关于微通道调控的铜-铜温度梯度键合的研究 朱志远（Zhiyuan Zhu） 郑 Haoxi（Haoxi Zheng） 李 Hao（Hao Li） 袁睿（Rui Yuan）

《Processes》：Investigations into Microchannel-Controlled Copper–Copper Temperature Gradient Bonding Zhiyuan Zhu, Haoxi Zheng, Hao Li and Rui Yuan

　　摘要 本文提出了一种新的铜-铜 bonding 方法，该方法将微流控技术融入到芯片级别的金属键合过程中，以精确有效地控制键合层表面的温度。为了实现有效的键合，在芯片背面创建了具有特定设计的流体通道，通过控制微通道入口处的流体速度，能够在多对键合表面之间形成温度梯度。有限元仿真表明，这种方法可以在键合界面建立可控的热梯度，单个键合平面上的最大温差超过100°C。实验结果表明，这种技术不仅适用于铜-铜金属键合，也可用于其他金属材料的键合，为芯片制造中的金属键合提供了灵活的解决方案。

1. 引言
在过去的几十年中，集成电路的微型化是通过遵循摩尔定律缩小晶体管尺寸来实现的[1]。然而，近年来这种方法遇到了物理限制和电路互连的瓶颈[2]，因此提出了超越摩尔定律的概念。其中一个关键方面是，可以通过先进的封装技术来提升集成能力，而不仅仅依赖于晶体管尺寸的减小。各种先进的封装技术，如芯片堆叠、晶圆级堆叠和硅通孔（TSVs），使得来自不同技术节点的芯片能够在同一封装中异构集成。对于异构集成，3D集成技术已成为在摩尔定律之后的背景下继续缩小集成电路器件的解决方案之一[3]，因为传统封装技术面临着长互连、高功耗和大尺寸等挑战[4,5]。此外，3D IC 可以提供更高的集成密度、更低的功耗和减少的 RC 延迟[6,7]。3D IC 可以利用 TSV 互连技术实现垂直堆叠架构，从而提高集成密度和性能。由于材料的共性，铜-铜热压缩键合已成为芯片堆叠过程中的主要技术之一。直接铜-铜热压缩键合的优势在于它为两个活性层提供了粘附层以及层间的电气互连。为了实现可靠的键合过程，了解键合的表面处理技术、工艺条件以及所需的键合温度至关重要[8,9,10]。温度应尽可能低以减少机械应力和退化，同时又应足够高以确保可靠的键合强度。因此，对键合表面温度的精确控制是实现有效键合的关键因素。

自从 Tuckerman 和 Pease [11] 提出在芯片内构建微通道以推进嵌入式冷却技术以来，由于其效率超过了传统的空气冷却方法，这种方法得到了广泛的研究和应用。Zhang 及其同事[12] 探讨了微针散热器在不同冷却阶段的特性，并研究了微冷却技术对 3D 互连电气特性的影响。Sarvey 等人[13] 通过在现场可编程门阵列（FPGA）芯片背面蚀刻微针结构，显著降低了热阻，验证了微冷却在集成电路中的有效性。Hu 及其同事[14] 设计了一种薄型微间隙冷却歧管，可以容纳多个高功率模块，为堆叠的 2.5D 集成电路提供了可行的热管理方案。Remco 及其同事[15] 通过设计在芯片上集成的歧管微通道冷却系统，在高热流情况下展示了其冷却效率，证实了其潜力。Bar-Cohen 及其同事[16] 总结了嵌入式冷却技术在提升输出功率方面的实验验证，認可了其广阔的应用前景。这些技术通过微结构设计的改进增强了热传递性能，尽管它们会增加流动阻力。Harpole 和 Eninger[17] 通过分割流通道来优化流动，有效降低了热阻。Jung[18]通过3D歧管和协同设计提高了微流控冷却性能，而Chen及其同事[19]通过设计微通道模块来减少流动阻力，证明了微流控技术在温度控制中的重要作用，证明了该技术的成熟度。尽管微流控技术在温度控制方面的有效性得到了验证，但迄今为止尚未有关于其在热压缩键合过程中的应用研究。

尽管上述研究[11,12,13,14,15,16,17,18,19]广泛展示了微流控结构在电子冷却中散热高热流的效率，但将这种精确的温度控制能力应用于芯片级键合过程仍然很少。目前的热压缩键合技术通常依赖于在整个基底上均匀加热，这会引入热应力并对集成电路施加高热负担。目前缺乏专注于在键合界面刻意操纵空间温度梯度以促进低温金属扩散的研究。因此，引入微流控技术以诱导可控的温度差是一种新颖且未被充分研究的策略，旨在解决传统均匀加热在先进封装中的局限性。微流控技术的进步显著提高了芯片冷却效率，从而增强了芯片的热稳定性。本文研究了一种由微流控技术辅助的铜-铜热压缩键合方法。该技术利用微流控调节在单个键合界面产生温度差，通过精心设计的流通道结构和流体动力学来在键合区域内建立温度梯度。对温度梯度的精确控制确保了高质量键合的实现，展示了微流控技术在微电子制造领域的进一步应用潜力。本工作中呈现的仿真结果表明，所提出的微流控方法可以实现键合界面温度范围大约在116°C至221°C之间，单个键合平面上的最大温差超过100°C，从而建立了有利于增强铜扩散和键合的明确热梯度。

2. 实验结构制造和初步参数分析
为了评估通过微通道进行温度调节的可行性，首先进行了一系列参数化数值仿真。需要注意的是，本节中呈现的结果是来自有限元仿真的，旨在确定键合表面温度对关键操作变量的敏感性。硅晶圆的微通道制造过程如下所述。首先，使用硅晶圆作为基底。通过蚀刻工艺在硅晶圆的背面制造微通道。图1提供了晶圆内部流通道分布的概览。散热器由两层组成，入口和出口位于梯形通道的两端。分配通道、收集通道和微通道设置在硅层中。冷却剂通过入口进入，然后流经分配通道、收集通道和微通道，最后通过出口排出。L表示梯形通道的长度，W表示中间矩形通道的长度。在这个例子中，L = 4.7 mm，W = 3.4 mm。WC表示微通道宽度为0.2 mm，硅层的厚度为200 μm。选择梯形通道几何形状作为分配和收集歧管的主要考虑有两个方面。首先，锥形形状通过在歧管长度上减少压力变化来促进平行微通道之间的更均匀流动分布，从而最小化可能导致冷却不均匀的流动分布。其次，梯形结构可以使用各向异性湿法蚀刻硅轻松制造，这是一种成熟且成本效益高的微制造技术。选择的具体尺寸（L = 4.7 mm, W = 3.4 mm, WC = 0.2 mm）是为了适应5 mm × 5 mm的芯片尺寸，同时提供足够的总热传递面积以实现键合界面所需的温度降低。

如图1所示为微通道结构的示意图。(a) 微通道的横截面视图；(b) 带有入口/出口的微通道布局的俯视图；(c) 微通道网络的3D示意图。关键参数：梯形通道长度L = 4.7 mm，矩形通道长度W = 3.4 mm，微通道宽度WC = 0.2 mm，硅层厚度 = 200 μm。在硅晶圆背面制造这样的微通道结构完全在标准微制造工艺的能力范围内，特别是深反应离子刻蚀（DRIE），该工艺常用于微机电系统（MEMS）和微流控设备的生产。这确保了所提出的设计不仅在理论上是可行的，而且可以使用成熟的半导体加工技术实际制造。

已经实施了多种方法来控制键合表面的温度。通过比较这些方法，选择了最佳方案用于后续实验。选择入口流体速度、微通道数量和流体温度作为主要控制变量是基于基本的对流热传递原理。根据牛顿冷却定律，热移除速率由对流热传递系数h控制，h是流体速度（雷诺数）和通道几何形状的函数[20]。对于特征液压直径小于1 mm的微通道，在实际流动条件下，雷诺数通常保持在200以下，确认流动始终处于层流状态[20,21]。此外，流体与固体表面之间的体积温差决定了热交换的驱动力，热边界层沿流动方向逐渐变厚，因为冷却剂从基底吸收热量[20]。因此，改变流速会改变h，调整通道数量会改变热传递面积和流动分布，调节流体温度会直接影响热传递潜力。

通过改变进入微通道的流体流量来控制键合表面的温度。流体速度设定在0.1至0.8 m/s之间，环境温度设定为20°C。压板的两端压力设定为0.2 MPa，加热板的两端温度设定为300°C。此时，硅晶圆内部的通道配置为10个通道，流体温度也设定为20°C。相应的仿真结果如图2所示。图2显示了随入口流体速度变化键合表面的峰值温度变化。根据上述数据，观察到在冷却剂流速为0.1 m/s时，键合表面达到峰值温度，最低和最高温度分别为151°C和287°C。随着流速的增加，温度峰值开始下降。当流体速度达到0.8 m/s时，键合表面的最低温度为57.2°C，最高温度为202°C。随着流速的增加，最低温度下降了93.8°C，最高温度下降了85°C。通过改变流速，可以实现键合表面温度的变化，从而实现我们提出的温度梯度键合。这一趋势与物理事实一致，即流速的增加提高了对流热传递系数，从而增强了从键合表面到冷却剂的熱移除速率。

通过改变硅晶圆中的微通道数量来控制键合界面的温度。微通道的数量设定在3到10个之间，环境和流体温度均设定为20°C。压板两端的压力设定为0.2 MPa，加热板的两端温度设定为300°C。流体流量确定为0.6 m/s。通过仿真实验获得了如图3所示的数据。图3显示了键合表面峰值温度随微通道数量的变化。从图3的数据可以看出，当微通道数量为3个时，键合表面达到峰值温度，最低和最高温度分别为82.6°C和251°C。随着微通道数量的增加，键合表面的温度开始下降。当微通道数量设置为10个时，键合表面的最低温度为66.4°C，最高温度为220°C。随着微通道数量的增加，最低温度下降了16.2°C，最高温度下降了31°C，表明温度显著降低。这证明了通过改变晶圆内的微通道数量，可以控制键合表面的温度，从而实现所提出的温度梯度键合。观察到随着通道数量的增加温度降低，是由于总的热传递面积增大和流体流动更加均匀，这两者都有助于提高整体的对流热去除能力。键合表面的温度分布是通过调节冷却液的温度来控制的。流体温度设置在5-30°C范围内，以5°C为间隔。环境温度设为20°C。加压板两端的压力设为0.2 MPa。加热板两端的温度设为300°C。流体流速保持在0.6 m/s。在这种设置下，晶圆内的微通道数量固定为10个。如图4所示的数据变化来源于仿真实验。图4显示了键合表面峰值温度随入口流体温度的变化情况。根据提供的数据，当入口流体温度设为5°C时，键合表面的最低和最高温度分别为54.8°C和216°C。随着流体温度的升高，键合表面的温度也升高。当入口流体温度为30°C时，键合表面的最低和最高温度分别达到74.3°C和222°C。随着入口流体温度的升高，键合表面的最低和最高温度分别增加了19.5°C和6°C，其中最低温度的变化比最高温度更明显。在改变流体入口温度时观察到的相对较小的温度变化反映了热驱动力（加热基材与冷却剂之间的温差）在研究的5-30°C范围内只是逐渐变化的。

从上述三个选项的比较中可以看出，与流速的影响相比，微通道数量和流体温度对键合表面温度变化的影响相对较小。这可能归因于微通道尺寸的限制，它们可能不会显著改变温度。由于入口流体温度的变化较小，其对键合表面温度的影响也最小。在对这三个方案进行比较后，我们选择了以下实验条件进行后续的有限元仿真实验：入口流体流速为0.6 m/s，微通道数量为10个，入口流体温度为20°C，其他边界条件保持不变。确定了优选的操作参数后，现在可以在进入详细的有限元模型之前概述整个键合过程。一个带有镀铜表面的模具固定在压头下方，另一个模具直接放置在下方并与固定模具对齐，然后将设置放置在300°C的加热板上。两个模具的铜表面接触1分钟后，逐渐将压力增加到0.2 MPa。热压过程持续10分钟。在初始Cu-Cu接触后和施加全压力之前的1分钟等待期，使得键合界面能够与微通道控制的温度场达到热平衡。在此期间，在低接触力作用下，表面粗糙度会发生轻微的塑性变形，这有助于破坏原生氧化层并促进金属间的紧密接触。这个短暂的热和机械预处理步骤在施加全0.2 MPa压力后增强了随后的扩散键合过程。图5显示了键合过程的示意图。

3. 有限元建模：Cu-Cu温度梯度热压键合
使用商业软件COMSOL Multiphysics版本6.1进行了有限元建模，以解决涉及固体热传导和微通道内单相层流的热传导问题。固体和流体域的控制方程如下所示。
对于固体域（包括晶圆、铜柱和LTCC加热层），求解稳态热传导方程：
(1)
其中ks是相应固体材料的热导率，T是温度场。
流体域由流经微通道的去离子水组成，被建模为不可压缩的稳态层流。连续性和动量守恒（纳维-斯托克斯）方程如下：
(2)
(3)
其中ρ是流体密度，v是速度矢量，p是压力，μ是动态粘度。流体内的热能传输由下式描述：
(4)
Cp表示比热容，kf表示流体的热导率。
在模型中，规定流速为0.6 m/s，温度为20°C，并在出口处施加零表压条件；LTCC加热板的顶部和底部表面保持在300°C，外部键合表面施加均匀的压缩载荷0.2 MPa，所有其他外部边界被视为绝热边界。
在COMSOL中使用物理控制网格对计算域进行离散化，在流体区域采用更细的单元尺寸，以充分解析微通道壁沿线的速度和热边界层。在通道表面附近应用了边界层网格。网格独立性研究确认峰值键合界面温度的相对偏差小于1.5%，验证了所选网格分辨率的适用性。
微通道内的流体流动特征是雷诺数较低（Re ≈ 120，基于通道的水力直径，最大流速为0.8 m/s），确认流动仍处于层流状态。在这种条件下，对流热传递系数是局部流速和热边界层厚度的强函数。随着冷却剂沿通道流动并从基材吸收热量，其整体温度上升，减少了驱动热传递的局部温差，从而降低了出口附近的冷却效果。这种现象导致仿真结果中沿流动方向的温度逐渐升高。使用具有五个棱镜层的边界层网格确保了在粘性和热边界层内对陡峭的速度和温度梯度的充分解析，这对于准确预测局部热传递率至关重要。

在有限元模型中，建立了如图6所示的键合模型。模型各部分的材料如表1所列。低温共烧陶瓷（LTCC）用作底层加热层，通常由陶瓷和玻璃粉末混合物组成，具有优异的电性能和高温耐受性。硅材料用作芯片层，通过使用贯穿硅通孔（TSV）技术，将金属铜注入硅层，利用Cu界面在加热条件下的扩散将两个芯片结合在一起。整个模型的平面尺寸为5 mm × 5 mm，初始条件为Si界面的预键合。作为垂直互连和键合界面的铜柱呈圆柱形，直径为50 μm，高度为20 μm。铜柱以4 × 4阵列排列，对应于微通道布局，相邻铜柱之间的间距由下方通道位置决定，以确保流体流动与键合区域之间的直接热耦合。表2显示了为模型设置的各种边界条件。图6显示了单层键合结构的关键尺寸。

表1. 模型材料参数。
表2. 仿真边界条件。
在有限元模型中应用的边界条件是根据实际键合过程要求和第2节中提出的参数仿真结果选择的。加热板温度设置为300°C。先前的研究表明，在适当的温度和表面条件下，可以在这一温度下实现可靠的Cu-Cu键合[8,10,22]。选择0.2 MPa的压缩载荷作为热压键合的典型压力范围内的代表值，提供足够的紧密接触而不引起铜柱的过度机械变形。采用20°C的环境和流体入口温度来代表标准的室温冷却条件。根据第2节中的参数速度研究，入口流体速度固定为0.6 m/s。虽然0.8 m/s的较高速度在键合界面产生了 slightly larger 的温度梯度，但0.6 m/s被认定为一个实用的折中方案，它在保持足够的温度差（超过100°C跨越16个铜柱）的同时，确保压力降保持在可管理范围内，并且流动在整个微通道网络中保持稳定的层流状态。在流体出口处施加了零表压条件，与开放排放到环境一致。模型的所有其他外部表面默认视为绝热边界，表示与周围环境的热交换可以忽略不计，与微通道提供的主动冷却和LTCC板提供的加热相比。

根据第2节中描述的键合过程，建立了如图7a所示的有限元仿真模型。继图5中的模型之后，构建了两层结构，模型相互面对放置。在加热板上施加了300°C的温度边界条件。上层和下层流体的入口条件设置为相反。通过调整流体流速、通道深度与宽度的纵横比以及通道数量，控制键合界面的温度以实现Cu-Cu温度梯度键合。仿真模型的温度分布如图7b所示。图7显示了键合有限元仿真模型。(a) 模型的温度分布图。(b) 对面键合层表面的温度分布。(c) 是下层，(d) 是上层。仿真记录了铜柱与键合表面之间16个接触点的温度，如表3所示。此外，仿真还描绘了在这种条件下的两个键合表面上的温度分布，如图7所示。上下表面的温度范围大致相同，约为116°C至221°C。然而，由于通道分布和入口与出口的方向相反，在同一温度范围内上下键合面之间存在明显的温度梯度。如图7c,d所示，通道入口处的温度较低，并沿流动方向逐渐升高，在出口处达到峰值。这种空间变化反映了冷却流体在流经微通道时连续吸收热量，逐渐提高流体温度，从而降低了其局部冷却能力。根据表3的数据，在上下加热板温度均设置为300°C的情况下，微流体技术能够将铜柱接触点的温度调节在116.36°C至220.83°C之间。进一步分析数据可以发现，16根铜柱的温度呈现出系统性的变化趋势，其中温度最低的是位于流体入口附近的铜柱1，而温度最高的是位于流体出口附近的铜柱16。指标显示铜柱1和铜柱16之间的温差超过了100°C，这表明微流体调节技术可以在单个键合界面产生显著且可控的温度差异。这种温度梯度并不是冷却配置的副产品，而是为了增强键合过程而设计的一种特性。由于上下结构中流体通道入口的对称布置，上下键合平面上的温度分布是不同的且互补的，如图7c和d所示。在键合过程中，上层靠近流体入口的铜柱（温度相对较低）与下层靠近流体出口的铜柱（温度相对较高）精确对齐。这种对立的配置确保了每一对键合铜柱都经历了净温度偏移，即界面的一侧温度高于另一侧。从固态扩散的角度来看，这种温度偏移是有利的，因为铜的原子扩散系数对温度具有阿伦尼乌斯型指数依赖性。因此，每对铜柱中较热的一侧成为高迁移率铜原子的来源，而较冷的一侧则作为吸收端，促进原子在键合界面上的定向传输。这种受温度驱动的扩散机制与其他金属系统中展示的温度梯度键合（TGB）方法类似，在这些方法中，通过在键合线上施加温差可以显著加速原子互扩散和金属间化合物的形成[23]。在当前配置中，微通道流动产生的温度梯度为原子从较热区域向较冷区域的迁移提供了持续的驱动力，从而加速了界面空洞的闭合和晶界迁移。最近的Cu-Cu键合实验研究证实，在适当的热条件下，晶界迁移和原子扩散能够主动消除键合界面，使得一侧的晶粒向另一侧生长[24]。此外，高晶界密度为原子迁移提供了多条路径，进一步增强了晶界的迁移能力，并在适度的热预算下促进了界面修复[25]。因此，受控温度梯度方法有望提高键合互连的机械完整性和电气可靠性，而无需在整个组件中统一升高温度。

需要指出的是，本研究仅专注于所提出的微通道控制温度梯度键合概念的数值模拟和热分析。虽然模拟结果证实可以在键合界面建立显著且空间可控的温度差异，但实际的键合质量指标（包括界面键合强度、空洞密度、特定接触电阻以及键合线上的晶粒生长等微观结构演变）仍需通过实验进行表征。本研究中确定的良好热条件，特别是大约116–221°C的温度范围以及相对键合表面的互补温度分布，为未来的实验研究提供了明确的参数空间。计划中的实验工作将包括制造集成有微通道的硅芯片，然后在模拟条件下进行Cu-Cu热压键合，并通过扫描电子显微镜（SEM）、聚焦离子束（FIB）截面分析、四点探针电测量和晶片剪切测试进行后续表征。这些实验研究的结果将在后续的出版物中报告，以全面验证这种微流体温度梯度方法带来的键合效果。

4. 结论
本文将微流体技术引入芯片金属键合过程，提出了一种基于微流体的Cu-Cu温度梯度键合方法。该方法能够在键合层表面有效实现接近100°C的温度差，满足Cu-Cu温度梯度键合的要求。通过控制微通道入口的流体速度并改变通道形状，可以实现键合表面之间的不同温度差异。结果表明，这种技术不仅适用于铜-铜金属键合，也可用于其他金属材料的键合。除了铜-铜键合外，所提出的技术还可以扩展到其他金属系统。所提出的微通道控制温度梯度键合技术为先进的芯片级金属键合提供了一个多功能平台。除了本文展示的铜-铜系统外，通过调整加热板温度和流动参数，该方法还可以应用于其他金属和合金系统，以实现所需的界面热条件。此外，独立调节上下芯片层中的热场的能力使得在键合过程中能够主动管理温度差异，这对于涉及热膨胀系数（CTE）不匹配的异质集成特别有利。这种差异性热控制有助于缓解由CTE引起的应力，降低界面分层或翘曲的风险，并最终提高键合组件的机械可靠性。未来的工作将探索这种微流体温度梯度策略在更广泛的材料组合和封装架构中的应用，进一步推动3D异质集成的能力发展。