Heterogene Schnittstelle: "Achilles Heel" für Chipzuverlässigkeit

Bei der Schnittstelle mit mehreren Materialien wie Cu/Ni, Ni/SnAg können Schnittstellenbrechlichkeit, Löcherwachstum und Schwächung der Kristallgrenze unter thermisch-mechanischer Kopplungslast sehr leicht Ausfälle verursachen. Dies ist ein technologischer Flaschenhals, der die Weiterentwicklung von hochzuverlässigen und dichten Verpackungen einschränkt.

Das Forschungsteam der Südosten-Universität nutzte das in situ TEM-Messsystem von Zeyue Technologie, um eine bahnbrechende Forschung über den mikroskopischen Fehlermechanismus der umgekehrten Chip-Nockenschnittstelle durchzuführen, deren Ergebnisse in der Zeitschrift Journal of Materials Research and Technology veröffentlicht wurden.

Erstaunlich starker Unterschied: 5-facher Abstand zeigt die schwächsten Glieder

Durch den Suspensionstrahlentest bestimmte das Forscherteam die mechanischen Eigenschaften zweier wichtiger heterogener Schnittstellen in den Mikrokohmen genau. Die Ergebnisse waren schockierend: Die Zugfestigkeit der Cu/Ni-Schnittstelle betrug etwa 1775 MPa, während die Ni/SnAg-Schnittstelle nur 335 MPa betrug.

Die mikroskopische Analyse zeigt, dass die Intermetallverbindung (Cu, Ni) 3 Sn4 an der Schnittstelle Ni / SnAg gebildet wurde, die an der Grenze zu SnAg-Schweißstoffen eine große Menge an Kirkendall-Löchern vorhanden ist, was genau die "Schuld" für eine deutlich reduzierte Schnittstellenstärke ist.

In situ TEM: "Live-Streaming" im Nanoskala

Die hohe Präzisionsbedienung des TEM-Messsystems in situ ermöglicht es den Forschern, die dynamische Entwicklung der Schnittstelle unter Last in Echtzeit zu erfassen.

Bei der Studie der Cu/Ni-Schnittstelle findet der Bruch nicht an der Schnittstelle statt, sondern innerhalb der Cu-Schicht. Die Nano-Zwillingsstruktur verhindert effektiv die Ausdehnung von Mikrorissen, und die Interaktion von mehreren Schiebebändern bildet schließlich einen einzigartigen "W"-förmigen Bruchpfad.

Ni/SnAg-Schnittstelle: Löcherdominierter Ausfallmechanismus

Unter Dehnlast zeigt die Ni/SnAg-Schnittstelle ein einzigartiges Ausfallmuster "Hohlwachstum-Aggression-Schnittstellenriss". In situ TEM-Beobachtungen zeigen, dass sich die bereits vorhandenen Kirkendall-Hohlräume an der IMC/SnAg-Grenze unter Last erheblich erweitern und sich anschließend zu kontinuierlichen Risswegen verbinden.

Diese Löcher verteilen sich hauptsächlich auf der IMC-nahen Schweißstoffseite und sind auf eine leere Ansammlung zurückzuführen, die durch Differenzen in der Diffusionsrate von Sn- und Ni-Atomen verursacht wird. Während der Dehnung verlängert die SnAg-Schweißschicht die Absorptionsspannung erheblich, während die Ni/IMC-Schnittstelle stabil bleibt, was bestätigt, dass die IMC/SnAg-Grenze der schwächste Bereich der gesamten Struktur ist.

Verschiedene Leistungen unter Schneidlast

Um die tatsächlichen Betriebsbedingungen zu simulieren, führte das Forscherteam auch ein Schneidexperiment vor Ort durch. Die Ergebnisse zeigten, dass die Ni/SnAg-Schnittstelle unter Schneidlast unterschiedliche Ausfallmuster aufweist: Risse haben Vorrang in IMC-Kristallgrenzen und dreifachen Kristallgrenzen und erweitern sich entlang der Kristallgrenze.

Im Gegensatz zu einem dominierenden Ausfall des Kirkendall-Hohls unter Zuglast sind IMC-Großkorn und ihre Kristallgrenzendefekte unter Schneidbedingungen der dominierende Faktor. Diese Entdeckung deutet darauf hin, dass die Verfeinerung von IMC-Kornen und die Verbesserung der Kristallbindungsstärke ein entscheidender Weg zur Verbesserung der Zuverlässigkeit des Mikroschneidens sind.

Technische Erkenntnisse: Von der Beobachtung zur Regulierung

Diese Studie enthüllte nicht nur die mikroskopischen Mechanismen von Mikro-Konjunktur-Schnittstellenausfällen, sondern etablierte noch wichtiger ein System zur Quantifizierung der mikroskopischen Schnittstellenintensität, das eine genaue Anleitung für die nachfolgende Schnittstellenregulation und -optimierung bietet.

Durch die Regulierung des IMC-Gewebes und die Einführung von Prozessoptimierungsmitteln wie der Nano-Zwillingsverstärkung wird eine präzise Verbesserung der Zuverlässigkeit der Schnittstelle erwartet. Die In-situ-TEM-Technologie von Zeyu Technology bietet eine entscheidende Unterstützung für diesen Schritt und ermöglicht es den Forschern, den Übergang von "beobachteten Phänomenen" zu "regulierenden Leistungen" auf Nanoskala zu erreichen.

Da sich Halbleitergeräte immer kleiner und dichter entwickeln, wird das Verständnis und die Kontrolle der Zuverlässigkeit der mikroskopischen Schnittstelle immer wichtiger werden. Die Fortschritte in der In-situ-Charakterisierungstechnologie öffnen uns die Tür zu einer zuverlässigeren und effizienteren Welt von Chips.