纳米技术在微电子连接上的设计应用
中心议题：
- 纳米印刷技术
- 纳米连接技术
- 银复合纳米粒子的连接特点
- 焊接参数对断面强度的影响
在半导体产业中，微细加工技术是实现器件的集成化和高性能化不可欠缺的技术。但是，在进行微米尺度以下的加工时，必须在清洗环境下排除振动，保持一定的加工环境温度，抑制由热膨胀引发的尺寸变化，因而会增加相当大的成本。
近年来，以美国为主，不少国家开始使用微米连接印刷、毛细管微型模板、浸笔印板术等可以简单地形成纳米结构的新型制造技术，这种新的加工技术被称为柔性印板术。其与微细加工技术的开发点不同，其最大特征是简便且低成本。柔性印板术中的纳米印刷技术，其原理简单，而且已有成型设备在市场上销售。
纳米印刷技术
纳米印刷技术的基本原理如图1所示，就是把有纳米级凹凸图形的模板挤压在涂覆了树脂薄膜的基板上，再在树脂薄膜的表面复制凹凸图形。在普通的纳米印刷技术中，能等倍复制模板，而在高宽比纳米印刷技术中，则能形成高出纳米模板凹部的结构体。
图1纳米印刷原理
在纳米印刷工程中，首先用旋转法等把树脂薄膜涂覆在玻璃和硅制的基板上，再将树脂薄膜加热，使其复合在基板上。然后，在变软的树脂上挤压纳米模板，最后再把纳米模板从树脂薄膜上脱离开去。通过以上过程，纳米模板表面的图形就被复制在树脂薄膜的表面。
高宽比微细结构的形成
在纳米印刷技术中，将金属凸模挤压树脂薄膜上，便会形成凹部。但要形成平面比较大的细长结构，必须有深度雕刻的纳米模板，因为模板从树脂薄膜脱离时，必然会拉伸树脂，所以能形成高出纳米模板凹部的柱状结构体，这种方法就称为高宽比纳米印刷技术。
在高宽比纳米印刷技术中，可以简单地形成直径为25nm、高3μm(平面比为12)的纳米级柱状结构集合体（见图2）。该结构在以往的精密塑料成型中是很难形成的，但使用了高宽比纳米印刷技术，用一次压延就能成型。
图2用纳米印刷技术形成的纳米柱结构
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应用前景
纳米印刷技术被认为是最接近实用化的制造技术，日本已有纳米印刷装置在市场上出售。但为了形成良好的结构体，必须要发展以纳米模板和树脂材料为先导的相关技术。目前，这一研究正在全世界范围内展开。这一技术的应用重点将是电子领域，但也开始涉及边缘能源等领域。
纳米连接技术
纳米粒子所具有的基本特性（如耐久性强、熔点和烧结温度低）是众所周知的，但其很多应用都没有得到拓展。国外有人提出了利用纳米粒子的表面能量与低温烧结功能，把它作为连接材料的新型方案。用该连接法进行低温连接后，经烧结后的纳米粒子会使连接处具有高熔点，这一优点非常适合高温连接较困难的无铅焊接。这里主要介绍应用有机物—银复合纳米粒子的连接工艺特点及其在电子焊接上的适用性。
1有机物—银复合纳米粒子的特性
由于纳米粒子表面呈活性，为防止其自身凝聚必须要做表面控制。我们所用的纳米粒子是平均直径为10nm左右的银纳米粒子，其表面用有机物保护层进行了涂覆。图3为有机物—银复合纳米粒子的扫描电镜图像，图4为其结构模式图。
图3银纳米粒子TEM图像
图4银纳米粉粒子模式图
这种纳米粒子的功能在其有机外壳热分解去除后便展示出来。图5显示了银纳米粒子的热分析结果（DTA/TG曲线）。从DTA曲线来看，在发热反应开始的同时，粒子质量迅速减少，可以认为这时的有机外壳已被分解与去除。而且，当提升加热速度时，分解温度则向高温侧移动。图6显示了分解结束温度与加热速度的关系，从图可知，即使把加热速度加快到20℃/m，分解也在265℃左右结束，在300℃以下出现纳米粒子的功能。也就是说，在300℃以下可利用该纳米粒子进行连接。<上一页12345下一页> 关键字：纳米技术 微电子 纳米印刷 纳米连接 本文链接：http://www.cntronics.com/public/art/artinfo/id/80006458?page=2
图5银纳米粒子热分析结果（DTA/TC曲线）
图6有机外壳分解结束温度与加热温度的关系
2应用有机物—银复合纳米粒子的连接特点
日本大阪大学应用铜质圆板型试验片作银纳米粒子连接试验，分别测出了银微米粒子（平均粒径为100nm）和银纳米粒子的脆断强度（见图7）。其中，该试验是在300℃、保温300min、加压5Mpa的条件下进行的。如图7所示，纳米粒子连接与微粒子连接相比，显示出了很高的脆断强度。
图7脆断强度结果
用电镜分别对各自的连接断面观察，发现用银微米粒子的场合，其与铜的连接面有空隙状缺陷。银微米粒子的触点破坏发生在银/铜界面，所得的5Mpa左右的触点强度被认为是两者簧片的机械连接结果。而银纳米粒子的触点破坏面被认为是银伸长而塑性变形的痕迹，其在界面附近的银层中会断裂（图8）。由此可见，用银纳米粒子连接比用银微粒子连接的界面强度更高。<上一页12345下一页> 关键字：纳米技术 微电子 纳米印刷 纳米连接 本文链接：http://www.cntronics.com/public/art/artinfo/id/80006458?page=3
图8银纳米粒子烧结层/Cu界面附近的TEM图像
3焊接参数对断面强度的影响
图9显示了焊接温度、焊接时间、加压等焊接参数对银纳米粒子铜触点断面强度的影响。从图可得，焊接温度和加压是影响断面强度的关键参数。在焊接温度方面，强度随着加压增大而上升，但在焊接温度高的情况下，加压的影响会变小。另外就焊接温度而言，加压低的情况下，焊接温度对强度影响大，而加压增高时则焊接温度的影响变小。所以，在260℃左右的温度下加大压力，而尽可能在低加压场合提高连接温度，这样做才最有效。
4应对高温无铅焊接的可能性
银纳米粒子连接法的一个最佳应用，就是在电子领域的高温无铅焊接中。为实现安装用焊料的无铅化，人们一直在积极开发新的替代品。原来使用的Sn-Pb共晶焊料（属低中温焊料）将由Sn-Zn系代替。但对于封装内焊接所使用的富铅焊料（Pb≥85%的Sn-Pb焊料），目前还没有合适的替代品。
图9银纳米粒子铜触点的连接强度受焊接参数的影响
在现行富铅高温焊料液相温度（300℃、315℃）以下的温度范围内（260℃～300℃），银纳米粒子焊接工艺可以使用。图10是连接条件与强度的关系。图中虚线是富铅焊料Pb-5Sn、Pb-10Sn与Cu圆板型接头的断面强度（分别为18Mpa,30MPa）,实线则代表银纳米粒子连接的断面强度。由图可知，银纳米粒子不仅有与Pb-5Sn相匹敌的强度，而且可以在低温、低压等较宽的连接条件下使用。其次，无论是升温还是增压，银纳米粒子连接的断面强度都是其他两者无可比拟的。而且，该连接的连接处有高熔点，所以在随后的2次焊接等热工艺中不会熔化。另外，就芯片键合部所要求的电气传导度和热传导性而言，由于连接处是由金属银形成的，所以一定比现行高温焊料的特性还要好。
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图10银纳米粒子的铜触点的连接强度与连接条件的关系
作为纳米粒子工业的新开发，银纳米粒子连接工艺有更大的应用范围。但是，还必须做详细的连接机理以及与Cu以外各金属连接性的基础研究。另外，在电子安装的实用化方面，还必须用实际的水准来检验连接处的电气特性与耐环境可靠性。
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