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随着人工智能、高性能计算（HPC）和5G等新兴技术的快速崛起，对芯片性能和可靠性提升的需求持续增长。香港城市大学（CityUHK）的一个研究团队获得了“RAISe+计划”资助，旨在解决三维集成电路（3DIC）半导体芯片封装中的复杂金属化问题。

这项开创性研究利用专利化学添加剂在铜电镀工艺中应用，通过实现堆叠芯片中更稳定的连接，确保芯片性能。团队计划在2026年前建设一条自动化智能制造线。

该项目由CityUHK系统工程系的Tony Feng Shien-Ping教授领导，题为“化学添加剂驱动的电镀铜在先进电子封装与3DIC应用中的进展”。在中华人民共和国香港特别行政区政府启动的“RAISe+计划”支持下，团队致力于加快科研成果的商业化，强化工业应用，巩固香港在全球先进半导体供应链中的突出地位。

3DIC半导体芯片封装中的挑战

在半导体行业，晶体管数量是计算能力和性能提升的重要指标。然而，随着晶体管数量的增加，芯片设计面临诸多挑战，包括空间限制、功耗、散热和信号延迟。

3DIC技术被视为通过垂直整合克服传统平面设计局限的关键方法。这种方法将集成电路架构从二维转变为三维，从而提升性能，降低功耗，并增加单位面积内晶体管数量。

3DIC技术的关键组成部分包括透硅通路（TSV）、再分配层（RDL）和铜对铜直接键合（Cu-Cu键合），这些都对促进信号通信和层间功率分配至关重要。要继续缩小规模，诸如高键合温度、铜表面氧化以及电迁移寿命有限仍是重大障碍。

四项核心创新以提升稳定性和效率

为应对这些挑战，团队计划开发创新的包装材料解决方案，包括利用专利化学添加剂控制材料微结构的电镀铜溶液。该方法旨在提升先进3DIC封装的性能和生产效率。

针对2.5D和3DIC堆叠金属互连关键问题的四项技术是：

• 亚稳铜（MS-Cu）：这使得铜-铜在较低温度下通过纳米晶粒的铜结构实现键合。这一特性有助于保护温度敏感的元件，使其适合对此类器件进行三维堆叠。

• 基于动态共价键（DCB）涂层材料（DCB涂层）：该涂层为铜表面提供临时抗氧化保护。在铜-铜结合前，可以轻易去除，以确保界面干净、高质量。

• 结构稳定铜（SS-Cu）：该技术通过复合铜微结构提升了对表面腐蚀和电迁移的抵抗力。电迁移是指原子根据电流在材料中的流动运动，这可能导致导体因形成空隙而失效。SS-Cu确保了高密度RDL的长期可靠性。

• 带硫桥处理的纳米颗粒（NP-S）：该方法增强了铜在玻璃基材上的附着力，用于通过玻璃通孔（TGV）制造，从而实现玻璃基底上的金属化，为玻璃作为下一代高频器件应用基材铺平了道路。

未来三年，团队目标建立自动化智能生产线，并将现有添加剂和特种化学品产能提升至每月两吨。

冯教授解释道：“我们的工作引入了一种全新的3DIC封装铜连接方式。我们不再依赖高温和传统工艺，而是开发了使粘结更清洁、更快速、更可靠的材料和涂层。这不仅仅是渐进式的改进。它改变了敏感设备的堆叠和保护方式，使当今突破性的3DIC技术在先进半导体的下一代应用中更加强大。”

推动人才培养、专利与行业影响

除了科学创新外，团队还计划与本地及国际公司合作，拓展人工智能、电信、汽车和消费电子领域的应用。他们计划申请四到十项专利，确保创新解决方案能迅速转化为社会和半导体行业的切实贡献。

冯教授说：“我们团队长期致力于先进半导体包装材料的研究。”“通过这一举措，我们旨在建立专利和生产能力，培养年轻研究人才，并为本地和全球市场提供真正具有竞争力的解决方案。”

在CityUHK创新创业项目HK Tech 300的支持下，团队成立了“Doctech HK Limited”，并于2023年获得HK Tech 300天使基金100万港元。其目标是成为半导体制造和包装行业下一代电镀化学品和技术的供应商，彰显了CityUHK研究成果如何成功转化为具有影响力的商业应用。

关键词： 三维集成电路 半导体封装