Interfaces heterogêneas: o "salto de Aquiles" da confiabilidade do chip

Em interfaces multi-materiais como Cu / Ni, Ni / SnAg, problemas como a fragilidade da interface, o crescimento de buracos e o enfraquecimento da fronteira cristalina podem causar falhas sob cargas de acoplamento térmico-mecânico. Isso se tornou um gargalo tecnológico que restringe o desenvolvimento de embalagens de alta confiabilidade e alta densidade.

A equipe de pesquisadores da Universidade do Sudeste usou o sistema de medição TEM in situ da tecnologia Zeyue para realizar pesquisas inovadoras sobre o mecanismo de falha microscópica da interface de ponto convexo do chip invertido, cujos resultados foram publicados no Journal of Materials Research and Technology.

Diferença de força impressionante: 5 vezes a diferença revela os pontos mais fracos

Através de testes de viga de suspensão, a equipe determinou com precisão as propriedades mecânicas de duas interfaces heterogêneas críticas no ponto microconvexo. Os resultados experimentais foram chocantes: a resistência à tensão da interface Cu / Ni foi de cerca de 1775 MPa, enquanto a resistência da interface Ni / SnAg foi de apenas 335 MPa, mais de cinco vezes a diferença.

A análise microscópica mostrou que a interface Ni / SnAg formou um composto intermetal (Cu, Ni) 3 Sn4, com uma grande quantidade de buracos Kirkendall na fronteira com a solda SnAg, o que é o "culpado" da redução significativa da força da interface.

In situ TEM: "transmissão ao vivo" em nanoescala

A capacidade de manipulação de alta precisão do sistema de medição TEM in situ da Zeu Technology permite aos pesquisadores capturar a evolução dinâmica da interface sob carga em tempo real.

No estudo da interface Cu / Ni, a ruptura não ocorreu na interface, mas dentro da camada de Cu. A estrutura de gêmeos nanocristalinos efetivamente impede a expansão de microfissuras, e a interação de múltiplas bandas deslizantes acaba formando um caminho de ruptura em forma de "W" único.

Interface Ni/SnAg: mecanismo de falha dominado por buracos

Sob uma carga de estiramento, a interface Ni/SnAg apresenta um padrão de falha único de "crescimento vazio-agregação-ruptura da interface". Observações TEM in situ mostram que os vazios de Kirkendall pré-existentes na fronteira IMC/SnAg se expandem significativamente sob a carga e, posteriormente, se conectam para formar um caminho de rachadura contínua.

Estes buracos estão distribuídos principalmente no lado IMC perto da solda, devido à agregação de espaços vazios devido à diferença na taxa de difusão de átomos de Sn e átomos de Ni. Durante o alongamento, a camada de solda SnAg estende significativamente a tensão de absorção, enquanto a interface Ni / IMC permanece estável, confirmando que a fronteira IMC / SnAg é a área mais fraca de toda a estrutura.

Desempenho diferente sob carga de corte

Para simular as condições reais de serviço, a equipe também realizou experimentos de corte in situ. Os resultados mostraram que a interface Ni / SnAg apresenta diferentes padrões de falha durante a carga de corte: a fissura é prioritária no núcleo rectangular da fronteira de cristal IMC e da fronteira de cristal triplo e se estende ao longo da fronteira de cristal.

Ao contrário da falha dominante do buraco de Kirkendall sob carga de estiramento, o grão grosso IMC e seus defeitos de cristal em condições de corte são o fator dominante. Esta descoberta indica que refinar o grão IMC e melhorar a força de ligação ao cristal é uma maneira fundamental de melhorar a confiabilidade do corte de microconvexo.

Descobrimentos técnicos: da observação à regulação

Este estudo não só revelou os mecanismos microscópicos da falha da interface de ponto micro-convexo, mas, mais importante, estabeleceu um sistema de quantificação da intensidade da interface microscópica que fornece orientações precisas para a regulação e otimização da interface posterior.

Através da regulação da organização IMC e da introdução de meios de otimização de processo como o reforço de nanogêmeos, é esperado alcançar uma melhoria precisa da confiabilidade da interface. A tecnologia TEM in situ da Zeyuan Technology fornece um apoio fundamental para esse avanço, permitindo que os pesquisadores realizem a mudança de "fenômeno observado" para "desempenho regulador" em nanoescala.

À medida que os dispositivos semicondutores se tornam cada vez mais compactos e densos, a compreensão e o controle da confiabilidade das interfaces microscópicas tornam-se cada vez mais importantes. Os avanços na tecnologia de caracterização in situ estão nos abrindo a porta para um mundo de chips mais confiável e eficiente.