基于响应面法与分子动力学模拟的Cu-Ni异种金属热压键合中工艺参数优化及IMC生长行为研究

《Materials Characterization》：Process parameter optimization and IMC growth behavior in Cu Ni dissimilar-metal thermocompression bonding based on response surface methodology and molecular dynamics simulations

　　徐兴阳|陈家堆|杨凯|李伟|黄海松|李显华|杨景伟
中国贵州省贵阳市贵州大学教育部先进制造技术重点实验室，邮编550025

摘要
在摩尔定律放缓的时代，芯片正向更高的功率密度和更强的集成度发展，这使得在提升电力封装中CuNi互连接头的机械性能与电气性能的同时，控制金属间化合物的生长变得十分困难。本研究首先采用中心复合设计的响应面法构建了温度、键合时间及压力对拉伸强度和电导率的影响模型，随后通过结合满意度函数与熵权法的多元目标优化框架，并运用差分进化算法确定最优工艺参数，从而实现CuNi互连接头机械性能与电气性能的同步提升。最后，通过实验表征与分子动力学模拟的结合，从宏观和原子尺度阐明了工艺参数影响界面金属间化合物生长的机制。研究结果表明，经过优化后，接头拉伸强度达到303.7 N，比Cu基体高22.6%；电导率达到34.4 MS/m，比Ni基体高184%。此外还形成了厚度可控的Cu6Sn5、Cu3Sn及Ni3Sn4界面层。这些发现为优化CuNi异种金属热压键合工艺参数及调控电力电子封装中的界面微观结构提供了重要参考。

引言
随着集成电路制造行业的快速发展，微电子封装技术也在不断进步[1][2]。尤其是在摩尔定律放缓的背景下，芯片的持续微型化以及功率密度的提升[3][4][5]，使得传统的封装材料与工艺难以满足日益严格的性能与可靠性要求。铜具有优异的电导率和热导率，有利于电流传输与热量散发[6][7]；镍则因其较高的机械强度、抗氧化性以及良好的界面稳定性，能够在高温和恶劣环境下保持良好性能[8][9]。利用这两种金属的互补优势，CuNi异种金属互连技术为需要同时具备高电导率和高强度的应用场景提供了有效解决方案[10][11]，对于改进摩尔定律放缓时代的封装技术具有重要意义。

然而，随着先进制程节点的器件在汽车电子、高性能计算等领域得到广泛应用，互连接头需要承受更为复杂的机械与热环境[12][13][14]。例如，在振动载荷和热循环作用下，接头必须具备足够的拉伸强度和抗疲劳性能，以确保长期可靠性[15]。同时，随着芯片功耗的增加和封装尺寸的缩小，焦耳热效应愈发严重，传统的热管理策略往往无法有效抑制接头区域的温度上升[16]。因此，在开发CuNi异种金属互连系统时，必须在保持高电导率的同时提升机械性能，从而确保接头的整体性能。

目前，超声波焊接、钎焊和固态扩散键合等传统金属连接技术已被广泛用于电子封装领域，它们在实现冶金级连接方面各有优势。先前的研究表明，超声波焊接[17]和钎焊[18]能够快速实现异种金属连接，且加工效率高；而固态扩散键合[19]则可以形成致密的界面微观结构，显著提升接头的强度与可靠性。不过，当需要同时具备高强度和高可靠性时，这些方法仍存在局限性。在高温和高负荷条件下，超声波焊接和钎焊容易出现界面缺陷以及接头区域机械性能下降的问题。虽然扩散键合能够改善界面质量，但通常需要较长的加热时间和严格的工艺控制，不利于大规模生产。相比之下，热压键合作为一种新兴的异种金属连接技术，通过合理控制键合温度、压力和保持时间，可在短时间内实现高质量的冶金级连接，因此在先进封装应用中具有巨大潜力[20]。

尽管热压键合在连接效率、界面致密化以及服役可靠性方面具有优势，但异种金属连接的一个主要瓶颈在于金属间化合物层的快速生长与逐渐增厚[21][22]。金属间化合物的类型、厚度及其连续性决定了界面冶金结合的质量，进而直接影响接头的机械与电气性能。过厚的金属间化合物层容易引发裂纹，降低接头强度；而孔洞和成分偏析则会增加界面电阻，进一步降低电导率[23][24][25]。因此，通过工艺参数优化来抑制并可控地调节金属间化合物层的生长，从而获得高电导率且整体性能优异的CuNi接头，仍是该领域亟待解决的关键问题。针对金属间化合物生长的调控，刘等人[26]通过单因素试验研究了各参数对金属间化合物厚度及界面反应的影响；黄等人[27]采用正交设计，在有限的试验次数下初步筛选了多个因素并评估了其敏感度；张等人[28]则基于田口方法进行了稳健性导向的参数优化。虽然这些方法能提供一定的指导，但通常难以系统捕捉多因素耦合条件下的交互效应与非线性响应，从而限制了工艺窗口预测和参数外推的能力。相比之下，响应面法可以通过相对较少的实验次数建立包含主效应、交互效应和二次项的回归模型，从而实现工艺参数、金属间化合物生长与接头性能之间的定量关联[29]。然而，当需要同时提升多种性能时，单纯的响应面法难以处理不同量纲的响应值以及相互冲突的目标。Derringer等人[30]提出的理想度函数通过将响应值转换为无量纲的理想度值，并通过加权聚合的方式进行整合，实现了统一评价与协同优化，有效解决了这一问题。因此，将基于响应面法的建模与理想度函数评估相结合，可为寻找抑制金属间化合物生长并提升接头整体性能的优选工艺参数提供有效途径，也为优化CuNi热压键合参数奠定了理论基础。

尽管统计优化方法能够找到理想的工艺参数组合，但仅依赖优化后的参数集仍不足以完全解释CuNi异种金属热压键合过程中金属间化合物的形成与演化机制。尤其是关于原子级扩散路径、界面反应动力学以及在不同工艺条件下游控金属间化合物层生长的机制，目前仍缺乏深入理解。以往针对异种金属系统中金属间化合物生长行为的研究，主要依靠扫描电子显微镜、能谱分析和X射线衍射等实验表征技术，从宏观和介观层面分析界面反应产物的相组成、形态特征及厚度变化规律，进而探讨工艺条件变化对金属间化合物形成的影响趋势[31][32][33]。近年来，分子动力学模拟也被引入这一领域[34]，用于探究原子尺度上的界面扩散与相形成过程，为理解金属间化合物生长机制提供了另一种途径。然而，现有的研究大多要么侧重于单独的实验表征，要么专注于独立的模拟分析。特别是针对CuNi异种金属热压键合实际应用场景的金属间化合物生长行为综合研究仍然较少，对界面反应过程的系统理解也尚不充分。因此，在旨在同时实现高电导率和优异整体性能的CuNi异种金属热压键合研究中，系统阐明金属间化合物的形成与生长机制，对于增强工艺参数优化的机理可解释性以及实现精确的工艺控制具有重要意义。为此，在确定最优工艺参数之后，本研究进一步将实验表征与分子动力学模拟相结合，从宏观界面微观结构演变和原子尺度扩散行为两个角度共同分析CuNi异种金属热压键合过程中的金属间化合物形成与生长规律，为CuNi异种金属热压键合的最佳设计及工程应用提供更具指导意义的理论依据。

本研究首次采用基于中心复合设计的响应面法，系统研究了温度、压力和时间对CuNi热压键合接头拉伸强度和电导率的影响。随后引入理想度函数进行多元目标优化，以阐明工艺参数如何影响接头性能。接着，通过界面微观结构分析与分子动力学模拟相结合的方式，进一步明确了键合过程中的界面扩散行为与混合机制，为深入研究金属间化合物层生长行为奠定了理论基础。这项工作不仅为优化CuNi异种金属热压键合工艺参数提供了基础，也为芯片制造中的微电子封装技术提供了理论支持与实践指导。

材料
本研究以T2铜板和N6镍带作为基材，Sn63Pb37作为中间层。所有基材试样的尺寸均为50毫米×10毫米×0.1毫米，搭接接头的有效重叠面积为5毫米×10毫米。基材的化学成分及相关性能参数见表1。

热压键合、性能评估与微观结构表征流程
本研究采用了自行开发的逆变式脉冲热压装置，实现了热与机械载荷的耦合施加。

数据重复性评估
在建立响应面模型之前，需先检测实验数据的稳定性和重复性，以确保拟合误差主要源于工艺因素而非实验系统的随机波动。本研究利用CCD设计中的重复中心点试验来评估重复性（见表3中的第15–19次试验），其中A值为525℃，B值为17.5秒，C值为17.5牛顿。这些数据反映了设备、固定装置等因素引入的随机误差水平。

界面相组成与微观结构特征
为确定CuNi热压键合接头横截面上的相组成并识别界面反应产物，采用了微区X射线衍射分析（见图8）。Cu基体呈面心立方结构，其衍射峰分别位于43.297°、50.433°和74.130°，对应于(111)、(200)和(220)晶面（PDF#04–0836）。这些峰最为强烈且清晰，表明上层材料为铜。

结论
本研究探讨了CuNi异种金属热压键合过程中工艺参数、界面微观结构与接头性能之间的耦合关系。通过建立基于CCD-RSM的多响应优化框架，并结合微观结构表征与分子动力学模拟，阐明了可控金属间化合物生长的机制，从而形成了一个涵盖统计预测、实验验证与原子尺度分析的闭环框架。

局限性
在本研究中，仅为便于工艺参数优化和界面机制分析，仅在室温条件下评估了CuNi热压键合接头的拉伸强度与电导率。目前尚未进行包括高温老化、热循环疲劳、机械振动载荷以及长期电性能稳定性在内的长期服役可靠性评估。未来的研究将重点开展这些方面的工作。

作者贡献声明
徐兴阳：撰写——初稿、可视化、验证、软件、资源、方法论、研究、数据整理、概念设计。
陈家堆：撰写——审阅与编辑、可视化、监督、资金获取、正式分析、数据整理。
杨凯：撰写——审阅与编辑、可视化、监督、资金获取、正式分析、数据整理。
李伟：方法论、正式分析。
黄海松：监督、正式分析。
李显华：正式分析。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52565055和52265062）、贵州省基础研究计划（自然科学类）（项目编号Qianke hejichuZD[2025] 099、QiankehejichuMS [2025] 620）、贵州省科技项目（项目编号Qiankehezhicheng [2023] General 302）的支持。