低温铜键合技术突破 开创电子封装新纪元
香港城市大学（城大）研究人员在电子封装技术上取得重大突破，成功开发出创新的纳米晶（nanocrystalline, NC）铜材料，实现低温直接铜对铜键合。这项技术可为先进晶片设计开辟新的可能性，对许多下一代技术发展至关重要。
城大系统工程学系冯宪平教授领导的研究团队成功开发出一种可在低温下进行直接铜对铜（Copper-to-Copper, Cu-Cu）键合的纳米晶铜材料。这种创新方法显著降低了铜键合所需的热能，同时保持优异的键合品质，有效解决了电子封装领域长期存在的技术难题。该技术对工业量产特别有价值，因为它需要较少的热量和时间就能形成可靠的键合。
这项研究成果最近发表在期刊 Nature Communications，题为“Nanocrystalline copper for direct copper-to-copper bonding with improved cross-interface formation at low thermal budget”。
使用纳米晶铜进行直接铜对铜键合是极具潜力的先进电子封装技术。然而，它面临两大挑战。首先，纳米晶铜有许多晶界，容易聚集杂质，令晶粒难以在低温下充分生长。其次，在低温退火过程中，晶粒仅在顶部表面生长，无法在底部生长，导致在底部铜种子层附近形成空隙。这些问题令制作高強度且可靠的键合变得更加困难。
为了克服这些挑战，研究团队开发战略性双层设计，其中粗晶层作为杂质汇集区，令杂质扩散可控，并防止在铜种子层附近形成空隙。
冯宪平教授解释：「透过开发添加剂，我们能够电镀具有均匀纳米晶粒尺寸和低杂质的纳米晶铜，使其能在低温下实现快速的晶粒生长。我们发现单一纳米铜层对于铜对铜键合的整体效果不理想，因此提出一种双层结构，将纳米铜层电镀在一般的粗晶铜层之上。」
在低温下实现铜键合将促进先进晶片的设计。工程师可将不同类型的晶片（特别是对热敏感的晶片）整合，实现更紧凑和更高密度的3D结构。这项突破可以促进更复杂的异质晶片堆迭封装，对其他先进技术创新至关重要，例如人工智慧（AI）、高性能运算（HPC）、5G网络以及扩增/虚拟实境（AR/VR）等。展望未来，研究团队将与半导体制造商合作，将这种新型键合技术整合到现有的生产流程中，包括热压键合和混合键合等。
如有查询，欢迎联络城大系统工程学系及机械工程学系 冯宪平教授 (电邮：shiefeng@cityu.edu.hk）。