达到 194 MPa，约为粗晶铜的 2 倍(约 110 MPa)；薄膜表面维氏硬度可 以达到 1.6 GPa，优于普通粗晶铜硬度。
纳米孪晶铜具有高强高导高韧的优异性能，使其成为近年来电子封装领域的研究热点。众所 周知，添加剂在直流电镀过程中对镀层质量起着至关重要的作用。亚甲基蓝作为一种常用的染料型添 加剂，在电镀铜行业中被广泛使用。该研究在直流电镀过程中，将不同浓度的亚甲基蓝添加到纳米孪 晶铜电解液中，并进一步研究纳米孪晶铜的微观组织和力学性能与亚甲基蓝添加浓度的关系。随着亚 甲基蓝浓度的增加，镀膜的生长速度缓慢下降，晶粒逐渐细化。当亚甲基蓝浓度为 2 mg/L 时，可以看 到自底向上生长的柱状晶，且存在高密度孪晶结构。使用动态热机械分析仪对其力学性能进行测试发 现，此浓度下薄膜的拉伸强度可达到 194 MPa，约为粗晶铜的 2 倍(约 110 MPa)；薄膜表面维氏硬度可 以达到 1.6 GPa，优于普通粗晶铜硬度。
2021, 10(1):63-73.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.20201119002
摘要:
随着电子封装行业的迅猛发展，业界对封装结构可靠性的要求也越来越严格。目前大多数人 将泊松比视为定值，这将在一定程度上影响可靠性评估。为了进一步提高可靠性，适当考虑材料泊松 比对封装结构的影响具有重要的工程实践意义。该文利用有限元分析法，通过设计芯片仿真和板级封 装仿真，分别探究了环氧塑封料泊松比对芯片翘曲、芯片界面应力以及板级封装焊点寿命的影响。通 过分析可知：环氧塑封料泊松比可变对封装结构的翘曲具有较大的影响，而且有可能造成芯片界面分 层、芯片达到应力极限而损坏，此外也需要适当考虑泊松比对焊点寿命的影响。随着芯片不断向着大 尺寸方向发展，研究材料泊松比将具有更为重要的意义。
随着电子封装行业的迅猛发展，业界对封装结构可靠性的要求也越来越严格。目前大多数人 将泊松比视为定值，这将在一定程度上影响可靠性评估。为了进一步提高可靠性，适当考虑材料泊松 比对封装结构的影响具有重要的工程实践意义。该文利用有限元分析法，通过设计芯片仿真和板级封 装仿真，分别探究了环氧塑封料泊松比对芯片翘曲、芯片界面应力以及板级封装焊点寿命的影响。通 过分析可知：环氧塑封料泊松比可变对封装结构的翘曲具有较大的影响，而且有可能造成芯片界面分 层、芯片达到应力极限而损坏，此外也需要适当考虑泊松比对焊点寿命的影响。随着芯片不断向着大 尺寸方向发展，研究材料泊松比将具有更为重要的意义。
2021, 10(1):74-83.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.20200703001
摘要:
在航天器电源模块中，线路的电压值高达 300 V，要求线路之间必须具备良好的绝缘性。受 到柔性电路制造过程中各因素的影响，线路之间的耐绝缘性能并不可能是理想状态。尤其是线路之间 的种子层会加强柔性线路之间的导通能力，使得线路之间树脂绝缘弱化。该文针对高压导电性阳极丝 (Conductive Anodic Filamentation，CAF)大电流传输要求，使用 COMSOL 软件建立了相应高压击穿模 型，比较了不同线路之间距离下柔性电路的耐 CAF 能力。此外，还通过建立有无聚酰亚胺为介质的模 型，比较在 10 A 大电流时的线路损耗情况。同时改变模型中聚酰亚胺的厚度，研究线路周围的温度变 化。仿真结果表明，在大电流下线路之间间距为 2 mm 时，无论线路之间有无种子层，线路之间都具有 较好的耐击穿能力，为柔性线路的设计提供了整体方案。
在航天器电源模块中，线路的电压值高达 300 V，要求线路之间必须具备良好的绝缘性。受 到柔性电路制造过程中各因素的影响，线路之间的耐绝缘性能并不可能是理想状态。尤其是线路之间 的种子层会加强柔性线路之间的导通能力，使得线路之间树脂绝缘弱化。该文针对高压导电性阳极丝 (Conductive Anodic Filamentation，CAF)大电流传输要求，使用 COMSOL 软件建立了相应高压击穿模 型，比较了不同线路之间距离下柔性电路的耐 CAF 能力。此外，还通过建立有无聚酰亚胺为介质的模 型，比较在 10 A 大电流时的线路损耗情况。同时改变模型中聚酰亚胺的厚度，研究线路周围的温度变 化。仿真结果表明，在大电流下线路之间间距为 2 mm 时，无论线路之间有无种子层，线路之间都具有 较好的耐击穿能力，为柔性线路的设计提供了整体方案。
