隨著半導體技術持續(xù)向3D集成與先進封裝發(fā)展，微凸點作為高密度互連的關鍵結構，其可靠性直接決定著芯片的性能與壽命。然而，傳統(tǒng)測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”異質界面本征強度的“火眼金睛”。

異質界面：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、晶界弱化等問題在熱-機械耦合載荷下極易引發(fā)失效。這成為制約高可靠、高密度封裝進一步發(fā)展的技術瓶頸。

東南大學研究團隊利用澤攸科技原位TEM測量系統(tǒng)，開展了針對倒裝芯片凸點界面微觀失效機制的突破性研究，其成果已在Journal of Materials Research and Technology期刊發(fā)表。

強度差異驚人：5倍差距揭示最薄弱環(huán)節(jié)

通過懸臂梁測試，研究團隊精確測定了微凸點中兩種關鍵異質界面的力學性能。實驗結果令人震驚：Cu/Ni界面拉伸強度高達約1775 MPa，而Ni/SnAg界面強度僅為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，這正是界面強度顯著降低的“罪魁禍首”。

原位TEM：納米尺度的“現(xiàn)場直播”

澤攸科技原位TEM測量系統(tǒng)的高精度操控能力，使研究者能夠實時捕捉界面在載荷下的動態(tài)演化過程。

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

Ni/SnAg界面：空洞主導的失效機制

在拉伸載荷下，Ni/SnAg界面展現(xiàn)出獨特的“空洞生長-聚結-界面開裂”失效模式。原位TEM觀察顯示，IMC/SnAg邊界處預先存在的Kirkendall空洞在載荷作用下顯著擴展，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，歸因于Sn原子與Ni原子擴散速率差異導致的空位聚集。在拉伸過程中，SnAg焊料層顯著延展吸收應變，而Ni/IMC界面保持穩(wěn)定，證實IMC/SnAg邊界是整個結構中最薄弱區(qū)域。

剪切載荷下的不同表現(xiàn)

為模擬實際服役條件，研究團隊還進行了原位剪切實驗。結果顯示，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，并沿晶界擴展。

與拉伸載荷下Kirkendall空洞主導失效不同，剪切條件下IMC粗大晶粒及其晶界缺陷成為主導因素。這一發(fā)現(xiàn)指明細化IMC晶粒、增強晶界結合強度是提升微凸點剪切可靠性的關鍵途徑。

技術啟示：從觀察到調控的跨越

這項研究不僅揭示了微凸點界面失效的微觀機制，更重要的是建立了微觀界面強度量化體系，為后續(xù)的界面調控與優(yōu)化提供了精準指導。

通過調控IMC組織、引入納米孿晶強化等工藝優(yōu)化手段，有望實現(xiàn)界面可靠性的精準提升。澤攸科技的原位TEM技術為這一跨越提供了關鍵支撐，使研究人員能夠在納米尺度上實現(xiàn)從“觀察現(xiàn)象”到“調控性能”的轉變。

隨著半導體器件不斷向小型化、高密度化發(fā)展，對微觀界面可靠性的理解與掌控將變得越來越重要。原位表征技術的進步，正為我們打開一扇通往更可靠、更高效芯片世界的大門。

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