低溫銅鍵合技術突破 開創電子封裝新紀元
香港城市大學（城大）研究人員在電子封裝技術上取得重大突破，成功開發出創新的納米晶（nanocrystalline, NC）銅材料，實現低溫直接銅對銅鍵合。這項技術可為先進晶片設計開闢新的可能性，對許多下一代技術發展至關重要。
城大系統工程學系馮憲平教授領導的研究團隊成功開發出一種可在低溫下進行直接銅對銅（Copper-to-Copper, Cu-Cu）鍵合的納米晶銅材料。這種創新方法顯著降低了銅鍵合所需的熱能，同時保持優異的鍵合品質，有效解決了電子封裝領域長期存在的技術難題。該技術對工業量產特別有價值，因為它需要較少的熱量和時間就能形成可靠的鍵合。
這項研究成果最近發表在期刊 Nature Communications，題為“Nanocrystalline copper for direct copper-to-copper bonding with improved cross-interface formation at low thermal budget”。
使用納米晶銅進行直接銅對銅鍵合是極具潛力的先進電子封裝技術。然而，它面臨兩大挑戰。首先，納米晶銅有許多晶界，容易聚集雜質，令晶粒難以在低溫下充分生長。其次，在低溫退火過程中，晶粒僅在頂部表面生長，無法在底部生長，導致在底部銅種子層附近形成空隙。這些問題令製作高強度且可靠的鍵合變得更加困難。
為了克服這些挑戰，研究團隊開發戰略性雙層設計，其中粗晶層作為雜質匯集區，令雜質擴散可控，並防止在銅種子層附近形成空隙。
馮憲平教授解釋：「透過開發添加劑，我們能夠電鍍具有均勻納米晶粒尺寸和低雜質的納米晶銅，使其能在低溫下實現快速的晶粒生長。我們發現單一納米銅層對於銅對銅鍵合的整體效果不理想，因此提出一種雙層結構，將納米銅層電鍍在一般的粗晶銅層之上。」
在低溫下實現銅鍵合將促進先進晶片的設計。工程師可將不同類型的晶片（特別是對熱敏感的晶片）整合，實現更緊湊和更高密度的3D結構。這項突破可以促進更複雜的異質晶片堆疊封裝，對其他先進技術創新至關重要，例如人工智慧（AI）、高性能運算（HPC）、5G網絡以及擴增/虛擬實境（AR/VR）等。展望未來，研究團隊將與半導體製造商合作，將這種新型鍵合技術整合到現有的生產流程中，包括熱壓鍵合和混合鍵合等。
如有查詢，歡迎聯絡城大系統工程學系及機械工程學系 馮憲平教授 (電郵：shiefeng@cityu.edu.hk）。