隨著人工智能、高性能計(jì)算（HPC）和5G等新興技術(shù)的快速崛起，對(duì)芯片性能和可靠性提升的需求持續(xù)增長。香港城市大學(xué)（CityUHK）的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)獲得了“RAISe+計(jì)劃”資助，旨在解決三維集成電路（3DIC）半導(dǎo)體芯片封裝中的復(fù)雜金屬化問題。

這項(xiàng)開創(chuàng)性研究利用專利化學(xué)添加劑在銅電鍍工藝中應(yīng)用，通過實(shí)現(xiàn)堆疊芯片中更穩(wěn)定的連接，確保芯片性能。團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在2026年前建設(shè)一條自動(dòng)化智能制造線。

該項(xiàng)目由CityUHK系統(tǒng)工程系的Tony Feng Shien-Ping教授領(lǐng)導(dǎo)，題為“化學(xué)添加劑驅(qū)動(dòng)的電鍍銅在先進(jìn)電子封裝與3DIC應(yīng)用中的進(jìn)展”。在中華人民共和國香港特別行政區(qū)政府啟動(dòng)的“RAISe+計(jì)劃”支持下，團(tuán)隊(duì)致力于加快科研成果的商業(yè)化，強(qiáng)化工業(yè)應(yīng)用，鞏固香港在全球先進(jìn)半導(dǎo)體供應(yīng)鏈中的突出地位。

3DIC半導(dǎo)體芯片封裝中的挑戰(zhàn)

在半導(dǎo)體行業(yè)，晶體管數(shù)量是計(jì)算能力和性能提升的重要指標(biāo)。然而，隨著晶體管數(shù)量的增加，芯片設(shè)計(jì)面臨諸多挑戰(zhàn)，包括空間限制、功耗、散熱和信號(hào)延遲。

3DIC技術(shù)被視為通過垂直整合克服傳統(tǒng)平面設(shè)計(jì)局限的關(guān)鍵方法。這種方法將集成電路架構(gòu)從二維轉(zhuǎn)變?yōu)槿S，從而提升性能，降低功耗，并增加單位面積內(nèi)晶體管數(shù)量。

3DIC技術(shù)的關(guān)鍵組成部分包括透硅通路（TSV）、再分配層（RDL）和銅對(duì)銅直接鍵合（Cu-Cu鍵合），這些都對(duì)促進(jìn)信號(hào)通信和層間功率分配至關(guān)重要。要繼續(xù)縮小規(guī)模，諸如高鍵合溫度、銅表面氧化以及電遷移壽命有限仍是重大障礙。

四項(xiàng)核心創(chuàng)新以提升穩(wěn)定性和效率

為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃開發(fā)創(chuàng)新的包裝材料解決方案，包括利用專利化學(xué)添加劑控制材料微結(jié)構(gòu)的電鍍銅溶液。該方法旨在提升先進(jìn)3DIC封裝的性能和生產(chǎn)效率。

針對(duì)2.5D和3DIC堆疊金屬互連關(guān)鍵問題的四項(xiàng)技術(shù)是：

• 亞穩(wěn)銅（MS-Cu）：這使得銅-銅在較低溫度下通過納米晶粒的銅結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鍵合。這一特性有助于保護(hù)溫度敏感的元件，使其適合對(duì)此類器件進(jìn)行三維堆疊。

• 基于動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵（DCB）涂層材料（DCB涂層）：該涂層為銅表面提供臨時(shí)抗氧化保護(hù)。在銅-銅結(jié)合前，可以輕易去除，以確保界面干凈、高質(zhì)量。

• 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定銅（SS-Cu）：該技術(shù)通過復(fù)合銅微結(jié)構(gòu)提升了對(duì)表面腐蝕和電遷移的抵抗力。電遷移是指原子根據(jù)電流在材料中的流動(dòng)運(yùn)動(dòng)，這可能導(dǎo)致導(dǎo)體因形成空隙而失效。SS-Cu確保了高密度RDL的長期可靠性。

• 帶硫橋處理的納米顆粒（NP-S）：該方法增強(qiáng)了銅在玻璃基材上的附著力，用于通過玻璃通孔（TGV）制造，從而實(shí)現(xiàn)玻璃基底上的金屬化，為玻璃作為下一代高頻器件應(yīng)用基材鋪平了道路。

未來三年，團(tuán)隊(duì)目標(biāo)建立自動(dòng)化智能生產(chǎn)線，并將現(xiàn)有添加劑和特種化學(xué)品產(chǎn)能提升至每月兩噸。

馮教授解釋道：“我們的工作引入了一種全新的3DIC封裝銅連接方式。我們不再依賴高溫和傳統(tǒng)工藝，而是開發(fā)了使粘結(jié)更清潔、更快速、更可靠的材料和涂層。這不僅僅是漸進(jìn)式的改進(jìn)。它改變了敏感設(shè)備的堆疊和保護(hù)方式，使當(dāng)今突破性的3DIC技術(shù)在先進(jìn)半導(dǎo)體的下一代應(yīng)用中更加強(qiáng)大。”

推動(dòng)人才培養(yǎng)、專利與行業(yè)影響

除了科學(xué)創(chuàng)新外，團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃與本地及國際公司合作，拓展人工智能、電信、汽車和消費(fèi)電子領(lǐng)域的應(yīng)用。他們計(jì)劃申請(qǐng)四到十項(xiàng)專利，確保創(chuàng)新解決方案能迅速轉(zhuǎn)化為社會(huì)和半導(dǎo)體行業(yè)的切實(shí)貢獻(xiàn)。

馮教授說：“我們團(tuán)隊(duì)長期致力于先進(jìn)半導(dǎo)體包裝材料的研究。”“通過這一舉措，我們旨在建立專利和生產(chǎn)能力，培養(yǎng)年輕研究人才，并為本地和全球市場提供真正具有競爭力的解決方案。”

在CityUHK創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目HK Tech 300的支持下，團(tuán)隊(duì)成立了“Doctech HK Limited”，并于2023年獲得HK Tech 300天使基金100萬港元。其目標(biāo)是成為半導(dǎo)體制造和包裝行業(yè)下一代電鍍化學(xué)品和技術(shù)的供應(yīng)商，彰顯了CityUHK研究成果如何成功轉(zhuǎn)化為具有影響力的商業(yè)應(yīng)用。