利用原位透射电子显微镜研究倒装芯片凸点界面的微失效机制

《Journal of Materials Research and Technology》：Study on micro failure mechanism of flip-chip bump interface by in-situ transmission electron microscope

微 bumps 界面力学可靠性研究：通过原位 TEM 微 Cantilever 梁拉伸与剪切测试，揭示 Cu/Ni 界面（1775 MPa）因纳米孪晶阻碍裂纹扩展而具有高强度，而 Ni/SnAg 界面（335 MPa）在拉伸时发生空隙生长-合并-界面开裂机制，剪切时沿 IMC 晶界扩展。

　　在先进封装技术不断发展的背景下，微凸块（microbumps）作为三维集成（3D integration）中的关键结构，其机械可靠性成为行业关注的核心问题。微凸块主要用于高密度互连和电源传输，广泛应用于多层高带宽内存（HBM）堆叠、存储器与计算机的堆叠以及活性芯片与中介层的连接。随着芯片尺寸的减小和集成度的提高，微凸块在热循环和电迁移等外部应力条件下的表现变得尤为重要。因此，如何准确量化并调控微凸块异质界面的内在强度，成为电子封装领域亟需解决的基础问题。

传统的可靠性评估方法主要依赖于宏观的剪切和拉伸测试，这些方法虽然在一定程度上能够反映整体连接性能，但其局限性在于无法直接观察和量化纳米尺度的界面行为。由于这些测试方法将多个界面的机械响应耦合在一起，导致获得的整体强度数据可能掩盖了某些界面的真实脆性特性。此外，对于尺寸较小的微凸块，宏观测试中应力分布的不均匀性更为显著，使得其对微观界面行为的捕捉能力有限。因此，研究者们开始寻求更精细的测试手段，以揭示微凸块在实际使用过程中微观结构的变化及其对整体性能的影响。

近年来，原位透射电子显微镜（in-situ transmission electron microscopy, in-situ TEM）技术逐渐成为一种强大的纳米尺度表征方法。该技术允许在施加可控力的同时，实时观察微观结构的演变过程，从而揭示材料在不同载荷条件下的变形和断裂机制。结合聚焦离子束（focused ion beam, FIB）技术进行精确的界面样品制备，in-situ TEM不仅能够实现对微凸块异质界面的定量机械测试，还能够实时记录其断裂行为，为理解微尺度机械性能提供了新的视角。

在本研究中，研究人员利用in-situ TEM技术对微凸块的异质界面进行了详细的分析。他们选取了具有电镀镍（Ni）下凸块金属层（under-bump metallization, UBM）的微凸块样品，对Cu/Ni和Ni/SnAg两种异质界面的内在强度进行了定量评估。实验结果显示，Cu/Ni界面的拉伸强度约为1775 MPa，显著高于Ni/SnAg界面的335 MPa。这一差异主要源于两者的断裂机制不同。对于Cu/Ni界面，断裂发生在铜层内部，而纳米孪晶结构在一定程度上抑制了微裂纹的扩展，从而增强了界面强度。相比之下，Ni/SnAg界面在拉伸条件下，裂纹主要沿着IMC（金属间化合物）与SnAg焊料之间的界面扩展，形成“空洞生长-合并-界面断裂”的失效模式。在剪切条件下，裂纹则更倾向于沿着IMC晶界扩展，并逐步穿透至SnAg和Ni层，导致界面断裂。

这些结果不仅揭示了微凸块异质界面在不同载荷条件下的断裂机制，还为提高微凸块的机械可靠性提供了重要的理论依据和实践指导。通过优化电镀工艺和控制冷却过程，可以减少IMC晶粒的尺寸并增强其晶界强度，从而提高整体连接性能。此外，通过纳米孪晶工程改善铜层的结构完整性，也可以有效提升界面强度。未来的研究将进一步探索建立用于评估纳米尺度连接界面的定量机械测试标准，以推动微凸块封装技术的发展。

研究团队在实验过程中采用了精确的FIB微纳米加工技术，将微凸块的异质界面提取并转移到in-situ TEM机械加载平台，从而实现了对微观结构的实时观察。这一方法为研究人员提供了前所未有的机会，能够在原子尺度上解析微凸块的失效过程。通过这种方式，研究人员能够清晰地观察到在拉伸过程中，铜层内部的滑移带如何形成、扩展并最终导致断裂。同时，他们也能够分析在剪切条件下，IMC晶界如何成为裂纹的萌生点，并进一步向焊料和Ni层扩展，最终引发界面断裂。

此外，实验中还发现，Ni/IMC界面在拉伸过程中保持稳定，而SnAg层则在载荷作用下发生显著变形。这种变形主要体现在SnAg层的延展性上，其良好的延展性使得在拉伸过程中，裂纹不会在焊料内部形成，而是主要发生在IMC与SnAg之间的界面区域。这一现象表明，IMC层的微结构特征对微凸块的机械性能具有重要影响。如果IMC层的晶粒尺寸过大或晶界缺陷较多，可能会导致裂纹更容易在界面处形成并扩展，从而降低整体连接的可靠性。

在剪切条件下，研究人员进一步观察到裂纹的萌生位置和扩展路径。裂纹主要出现在IMC层的晶界处，并沿着晶界方向扩展。由于SnAg层的延展性较好，裂纹在扩展过程中主要受到SnAg层的塑性变形的抑制。然而，当裂纹发展到一定程度后，仍然可能穿透至Ni层，最终导致整个界面的断裂。这一过程表明，剪切载荷下的断裂机制与拉伸载荷下有所不同，因此在设计和优化微凸块封装工艺时，需要考虑不同载荷条件下的失效模式。

通过这一系列实验，研究人员不仅揭示了微凸块异质界面在不同载荷条件下的断裂行为，还提出了提高其机械可靠性的具体策略。例如，优化回流焊参数和焊料成分可以有效减少Ni的溶解和空洞的形成。此外，通过添加少量的合金元素（如铜、钴或稀土元素）以及控制冷却过程，可以细化IMC晶粒并增强其晶界强度。同时，通过纳米孪晶工程改善铜层的结构完整性，也有助于提升微凸块的整体强度。这些发现为微凸块封装技术的进一步发展提供了重要的理论支持和实践指导。

总的来说，这项研究通过in-situ TEM技术对微凸块的异质界面进行了深入分析，揭示了其在不同载荷条件下的断裂机制，并提出了提高机械可靠性的具体措施。这些成果不仅为微凸块的可靠性评估提供了新的方法，也为实际应用中的工艺优化和材料设计提供了重要参考。未来的研究将继续探索如何在更广泛的材料体系和载荷条件下，进一步提升微凸块的性能，并推动其在先进电子封装中的广泛应用。