納電子封裝
（華中科技大學 a.材料學院；b.微系統(tǒng)中心, 武漢430074）
摘 要：討論了將成為21世紀電子制造領域的核心科學與技術的納電子封裝的基本概念以及由其產生的驅動力。闡述了納電子封裝的研究內容和納電子封裝的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。
關鍵詞：納電子封裝; 納米材料; 納芯片; 納互連
中圖分類號： TN305.94 文獻標識碼：A 文章編號：1003-353X(2005)08-0008-05
1 前言
近年來，隨著納米技術的快速發(fā)展，已經出現(xiàn)了納米磁性器件、量子點陣耦合器件、單分子開關、納機電系統(tǒng)〔NEMS〕、共振隧穿器件和納米單電子器件(SET)等納米器件。這些納米結構的電子、光子器件將成為下一代微電子和光電子器件的核心。
英特爾公司在2004年2月推出了四款用90nm工藝批量生產的新型處理器[1,2]，90nm工藝的啟動標志著處理器已經跨入了100nm至0.1nm尺度范圍內的“納芯片時代”。 整個半導體領域的前沿熱點從制造技術、器件物理、工藝物理到材料技術等各方面隨之全面進入納米領域。國內外學者已經在開始使用納電子封裝或者納封裝（nano packaging）這個新的學術名詞，但是迄今為止還沒有文獻對納電子封裝進行明確的定義。針對這一情況，本文首先探討了納電子封裝的內涵，并結合國內外研究現(xiàn)狀分析納電子封裝的研究內容和特點。
2 納封裝的定義及發(fā)展驅動力
在物理尺度上，納代表的意義有兩重 [3]：一是真正的10-9，如電子器件的尺寸進入納米范圍可稱為納米器件或納器件；另一層意義是表示比微更小，例如我們把重幾十公斤的人造衛(wèi)星叫小衛(wèi)星，重幾公斤的叫微衛(wèi)星，重1kg以下的則叫納衛(wèi)星。顯然，對于信息處理芯片中的系統(tǒng)，如在系統(tǒng)前冠以納替代當前的微，稱為納系統(tǒng)，它決不是納米系統(tǒng)，而是下一代的微系統(tǒng)。所以，現(xiàn)在國際上開始廣泛使用的納電子封裝這個新名詞只是指下一代的微電子封裝，因為電子封裝的對象還沒有發(fā)生根本變革， 90nm工藝實際上只是晶體管間的連線寬度的進一步減?。ǖ梢园?00nm至 0.1nm線寬的芯片稱為納芯片）。
主要是以下三個方面的驅動導致微電子封裝走向納電子封裝。
（1）集成電路制造中的銅互連、低k 絕緣層和機械化學拋光（CMP）等工藝已成為制造高端IC的一組關鍵性的標準工藝 [5]，英特爾在90nm工藝中引入了應變硅、高速銅互連以及新型低 k絕緣材料等尖端技術。新工藝直接導致了芯片納米時代的到來。納芯片的高頻、高速、高功能化等特性必然引起微電子封裝的革新而走向納電子封裝的時代。
（2） 納電子學的發(fā)展也將加快從微電子封裝走向納電子封裝的步伐。納電子學在傳統(tǒng)的固態(tài)電子學基礎上[6]，借助最新的物理理論和最先進的工藝手段，按照全新的概念來構造電子器件與系統(tǒng)。納電子器件是微電子器件發(fā)展的下一代產物，但它又不同于微電子器件的材料、加工組裝技術和運行機理?？茖W家預測，納米電子器件、納米光電子器件、納米集成電路、納米光電子集成電路是最有發(fā)展前途的。納電子學的發(fā)展必然會激發(fā)人們對新型封裝方式展開研究的興趣，并加深對納電子封裝的理解。
（3） 納米技術的蓬勃發(fā)展特別是納米材料技術的發(fā)展已經對封裝產生了重要影響。此外，納米結構制備技術（超紫外光刻技術、聚焦離子束光刻技術、分子束外延技術、原子力顯微鏡和掃描隧道顯微鏡技術等）的飛速發(fā)展將使量子器件代替微電子器件，在不久的將來，現(xiàn)有的硅基芯片將被體積縮小數(shù)百倍的納米元件代替，封裝技術必然要發(fā)生巨大的變化才能適應納米時代的到來。所以，納米科技的進步也是納電子封裝的驅動力。
3 納芯片和納機電系統(tǒng)(NEMS)封裝
3.1 納芯片的封裝
納芯片集成了數(shù)以百萬計的晶體管 [7]，在不久的將來這類芯片可能需要10000個以上的I/O引腳，芯片的工作功率將超過200W，可提供M2Hz的處理速度。就納芯片的封裝工藝而言，新的發(fā)展方向應該是去盡快適應納芯片在高速、高頻、及大容量化等性能方面的快速提高。文獻[8]預測了板上元件密度的“大容量化”發(fā)展趨勢，從將來的每平方厘米要搭載5000個元件。
美國喬治亞封裝研究中心的Tummala教授在文獻[9]中明確提出微系統(tǒng)封裝已經從毫米級、微米級走到了納米級，并在該文獻中用了一定的篇幅介紹了納米級封裝。Rao R.Tummala教授認為：封裝對象的變化會導致封裝方法的變化；新型納米材料可滿足納互連的要求(比如納米Cu，圖1[10])；納米材料將在納米級封裝中扮演重要角色；納米制造工藝和工具將會對納米級封裝產生深遠影響。 Tummala教授認為，納芯片需要納封裝，納芯片時代的來臨必然會慢慢影響現(xiàn)有的微電子封裝技術而逐步走向納封裝的道路[11]。喬治亞封裝研究中心很早就提出了納米圓片級封裝(NWLP)的概念，他們預測的NWLP的互連方式的演進過程，實現(xiàn)最終的納互連是大勢所趨。納米圓片級封裝的互連節(jié)距的演進20 mm節(jié)距，50nm互連是發(fā)展方向[12]。
集成度超過106的超大規(guī)模集成電路的發(fā)熱功率可能達到400W，納芯片的冷卻問題也是封裝必須重點考慮的問題。Zhimin Mo等人[13]研制了集成碳納米管的微通道冷卻器，他們通過化學氣相沉積的方法在熱交換表面上大規(guī)模的生長出與表面垂直的碳納米管，因為碳納米管超高的熱傳導率使納米管的溫度非常接近熱源的溫度，所以流過碳納米管的液體不需要很大的速度就可以帶走極大的熱量。對于納封裝來講，碳納米管是一種極具前途的封裝材料(圖2 [8])。
納芯片封裝中的互連技術更加苛刻：為保證電氣信號衰減和延遲減小，互連引線要短；為了便于測試，互連共面性的要求也很高；尺度的減小也要保證互連的機械強度等問題。 Aggarwal等人[14]研究了薄膜綁定技術，這是一種無凸點的納互連技術，這種互連方法把芯片引線的長度從凸點（bump）的高度降低到了薄膜的厚度。Aggarwal等人 [15]還通過等離子蝕刻法得到一定形狀和尺寸的聚酰亞胺（PI）作為柔性凸點的芯子，然后在聚酰亞胺的表面化學鍍銅。這種金屬-聚合物凸點具有很強的韌性和較低的應力，在一定的溫度和機械負載下，能夠發(fā)生變形，增強了電氣連接的可靠性。而傳統(tǒng)方法制作超細節(jié)距金屬凸點基本上依賴于減小凸點的三維尺寸，這樣做的結果是降低了機械強度和耐熱性。利用這種方式制作的柱狀凸點的節(jié)距可為20mm，直徑為10 mm，高度為25mm,滿足了納芯片超高密度I/O的要求。
Kripesh等人[16]研究了焊膏印刷法制作超細節(jié)距凸點的技術，通過實驗討論了不同尺寸的焊料金屬粒子所構成的焊膏的特性，檢測了回流后凸點的切變強度，分析了影響凸點體積和高度的參數(shù)。利用這種低成本的凸點印刷制作法，成功地得到了節(jié)距為100mm的無鉛SnAgCu凸點和PbSn共晶凸點，并且凸點的高度誤差在±2 mm（共面性良好），實驗是在一個擁有4356個I/O端口的圓片上做的。
芯片的工作頻率將會越來越高，對于封裝在高頻段工作的納芯片來講[17]，開發(fā)出高頻性能卓越的基板材料、并分析影響基板材料介電常數(shù)的主要因素也很有現(xiàn)實意義。
3.2 納系統(tǒng)（NEMS）的封裝
隨著器件特征尺寸降低到100nm以下時，微機電系統(tǒng)（MEMS）就順理成章地成為了納機電系統(tǒng)。但是NEMS的應用遠離商業(yè)化水平，所以對 NEMS封裝的研究成果還很少。
Y.C.Lee等人[18]提出的兩步法對NEMS的封裝很有現(xiàn)實意義(圖3)。兩步法的第一步是把納米級的對象轉化為微觀對象,納米級的器件實在是太小了,并且對外界環(huán)境很敏感, 所以就要通過一定的方式把納米級器件安置在微制造平臺上。第二步就對微觀對象進行直接封裝，這一步可以應用MEMS的封裝方法。
從納觀到微觀的轉變過程也要需要進一步探討, 盡管掃描探針方法已經應用在操縱納米級對象上了,但是對于連續(xù)的操縱和移置納米級對象,這種方法不僅太慢,而且成本也很高,納對象相互之間的附著力也會影響效率。自組裝方法是一種很有前景的替代方法,它廣泛地應用在制造和組裝納器件等領域，從超分子結構到整齊的納晶體陣列,自組裝方法都能夠勝任。自組裝是一種由小到大的制造途徑[19]，借助原子、分子內的作用力，把具有特定的物理化學性質的功能分子、功能原子精細地組成納米尺度的分子線、膜和其他結構，再由納米結構和功能單元進而集成為系統(tǒng)。許多納器件都是靠化學合成方法制造的，如：利用有機化學方法制作的分子電子器件都是分散的形式,自組裝可以移置這些器件到微平臺上。同時,自組裝還是一種高度并行處理的方法,它不需要一個一個的操縱元器件，大大提高了工作效率。文獻[18]還給出了通過自組裝方法制造硅納米線生物傳感器的實例(圖4)，指出了從納觀到微觀的具體的實現(xiàn)過程,這是實現(xiàn)納傳感器封裝的途徑。
4 納電子封裝與納米封裝材料
從根本上來說，電子封裝的性能、制作工藝、應用及發(fā)展等決定于構成封裝的各類材料，這類材料包括半導體材料、封裝基板材料、絕緣材料、導體材料、鍵合連接材料、封接封裝材料等。運用納米科技對封裝所用的材料進行改性，無疑會改善封裝的性能，納電子封裝技術的發(fā)展與納米封裝材料的發(fā)展是緊密相關的。
通過應用納米材料的開發(fā)成果[17] ，提高覆銅板用樹脂的特性，是當前納米材料在此領域研究進展較快的方面。中國臺灣工業(yè)研究院化工所高分子實驗組，自1997年起將“高分子樹脂/粘土”納米復合材料聚合物分散技術作為主攻方向之一，在制作無鹵、無磷型環(huán)氧樹脂體系研究中，到2000年已經獲得一定成果。
金屬納米粒子具有較高的表面能和化學活性，這就可以使燒結溫度降得很低，甚至可以在200℃下進行燒結，如此低的燒結溫度對高溫敏感的硅芯片是非常有利的，納米金屬粒子在封裝中的應用是非常普遍的。Wong Wai Kwan等人[20]通過電引爆金屬線，得到了尺寸在50～100nm的銅和銀的粉末。并把這些納米粉末懸浮于表面活性劑、有機載體和還原劑中制成漿料，然后把漿料印刷在經過表面處理的圓片上進行燒結，最后利用光刻工藝對燒結層進行圖形化處理。燒結完成后，分析了燒結層的致密度、電阻系數(shù)和粘附強度，并且利用透射電子顯微鏡觀察了燒結層的晶粒的大小、形狀和是否有氣孔缺陷。
Guo-Quan Lu等人[21]通過Carey Lea 方法制得了直徑為10～30nm Ag粒子，并指明了由這種Ag粒子配置Ag焊膏的工藝過程。把這種焊膏涂在基板上并在200℃的溫度下進行低溫燒結，形成芯片和基板之間的互連層，燒結層的熱傳導率是普通共晶焊料的5倍以上，這種由納米Ag燒結層構成互連層的芯片基板互連技術是一種潛在的適合寬禁帶半導體器件（SiC或GaN）的技術。
對于尺寸小于100nm的微粒[22] ，其表面原子百分數(shù)急劇增長，甚至1克超微粒表面積的總和達到100m2，這些顆粒的表面沒有固定的形態(tài)，在電子顯微鏡的電子束照射下，表面原子仿佛進入了“沸騰”狀態(tài)?？梢?，與塊狀材料不同的是這些納米粒子具有很高的表面能和外表面積，這就使得納米粒子比塊狀材料的熔點低很多。在厚膜陶瓷混合集成電路的制造過程中，Argonide在500℃的溫度下燒結納米銅粉 [23]，得到導電層的電阻系數(shù)在2～2.5mW·cm，膜厚在10～40 mm之間。而傳統(tǒng)的厚膜銅工藝的處理溫度在900℃左右，降低燒結溫度的關鍵是要避免納米粒子的凝結成團和表面氧化。由納米金屬顆粒和聚合物構成的導電膠具有很好的導電性能，因為納米粒子增加了點對點的接觸，所以導電性能良好。有機聚合體中加入納米氧化鋁纖維，可使熱傳導率從0.2W/(m·K)上升到3W/(m·K)。
在高密度封裝中，尤其在多層互連的結構中，介質材料的介電常數(shù)主要影響到電路的分布電容、特性阻抗和信號延遲時間。聚合物介質是薄膜多層布線中用得最多的一類薄膜介質材料。這主要是因為聚合物具有高熱穩(wěn)定性和低介電常數(shù)，具有良好的平坦性和可加工性。 Ruo Qing Su等人[24]用納米沸石顆粒加入到聚合物中形成介電常數(shù)在2.4左右的介質材料。采用納米材料對環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺樹脂等進行改進，達到降低介電常數(shù)的目的，這方面的成果已有報道[17]，例如：聚酰亞胺納米泡沫介電材料，其介電常數(shù)可以低于2.4（1MHz），滿足了信息、通訊產品向著高速化、高頻化方向迅速發(fā)展。
Hong Chen等人用燃燒合成方法制備了納米氮化鋁纖維[25] ,該纖維可以作為陶瓷基復合材料的增強體,以制作納米陶瓷復合基板。日本正在試驗用納米氧化鋁與亞微米的二氧化硅合成制成莫來石[26] ，這也是一種非常好的基板材料，目的是為了提高基板致密度、韌性和熱導性。
目前，作為可靠性最高的導電膠，人們多采用Ag-環(huán)氧樹脂系。Lilei Ye等人[27]研究了由Ag和環(huán)氧樹脂構成的各向同性導電膠的電傳導性，其中 Ag有三種形態(tài)：納米Ag的球形超微粒（50～150nm）、直徑在5～8 mm的微粒和長度大約為10mm的薄片狀銀。按照不同的配比，把各種形態(tài)的Ag進行混合后填充在環(huán)氧樹脂里面，然后測量了導電膠的電阻系數(shù)。Stefan Kotthaus等人[28]研究采用多孔的銀團粒（即為銀的超細微粒的集合體）作為填充金屬粒子，制得了粘接強度高，耐碰撞特性好的導電膠。用惰性氣體濃縮法可制得多孔銀粒（這種銀粒的尺度在50～150nm之間），即將銀加熱產生其飽和蒸氣，用惰性氣體對流冷卻，使銀蒸氣淀積，最后用振動篩選法或空氣噴射法篩選出一定大小的銀團粒。由于聚合樹脂可以填充到銀團粒的氣孔中，這種導電膠保持了原聚合樹脂良好的熱力學特性。剪切應力試驗表明，其熱力學性能比采用同種樹脂、填充傳統(tǒng)銀粒子的導電膠提高近乎兩倍。
5 結束語
納電子封裝是一門多學科交叉的前沿研究領域，它將會對電子封裝領域所包含的微互連技術、基板技術、封接與封裝技術和薄厚膜技術產生深遠的影響。芯片的封裝不能過多的影響芯片的性能，這必然要導致封裝領域也要產生新的突破。同時，納米技術、生物技術和信息技術已被譽為21世紀的三大核心技術，納米科技領域內的突破必然會帶來封裝的高性能化，而封裝的高性能化也會反過來加速納芯片、納器件和納系統(tǒng)的應用。
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