纳米技术在微电子方面的应用

本文示举两例，介绍纳米技术在微电子连接方面的应用。纳米技术(nanotechnology)是一门在0.1～100nm空间尺度内操纵原子和分子，对材料进行加工，制造具有特定功能的产品，或对某物质进行研究，掌握其原子和分子的运动规律和特性的崭新高技术。

纳米印刷技术

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。

1 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。

2 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

3 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。

图5 银纳米粒子热分析结果(DTA/TC曲线)

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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。

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。