CN107833839B - 一种基于纳米棒结构的按插式键合单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于纳米棒结构的按插式键合单元，由相对设置的上衬底层和下衬底层组成；其中，所述上衬底层下表面上生长有上纳米棒电极，所述下衬底层上表面上生长有下纳米棒电极，上纳米棒电极与下纳米棒电极通过相互嵌扣形成载体通路，所述上衬底层通过载体通路与下衬底层电互连。本发明基于纳米棒结构的按插式键合单元能实现快速高效的键合和拆键，可为后续得到一种用于键合的通用型纳米棒结构提供研究基础，有利于实现通用型键合技术。

Description

一种基于纳米棒结构的按插式键合单元

技术领域

本发明涉及一种基于纳米棒结构的按插式键合单元，属于精密电子器件中的键合技术领域。

背景技术

随着集成电路的发展，先进封装技术不断发展变化以适应各种半导体新工艺和新材料的要求和挑战。半导体封装内部芯片和外部管脚以及芯片之间的连接起着确立芯片和外部的电气连接、确保芯片和外界之间的输人/输出畅通的重要作用，是整个后道封装过程中的关键。引线键合以工艺实现简单、成本低廉、适用多种封装形式而在连接方式中占主导地位，目前所有封装管脚的90％以上采用引线键合连接。

引线键合是以非常细小的金属引线的两端分别与芯片和管脚键合而形成电气连接。引线键合前，先从金属带材上截取引线框架材料(外引线)，用热压法将高纯si或Ge的半导体元件压在引线框架上所选好的位置，并用导电树脂如银浆料在引线框架表面涂上一层或在其局部镀上一层金；然后借助特殊的键合工具用金属丝将半导体元件(电路)与引线框架键合起来，键合后的电路进行保护性树脂封装。引线键合工艺可分为三种：热压键合，超声波键合与热压超声波键合。热压超声波键合因其可降低加热温度、提高键合强度、有利于器件可靠性而取代热压键合和超声波键合成为键合法的主流。引线键合有两种基本形式：球键合与楔键合。这两种引线键合技术的基本步骤包括：形成第一焊点(通常在芯片表面)形成线弧，最后形成第二焊点(通常在引线框架/基板上)。两种键合的不同之处在于：球键合中在每次焊接循环的开始会形成一个焊球，然后把这个球焊接到焊盘上形成第一焊点，而楔键合则是将引线在加热加压和超声能量下直接焊接到芯片的焊盘上，从而实现电互连的功能。

那么在两片原子级平整且洁净的半导体表面之间形成键合，从而达到导电连接或电极接触的作用，这与传统意义上的引线键合具有同样重要的意义，尤其是在范德瓦尔斯异质结相关电极接触应用上具有十分显著的现实意义。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种基于纳米棒结构的按插式键合单元，该键合单元能实现快速高效的键合和拆键，并且可为后续得到一种用于键合的通用型纳米棒结构提供研究基础。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种基于纳米棒结构的按插式键合单元，由相对设置的上衬底层和下衬底层组成；其中，所述上衬底层下表面上生长有上纳米棒电极，所述下衬底层上表面上生长有下纳米棒电极，上纳米棒电极与下纳米棒电极相互嵌扣形成载体通路，所述上衬底层通过载体通路与下衬底层电互连。

进一步优选，所述上衬底层和下衬底层为硅晶圆衬底或金属板衬底。

进一步优选，所述上纳米棒电极呈矩阵式排布在上衬底层上；所述下纳米棒电极呈矩阵式排布在下衬底层上。

进一步优选，所述上纳米棒电极与下纳米棒电极均为金属纳米棒电极。

进一步优选，所述上衬底层上的上纳米棒电极矩阵的横截面呈锯齿状，所述下衬底层上的下纳米棒电极矩阵的横截面也呈锯齿状。

进一步优选，所述上衬底层上的上纳米棒电极沿生长方向上直径逐渐递减，所述下衬底层上的下纳米棒电极沿生长方向上直径逐渐递减。

进一步优选，相邻上纳米棒电极之间间隙的最宽处不大于下纳米棒电极的最大直径；相邻下纳米棒电极之间间隙的最宽处不大于上纳米棒电极的最大直径。

相比于现有技术，本发明的技术方案所具有的有益效果为：

本发明基于纳米棒结构的按插式键合单元能实现快速高效的键合和拆键，可为后续得到一种用于键合的通用型纳米棒结构提供研究基础，有利于实现通用型键合技术；本发明基于纳米棒结构的按插式键合单元可适用于多种场合，如同质结、范德瓦尔斯异质结等方面，以及现有半导体工艺中的引线键合也可以使用，同时在MEMS封装中也具有高效的应用。

附图说明

图1为本发明基于纳米棒结构的按插式键合单元中下衬底层的侧视图；

图2为本发明基于纳米棒结构的按插式键合单元中下衬底层的俯视图；

图3为本发明基于纳米棒结构的按插式键合单元在键合前的结构示意图；

图4为本发明基于纳米棒结构的按插式键合单元键合后的结构示意图；

其中，下衬底层1、上衬底层2、下衬底层上的下纳米棒电极3、上衬底层2上的上纳米棒电极4、下纳米棒电极3的高度L、下纳米棒电极3和上纳米棒电极4相互插入的深度D、下纳米棒电极3的上倾角Ψ。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案做进一步说明。

如图1～4所示，本发明基于纳米棒结构的按插式键合单元，该键合单元为由两层原子级平整的衬底平板和平板上生长的锯齿形纳米棒构成的插嵌式结构，由下至上依次为下衬底层1、下纳米棒电极3、上纳米棒电极4和上衬底层2；按插式键合单元通过固定生长在衬底上的纳米棒电极在按插力的作用下相互嵌扣、随着插入的越深，上下两排纳米棒电极阵列发生相互挤压并形成“摩擦力”，并依靠“摩檫力”(原子间的相互作用力)形成稳定的电极接触结构，工作状态时，键合单元之间的电极紧密接触且拥有良好的电互连；导电纳米棒电极为整个键合单元的正常工作提供良好的载体通路。在嵌扣状态下，两个衬底板对应的导电纳米棒电极为键合单元提供良好并稳定的载体通路，能够对上下两个衬底板进行有效的电互连；而当施加一个相反的弱的拉伸力时，此时处于松开状态，两个衬底板对应的导电纳米棒电极彼此断离接触，载体通路也由此断开，上下两个衬底不再进行有效的电互连。该结构中，纳米棒的形状可以根据不同金属材料设计成不同的棒状结构，衬底上的纳米棒的密度也可以做定量的调整，可经过专门的生长参数去控制键合单元中纳米棒形状和疏密程度来保证稳定而高质量的电互连接触。进而可通过对纳米棒的表面形貌、密度及按压机械强度的合理调整来构建一种用于键合的通用纳米棒结构。

本发明基于纳米棒结构的按插式键合单元由相对设置的上衬底层2和下衬底层1组成；其中，上衬底层2下表面上生长有上纳米棒电极4，下衬底层1上表面上生长有下纳米棒电极3，上纳米棒电极4与下纳米棒电极3相互嵌扣且稳定接触形成载体通路，上衬底层2通过载体通路与下衬底层1电互连。上纳米棒电极4呈矩阵式排布在上衬底层2上，上衬底层2上的上纳米棒电极矩阵的横截面呈锯齿状；下纳米棒电极3呈矩阵式排布在下衬底层1上，下衬底层1上的下纳米棒电极矩阵的横截面也呈锯齿状；上衬底层2上的上纳米棒电极4沿生长方向上直径逐渐变小，下衬底层1上的下纳米棒电极3沿生长方向上直径逐渐变小；相邻上纳米棒电极4之间间隙的最宽处不大于下纳米棒电极3的最大直径；相邻下纳米棒电极3之间间隙的最宽处不大于上纳米棒电极4的最大直径。上衬底层2和下衬底层1可以是硅晶圆也可以是金属板，锯齿形纳米棒电极为导电性能良好的金属。

如图3所示，在松开状态下时，由于下纳米棒电极3和上纳米棒电极4之间的接触断开，则下衬底层1与上衬底层2不再电互连；如图4所示，在嵌扣状态下，随着上纳米棒电极4与下纳米棒电极3的相互嵌入度不断深入，下衬底层1通过下纳米棒电极3和上纳米棒电极4之间进行接触且随着不断向下深入而发生相互挤压进而提供良好并稳定的载体通路从而与上衬底层2形成稳定的电互连。

在图4所示嵌扣状态下，设单个衬底层上生长的纳米棒数密度为n，沿梯形棒轴线方向上的摩擦力为f，则有如下表达式：

若考虑到梯形边的上倾角，并分解到竖直方向上的键合力F＝f·sinΨ，代入式(1)则有键合力表达式：

式(2)充分表达了键合力的大小与插入深度D占总长度的比例以及纳米棒的数密度成正比，且随着纳米棒上倾角Ψ的增大，键合力也在增大，这种键合力定性的表示了此种纳米棒键合之后的稳固程度。通过调节纳米棒的高度以及Ψ的大小可以调节纳米棒的形状，并且纳米棒的数密度的增强也能直接影响到其键合之后的稳定接触，因此可调节纳米棒的疏密程度和阵列排布的方式来控制键合时电接触的稳定度。

Claims (5)

1.一种基于纳米棒结构的按插式键合单元，其特征在于：由相对设置的上衬底层和下衬底层组成；其中，所述上衬底层下表面上生长有上纳米棒电极，所述下衬底层上表面上生长有下纳米棒电极，所述上纳米棒电极与所述下纳米棒电极相互嵌扣形成载体通路，所述上衬底层通过所述载体通路与所述下衬底层电互连；所述上衬底层上的所述上纳米棒电极矩阵的横截面呈锯齿状，所述下衬底层上的所述下纳米棒电极矩阵的横截面也呈锯齿状；所述上衬底层上的所述上纳米棒电极沿生长方向上直径逐渐递减，所述下衬底层上的所述下纳米棒电极沿生长方向上直径逐渐递减；所述上纳米棒电极和所述下纳米棒电极的截面都呈梯形，所述梯形的腰与上底边的夹角为上倾角；所述上纳米棒电极的上倾角和所述下纳米棒电极的上倾角都大于90°；在嵌扣状态下，随着所述上纳米棒电极与所述下纳米棒电极的相互嵌入度不断深入，所述下衬底层通过所述下纳米棒电极和所述上纳米棒电极之间进行接触且随着不断向下深入而发生相互挤压进而提供良好并稳定的所述载体通路从而与所述上衬底层形成稳定的电互连；在松开状态下时，所述下纳米棒电极和所述上纳米棒电极之间的接触断开，所述下衬底层与所述上衬底层不再电互连。

2.根据权利要求1所述的基于纳米棒结构的按插式键合单元，其特征在于：所述上衬底层和所述下衬底层为硅晶圆衬底或金属板衬底。

3.根据权利要求1所述的基于纳米棒结构的按插式键合单元，其特征在于：所述上纳米棒电极呈矩阵式排布在所述上衬底层上；所述下纳米棒电极呈矩阵式排布在所述下衬底层上。

4.根据权利要求3所述的基于纳米棒结构的按插式键合单元，其特征在于：所述上纳米棒电极与所述下纳米棒电极均为金属纳米棒电极。

5.根据权利要求3所述的基于纳米棒结构的按插式键合单元，其特征在于：相邻所述上纳米棒电极之间间隙的最宽处不大于所述下纳米棒电极的最大直径；相邻所述下纳米棒电极之间间隙的最宽处不大于所述上纳米棒电极的最大直径。

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