В условиях продолжающегося развития полупроводниковых технологий в направлении 3D‑интеграции и передовых методов упаковки микровыступы, являясь ключевой структурой для высокоплотных межсоединений, оказывают непосредственное влияние на общую производительность и срок службы системы благодаря своей механической надёжности. В настоящее время основным технологическим барьером, с которым сталкивается отрасль, является то, что традиционные макроскопические методы испытаний — такие как тесты на срез и растяжение — не позволяют на наноразмерном уровне точно оценить собственную прочность гетерогенных интерфейсов и механизмы их разрушения. Особенно это касается многослойных интерфейсов, например Cu/Ni и Ni/SnAg: проблемы хрупкости границы раздела, роста пористости и ослабления границ зерен при термомеханических циклических нагрузках чрезвычайно легко приводят к отказам, что ограничивает дальнейшее развитие высоконадёжной и высокоплотной упаковки.

Поэтому в стратегическом плане крайне необходимо развивать межмасштабные, in situ‑ и количественные методы характеризации и управления интерфейсами, используя наномеханические испытания, проектирование микроструктуры и оптимизацию технологических процессов (например, регулирование структуры IMC‑фаз, введение…). Нанотвинты (включая упрочнение и др.), обеспечивая точную оценку и повышение надёжности интерфейсов, что способствует развитию самостоятельных инноваций и обеспечению промышленной безопасности Китая в сфере передовых технологий упаковки.

В отношении вышеуказанных проблем, Команда, в состав которой входят сотрудники Юго‑Восточного университета и другие исследователи, провела углублённые исследования с использованием системы in situ‑TEM компании Зэюй Технолоджи. , ключевой инновацией является предложенная методика проведения in situ‑испытаний и характеристикования прочности гетерогенных интерфейсов микровыступов на основе in situ‑TEM, которая позволила выявить, что гетерогенные интерфейсы типа Ni/SnAg вследствие…   IMC-связь Механизм разрушения, обусловленный хрупкостью и накоплением пор, позволил создать количественную систему оценки микроскопической прочности интерфейса, что позволило преодолеть ограничения традиционных методов испытаний.

Заголовок: Исследование микромеханизма разрушения интерфейса булонных соединений в технологии флип-чипа с использованием in-situ‑трансмиссионного электронного микроскопа

Журнал: Журнал исследований и технологий материалов

Веб-сайт: https:// doi.org/10.1016/j.jmrt.2025.10.233

Количественная оценка прочности на растяжение гетерогенной интерфейсной зоны

Исследовательская группа с помощью испытаний на изгиб консольной балки точно определила механические свойства двух ключевых гетерогенных границ в микровыступах — Cu/Ni и Ni/SnAg. Результаты экспериментов показали, что предел прочности при растяжении на границе Cu/Ni достигает примерно 1775 МПа, тогда как на границе Ni/SnAg он составляет всего 335 МПа, что более чем в пять раз меньше. Эта существенная разница выявляет местоположение наиболее слабого звена в структуре микровыступов и служит важной количественной основой для проектирования упаковок. Анализ микроструктуры показал, что на границе Ni/SnAg образуется интерметаллическое соединение (Cu,Ni)₃Sn₄, причём в области его контакта с припоем SnAg наблюдается значительное количество… Пустота Киркендалла , что становится важной причиной значительного снижения прочности на границе раздела.

Рис. (a) Сканирующая электронная микроскопия (SEM) поперечного сечения микровыступа после спайки; (b) Карта состава, полученная методом энергодисперсионной спектроскопии (EDS), для интерметаллического соединения (IMC); (c) Образец для испытания на растяжение на границе Cu/Ni; (d) Образец для испытания на растяжение на границе Ni/SnAg (IMC); (e) Желобок, выполненный на кончике консольной балки с помощью фокусированного ионного пучка (FIB).

Рис. Результаты испытания на растяжение консольных балок в режиме просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ): (a–c) исходное состояние, состояние максимального удлинения и состояние разрушения образца с границей Cu/Ni; (d–f) исходное состояние, состояние максимального удлинения и состояние разрушения образца с границей Ni/SnAg.

Анализ микромеханизмов разрушения на границе раздела Cu/Ni

С помощью системы in situ‑TEM компании Zeyou Technology исследовательская группа в наномасштабе в режиме реального времени отследила процесс микроскопической деформации и её эволюцию на границе раздела Cu/Ni под действием растягивающей нагрузки. В ходе in situ‑наблюдений было установлено, что разрушение происходит не на границе раздела Cu/Ni, а внутри слоя меди; предварительно существующие в слое меди нанотвинты эффективно препятствуют распространению микротрещин, тогда как взаимодействие множественных полос скольжения внутри зерен в конечном итоге приводит к формированию «W‑образного» пути разрушения. Высокая точность управления системой in situ‑измерений с помощью ТЭМ, разработанной компанией Zeyou Technology, позволяет исследователям точно контролировать процесс приложения нагрузки и одновременно в режиме реального времени с помощью визуализации чётко фиксировать динамику движения дислокаций и взаимодействия с границами двойников. , раскрыты механизмы усиления прочности границы раздела за счёт нанотвинтовой структуры.

Результаты in situ‑растяжения на просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) на границе Cu/Ni: (a) исходная микроструктура образца в момент 0 с; (b) микроструктура образца в момент 377 с и её локальное увеличение; (c) микроструктура образца в момент 907 с и её локальное увеличение; (d) микроструктура образца в момент 1465 с и её локальное увеличение.

Исследование поведения при растяжении на границе раздела Ni/SnAg

Под действием растягивающей нагрузки граница Ni/SnAg проявляет уникальный механизм разрушения, характеризующийся «ростом и сливанием пор — образованием трещин на границе». Визуализация в режиме in situ с помощью ТЭМ показала, что предварительно существующие поры Киркендалла у границы IMC/SnAg под нагрузкой значительно расширяются, после чего соединяются, формируя непрерывный трещинный путь. Установлено, что эти поры преимущественно локализованы на стороне IMC, близкой к припою, что объясняется скоплением вакансий вследствие различий в скоростях диффузии атомов Sn и Ni. В процессе растяжения слой припоя SnAg заметно деформируется, поглощая деформацию, тогда как граница Ni/IMC остаётся стабильной, что подтверждает, что именно граница IMC/SnAg является наиболее слабым участком всей структуры — это полностью согласуется с наблюдаемыми низкими прочностными характеристиками в ходе макроскопических испытаний.

Рис. Трансмиссионная электронная микроскопия (ТЭМ) микроструктуры интерфейса Ni/SnAg до проведения испытания на растяжение: (a) общая морфология интерфейса Ni/SnAg, где слой межметаллического соединения (IMC) расположен между слоем Ni и припоем SnAg; (b) локальное увеличение области ①, обозначенной на рис. (a); (c) локальное увеличение области ②, обозначенной на рис. (a); (d) локальное увеличение области ③, обозначенной на рис. (a), а также соответствующее изображение быстрого преобразования Фурье (FFT).

Результаты in situ‑теста на растяжение методом ТЭМ для интерфейса Ni/SnAg: (a) исходная микроструктура образца в момент 0 с; (b) микроструктура образца в момент 287 с и её локальное увеличение; (c) микроструктура образца в момент 427 с и её локальное увеличение; (d) микроструктура образца в момент 643 с.

Характеристики отклика на срезающую нагрузку в интерфейсе Ni/SnAg

Для имитации сдвиговых напряжений, которые микровыступы могут испытывать в реальных условиях эксплуатации, исследовательская группа пересмотрела протокол испытаний и провела эксперименты по непосредственному срезу. Результаты показали, что при сдвиговой нагрузке граница раздела Ni/SnAg проявляет совершенно иной механизм разрушения: трещины преимущественно зарождаются на границах зерен интерметаллического соединения (IMC) и на тройных границах зерен, распространяются вдоль этих границ и в конечном итоге пронзают слой Ni, формируя сквозной разрушительный путь. В отличие от случая растягивающей нагрузки, когда доминирует образование киркендалловских пор, в условиях сдвига ключевыми факторами становятся крупнозернистая структура IMC и дефекты на границах зерен. Это открытие предоставило прямые экспериментальные доказательства для оптимизации микроструктуры IMC и указало, что уменьшение размера зерен IMC и повышение прочности связей на границах зерен являются ключевыми путями повышения надежности микровыступов при сдвиговой нагрузке.

Результаты in situ‑теста на срез при помощи ТЭМ для интерфейса Ni/SnAg: (a) схема подготовки образца методом фокусируемого ионного пучка (FIB) для моделирования среза (жёлтая стрелка указывает направление приложения нагрузки, синяя — направление приложения усилия); (b) исходная микроструктурная характеристика (остаточный слой Pt, оставшийся после подготовки образца, можно считать пренебрежимо малым); (c) локальные увеличенные изображения зон I и II, показанных на рис. (b); (d) микроструктура образца в момент 206 с и соответствующее локальное увеличение; (e) микроструктура образца в момент 437 с и соответствующее локальное увеличение; (f) микроструктура образца в момент 636 с.

Компания «ZEPTOOLS», являясь ведущим китайским производителем высокоточных приборов отечественного производства, является одним из ведущих поставщиков решений для in situ‑характеризации с помощью электронных микроскопов и представила… ПикоФемто Серия решений для in situ‑трансмиссионной электронной микроскопии постепенно обеспечивала техническую поддержку ключевых научных достижений отечественных и зарубежных пользователей. На нижнем рисунке представлено оборудование Zeyou Technology, использованное в рамках данного исследования: