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研究作者及机构
本研究由Nagarajan Palavesam、Waltraud Hell、Andreas Drost、Christof Landesberger、Christoph Kutter和Karlheinz Bock共同完成。研究团队分别来自德国的Fraunhofer EMFT研究所（微系统和固态技术研究机构）和德累斯顿工业大学（Technische Universität Dresden）的电子封装技术研究所。研究论文于2020年2月1日发表在期刊《Electronics》上。
学术背景
随着对更薄、更贴合电子系统的需求不断增加，柔性混合电子（Flexible Hybrid Electronics, FHE）技术引起了广泛关注。FHE通过将超薄单晶硅集成电路（Integrated Circuits, ICs）集成在柔性基板上，能够在极低功耗下提供高性能电气功能，同时保持机械柔性。然而，关于此类芯片-薄膜封装在动态弯曲条件下的疲劳或可靠性研究非常有限。本研究旨在分析构成互连的金属类型对柔性基板上动态弯曲可靠性的影响，特别是研究金、铜和铝这三种金属互连在反复弯曲条件下的表现。研究目标是为开发可靠的薄膜基电子系统提供技术支持和设计指导。
研究流程
研究流程分为三个主要步骤：1）在薄膜基板上制备互连；2）硅芯片的减薄；3）将超薄硅芯片集成到薄膜基板上。
互连制备
研究采用半导体微加工工艺（如溅射沉积、光刻和湿法蚀刻）在聚酰亚胺（Polyimide, PI）薄膜上制备互连。选用Upilex® 50S作为基板材料，因其具有低高温收缩率、高玻璃化转变温度（Tg）、低气体和水蒸气渗透性、低吸湿性和低热膨胀系数（CTE）等优点。首先将PI薄膜附着在6英寸载片晶圆上，然后使用Balzers LLS垂直溅射工具沉积金属。为提高铜和金的附着力，先沉积15 nm厚的钛钨（Ti10W90）粘附层。随后通过光刻和湿法蚀刻定义互连图案，最终剥离光刻胶完成互连制备。互连的厚度约为300 nm。
硅芯片减薄
超薄硅芯片采用“减薄切割法”（Dicing-by-Thinning）制备。首先在厚度约为700 µm的硅晶圆上制作菊花链测试图案，然后通过晶圆切割机在芯片边界处刻槽，并将晶圆粘合到刚性载片晶圆上。接着使用晶圆研磨机通过粗磨和细磨步骤将晶圆减薄至约20 µm，最后通过化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing, CMP）提高晶圆背面表面质量，增强其断裂强度。
芯片集成
超薄硅芯片通过各向异性导电胶（Anisotropic Conductive Adhesive, ACA）与薄膜基板上的互连进行倒装键合。ACA在Z轴方向导电，而在X和Y轴方向绝缘。研究使用Delo Monopox AC 245（含5.3 µm镍颗粒）作为键合材料，键合过程在Panasonic FCB3设备中完成，温度为200°C，键合力为5 N。
实验结果
研究对15个芯片-薄膜封装样品进行了动态弯曲测试，每种金属互连各5个样品。测试在5 mm弯曲半径下进行，共20,000次弯曲循环。测试结果显示，金互连的芯片-薄膜封装在反复弯曲测试中表现最佳，其次是铝和铜。具体数据如下：
- 铜互连：平均电阻增加87.6%
- 铝互连：平均电阻增加47.38%
- 金互连：平均电阻增加25.12%
光学和扫描电子显微镜（SEM）分析表明，电阻增加的主要原因是互连中形成了垂直于弯曲方向的凸起（Hillocks）。原子力显微镜（AFM）分析显示，凸起高度约为250 nm。铜互连中凸起数量最多，而金互连中凸起数量最少，这与电阻增加的趋势一致。研究表明，金属的灵活性（由较低的杨氏模量和较高的泊松比决定）是影响动态弯曲可靠性的关键因素。
研究结论
研究证实，金属互连的灵活性对芯片-薄膜封装的动态弯曲可靠性有显著影响。金互连由于其优越的灵活性，在反复弯曲条件下表现最佳。然而，考虑到金的较高电阻和成本，铝可能成为更实用的选择，因其在电导率和动态弯曲可靠性之间提供了良好的平衡。研究为FHE系统的设计和优化提供了重要依据，特别是为选择互连材料和技术提供了指导。
研究亮点
1. 重要发现：首次系统研究了金、铜和铝三种金属互连在动态弯曲条件下的可靠性，明确了金属灵活性对FHE性能的关键影响。
2. 方法创新：开发了基于溅射沉积、光刻和湿法蚀刻的互连制备工艺，以及基于ACA的芯片集成技术。
3. 应用价值：研究结果为开发高可靠性的柔性电子系统提供了技术支持和设计指导，特别是在可穿戴设备、电子皮肤和柔性显示等领域具有广泛应用前景。
其他有价值的内容
研究还提出了未来研究方向，包括深入分析凸起形成的机制、研究拉伸应力对动态弯曲可靠性的影响，以及开发避免凸起形成的技术。这些研究将进一步推动FHE技术的发展和应用。
以上报告全面介绍了研究的背景、流程、结果和意义，为相关领域的研究人员提供了详细的参考。