7.5 Wafer Laser Scribe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
7.6 Wafer Saw Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
7.7 Wafer Die Ejector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
7.8 Chip Attach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
7.9 Underfill . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
7.10 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
8 Direct Cu to Cu Bonding and Alternative Bonding Techniques
in 3D Packaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
Tadatomo Suga, Ran He, George Vakanas, and Antonio La Manna
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
8.2 Solder-Based versus Solder-Less Bonding: Pros and Cons . . . . 202
8.3 Stacking and Bonding Schemes, Technologies
and Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
8.4 Thermo-Compression Bonding (Example of Diffusion
Bonding)—Material Fundamentals and Microstructure
Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
8.5 Passivation with Capping Layers: Self-assembling Monolayers
(SAM’s) and Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
8.6 Surface Activated Bonding (SAB) Processes . . . . . . . . . . . . . . 211
8.7 Cu/Dielectric Hybrid Bonding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
8.7.1 Cu/SiO 2 Hybrid Bonding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
8.7.2 Cu/Adhesive Hybrid Bonding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
8.8 Alternative Cu–Cu Bonding Techniques: Insertion
Bonding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
8.9 Cu–Cu Bonding—Equipment Landscape and State
of the Art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
8.10 Chapter Summary and Recommendations for Future
Research . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
9 Copper Micro and Nano Particles Mixture for 3D
Interconnection Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
Yuanyuan Dai and Chuan Seng Tan
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
9.1.1 A Review of Metal Nano-Particles Bonding . . . . . . . . 233
9.1.2 Motivation of Mixed Cu Particles Bonding . . . . . . . . . 234
9.2 Packing Density Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
9.2.1 Algorithm Design and Assumption . . . . . . . . . . . . . . . 235
9.2.2 3D Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
9.2.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
viii
Contents
7.6 Wafer Saw Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
7.7 Wafer Die Ejector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
7.8 Chip Attach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
7.9 Underfill . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
7.10 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
8 Direct Cu to Cu Bonding and Alternative Bonding Techniques
in 3D Packaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
Tadatomo Suga, Ran He, George Vakanas, and Antonio La Manna
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
8.2 Solder-Based versus Solder-Less Bonding: Pros and Cons . . . . 202
8.3 Stacking and Bonding Schemes, Technologies
and Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
8.4 Thermo-Compression Bonding (Example of Diffusion
Bonding)—Material Fundamentals and Microstructure
Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
8.5 Passivation with Capping Layers: Self-assembling Monolayers
(SAM’s) and Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
8.6 Surface Activated Bonding (SAB) Processes . . . . . . . . . . . . . . 211
8.7 Cu/Dielectric Hybrid Bonding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
8.7.1 Cu/SiO 2 Hybrid Bonding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
8.7.2 Cu/Adhesive Hybrid Bonding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
8.8 Alternative Cu–Cu Bonding Techniques: Insertion
Bonding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
8.9 Cu–Cu Bonding—Equipment Landscape and State
of the Art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
8.10 Chapter Summary and Recommendations for Future
Research . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
9 Copper Micro and Nano Particles Mixture for 3D
Interconnection Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
Yuanyuan Dai and Chuan Seng Tan
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
9.1.1 A Review of Metal Nano-Particles Bonding . . . . . . . . 233
9.1.2 Motivation of Mixed Cu Particles Bonding . . . . . . . . . 234
9.2 Packing Density Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
9.2.1 Algorithm Design and Assumption . . . . . . . . . . . . . . . 235
9.2.2 3D Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
9.2.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
viii
Contents