[00132811]混合集成电路高可靠同质键合技术的研发与应用

本课题属企业自行研究项目。其背景在于随着现代电子信息技术的迅速发展及人类文明的快速进步,电子信息技术已深深地扎根于人类文明当中,并推动着人类文明的快速进步。信息化是中国新四化的基础,是实现中国梦、确保国家安全和打赢现代化战争的根本保障。随着整机装备技术的越来越成熟,电子元器件的可靠性从根本上决定了整机装备的可靠性,电子元器件的地位和作用越来越突出。 目前,关键电子元器件依然是制约我国高科技领域发展的瓶颈,表现在关键电子元器件国产化率低、技术性能、工程实用化等级、研制周期、可靠性和一致性等均不能满足我国高科技产品研制和生产的需要,供需矛盾突出,直接影响我国各项高科技产品研制和生产的进度。在混合集成电路中,除了芯片生产之外,产品的可靠性更多地取决于键合系统的长期可靠性。由于键合系统不同材料的兼容性,长期困扰混合集成集成电路高可靠水平的提升。为了解决键合长期可靠性问题,在航天、航空领域及其他重点领域,用户、业内专家、以及在相关技术标准中已经明确提出了取消异质键合系统。随着科学技术的进步和电子信息技术的发展,各型整机对这类产品的需求量越来越大。进行高可靠同质键合技术研究,是高可靠装备产品对元器件的使用需求。异质键合系统的连接在一定的条件下,会产生金属间化合物,由于金属间化合物的电特性、物理特性与单相金属存在较大的差别,应用在混合集成电路键合系统中时,会对键合系统的电性能和物理性能产生不良影响,从而降低混合集成电路的可靠性,甚至失效。混合集成电路中的Au-Al键合系统属异质键合系统,在自然条件下存放时间一年以上时,键合力均有不同程度的下降。在高温下下降加速,最终会导致脱键失效。 目前已公认的Au-Al键合系统经高温长期存放后,会出现两种缺陷： a.Au-Al间形成“紫斑”,其产物成份为AuAl2,这实际上是镀层中的金发生电迁移,造成Au-Al键合时形成的合金点疏松和空洞化,最终键合力大幅下降。 B.Au-Al间形成“白斑”,其产物为Au2Al、Au5Al2.Au5Al。这种产物可以使合金点电导率大幅降低,严重时可以形成开路。其原因是在高温作用下,金向铝中扩散,在压焊点周围形成黑色环形孔（空洞）。 因此,使用异质键合系统的混合集成电路只能使用在要求不高的场合,不适用于在可靠性要求较高的使用场合,如航空、航天、航海、高可靠工业控制等诸多领域。 解决问题的技术原理是：金属间化合物是由于不同金属的接触系统在一定的温度条件下互相扩散而形成的,如果在两层容易扩散的金属层之间增加一层扩散系数非常小的阻挡层,隔断两侧金属间的扩散路径,即可避免金属间化合物的产生。为此,本项目采用金属掩模定位套准、高真空物理淀积成膜技术、一次性完成多层金属薄膜物理成型的方法,在厚膜金导带键合区域,形成全部或局部铝键合区,可同时兼容金丝同质键合、硅—铝丝同质键合,形成高可靠同质键合系统,取代原有金—铝异质键合系统,或取代采取金属垫片实现同质键合的方法,版图布线密度高、集成密度高,整体提高厚膜混合集成电路键合系统的可靠性,从而提高厚膜混合集成电路的可靠性。 本成果的重要技术指标是建立高可靠键合系统工艺平台,取消可靠性较差的异质键合系统（金—铝（Au-Al）键合系统）,实现高可靠同质键合系统（如铝—铝（Al-Al）同质键合系统、金—金（Au-Au）同质键合系统）,从而提高电路的长期可靠性。 为此,采用间接键合的方法实现。即在金键合区表面,先增加一层阻挡层金属薄膜,再增加一层可与硅—铝丝进行高可靠性键合的同质金属薄膜,形成多层过渡性薄膜,实现高可靠性键合的目的。在形成多层过渡性薄膜的过程中,为避免厚膜导带和厚膜电阻受到化学方面的影响,采用物理方法实现。通过采用金属掩模（将基片上选定的键合区域图形转移到金属箔上,并对选定区域进行开孔）的方式,用溅射（或真空镀膜）的方法,在基片键合区域溅射（或真空镀膜）上一层所需的多层过渡性薄膜,整个多层薄膜一次性成型。再在其上面进行硅铝丝键合,从而实现同质键合的目的。 高可靠同质键合技术的研究成功,为高可靠混合集成电路键合工艺奠定了高可靠工艺平台,所有混合集成电路均可通过此工艺平台提升电路的可靠性,市场前景广阔。目前公司的混合集成电路已进入电子信息、航空、航天、船舶、、工业控制、野外作业等高可靠应用领域,对后续研发新产品将起到更大的促进作用。下一步将加大市场宣传,对现有客户、潜在客户、可能客户进行牵引和培训,以扩大技术成果的应用。