电载荷下玻璃通孔（TGV）互连结构失效机制的原位研究：电阻退化、微观组织演变与电-热-力耦合损伤

《Materials & Design》：In situ investigation of failure mechanisms in TGV interconnect structures under electrical loading

　　

研究人员采用原位电迁移（electromigration, EM）试验揭示了玻璃通孔（through-glass via, TGV）互连结构在电载荷下的三种差异化失效模式。实时电阻监测与截面扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）动态追踪了微观结构演变。电流拥挤（current crowding）和热应力集中被识别为TGV-重分布层（redistribution layer, RDL）拐角处的关键失效诱因。经校准的有限元（finite element, FE）模型阐明了TGV结构的电-热-力耦合失效机制。

研究背景与问题：后摩尔时代，2.5D/3D集成成为维持芯片性能与功能提升的关键路径，高密度垂直互连依赖通孔结构。玻璃通孔（through-glass via, TGV）因玻璃无自由电荷，在高频下介电损耗低、信号完整性好，并具有大尺寸和低成本潜力，适用于5G/6G前端模块、毫米波天线和高性能计算。但TGV可靠性研究滞后于制造工艺。玻璃热导率低（约3 W/m·K，仅为硅的1/50）、脆性高、断裂韧性低，导致焦耳热积累，温度场与应力场强耦合，形成与硅通孔不同的电-热-力耦合失效模式；TGV直径通常大于硅通孔，更易出现应力相关问题。电迁移（electromigration, EM）是电子元器件常见失效模式，指高电流密度下金属原子从阴极向阳极定向迁移并形成EM空洞；更高电流密度引起更高焦耳热，升高工作温度；TGV中Cu与玻璃弹性模量和热膨胀系数（coefficient of thermal expansion, CTE）不同，热载下产生应力失配。现有研究多聚焦TGV制备和应用，EM失效分析少。Xiang等发现高电流密度（>2×10⁵ A/cm²）下EM空洞易在重分布层（redistribution layer, RDL）与Cu填充TGV柱接触界面萌生，RDL-TGV结为电流集中点，RDL/玻璃界面为电流与热集中区、应力集中弱点。但仍缺乏不同电流密度下失效模式系统比较、电阻退化与微观结构演变实时关联、电载荷下失效机制全面解释。因此，研究人员开展低、中、高电流密度原位实验，建立实验温度场校准的有限元模型，阐明电流拥挤、焦耳热和热失配应力机制，为高可靠TGV互连设计和寿命评估提供理论依据。

关键技术方法：本研究所用TGV样品由Sky Semiconductor Technology Co., Ltd.制备，玻璃通孔由激光诱导改性法制备并填充Cu。原位EM样品经Al线键合至印制电路板（printed circuit board, PCB）、树脂镶嵌、研磨抛光和离子铣暴露截面。恒流源供电，硅油浴控温，实时监测ΔR/R₀，达到10%终止；预定时间中断并以扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）观察同一截面。先以1 mA进行电阻-温度校准。建立含两个TGV单元的有限元（finite element, FE）模型，耦合电流密度场、温度场和应力场，并用实验温度校准对流换热系数（heat transfer coefficient, HTC）。

研究结果：
3.1 电阻演变：通过原位电阻监测，在2.3×10⁵ A/cm²下超过2000 h，ΔR/R₀始终低于1.5%，说明无EM驱动连续微结构损伤或显著电路截面损失。2.8×10⁵下电阻近似线性稳定增加，约1600 h达到10%。3.0×10⁵下电阻加速上升，约1000 h达到10%。
3.2 TGV截面形貌：通过原位中断SEM观察同一截面。2.3×10⁵下EM前Cu柱无典型EM空洞；750 h底部RDL与玻璃界面分层，随后500 h稳定不扩展，表明该电流水平电子风力（electron wind force, EWF）弱，界面分层由电流应力下焦耳热热机械应力主导；RDL与玻璃CTE失配产生界面拉应力并超过结合强度触发分层。2.8×10⁵下顶部阳极1000 h空洞平均0.334±0.095 μm（N=62），1600 h增至1.237±0.375 μm（N=152）；顶部阴极1000 h为0.363±0.116 μm（N=76），1600 h为0.980±0.293 μm（N=124）；底部阳极1000 h为0.405±0.121 μm（N=37），底部RDL内约0.6 μm空洞，1600 h平均1.679±0.734 μm（N=69），TGV/RDL拐角出现5.1 μm大空洞；底部阴极1000 h为0.319±0.118 μm（N=41），TGV底端拐角约0.9 μm，1600 h为1.424±0.458 μm（N=95），TGV/RDL界面出现4.6 μm大空洞。空洞在阳极和阴极均出现且随机分布，与电流方向无关，排除EM为主要驱动力；1000 h时电流拥挤区空洞较大，说明EM开始促进空洞生长；1600 h后空洞均匀，大空洞位于TGV底角、RDL与玻璃交界处，与电子流方向无关。空洞尺寸分布在1000 h四组无阴阳极明显差别，1600 h增大3–4倍，底部大于顶部，底部生长更快。讨论指出应力迁移（stress migration, SM）在原子通量散度（atomic flux divergence, AFD）中可占主导，TGV-RDL拐角几何约束、CTE失配和电流拥挤放大静水应力，空洞形核由应力梯度而非电子流方向控制。3.0×10⁵下顶部1000 h空洞平均0.73 μm，大于2.8×10⁵同时长，Cu柱/RDL拐角玻璃明显开裂；底部1000 h空洞平均0.69 μm，底部RDL显著塑性变形并整体分层。焦耳热致RDL塑性变形，CTE失配界面应力超结合强度致分层，塑性变形致RDL减薄颈缩，有效截面减小、电阻升高。该TGV失效不同于EM失效：玻璃低热导阻碍焦耳热耗散，局部温升加剧Cu/玻璃热膨胀失配；高脆低断裂韧性不能像硅通过塑性变形释放热应力，超阈值即脆断；Cu直接键合玻璃，无硅通孔中广泛采用的SiO₂介电缓冲层，界面结合强度低，易分层。
3.3 TGV互连结构中电流密度分布的模拟：通过校准FE模型分析。电流密度场显示TGV截面轴向向下减小，底部平均电流密度与基于最窄截面的理论值一致，对应2.3×10⁵、2.8×10⁵、3.0×10⁵ A/cm²。最高电流密度不在底部中心，而在TGV与RDL几何拐角，由电流拥挤引起，峰值约4.8×10⁵、5.9×10⁵、6.4×10⁵ A/cm²。温度场与实验吻合，最大相对温度误差12.4%；热集中在底部RDL和相邻玻璃，顶部温度较低；最高温度位于底部RDL中心区域，分别67.8、92.3、105.5 °C，而非TGV-RDL角，因为Cu高热导且Cu柱截面暴露油浴散热，而底部RDL上下接触玻璃和环氧低热导限制散热。应力场显示2.3×10⁵下玻璃在TGV顶/底与RDL几何角等效应力峰123和128 MPa，RDL线最大应力149 MPa在Cu柱底与RDL拐角；RDL/玻璃CTE失配产生面外拉应力，剥离应力主导I型张开断裂起始。2.8×10⁵下玻璃最大等效应力197 MPa，TGV-RDL线峰值229 MPa，电流密度增约21.7%而应力增53.7%，结构应力对电流密度极敏感；高应力区与4.6和5.1 μm空洞位置吻合，说明高应力加速空洞生长。3.0×10⁵下玻璃最大等效应力233 MPa，TGV-RDL线峰值271 MPa；TGV顶与RDL拐角应力集中导致玻璃脆裂，底端与RDL拐角应力集中触发底部RDL塑性变形和界面分层。模拟与实验失效位置和模式一致，表明热失配应力负责界面分层、空洞生长促进、玻璃开裂和RDL塑性变形。

讨论部分总结：基于空洞尺寸分布，2.8×10⁵下阴极与阳极空洞尺寸无明显差别，1600 h电子流方向无显著影响，底部生长更快；FE显示底部电流密度、温度和热应力均高于顶部。电流峰值足以驱动定向原子迁移，但若EM主导，空洞应优先在阴极侧，实验不支持纯EM主导。热迁移（thermomigration, TM）方面，2.8×10⁵下TGV-RDL角与TGV中心温差仅0.1 °C，温度梯度极小，可忽略。应力场显示TGV-RDL角严重应力集中，TGV底部从拐角到中心径向静水应力差可达199 MPa，形成大应力梯度，位置与4.6和5.1 μm大空洞吻合，强证据表明应力梯度主导空洞形核和生长。失效机制示意表明：2.3×10⁵下电子风力弱，热机械失效主导，底部RDL/玻璃界面最大应力触发分层和塑性变形，RDL局部减薄使有效导电截面减小，是电阻阶跃上升约1.3%的主因；2.8×10⁵下EM与热机械应力协同，TGV-RDL角Ti阻挡层阻碍阴极区Cu原子，导致TGV底部阴极角和底部RDL阴极侧EM空洞形核加速，直接致电阻上升；3.0×10⁵下强烈焦耳热致高应力集中，热机械失效主导，玻璃脆裂、RDL严重塑性变形和分层，导致1000 h失效。设计优化建议：实际器件工作电流密度应低于2.3×10⁵ A/cm²；以圆角或倒角替代直角过渡并优化通孔锥度，使RDL金属连续平滑覆盖；适度增加RDL厚度以提高机械强度和抗裂性，但权衡高频信号完整性和封装厚度；引入部分实心填充或聚合物缓冲层等应力释放结构，吸收CTE失配应变，减轻拐角应力集中并抑制裂纹萌生。未来TGV有望与硅通孔长期共存，并在射频、MEMS、集成无源器件和光电子学以及高功率、高互连密度领域扩展应用。

结论部分翻译：
（1）TGV在不同电流密度下表现出不同失效机制。在2.3×10⁵ A/cm²下，TGV界面分层失效由电流应力下焦耳热产生的热机械应力控制，而电子风力驱动的原子迁移在该电流水平较弱。在2.8×10⁵ A/cm²下，空洞在阴极区形核和生长，尤其是底部RDL和Cu柱阴极；电阻随时间均匀增加，ΔR/R₀在1600 h后达到10%。在3.0×10⁵ A/cm²下，玻璃衬底在拐角区开裂，同时RDL塑性变形，ΔR/R₀在1000 h内达到10%。
（2）建立了EM下TGV有限元模型。电流在TGV-RDL拐角积累，三种施加电流密度下局部电流密度峰值分别为4.8×10⁵、5.9×10⁵、6.4×10⁵ A/cm²。最高温度位于底部RDL中心区域，分别达到67.8 °C、92.3 °C、105.5 °C。
（3）TGV-RDL拐角是应力集中关键区域。在2.3×10⁵ A/cm²下，RDL/玻璃界面分层是主要退化模式。当电流密度从2.3×10⁵增至2.8×10⁵ A/cm²，最大等效应力升高53.7%，空洞形核和扩展成为主要损伤机制。在3.0×10⁵ A/cm²下，应力相对于2.8×10⁵ A/cm²再升高18.3%，导致玻璃衬底开裂。预测的应力演变与实验观察到的缺陷位置一致。