全IMC互连凸点高温脆性-韧性转变行为、机理及可靠性影响研究

Because of the demands of smaller size and more powerful performance, interconnects evolved to full IMC (Intermetallic compound) interconnect in high performance chip, such as 3D stacked chips. Though it is believed that IMC is brittle at room temperature, the deformation capability of IMC improved significantly with elevating temperature, which can notably improve its brittleness and reliability. In this project, brittle-ductile transition and main factors will be investigated systematically. Deformation mechanisms and fracture behaviors of IMCs before and after the transition will also be studied. Furthermore, molecular dynamics will be employed to reveal transition mechanism of IMCs. The effect of phase transition, grain orientations and loading rates on the brittle-ductile transition behavior will also be studied. Based on this, theoretical model will be proposed for the transition of IMCs at high temperature. It will be verified by fatigue tests on representative full IMC interconnects at temperatures lower and higher than transition temperature, respectively. So that, the effect of brittle-ductile transition on the reliability of interconnect will be revealed. This project can significantly improve the lack of data on the transition behavior of IMCs at high temperature. It can facilitate the reliability improvement and design optimization of high performance chips from theoretical and technological sides.

随着芯片尺寸不断缩小、功能更加强大，以3D叠层芯片为代表的高性能、高封装密度电子器件中出现全IMC互连凸点。虽然业内普遍认为室温下IMC呈脆性，但是随着工作温度升高IMC变形能力不断增强，可能显著改善IMC互连凸点的脆性和可靠性。本项目将系统地研究高温下IMC脆性-韧性转变行为及主要影响因素，探索脆性-韧性转变特点，表征转变前后IMC的变形机制及断裂行为；同时，基于分子动力学构建IMC高温脆性-韧性转变仿真模型，从原子尺度揭示相变、晶粒取向、应变速率对IMC脆性-韧性转变行为及机理的影响；最后，针对典型全IMC互连凸点，在脆性温度区间和韧性温度区间下分别进行疲劳寿命测试，研究脆性-韧性转变行为对全IMC互连凸点可靠性的影响，验证提出的脆性-韧性转变机理。本项目的顺利实施将率先揭示IMC高温力学特征转变机制，为高集成度、高性能模块的可靠性提升、设计优化等方面提供新的理论和方向。

随着后摩尔时代的到来和高端光刻机受限，提高封装集成度成为提升芯片性能的主要途经。高性能、高密度封装技术推动互连凸点从传统焊料基向以IMC为主转变，大量应用于以3D叠层芯片为代表先进封装技术中，对其性能和可靠性有重要影响。因此本项目针对全IMC互连凸点高温下的变形行为、机理、脆性-韧性转变特性及其对全IMC互连凸点可靠性的影响开展了系统研究。通过本项目的研究主要得出以下结论。随着回流峰值温度上升，单晶Cu上Cu6Sn5逐渐由扇贝状转化为棱柱状，并逐渐显示出明显的择优取向生长。在相同的回流温度下，随着回流时间延长，Cu6Sn5晶粒形貌变化不大，但是晶体尺寸有显著改变；通过断裂韧性测试表明，随着温度升高，Cu6Sn5的断裂韧性显著提高，从室温的0.56MPa√m上升至140℃的1.32MPa√m，是室温条件下的2.34倍；通过高温纳米压痕测试发现，Cu6Sn5在高温下会出现明显的蠕变行为。蠕变应力指数随着温度上升而下降（n=7.58–0.015×T），说明其变形能力显著增强。通过FEA发现，考虑和不考虑IMC的蠕变行为对于以柱形Cu凸点为代表的全IMC互连结构的寿命评估有明显影响。通过分子动力学仿真得到，Cu6Sn5纳米压痕的最大载荷随着温度上升整体呈下降趋势，但是在348K附近出现载荷的峰值。相对的，高应变原子数量随温度变化的演变趋势并不明确，但是也在336K出现高应变原子数量的突降。因此可以推断，Cu6Sn5在340K左右的变形能力出现了突变；基于TEM分析发现，随着温度升高Cu6Sn5在压头/样品接触界面形成的位错在长度和数量上都有大幅度的提升，由脆性变形转变为塑性变形。在相同温度条件下，加载速率对位错长度影响并不明显，但是低加载速率下位错的数量显著上升；当温度从室温升高至140℃，全IMC互连凸点的剪切疲劳寿命先升高，而后迅速降低至平稳。140℃条件下互连凸点的剪切疲劳寿命仅为室温条件下的0.15倍。互连凸点的疲劳寿命表现出很强的温度相关性。本项目的研究成果可为高性能、高可靠先进封装的设计和工艺优化提供重要理论指导。

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