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文章导读
微孔填充是集成电路（IC）、印刷电路板（PCB）、微机电系统（MEMS）和3D电子封装领域中的一项重要的垂直互连技术。目前，电镀仍是工业中实现微孔填充的主要方法，但电镀是一个涉及曝光、显影、蚀刻、电镀等步骤的相对复杂的过程，并且具有一定环境污染。相比之下，使用金属颗粒导电填料进行填孔具有工艺简单、效率高、工艺兼容性好、更加环保等优点，受到了越来越多的关注。然而，金属颗粒之间的间隙会导致较高的电阻，成为其应用的一大关键瓶颈。
近期，广东工业大学崔成强、杨冠南课题组在International Journal of Smart and Nano Materials上发表题为“The effects of pressure, temperature, and depth/diameter ratio on the microvia filling performance of Ag-coated Cu micro-nanoparticles for advanced electronic packaging”的论文。在这项研究中，采用银包铜微纳颗粒作为导电填料，开发了一种绿色便捷的微孔填充方法，利用多次填充-烧结的填孔工艺，实现了挠性覆铜板上的高致密盲孔填充。在260°C-2MPa-30min的烧结条件下，所填充的盲孔的电阻率仅为6.3 μΩ∙cm，已经接近于电镀填孔的性能。文中还探讨了压力、温度和深径比对填孔电性能的影响规律，并利用有限元模拟分析了孔内的应力分布情况及几何条件对孔内应力的影响效果。
引用: Guannan Yang, Shaogen Luo, Bo Luo, Yan Zuo, Shiwo Ta, Tingyu Lin, Zhaohui Zhao, Yu Zhang & Chengqiang Cui (2022) The effects of pressure, temperature, and depth/diameter ratio on the microvia filling performance of Ag-coated Cu micro-nanoparticles for advanced electronic packaging, International Journal of Smart and Nano Materials, DOI: 10.1080/19475411.2022.2107114
文章内容
填孔具体工艺如下：利用化学合成的方法将微纳铜颗粒制备成银包铜颗粒材料并配置成膏体作为导电填料，采用含有盲孔的挠性覆铜板作为填孔基材，使用多步填充-干燥的方法，将导电填料致密地填充入盲孔内，然后通过加温加压的方法使孔内金属烧结。
图1. 银包铜颗粒的微孔填充和烧结过程示意图
图 2a、b 显示了原始微纳铜颗粒和所制备微纳银包铜颗粒的SEM图像。可以看出颗粒分散性良好，没有发生明显团聚。图 2c、d 显示了所制备的微纳银包铜颗粒的TEM图像以及铜和银元素的分布，可以看到明显的核壳结构。图2e显示了单个银包铜颗粒径向方向的元素分布。铜元素在颗粒中心形成一个峰，银元素在颗粒边缘形成两个峰，证实了银包铜颗粒的核壳结构。
图2. (a) 微纳铜颗粒的SEM图像(b) 微纳银包铜颗粒的SEM图像(c) 微纳银包铜颗粒的TEM图像(d) 微纳银包铜颗粒的EDS图(e) 微纳银包铜颗粒的径向元素分布
图3和图4展示了不同烧结压力、烧结温度和烧结时间对盲孔烧结结构与电性能的影响。可以看出，烧结后颗粒与盲孔底部铜层形成的较好的结合，提高压力、温度、时间将在不同程度上促进烧结结构的致密化并获得更低的电阻率。
图3. 在260℃-0.5/1/2MPa-30min的烧结条件下的填充盲孔的截面图及电阻率
图4. 在220℃/260℃/300℃-2MPa-10min/30min的烧结条件下的填充盲孔的截面图及电阻率/孔隙率
图5对比了直径为35、50、75和100μm，高度75μm的盲孔的烧结结构与性能，可以看出，过小的直径不利于获得致密的烧结结构与好的导电性。这是因为小孔径不利于导电填料的填入，从而影响了填孔的致密度。另一方面，通过有限元模拟揭示了细直径孔底部区域的应力较低（图6），也不利于材料的充分烧结。
图5. 在260℃-2MPa-30min烧结条件下，不同直径的盲孔的截面图及电阻率/孔隙率
图6. 不同直径的盲孔的应力分布有限元模拟
图7展示了本研究与现有报道中的金属基导电填料的微孔填充性能。随着高性能金属基导电材料及填孔技术的发展，这项技术可能在未来的三维电子封装领域取得更广泛的应用。
作者简介
广东工业大学省部共建精密电子制造技术与装备国家重点实验杨冠南为本文第一作者，杨冠南和崔成强为共同通讯作者。
崔成强，博导，高级工程师，现为广东工业大学机电工程学院教授，省部共建精密电子制造技术与装备国家重点实验室副主任。曾获得中国专利优秀奖，李光耀顶尖研究奖、广东省科技进步一等奖、江苏科技进步二等奖等奖项。目前主要在半导体及集成电路领域从事微电子封装材料与工艺研究，在芯片、MEMS传感器、光纤通讯封装材料以及晶圆级封装工艺等方面有着丰富的研究及产业化经验，最早提出并完全掌握了生产高密度封装基板的新型关键技术——改进型半加成技术及超微全铜盲孔填充技术，并已经在香港金柏科技有限公司和安捷利电子科技（苏州）有限公司成功实施产品的制作及产业化。崔教授已申请国内外发明专利超过200余项，累计授权专利120余项，在封装基板有关国际刊物和会议上发表论文140余篇。著有半导体芯片封装前沿著作“高分子表面的重构”和“先进芯片封装可靠性”。
杨冠南，广东工业大学省部共建精密电子制造技术与装备国家重点实验室成员，博士毕业于清华大学材料学院。从事微纳金属互连材料、先进微电子封装、金属激光加工、亚稳金属材料等领域的相关工作。目前已在相关领域著名国际期刊和国际会议上发表SCI论文44篇（一作/通讯32篇），EI论文16篇（通讯5篇），拥有中国授权专利20件（第一发明人11件）。另外，拥有美国授权专利1件和PCT专利7件。
张昱，广东工业大学省部共建精密电子制造技术与装备国家重点实验室成员，副教授、硕士研究生导师。2016年1月于中国科学院大学获得理学博士学位，毕业后到广东工业大学工作至今。目前主要从事微纳金属材料、电子封装材料与工艺等方面的研究工作，已授权中国发明专利50余件，发表SCI论文20余篇，包括ACS Applied Materials & Interfaces、Nanoscale、Journal of Materials Chemistry A、Ultrasonics Sonochemistry 、Journal of Alloys and Compounds、Biomaterials Science、Nanotechnology等。
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期刊介绍
International Journal of Smart and Nano Materials
名誉主编：
杜善义 院士，哈尔滨工业大学
Ken P. Chong 教授，华盛顿大学
主编：
冷劲松 院士，哈尔滨工业大学
International Journal of Smart and Nano Materials是哈尔滨工业大学和Taylor & Francis集团合作出版的开放获取英文期刊，拥有由知名学者组成的国际化编委团队。IJSNM 被Science Citation Index数据库收录，2021年影响因子为4.0。
IJSNM主要发表国内外智能材料、智能结构力学与设计、多功能纳米材料等领域的最新研究成果和前沿进展，涵盖智能材料与结构、多功能纳米复合材料、4D打印技术、仿生结构、柔性机器人、传感器、结构健康监测等领域，主要刊登具有创新性的综述论文（Review Articles）、研究论文（Research Articles）和短篇报道（Short Communications）等。
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引用数据：
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