基于有限元分析与智能算法的Cu/SiO2 混合键合界面可靠性优化研究

针对三维集成中Cu/SiO2 混合键合因热膨胀系数差异导致的界面剥离问题，研究人员通过有限元分析(FEA)和遗传算法反向传播神经网络(GABP-NSGA Ⅱ)联合优化方法，揭示了键合过程中应力演变规律，提出几何参数与工艺条件协同优化方案，误差小于10%，为高可靠性混合键合设计提供新思路。

　　

随着半导体技术进入后摩尔时代，三维(3D)集成成为延续摩尔定律的关键路径。其中，Cu/SiO₂
混合键合技术因其高密度互连优势，在CMOS图像传感器和高带宽存储器(HBM)等领域展现出巨大潜力。然而，铜与二氧化硅热膨胀系数(CTE)的显著差异会导致键合过程中产生界面剥离应力，引发脱键风险。现有研究多聚焦材料改性（如纳米孪晶铜NT-Cu），但对几何参数与工艺条件的系统性优化仍存空白。

中国国家自然科学基金资助项目团队通过建立有限元分析(FEA)模型，首次揭示了键合过程中Cu-Cu与SiO₂
-SiO₂
界面的应力动态演变规律：Cu-Cu界面最大剥离应力出现在冷却阶段末期，而SiO₂
-SiO₂
界面则在保温阶段达到峰值。研究人员采用遗传算法反向传播神经网络(GABP)与非支配排序遗传算法(NSGA Ⅱ)的融合策略，对铜垫凹陷值(dishing)、厚度、直径、间距及键合工艺参数（保温温度、时间、升降温速率）进行多目标优化。

关键技术方法
研究团队构建了包含温度场-应力场耦合的FEA模型，采用GABP神经网络建立设计参数与界面应力的非线性映射关系，结合NSGA Ⅱ算法进行多参数协同优化。实验验证采用标准半导体工艺参数，优化结果与FEA模拟误差控制在10%以内。

研究结果

1. 界面应力演变：Cu-Cu界面在冷却阶段因CTE差异产生压缩应力，而SiO₂
   -SiO₂
   界面在高温保温时受热膨胀主导。
2. 几何参数影响：铜垫凹陷值需精确控制在0.5-1.2μm范围，过大会导致空洞，过小引发介质分层；直径与厚度比应保持1:1.5以平衡应力分布。
3. 工艺优化：升温速率≤5°C/min可降低热冲击，300°C保温30分钟实现最佳原子扩散。

结论与意义
该研究首次将智能优化算法引入混合键合设计领域，提出的GABP-NSGA Ⅱ框架突破了传统试错法局限，为量子器件等高精度集成提供了可量化的设计准则。论文发表于《Materials Science in Semiconductor Processing》，其方法论可扩展至其他异质材料键合系统，对推动3D封装技术发展具有重要工程价值。