序言:深圳先进电子材料国际创新研究院专题

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。当前,电子材料的核心技术一直被美国、欧洲和日本垄断,近年来崛起的韩国以及中国台湾地区也具备了大量的电子材料核心技术。我国目前已经成为全球最大的电子信息产品制造基地,但我国电子信息产业仍存在对外依存度高、国内企业规模普遍较小、竞争力不强等问题。造成这一现状的核心问题在于电子材料领域缺乏连接基础研究和产业应用的平台,产业科研能力和产业人才的培养与世界水平相比存在着明显的差距。因此,电子材料领域如何在此形势下补足差距、发展壮大,已成为我国战略层面顶层设计的重要内容。先进电子材料创新平台建设是我国重要研究方向之一,也先后被列入国家科技部“十三五”国家重点研发计划、国家重大科技基础设施建设中长期(2012—2030)规划、《中国制造2025》等科技计划中。

镓基低熔点合金复合材料研究进展

近年来,镓基低熔点合金或镓基液态金属复合材料显示出非常广阔的应用前景,镓基低熔点合金在室温下兼具液体的流动性和金属性,其双重特性提供了复合材料的多样性。本文综述了镓基低熔点合金及其复合材料的发展背景,说明了其复合材料的制备、性能及应用,总结和讨论了镓基低熔点合金复合材料与金属或非金属材料复合的方法和机理,介绍了室温镓基液态金属复合材料在智能传感电子皮肤、印刷技术和热界面材料等多个领域的最新研究进展。最后,展望了镓基低熔点合金复合材料的未来发展,为其进一步研究、应用与发展提供了强有力的支持。

先进封装铜-铜直接键合技术的研究进展

在后摩尔时代,先进三维封装技术成为实现电子产品集成化、小型化的重要出路。应用于封装互连的传统无铅锡基钎料由于存在金属间化合物脆性、电迁移失效、制备工艺限制等问题,已不再适用于窄间距、小尺寸的封装。金属铜的电阻率低、抗电迁移性能好,其工艺制备尺寸可减小到微米级且无坍塌现象。铜-铜(Cu-Cu)直接互连结构可以实现精密制备以及在高电流密度下服役。对Cu-Cu键合材料的选择、键合工艺的特点及服役可靠性的相关研究进展进行了总结。

低反射MXene基电磁屏蔽材料的研究进展

随着通信技术和移动电子设备的不断发展,电磁干扰问题变得日益严重,因此开发高性能的电磁屏蔽材料成为了重要的研究方向。二维过渡金属碳(氮)化物(MXenes)因具有导电性高、介电常数大等优点而被广泛应用于电磁屏蔽的研究。然而,高导电性表面会导致电磁波的反射,从而造成严重的电磁波二次污染,因此研究开发低反射的MXene基电磁屏蔽材料变得非常重要。对MXene的结构特点和制备方法进行了总结,详细阐述了低反射的Ti_(3)C_(2)T_(x)薄膜和气凝胶电磁屏蔽材料的研究进展,展望了MXene基电磁屏蔽材料的未来研究方向和发展趋势。

嵌入式电容器与储能用聚合物/陶瓷介电复合材料的研究进展

具有高介电常数、低介电损耗、高储能密度的聚合物/陶瓷复合材料在电子电气行业和能源等领域有重要的应用前景.文中结合本课题组的工作和国内外近年来在这一领域的研究成果,对聚合物/陶瓷高性能介电复合材料的研究进展进行了介绍.重点讨论了陶瓷填料的种类和形貌对复合材料介电性能的影响以及陶瓷填料的表面特性和复合材料的多层结构对介电材料击穿强度的影响.分析了陶瓷填料形貌及复合材料结构调控材料介电及击穿性能等方面存在的问题及解决途径.为开发用于嵌入式电容器和储能器件的高性能介电复合材料提供相应依据.

填充型有机硅基导热凝胶的制备和性能研究

以有机硅基热界面材料为研究对象,使用不同黏度配比的硅油作为基体,并以氧化铝和氧化锌作为导热填料,制备了一系列填充型有机硅导热凝胶样品。分别研究了凝胶成分对材料力学性能、导热性能以及点胶性能等的影响。研究结果表明:所制备的有机硅导热凝胶的热导率主要受导热填料的影响,当高黏度乙烯基硅油占比为50%时,导热凝胶的各项性能良好,拉伸强度、断裂伸长率、邵氏硬度、热导率和挤出率分别达到0.37 MPa、184%、63.42、2.90 W/(m·K)和106.4 g/min。此外,本研究的导热凝胶样品在应对高温高湿环境和冷热循环试验表现良好,能满足行业要求,具备良好的应用前景和应用价值。

高性能导热胶粘剂热界面材料:机理、现状与趋势

本文综述了导热胶粘剂的传热与粘接的基本机理和模型。分析总结了近年来导热胶粘剂的导热增强技术发展情况。着重介绍了环氧导热胶粘剂以及有机硅导热胶粘剂,并探讨了新材料技术对导热胶粘剂的影响。最后对导热胶粘剂现阶段遇到的问题以及未来可能的研究方向进行了展望。

临时键合技术在晶圆级封装领域的研究进展

随着5G、人工智能和物联网等新基建的逐步完善,单纯依靠缩小工艺尺寸来提升芯片功能和性能的方法已经难以适应未来集成电路产业发展的需求。为满足集成电路的多功能化及产品的多元化,通过晶圆级封装技术克服摩尔定律物理扩展的局限性日趋重要。目前,在晶圆级封装正朝着大尺寸、三维堆叠和轻薄化方向发展的背景下,临时键合与解键合(TBDB)工艺应运而生。针对晶圆级封装领域可商用的TBDB技术,论述了不同TBDB工艺在晶圆级封装领域的研究进展及应用现状,明晰了不同TBDB技术所面临的挑战和机遇,提出了相应的解决方案,并展望了未来的研究方向。

应用于大马士革工艺的纳米孪晶铜脉冲电沉积研究

本文在前期优化的电镀液的基础上,使用脉冲电镀工艺获得了高密度的纳米孪晶铜。为了进一步揭示孪晶形成的影响因素,研究了系列MPS浓度在镀液中的作用。当镀液中并未添加MPS时,镀层由粗大的晶粒组成,平均晶粒大小为0.9μm,晶粒内部含有少量的垂直或倾斜于膜面的孪晶界,镀层的晶粒取向为(110)和(111)共存,两者织构比例分别为49%和27.8%。从FIB微观组织观察和X射线衍射的结果可知,当镀液中添加10 ppm的MPS后,镀层组织变为柱状纳米孪晶铜组织,柱状晶内部含有高密度水平方向的孪晶界,同时晶粒取向变为高度择优的(111)。当MPS含量从10 ppm持续上升至40 ppm,镀层组织和晶粒取向无明显变化。具体地,当镀液中添加40 ppm的MPS时,镀层晶粒大小为0.6μm,且镀层晶粒(110)和(111)的织构比例分别为3.45%和95.1%。这说明,可以通过MPS的含量调节提高纳米孪晶铜电镀液的填充能力,而纳米孪晶微观组织的形成并不受影响。基于上述结果,我们使用该电镀液配方及工艺进行了大马士革微盲孔的填充。结果表明,当MPS含量为40 ppm时,可以实现大马士革微盲孔的无孔填充。纳米孪晶铜电镀液填充能力的提升使得纳米孪晶铜在IC制造应用成为可能,很大程度上促进了下一代互连材料的发展。

三维集成电路先进封装中聚合物基材料的研究进展

人工智能、大数据、物联网和可穿戴设备的迅猛发展,极大地催生了对高端芯片的需求。随着摩尔定律发展趋缓,尺寸微缩技术使芯片遭遇了物理节点失效、经济学定律失效,以及性能、功耗、面积指标不足等诸多问题。作为延续和拓展摩尔定律的重要赛道,三维先进封装技术已成为推动高端芯片向多功能化以及产品多元化集聚发展的重要动力。先进封装技术的迅猛发展对聚合物基关键封装材料的耐腐蚀性、电气、化学和机械性能都提出了更高的要求。针对三维集成电路的先进封装工艺需求,论述了不同聚合物基关键材料的研究进展及应用现状,明晰了不同聚合物基材料所面临的挑战和机遇,提出了相应的解决方案,并展望了未来的研究方向。

基于纳米铜烧结互连键合技术的研究进展

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。

面向超薄器件加工的临时键合材料解决方案

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。

基于复合弹性体界面粘接强度计算的有限元数值模型构建

基于硅凝胶复合弹性体,构建有限元数值计算模型用于计算其界面粘接强度。该模型包括内聚力和具有Mullins效应的超弹体材料力学模型,分别描述了复合弹性体在剥离时界面处能量损耗和周围材料形变时的能量损耗。使用Abaqus可直接实施算例,其算例所需相关计算参数可通过相应的材料力学表征得到。由于与试验结果即其数据曲线的变化趋势、幅度与区间等相近,证明所构建有限元数值模型具有一定的准确性。这一研究为通过有限元数值计算来预测材料性能提供了新的思路,以取代复杂的试验表征方法。

球型Al_(2)O_(3)-AlN颗粒复配填充型硅橡胶的制备及导热性能研究

以Al_(2)O_(3)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Al_(2)O_(3)-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96 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Al_(2)O_(3)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。

光敏聚苯并噁唑的研究现状与发展趋势

作为耐热光敏绝缘介质材料的典型代表之一,光敏聚苯并噁唑(PSPBO)具有优异的力学性能、耐热性能、绝缘性能、低吸水率、低介电常数及突出的光刻成型能力,被广泛应用于微电子、航空航天等重要领域。特别地,在集成电路半导体封装中,光敏聚苯并噁唑被广泛应用于层间介质材料、应力缓冲层及保护层等,是扇出型封装等先进制程的关键材料。另外,随着5G高频高速通信、柔性显示、OLED等领域的快速发展,产业界对该类材料提出了更高的要求,比如低温固化、高粘结强度、低介电常数、导热等。更为重要的是,我国尚未掌握该材料的核心技术。本文综述了光敏聚苯并噁唑的发展概况和最新的研究进展,包括正性光敏聚苯并噁唑、负性光敏聚苯并噁唑以及光敏聚苯并噁唑的应用发展,最后对其发展前景进行了展望,以期为我国光敏聚苯并噁唑等耐热光敏聚合物基础研究与产业应用提供参考。

多铁性材料的应变调控

多铁性材料是一种同时具有铁电、铁弹、铁磁等两种或者两种以上"铁性"的材料,可以通过多种序参量的耦合产生新的效应,在电子信息、传感、存储、无线网络等领域具备广阔的应用前景。当前在室温下具有强磁电耦合效应的多铁性材料仍然是学者们研究的重点,但基于多铁材料的器件还没有实现应用。应变工程是一种可以有效影响多铁材料物理性质的调控手段,通过晶格与电子、自旋、轨道等的相互作用来影响材料的电、磁、光、声等物理特性,因此通过应变调控多铁性薄膜结构和性能,受到了研究人员的广泛关注。本文通过调研多铁性材料中应变工程的研究,总结了应变调控手段及其对材料物理性能的影响,期望为多铁性材料的研究和发展提供研究思路。

氢键连接的石墨烯纳米片之间界面传热的分子模拟研究

石墨烯的高热导率使其成为导热复合材料中重要的填料,然而填料间的界面热阻极大地阻碍了填料间的热传输。对石墨烯边缘进行官能化可以在石墨烯边缘界面间引入共价键或氢键连接,以取代范德瓦尔斯(Van Der Waals)相互作用连接,从而有望增强界面热传导。该文系统研究了边缘化学吸附—COOH的石墨烯片间界面传热性质,探讨了石墨烯片间距离以及官能化密度对于界面热阻的影响。研究表明,随着两片石墨烯边缘间距减小,边缘化学吸附—COOH的石墨烯片间界面热导逐渐收敛于5×10^8 W/(m^2·K)附近。这相比于H边缘官能化的石墨烯片间界面热导提高了一个数量级。界面热导随着官能化密度的提高显示出非线性单调提升。进一步的研究显示,官能化密度与石墨烯边缘界面间距存在协同效应,官能化密度的增加提高了界面间的相互作用,减小了石墨烯边缘界间距,从而增强了界面热导。该研究结果可为氢键对于石墨烯填料界面传热调控提供重要参考。

高四方性超细BaTiO_(3)纳米粉体的制备与性能研究

高四方性的BaTiO_(3)超细粉体是下一代多层陶瓷电容器的关键材料。该文探究了砂磨介质尺寸和原料Ti O_(2)晶相对反应物活性、产物介电性能的影响,并利用砂磨固相法成功合成了高四方性Ba TiO_(3)超细粉体。分析场发射扫描电子显微镜照片和X射线光电子能谱发现,细砂磨介质粉碎原料的效率更高,机械活化作用更强。Raman光谱和X射线衍射图谱显示,在高能砂磨过程中,TiO_(2)由锐钛矿相先后转变为TiO_(2)-Ⅱ相、金红石相。分析微商热重曲线和X射线衍射,结果表明,砂磨介质更能有效降低反应温度和抑制Ba_(2)TiO_(4)的生成。此外,高分辨透射电子显微镜图像揭示了BaTiO 3的形成是Ba^(2+)向TiO_(2)晶格扩散的过程。该文相关实验结果表明,利用直径为0.1 mm的ZrO_(2)磨球对锐钛矿相TiO_(2)和BaCO_(3)混合物砂磨4 h,并在1100℃煅烧3 h后,获得了平均粒径为186 nm、四方性为1.0092且分散性良好的BaTiO_(3)粉体,该粉体在1250℃烧结的陶瓷相对密度为96.11%,居里点(137.8℃)的介电常数峰值为8677。

先进电子封装中焊点可靠性的研究进展

在先进封装中器件小型化的趋势下,焊点所处的服役环境越加苛刻,这对焊点材料提出了更高的可靠性要求。为保证微小尺寸焊点的可靠性,具有较强扩散阻挡能力的铁镍、铁镍磷和镍钴磷等合金作为新型凸点下金属层(Under bump metallization,UBM)应用。同时,微量元素对焊料合金力学性能、润湿性及界面化合物生长的调节作用也被广泛研究,以指导新型焊料的制备。与此同时,可靠性分析技术发展迅速。高精度的三维X射线显微镜(Three dimensional X-ray microscopy,3D-XRM)和超声波扫描显微镜(Scanning acoustic microscopy,SAM)等先进无损分析技术在界面表征、缺陷快速定位上的得到广泛应用;透射电镜(Transmission electron microscopy,TEM)、电子探针(Electron probe micro-analysis,EPMA)和背散射电子衍射(Electron back-scattered diffraction,EBSD)等前沿技术填补了纳米尺度表征以及未知物相鉴定等技术空白。随着可靠性分析能力的提高,材料在高温、温度循环、机械应力、电流等常见的单场应力下的失效行为和机理研究日趋成熟。由于多物理场耦合的形式更接近小尺寸焊点实际的工作应力状态,其失效行为机理以及寿命模型逐渐成为研究热点。

先进封装中硅通孔(TSV)铜互连电镀研究进展

随着摩尔定律接近极限,超摩尔定律的2.5D/3D封装登上历史舞台。硅通孔(through siliconvia,TSV)是实现多维封装纵向互连的关键技术,也是目前高端电子制造领域的重要代表之一。概述了TSV铜互连的关键技术,包括铜电镀液、电镀工艺和研究方法。认为TSV电镀铜技术难点在于无缺陷填充,而添加剂是实现无缺陷填充的关键组分。归纳了TSV电镀铜的加速剂、抑制剂以及整平剂等多种添加剂,指出随着TSV深宽比的不断提高,对电镀工艺提出了更高的要求。介绍了仿真计算、电化学测试等电镀液添加剂作用机理的研究手段。随着研究手段的不断升级,对添加剂作用机理研究更加深入透彻,确保了高深宽比TSV镀铜的无缺陷填充,进一步促进了先进封装的发展。