隨著半導(dǎo)體技術(shù)持續(xù)向3D集成與先進(jìn)封裝發(fā)展，微凸點(diǎn)作為高密度互連的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，其可靠性直接決定著芯片的性能與壽命。然而，傳統(tǒng)測(cè)試方法在納米尺度面前顯得力不從心——我們急需一雙能夠“看透”異質(zhì)界面本征強(qiáng)度的“火眼金睛”。

異質(zhì)界面：芯片可靠性的“阿喀琉斯之踵”

在Cu/Ni、Ni/SnAg等多材料界面處，界面脆性、孔洞生長(zhǎng)、晶界弱化等問(wèn)題在熱-機(jī)械耦合載荷下極易引發(fā)失效。這成為制約高可靠、高密度封裝進(jìn)一步發(fā)展的技術(shù)瓶頸。

東南大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)利用澤攸科技原位TEM測(cè)量系統(tǒng)，開(kāi)展了針對(duì)倒裝芯片凸點(diǎn)界面微觀失效機(jī)制的突破性研究，其成果已在Journal of Materials Research and Technology期刊發(fā)表。

強(qiáng)度差異驚人：5倍差距揭示最薄弱環(huán)節(jié)

通過(guò)懸臂梁測(cè)試，研究團(tuán)隊(duì)精確測(cè)定了微凸點(diǎn)中兩種關(guān)鍵異質(zhì)界面的力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人震驚：Cu/Ni界面拉伸強(qiáng)度高達(dá)約1775 MPa，而Ni/SnAg界面強(qiáng)度僅為335 MPa，相差5倍以上。

微觀分析顯示，Ni/SnAg界面處形成了(Cu,Ni)?Sn?金屬間化合物，其與SnAg焊料邊界處存在大量Kirkendall空洞，這正是界面強(qiáng)度顯著降低的“罪魁禍?zhǔn)住薄?/p>

原位TEM：納米尺度的“現(xiàn)場(chǎng)直播”

澤攸科技原位TEM測(cè)量系統(tǒng)的高精度操控能力，使研究者能夠?qū)崟r(shí)捕捉界面在載荷下的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程。

在Cu/Ni界面研究中，斷裂并非發(fā)生在界面處，而是位于Cu層內(nèi)部。納米孿晶結(jié)構(gòu)有效阻礙了微裂紋擴(kuò)展，多滑移帶的交互作用最終形成獨(dú)特的“W”形斷裂路徑。

Ni/SnAg界面：空洞主導(dǎo)的失效機(jī)制

在拉伸載荷下，Ni/SnAg界面展現(xiàn)出獨(dú)特的“空洞生長(zhǎng)-聚結(jié)-界面開(kāi)裂”失效模式。原位TEM觀察顯示，IMC/SnAg邊界處預(yù)先存在的Kirkendall空洞在載荷作用下顯著擴(kuò)展，隨后相互連接形成連續(xù)裂紋路徑。

這些空洞主要分布在IMC靠近焊料一側(cè)，歸因于Sn原子與Ni原子擴(kuò)散速率差異導(dǎo)致的空位聚集。在拉伸過(guò)程中，SnAg焊料層顯著延展吸收應(yīng)變，而Ni/IMC界面保持穩(wěn)定，證實(shí)IMC/SnAg邊界是整個(gè)結(jié)構(gòu)中最薄弱區(qū)域。

剪切載荷下的不同表現(xiàn)

為模擬實(shí)際服役條件，研究團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了原位剪切實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，在剪切載荷下Ni/SnAg界面呈現(xiàn)完全不同的失效模式：裂紋優(yōu)先在IMC晶界和三叉晶界處形核，并沿晶界擴(kuò)展。

與拉伸載荷下Kirkendall空洞主導(dǎo)失效不同，剪切條件下IMC粗大晶粒及其晶界缺陷成為主導(dǎo)因素。這一發(fā)現(xiàn)指明細(xì)化IMC晶粒、增強(qiáng)晶界結(jié)合強(qiáng)度是提升微凸點(diǎn)剪切可靠性的關(guān)鍵途徑。

技術(shù)啟示：從觀察到調(diào)控的跨越

這項(xiàng)研究不僅揭示了微凸點(diǎn)界面失效的微觀機(jī)制，更重要的是建立了微觀界面強(qiáng)度量化體系，為后續(xù)的界面調(diào)控與優(yōu)化提供了精準(zhǔn)指導(dǎo)。

通過(guò)調(diào)控IMC組織、引入納米孿晶強(qiáng)化等工藝優(yōu)化手段，有望實(shí)現(xiàn)界面可靠性的精準(zhǔn)提升。澤攸科技的原位TEM技術(shù)為這一跨越提供了關(guān)鍵支撐，使研究人員能夠在納米尺度上實(shí)現(xiàn)從“觀察現(xiàn)象”到“調(diào)控性能”的轉(zhuǎn)變。

隨著半導(dǎo)體器件不斷向小型化、高密度化發(fā)展，對(duì)微觀界面可靠性的理解與掌控將變得越來(lái)越重要。原位表征技術(shù)的進(jìn)步，正為我們打開(kāi)一扇通往更可靠、更高效芯片世界的大門(mén)。

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標(biāo)簽：三維共聚焦白光干涉儀掃描電鏡原位分析