城大研制新型半导体晶片（3DIC）封装材料 推动香港下一代半导体生产技术

随着人工智能（AI）、高效能运算（HPC）及5G通讯等新兴技术迅速发展，业界对晶片效能及可靠性的要求也日渐提高。香港城市大学（城大）的科研团队早前获「产学研1+计划」拨款资助，旨在解决三维积体电路（3DIC）半导体晶片封装中的金属化挑战。团队将通过研制一系列可用于电镀铜的专利化学添加剂，从而确保晶片堆叠之间的连接更快速及稳定，提高晶片效能，并计划于2026年建立自动化智能生产线。

由城大系统工程学系冯宪平教授领导的「化学添加剂优化电镀铜在先进电子封装和三维积体电路中的应用」，为第二批获中华人民共和国香港特别行政区政府「产学研1+计划」（RAISe+ Scheme）资助的项目。团队将通过计划加速科研成果的商业化、增加产业应用，助力香港在全球先进半导体供应链市场占据重要席位。

三维积体电路与先进封装技术的挑战
现时的半导体产业之中，电晶体的数量是提升运算效能与表现的关键指标，但随着市场对电晶体数量的追求不断增加，晶片设计因而面对空间限制、耗能、散热困难和讯号延误等不同问题。

至于3DIC技术是通过垂直堆叠的方式来整合（封装）多颗电晶体，克服传统平面连接结构所带来的限制，将积体电路的架构由二维（2D）转化为三维（3D），从而提升半导体晶片的性能、减少功耗，并在相同面积上附载更多电晶体，提升运算能力。

此项技术的关键是利用「矽穿孔（TSV）」结构、重布线层（RDL），及以「铜对铜（ Cu-Cu）键合」的方式垂直地连接电晶体，这对促进各层之间的信号传递、电力分配也至为重要。然而，若要持续缩小线宽尺寸与间距，键合（bonding）温度过高、铜表面氧化以及电迁移寿命等问题，仍然是下一代3DIC及先进封装技术发展的重要挑战。

四项关键技术提升稳定性及效能
为解决上述难题，团队专注于研究封装材料的解决方案，包括开发多种电镀铜物料，透过专利的化学添加剂精确控制铜层的微结构，以提升3DIC、玻璃基板和先进晶片封装的生产和效能。

针对2.5D及3DIC封装技术中金属互连的四项关键技术包括：

1. 亚稳态铜（MS-Cu）：透过纳米晶粒铜结构，实现低温的「铜对铜键合」方案，减少因高温对温度敏感元件带来的伤害，并保持3D堆叠技术的稳定性。
2. 动态共价键涂层材料（DCB-coating）： 可防止铜表面氧化，并易于在「铜对铜键合」前去除，以确保高质量和干净的键合界面。
3. 结构稳定铜（SS-Cu）： 透过铜的复合微结构设计，可提高对表面腐蚀和电迁移（即电流引起原子移动，使物料形成空孔而导致装置故障等问题）的抵抗力，确保高密度「重布线层」的持续可靠性。
4. 纳米粒子硫桥表面处理（NP-S）： 为玻璃基板进行金属化制程，可增强电镀铜在玻璃通孔（TGV）上的附著力，令玻璃成为新一代高频电子器件的基板材料。

未来三年，团队将致力建立一条智能生产线，并将专用添加剂和化学物的产量提升至每月两吨。

冯教授说：「团队的研究为3DIC封装技术的『铜对铜键合』提供全新的解决方案，所开发的材料及涂层使电晶体的连接过程更清洁、快速和可靠，可取代现有的传统及高温制程。这项技术改变了敏感元件的堆叠和保护方式，有效提高3DIC技术在下一代先进半导体产业的应用潜力。」

促进人才、专利及产业发展
团队不但致力推动科研创新，亦计划与本地和国际企业合作，扩大技术在人工智能、电讯、汽车及消费电子产品中的应用，同时将申请四至十项专利，以提高科研转化落地的机会，对半导体产业和整体社会作出贡献。

冯教授补充说：「团队一直专注于先进半导体封装材料技术的研究。通过『产学研1+计划』，我们不但希望可建立更多专利和提升生