破解铜/银迁移难题：纳米级离子捕捉剂在先进封装中的工程化应用

在追求更高I/O密度和更快信号传输的驱动下，铜互连与银浆印刷已成为先进封装的标准配置。然而，Cu²⁺和Ag⁺在电场下的迁移速度是Al³⁺的5-8倍，极易引发枝晶生长导致短路失效。本文聚焦这一行业痛点，系统阐述纳米级离子捕捉剂IXEPLAS的工程解决方案，包含作用机理、量化数据与产线导入方法论。

一、迁移动力学：铜/银失效的物理化学本质

在85℃/85%RH条件下，施加50V偏压时：

Cu²⁼迁移速率：2.3μm/h（沿环氧树脂界面）

临界短路距离：仅需20μm间距在100小时内即可被桥接

失效模式：除了枝晶短路，更隐蔽的是“离子云”导致的漏电流倍增（＞100nA即判失效）

传统阻隔层（如SiNx）在3D封装中面临台阶覆盖率不足的挑战，而IXEPLAS提供了体相解决方案。

二、纳米工程：为什么亚微米尺寸是决胜关键？

1. 尺寸效应验证
通过聚焦离子束（FIB）切片分析发现：

1μm颗粒在窄间隙（15μm）中填充率仅62%，存在离子迁移通道

0.2μm颗粒填充率达98%，形成致密防护网络

有效作用半径：纳米颗粒比微米颗粒提升4倍

2. 表面官能团密度
XPS分析表明，IXEPLAS-A2表面每平方纳米含8.2个活性位点，是常规产品的2.3倍。这意味着在同等添加量（0.5wt%）下，其Cu²⁺吸附容量可达1200ppm，而传统产品仅520ppm。

50μm线宽/间距铜线在85℃/85%RH/50V下测试1000小时，(a)无添加已短路，(b)添加IXE-770D出现迁移痕迹，(c)添加IXEPLAS-A1保持完好*

 

三、全流程防护：从晶圆级到系统级的三道防线

 

防护层级	材料方案	作用机制	典型添加量
第一道：晶圆背面	IXEPLAS-A1混合于DAF胶	捕获切割/研磨引入的金属离子	1.5-2.0%
第二道：互连界面	IXEPLAS-A2添加在底部填充料	抑制Cu柱/SnAg凸点间的电迁移	0.8-1.2%
第三道：封装体	IXE-700F复合于EMC	体相捕获扩散至封装的离子	2.0-3.0%

四、量化验证：八组关键实验数据

迁移抑制率测试（JESD22-A110）

条件：130℃/85%RH/20V

结果：IXEPLAS-A2使Cu迁移时间从48h延长至＞500h

腐蚀电流监测（三电极体系）

0.5%添加使Al布线腐蚀电流从3.2μA/cm²降至0.15μA/cm²

离子色谱分析（溶出实验）

在121℃去离子水中提取20h，Cl⁻溶出量从35ppm降至2.8ppm

介电特性影响（10GHz）

Dk变化＜0.02，Df增加＜0.0005，满足高速信号要求

粘结强度（剪切测试）

铜框架粘结力维持率：1000h THB后＞95%

热机械性能（TMA）

CTL变化＜3%，Tg波动＜2℃

工艺窗口（螺旋流动长度）

添加3%时流动长度降低仅8%，不影响充模能力

长期可靠性（车载AEC-Q100 Grade1）

通过3000h耐久测试，失效率＜10FIT

五、产线导入checklist

第一阶段：实验室验证（4-6周）

完成与现有树脂的相容性测试（粘度、固化曲线）

确定最佳添加量（通过离子溶出实验绘制S曲线）

制作Demo样品进行初步可靠性测试（至少通过96h HAST）

第二阶段：小批量试产（8-10周）

优化预分散工艺（推荐双螺杆挤出造粒）

建立来料检验标准（粒径分布、比表面积、官能团含量）

完成5批次的批次一致性验证（CPK＞1.33）

第三阶段：量产导入（4周）

更新材料规格书与作业指导书

培训生产与品管人员

建立SPC监控点（重点监控分散均匀性）

失效分析锦囊：若导入后效果不佳，按以下顺序排查：

检查分散均匀性（SEM切片观察）

检测离子捕捉剂是否在高温固化中分解（TGA-MS联用）

验证目标离子是否在捕捉剂的作用谱内（ICP测试）

六、成本效益分析：不仅仅是材料成本的考量

虽然IXEPLAS单价是常规离子捕捉剂的1.8-2.5倍，但综合考虑：

添加量减少60%（从2%降至0.8%）

封装良率提升2-3%

减少售后失效成本
投资回报期通常在6-9个月，对月产＞1M的产线具有显著经济价值。

技术进阶：对于5nm以下节点、CoWoS封装等超高端应用，建议采用“梯度添加”策略——在靠近芯片的底层材料使用IXEPLAS纳米级产品，外层使用常规IXE系列，实现性价比最优。

深圳市智美行科技有限公司

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