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引线键合的狭窄弯月形三维电沉积直写技术
电子工业中对减小元器件的尺寸取得了持续的进展，使得一些微米级的引线键合需要用引线直接将集成的芯片与电路板相连。我们发展了一种方法，利用微纳米级的液体弯月形型的热力学稳定性去创造之前设计好的纯铜和铂的三维立体结构。我们将演示一种自动化的引线键合过程，它可以使连引线直径径小到1微米，键合点尺寸小于3微米，拥有每平方米十的十一次方安培的击穿电流。这项技术被用来制造高密度高质量的产品的连接和复杂的三维微尺度甚至纳米尺度的金属结构的连接问题。
作为集成芯片制造的重要组成部分，互联为那些需要回路去传导信号的电器设备提供了路径。随着电子芯片的设计密度逐渐增加，导致连接线的密度和设计的复杂程度成指数增长。随着3D芯片结构的引入，芯片之间形成3d堆叠的想法出现，于是需要一种灵活的可以键合3D微纳米尺度的引线键合技术。
传统的引线键合技术已经为电子工业服务了好多年，封装设计需要更令人满意的互联技术。最近到倒装芯片互联技术被引进作为一种方法去提高连接的密度和提高设备高频率操作的性能。然而，这种连接在微米级的尺度上是非常困难的。超热声金线引线键合最小的尺度是40微米，而倒装芯片技术在工业生产中可以达到100微米。这增加了芯片为衬底留下的空间，减少了每个硅片可以生产的芯片数目，增加了每个芯片的成本。人们期望降低传统的互联的的尺度，但是不会遇到可靠性的问题，也满足目前在非常小的间距下的电流密度。
将3D微制造技术和电子器件设计相融合，用电子束和聚焦离子束沉积或者用金属胶状物直写的方法去制造3D纳米和微米级尺寸的连接，这种方法已经在探索中。电子束和聚焦离子束沉积可以制造特征尺寸小于10纳米的3D结构。但是这个过程必须在高真空的环境下制造，它的效率是很低的。可供选择的沉积材料被特殊的化合物的不足限制，沉积的金属一般导电性能比较差。用金属的胶体直写技术已经被用来制造连接的桥梁，用银的胶体制造了直径10微米的导线。然而限制的部分是不能进一步降低引线的尺寸：胶体材料的有限尺寸，和这些材料自身的分散作用，最后限制了喷发胶状分散体的喷嘴的最小限度尺寸。进一步导致一种特殊的胶体材料系统必须被开发，为了将各种不同类型的金属引线从胶状体引线装换到金属引线，列如，用热处理的办法。
因此我们展示了一种自动化的利用狭窄弯月形的3D电沉积直写引线键合技术，这项技术可以在开放的环境中进行操作。这项技术制造的互联引线是亚微米的直径和小于10平方微米的连接点。引线是由铜甚至一些惰性金属例如Pt来制造的，也可以由一些现成金属的电解质溶液电镀沉积来制造。这些引线拥有大于1011 A/m2的电流密度，高于焊点电流密度六个数量级。
狭窄弯月形的3D电沉积技术依靠一个装有电解液的微量吸液管，它有一个微小的滴涂喷嘴作为工作的刀具。当微量吸液管接近基底的表面，在喷嘴和基底之间一个液体的半月板形状被建立。将一个合适的电流用在微量吸管和基底之间，在弯月形表面将发生持续的电沉积。建造引线的关键是使微量吸液管的拉速和沉积的速度合拍。这样才能一直在喷嘴和沉积的引线之间形成半月形，从而使微纳米级的引线能够一直生长。这个想法比许多技术都先进，例如电化学浸笔光刻，它的沉积受到表面图案的限制。
在喷嘴和生长的金属引线之间形成的弯月形的尺寸和形状由喷嘴的尺寸、液体热力学的属性、有关的接口、喷嘴和生长的引线的前端的分离速率所决定的。理论上的，一个窄至2纳米弯月形可以被建立，如此小的弯月形的的热力学稳定性在实验和理论上是值得慎重对待的。因为这弯月形的尺寸决定了沉积的引线的的直径大小，这种想法可以将建造的引线的尺寸降到纳米级。实际上这个系统的机械稳定性，和小尺寸喷嘴的实用性，离子的传输性，电沉积物和基底的相互作用，和在一个狭窄的弯月面的环境下的电化学作用都影响着用这种方法制造的纳米结构的质量和最小特征尺寸。我们已经用这个技术生产各种直径的金属引线，最小的直径是100nm，用直径100nm的喷嘴生产的。我们生产的引线长度大于80微米，仅仅被该压电线性阶段的行程限制。

为了促进互联桥梁的制造，这会涉及到金属引线越过大跨度的侧面生长，我们需要制造合适的微型吸管喷嘴的形状。图1B展示了一个合适的拥有直径3微米的喷嘴的玻璃微型吸液管的形状。喷嘴的末端和侧孔的结构能够形成一个牢固的弯月面，这个弯月面的引线可以调整0到90度任何方向，这个喷嘴的外形是用聚焦离子束的方法来加工的，它提供了一个必备的精度。图1C展示了一系列的不同角度的铜引线，这是用侧开口的喷嘴制造的。这垂直和横向的长度和铜丝的取向一样，是由微型吸管的行走路径所控制的，铜丝的直径是由侧开口喷嘴的尺寸决定的。引线是由0.05M的硫酸铜水溶液制造的和偏置于0.2V的金涂层样品表面。微型吸管有一个公称喷嘴直径为3微米。铜引线在这些条件下的生长速率是0.25微米每秒，相应的离子电流保持在~3.5nA.沉积物换物被喷洒在基底表面暴露在可控湿度的温度是室温的外界环境中。

为了形成连接线（图2A），我们通过机械的挤压悬浮的引线的侧面，使其固定到基板的表面上，形成第二个焊点，喷嘴端部和基板表面必须间距很小，这样能够使喷嘴端部的电解液浸泡导线端部和基板表面的接触区域。几个电压脉冲电沉积电位的振幅被用于启动电沉积。将引线推向基板表面的距离是由自动化传感器决定的，这个传感器控制着微型吸管向侧面移动，使其与引线的尾端分离，驱动压电阶段的带有沉积能力的喷嘴靠近基板表面。在喷嘴和基片表面之间弯液面形成的那一刻，离子电流可被检测，并且该线端部和下面的基底表面之间的距离被确定。微量吸管退回并且重新接入引线的末端形成第二次键合。图2B和D展示了用这种电沉积引线键合的方法制造的铜的亚微米直径的引线。用这个引线键合的方法制造20根互联的引线。这些引线将五十微米乘五十微米中心区域的键合点和外部的键合点连接起来，这是一个典型的设备布局。多层互联没有重叠（图2d）或者有重叠（图2E）引线的引线键合方式已经实现。图2（BDE）中的铜引线的直径大概为800纳米。形成的焊点的尺寸大概为3微米。

这种引线键合加工方式具有良好的导电性能。图3展示了一个引线直径740纳米，长度40微米的I-V曲线，在一个开放的环境中进行的实验，可以看出在低电流上的键合是遵循欧姆定律的线性关系的。在高电流下，不再是线性的关系，这放映了加热对键合的潜在影响（因为铜线的氧化）。扣除外围连接的电阻，全部的焊点和引线的电阻大概是2.9欧，这和预期的铜引线的电阻是非常接近的。在高电流下，铜的引线键合焊点会从中间断裂。击穿电流的密度大约是1.25X1011A/M2，这和报道的是非常吻合的。在物理上，我们用原子力显微镜悬臂推键合点的方法来测量键合的强度。通过监测原子力显微镜悬臂在推在金衬底表面垂直生长的铜引线的偏移程度，我们可以得出电沉积引线键合的强度是39兆帕，远远高于传统上的引线键合的强度。用这种方法制造连接线之所以非常的敏捷是依靠弯月面可以维持热力学的稳定性。一般来说，半月形的稳定性很大程度是由喷嘴的湿润条件和引线生长的前端所决定的。为了保持均匀的直径线的生长，在弯液面和日益增长的的导线之间的三相接触线，考虑界面力的热力学因素，必须满足古典诺依曼四边形的关系，即要求引线的生长方向和弯液面接触线的斜率之间建立平衡角

分别是电解液和金属引线的表面能， 是金属和流体之间的界面能，这个角度大概是12度。为了解决半月形的方程问题，我们定义了稳定增长的引线的直径范围，即
HM是半月形的顶点，DN是喷嘴的直径DW是引线的直径。微量吸管的喷嘴直径为DN那么引线的直径范围为DN到0.5DN。在稳定的生长范围内，接触角和平衡角的偏差导致引线尺寸的起伏即

vN是撤离的速度vW是引线生长的速度，引线的生长速度由Faraday定律决定，即

i是电沉积的电流，M和r分别是是沉积物质的摩尔质量和摩尔密度，n是每个离子的电荷数目，F是法拉第常数。图4展示了在引线稳定生长下获得的实验数据，包括引线的直径，撤离的速度，应用的离子电流的大小，和模型的数据进行对比。在模型中喷嘴的直径用扫描电子显微镜的方法进行测量，铜液体的表面能和界面能从相关的文献中获得。实验的数据和模拟的数据在不同直径的铜线上甚至是预测的最小直径的铜线上都是一致的。
作为一个常规的引线键合的过程，小尺度的互联必须把机械因素考虑在内。一种是在引线的制造过程中，加载在引线上的应力远远的低于引线所能承受的应力。另一种是第二焊点的弹簧弹力是远远低于焊点间的结合力。考虑一个简单的互联如图2A所示，最大应力在左边九十度弯曲处，可以用这个公式进行预估
第二焊点的弹力可以用这个公式求出
其中E是金属引线的杨氏模量，H是间隙高度，L和r分别是引线的长度和外侧段半径。一个典型的铜丝互联线，直径1微米，5微米的间隙高度，30微米的跨距，可以估算出最大应力大约是1兆帕，超过了铜的屈服强度。因此在键合的过程中，铜线弯曲的部分会发生塑性变形。可以在第一个焊点上生长一节瓦线使其形成一个光滑的弯曲而不是90度弯曲来解决这个问题（图2C所示）。最大的弹应力集中在第二个焊点出，是3微牛，载荷应力大约是0.3兆帕，远远低于焊点的剥离强度。总体来说，减小引线的直径，增大引线的横向长度可以有效地降低应力的大小。
引线的生长速率本质上是由电解还原的速率决定的。尽管如此，引线的生长速率可以通过提高电解质的浓度和用一个短的微量吸夜管来提高。二者选一，可以部署一批微量吸液管去提高引线键合的速度。
在合适的机械设计和控制下，狭窄弯月形3D电沉积可以用来制造更复杂的微纳尺度的结构。而且，因为它本质上是成本比较低的直写技术，因此这项技术可以用来制造那些用传统的工艺制造遇到困难和比较昂贵的微纳结构