利用分子动力学方法研究晶粒尺寸对Cu-Cu扩散焊接过程中界面空洞的影响

《Applied Surface Science Advances》：Molecular dynamics study of grain size effects on interfacial voids in Cu-Cu diffusion bonding

Cu-Cu扩散焊接中界面气孔形成机制及晶粒尺寸影响研究。通过分子动力学模拟分析热循环和空间约束条件下，不同晶粒尺寸Cu结构的界面气孔演变规律，揭示晶界扩散和塑性变形对气孔形成的贡献，提出微结构工程优化策略。

　　在现代半导体制造技术中，随着芯片尺寸的不断缩小和性能的持续提升，对高密度互连和高可靠性封装的需求日益增长。在这一背景下，直接键合互连（Direct Bond Interconnect, DBI）技术因其独特的优点而受到广泛关注。DBI技术通过将铜（Cu）层与相邻的介电层直接结合，实现了无焊料、无填充物的高密度互连结构，不仅显著降低了互连长度，还提升了整体的机械和电气性能。然而，这种技术在实际应用中仍面临诸多挑战，其中，界面空洞的形成尤为关键，它直接影响着最终产品的性能与可靠性。

Cu-Cu扩散键合是DBI技术的核心过程之一，它依赖于铜层之间的原子级扩散来实现牢固的连接。然而，在键合过程中，由于材料的微观结构差异、表面粗糙度以及热应力等因素的影响，界面空洞往往不可避免地形成。这些空洞不仅会降低导电性，还可能在高电流密度下导致电路失效。因此，深入理解Cu-Cu扩散键合中界面空洞的形成机制，以及如何通过微观结构设计来减少其出现，对于提升DBI技术的可靠性具有重要意义。

本研究通过分子动力学（Molecular Dynamics, MD）模拟，从原子尺度出发，系统分析了Cu-Cu扩散键合过程中界面空洞的形成与演化机制。研究特别关注了晶粒尺寸对空洞行为的影响，这是影响键合质量的重要因素之一。在实际的制造过程中，晶粒尺寸不仅决定了材料的机械性能，还对扩散行为和塑性变形产生深远影响。因此，通过控制晶粒尺寸，可以有效优化键合界面的完整性，从而提高整个封装结构的可靠性。

为了模拟Cu-Cu扩散键合的复杂过程，研究构建了包含实验数据的表面粗糙度的双层铜模型。这些模型被用于研究不同晶粒尺寸结构下的键合行为，包括多晶结构与纳米孪晶结构之间的对比。在模拟过程中，采用了周期性边界条件来减少计算复杂度，并引入了空间约束以反映DBI过程中常见的应力条件。此外，为了更贴近实际的工艺流程，研究将键合过程分为加热、退火和冷却三个阶段，模拟了热循环对空洞形成和演化的影响。

在模拟结果中，研究发现晶粒尺寸的差异显著影响了界面空洞的体积变化和原子迁移行为。具体而言，较小的晶粒尺寸有助于减少空洞的形成，这可能是由于更细小的晶粒提供了更多的扩散路径，从而促进了原子的均匀分布。同时，晶界的存在也对空洞的形成起到了关键作用，晶界处的原子扩散速率较高，容易导致局部空洞的形成。因此，通过优化晶粒尺寸和晶界结构，可以有效控制键合过程中的空洞生成。

进一步的分析表明，晶粒尺寸的变化不仅影响了扩散行为，还对塑性变形产生了显著影响。在键合过程中，由于热膨胀系数的差异，铜层之间会产生一定的应力，这种应力在晶界处更容易积累，进而引发塑性变形。塑性变形的强度和分布与晶粒尺寸密切相关，较小的晶粒尺寸通常伴随着更高的变形能力，这有助于缓解界面处的应力集中，从而减少空洞的形成。

此外，研究还通过位移向量映射和扩散系数分析，揭示了原子迁移的具体机制。这些分析表明，在键合过程中，原子的迁移行为受到晶粒尺寸和晶界结构的双重影响。晶粒尺寸越小，原子的迁移路径越短，扩散效率越高，这有助于减少空洞的体积。同时，晶界处的原子迁移速率较高，可能导致局部区域的空洞形成，因此，合理设计晶界结构对于减少空洞至关重要。

本研究的成果不仅为理解Cu-Cu扩散键合中界面空洞的形成机制提供了新的视角，也为微结构工程策略的制定提供了理论依据。通过控制晶粒尺寸和晶界结构，可以在原子尺度上优化键合过程，从而提升最终产品的性能与可靠性。这些发现对于未来半导体封装技术的发展具有重要的指导意义，特别是在高密度互连和微型化封装领域。

在实验研究方面，尽管已有大量工作关注晶粒尺寸对键合性能的影响，但大多数研究主要基于宏观观测，缺乏对原子尺度空洞形成和演化的深入分析。本研究通过分子动力学模拟弥补了这一不足，为微观机制的研究提供了新的工具和方法。此外，研究还考虑了热循环条件下的键合行为，这对于理解实际生产过程中可能遇到的复杂应力和温度变化具有重要意义。

综上所述，Cu-Cu扩散键合作为DBI技术的重要组成部分，其性能和可靠性受到多种因素的影响，其中晶粒尺寸和晶界结构是关键因素之一。通过分子动力学模拟，研究揭示了晶粒尺寸对空洞形成的具体影响，并为未来的研究提供了新的方向。这些成果不仅有助于优化现有的键合工艺，还可能为开发新的材料和结构设计提供理论支持，从而推动半导体封装技术的进一步发展。