在半導(dǎo)體技術(shù)持續(xù)向3D集成與先進(jìn)封裝發(fā)展的背景下，微凸點作為高密度互連的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，其機械可靠性直接影響到系統(tǒng)整體性能與壽命。當(dāng)前行業(yè)面臨的核心技術(shù)瓶頸在于傳統(tǒng)宏觀測試方法（如剪切、拉伸測試）難以在納米尺度準(zhǔn)確表征異質(zhì)界面的本征強度與失效機理，尤其對于Cu/Ni、Ni/SnAg等多材料界面，其界面脆性、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，制約了高可靠、高密度封裝的進(jìn)一步發(fā)展。

因此戰(zhàn)略上急需發(fā)展跨尺度、原位、定量的界面表征與調(diào)控技術(shù)，通過納米力學(xué)測試、微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計與工藝優(yōu)化（如調(diào)控IMC組織、引入納米孿晶強化等），實現(xiàn)界面可靠性的精準(zhǔn)評估與提升，支撐我國在先進(jìn)封裝領(lǐng)域的自主創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)安全。

針對上述問題，由東南大學(xué)等組成的團隊利用澤攸科技原位TEM測量系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，其核心創(chuàng)新為提出基于原位TEM的微凸點異質(zhì)界面強度原位測試與表征方案，揭示了 Ni/SnAg 等異質(zhì)界面因 IMC 相脆性、空洞積累導(dǎo)致的失效機制，建立了微觀界面強度量化體系以突破傳統(tǒng)測試技術(shù)瓶頸。

標(biāo)題：Study on micro failure mechanism of flip-chip bump interface by in-situ transmission electron microscope

期刊：Journal of Materials Research and Technology

網(wǎng)址：https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2025.10.233 

異質(zhì)界面拉伸強度定量表征

研究團隊通過懸臂梁測試精確測定了微凸點中Cu/Ni和Ni/SnAg兩種關(guān)鍵異質(zhì)界面的力學(xué)性能。實驗結(jié)果表明，Cu/Ni界面拉伸強度高達(dá)約1775 MPa，而Ni/SnAg界面強度僅為335 MPa，相差5倍以上。這一巨大差異揭示了微凸點結(jié)構(gòu)中薄弱環(huán)節(jié)的位置，為封裝設(shè)計提供了關(guān)鍵定量依據(jù)。微觀結(jié)構(gòu)分析顯示，Ni/SnAg界面處形成了(Cu,Ni)?Sn?金屬間化合物(IMC)，其與SnAg焊料邊界處存在大量Kirkendall空洞，成為界面強度顯著降低的重要原因。

圖 (a) 鍵合后微凸點橫截面的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像；(b) 金屬間化合物（IMC）的能譜（EDS）成分圖；(c) Cu/Ni界面的拉伸測試樣品；(d) Ni/SnAg（IMC）界面的拉伸測試樣品；(e) 通過聚焦離子束（FIB）在懸臂梁尖端加工的凹槽

圖 透射電子顯微鏡（TEM）下懸臂梁拉伸測試結(jié)果：(a–c) Cu/Ni界面樣品的初始狀態(tài)、最大伸長狀態(tài)和斷裂狀態(tài)；(d–f) Ni/SnAg界面樣品的初始狀態(tài)、最大伸長狀態(tài)和斷裂狀態(tài)

Cu/Ni界面失效微觀機制解析

利用澤攸科技原位TEM測量系統(tǒng)，研究團隊在納米尺度實時捕捉了Cu/Ni界面在拉伸載荷下的微觀變形演化過程。原位觀察發(fā)現(xiàn)，斷裂并非發(fā)生在Cu/Ni界面處，而是位于Cu層內(nèi)部；Cu層中預(yù)先存在的納米孿晶有效阻礙了微裂紋擴展，而多滑移帶在晶粒內(nèi)部的交互作用最終導(dǎo)致"W"形斷裂路徑形成。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精確控制載荷施加過程，同時通過實時成像清晰記錄位錯運動與孿晶界相互作用的動態(tài)過程，揭示了納米孿晶結(jié)構(gòu)對界面強度的增強機制。

圖 Cu/Ni界面的原位透射電鏡（TEM）拉伸測試結(jié)果：(a) 試樣在0秒時的初始微觀結(jié)構(gòu)；(b) 試樣在377秒時的微觀結(jié)構(gòu)及其局部放大圖；(c) 試樣在907秒時的微觀結(jié)構(gòu)及其局部放大圖；(d) 試樣在1465秒時的微觀結(jié)構(gòu)及其局部放大圖

Ni/SnAg界面拉伸失效行為研究

在拉伸載荷下，Ni/SnAg界面展現(xiàn)出獨特的"空洞生長-聚結(jié)-界面開裂"失效機制。原位TEM觀察顯示，IMC/SnAg邊界處預(yù)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。研究發(fā)現(xiàn)，這些空洞主要分布在IMC靠近焊料一側(cè)，歸因于Sn原子與Ni原子擴散速率差異導(dǎo)致的空位聚集。在拉伸過程中，SnAg焊料層顯著延展吸收應(yīng)變，而Ni/IMC界面保持穩(wěn)定，證實IMC/SnAg邊界是整個結(jié)構(gòu)中薄弱區(qū)域，這與宏觀測試中觀察到的低強度現(xiàn)象完全吻合。

圖 拉伸測試前Ni/SnAg界面的透射電鏡（TEM）微觀結(jié)構(gòu)：(a) Ni/SnAg界面的整體形貌，其中金屬間化合物（IMC）層位于Ni層與SnAg焊料之間；(b) (a)中區(qū)域①的局部放大圖；(c) (a)中區(qū)域②的局部放大圖；(d) (a)中區(qū)域③的局部放大圖及其對應(yīng)的快速傅里葉變換（FFT）圖像

圖 Ni/SnAg界面的原位TEM拉伸測試結(jié)果：(a) 試樣在0秒時的初始微觀結(jié)構(gòu)；(b) 試樣在287秒時的微觀結(jié)構(gòu)及其局部放大圖；(c) 試樣在427秒時的微觀結(jié)構(gòu)及其局部放大圖；(d) 試樣在643秒時的微觀結(jié)構(gòu)

Ni/SnAg界面剪切載荷響應(yīng)特性

為模擬微凸點在實際服役中可能遇到的剪切應(yīng)力，研究團隊重新配置測試方案進(jìn)行原位剪切實驗。結(jié)果表明，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，最終穿透Ni層形成貫穿性斷裂路徑。與拉伸載荷下Kirkendall空洞主導(dǎo)失效不同，剪切條件下IMC粗大晶粒及其晶界缺陷成為主導(dǎo)因素。這一發(fā)現(xiàn)為優(yōu)化IMC微觀結(jié)構(gòu)提供了直接實驗證據(jù)，指明細(xì)化IMC晶粒、增強晶界結(jié)合強度是提升微凸點剪切可靠性的關(guān)鍵途徑。

圖 Ni/SnAg界面的原位TEM剪切測試結(jié)果：(a) 剪切模擬用聚焦離子束（FIB）樣品制備示意圖（黃色箭頭表示加載方向，藍(lán)色箭頭表示施力方向）；(b) 初始微觀結(jié)構(gòu)表征（制樣殘留的Pt層可忽略不計）；(c) (b)中區(qū)域I和區(qū)域II的局部放大圖；(d) 試樣在206秒時的微觀結(jié)構(gòu)及其局部放大圖；(e) 試樣在437秒時的微觀結(jié)構(gòu)及其局部放大圖；(f) 試樣在636秒時的微觀結(jié)構(gòu)

澤攸科技作為中國本土的儀器公司，是原位電子顯微鏡表征解決方案的一流供應(yīng)商，推出的PicoFemto系列的原位透射電子顯微鏡表征解決方案，陸續(xù)為國內(nèi)外用戶的重磅研究成果提供了技術(shù)支持。