综述：用于高密度电子封装的铜柱凸点技术的进步

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Advances in copper pillar bumps for high-density electronic packaging

　　

徐高辉|杨乐乐|丁苏|顾杰飞|苏雷|李万利|李科

江南大学智能制造学院，中国无锡，214122

摘要

随着摩尔定律的放缓，芯片性能的提升正从单纯的晶体管缩放转向器件小型化和先进封装技术的并行发展，旨在实现更高水平的系统集成和互连密度。顺应这一趋势，铜柱凸点因其微小的尺寸、精细的间距以及出色的电气和热性能，已成为2.5D和3D封装技术中不可或缺的互连结构。然而，铜柱凸点技术仍面临一些问题，包括互连温度升高、热电可靠性不足以及在超高密度条件下的性能受限。本文综述了铜柱凸点技术的研究背景、当前进展及未来趋势。文章首先介绍了铜柱凸点的基本制造工艺，随后详细阐述了材料系统的演变和新型制造技术的最新进展。接着探讨了不同互连方法的原理及其适用性，并总结了可靠性测试、失效机制及优化策略方面的进展，为延长其使用寿命和提升长期可靠性提供了理论指导。最后，讨论了铜柱凸点技术的前景和研究方向。

引言

近年来，人工智能（AI）、高性能计算（HPC）、自动驾驶和智能车辆以及5G/6G通信的快速发展，对半导体技术提出了更高的要求，包括更高的计算能力、更低的功耗和延迟以及更好的热管理。为了满足这些需求，集成电路（IC）正朝着更高的集成度和小型化方向发展[[1], [2], [3]]。特别是在高性能芯片领域，如图形处理单元（GPUs）和中央处理单元（CPUs），需要持续提高晶体管密度并优化封装结构以满足计算能力和热管理要求[4,5]。然而，随着半导体制造工艺接近摩尔定律的极限[6,7]，仅通过缩小工艺节点已无法显著提升芯片性能。在这种背景下，随着互连技术的不断进步和协同发展，半导体封装结构逐渐从二维转向三维配置，以实现更高的密度和集成度[8,9]。

在封装技术的发展过程中，最初的互连形式是导线键合，利用金属导线（Al、Au或Cu）将芯片的活性表面与基板引脚连接起来以传输电信号。这种方法工艺简单，但存在传输路径长和封装体积大的缺点[10]。为克服这些限制，IBM在1960年提出了可控塌陷芯片连接（C4）技术，该技术在芯片活性表面形成焊料凸点，并通过倒装芯片配置直接与基板连接。与沿芯片边缘布线的导线键合不同，C4凸点可以分布在整个芯片表面上，显著提高了封装密度并缩短了电信号传输路径[11]。然而，C4凸点在回流过程中的塌陷和不均匀变形可能导致相邻凸点之间的桥接或在填充过程中形成空洞。此外，由于凸点同时承担机械互连和电传导功能，在高密度封装条件下它们面临严重的热可靠性和电迁移挑战[12,13]。

为了满足更小尺寸、更高性能和更好可靠性的封装要求，引入了铜柱凸点（CPB）技术[14,15]。与C4凸点相比，该技术在铜柱顶部仅形成少量焊料，从而减少了键合过程中的变形。凸点主要作为机械互连使用，而铜柱凭借其优异的电气和热导率[16]以及较强的抗电迁移能力[17]，有效缓解了热应力和电应力对焊点的影响[18]。此外，铜柱高度和形态的均匀性有助于实现更稳定的填充工艺。这些优势使CPB技术成为高密度、细间距封装应用（20–100 μm）的关键解决方案[19,20]。图1展示了一个典型的2.5D封装结构。在该结构中，高带宽内存（HBM）模块利用铜柱微凸点连接不同芯片之间的硅通孔（TSVs）。根据密度要求，可以使用不同尺寸和间距的铜柱凸点实现芯片与中介层以及中介层与基板之间的互连，这凸显了铜柱凸点在高密度互连结构中的关键作用。

作为先进封装中的关键互连技术，CPB技术近年来受到了广泛关注。尽管已有几篇综述讨论了CPB或相关互连技术[[21], [22], [23]]，但这些研究主要集中在特定方面，如与传统C4技术的比较、制造工艺或可靠性等方面。目前仍缺乏整合材料系统、互连方法和可靠性性能的系统性理解。

因此，本研究旨在提供关于CPB技术的更全面和综合的视角（图2）。除了传统的电镀-回流工艺外，还回顾了基于微纳材料系统的新兴制造策略。讨论了不同间距范围和应用场景下的互连方法，并从多个角度评估了可靠性，包括测试方法和失效机制。本文旨在帮助读者更清晰地理解CPB技术及其未来发展。

章节摘录

铜柱凸点的制造

CPB的制造主要包含两个关键步骤：首先通过电镀在芯片的凸点下金属化（UBM）层上形成铜柱；随后在铜柱顶部创建凸点。作为异质材料之间的核心互连结构，凸点在决定封装的机械强度、电气性能和长期可靠性方面起着决定性作用。

铜柱凸点的互连方法

CPB互连是指通过凸点实现芯片与基板之间或芯片之间的高密度和可靠的电气及机械连接[83]。目前的互连方法包括回流[17]、热压键合（TCB）[84,85]和激光辅助键合（LAB）[[86], [87], [88]]。

铜柱凸点接头的可靠性

CPB的机械、电气和热机械性能是其在高密度封装中长期服务可靠性的关键指标。对这些性能进行系统的可靠性评估是从实验室研究迈向实际应用的重要步骤。目前的可靠性测试主要集中在基于焊料的CPB上，包括高温存储测试（HTST）、热循环测试（TCT）/热冲击测试（TST）等方法。

总结与展望

CPB技术经过十多年的持续发展，已成为高密度互连领域的重要研究焦点，这得益于其优异的电气和热导率以及对各种互连间距的适应性。尽管材料系统和制造工艺不断优化，但仍需进一步提高性能并扩展应用范围，以满足先进封装的日益增长的需求。

在

CRediT作者贡献声明

徐高辉：撰写——原始稿件、可视化、方法论、调查、数据分析、数据整理。杨乐乐：验证、方法论、调查、数据整理。丁苏：撰写——审阅与编辑、方法论、数据分析。顾杰飞：撰写——审阅与编辑、方法论。苏雷：撰写——审阅与编辑、方法论。李万利：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源协调、项目管理、方法论、调查、资金争取，

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52201289和U23B2044）、国家重点研发计划（项目编号：2023YFB4404203）以及中央高校基本科研业务费（项目编号：JUSRP202406005）的支持。