隨著人工智能、5G通信、高性能計(jì)算等新興技術(shù)的快速迭代，集成電路產(chǎn)業(yè)對(duì)芯片性能、功耗及集成密度的要求持續(xù)攀升。先進(jìn)封裝技術(shù)中，銅柱微凸點(diǎn)互連技術(shù)憑借其優(yōu)異的抗電遷移能力、良好的導(dǎo)熱性及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，已被業(yè)界視為實(shí)現(xiàn)超高密度三維異構(gòu)集成的關(guān)鍵互連方案。

本文，科準(zhǔn)測(cè)控基于《先進(jìn)封裝中銅柱微凸點(diǎn)互連技術(shù)研究進(jìn)展》，圍繞瞬態(tài)液相互連與固態(tài)擴(kuò)散互連兩條技術(shù)路線，梳理其工藝特點(diǎn)與可靠性表現(xiàn)，并重點(diǎn)分析推拉力測(cè)試在微凸點(diǎn)互連強(qiáng)度評(píng)價(jià)中的應(yīng)用價(jià)值。

一、銅柱微凸點(diǎn)的兩大主流互連工藝

銅柱凸點(diǎn)本身不具備可焊性，通常需要在頂部沉積焊料層（如Sn）或納米材料作為互連介質(zhì)。目前，焊料體系是工業(yè)界成熟技術(shù)路線，并分為兩大分支。

1. 瞬態(tài)液相互連技術(shù)（TLPB）

TLPB的原理是將溫度升至250~300°C，使Sn焊料熔化形成液態(tài)，并與Cu基板反應(yīng)生成高熔點(diǎn)的金屬間化合物（IMC），最終形成全I(xiàn)MC接頭。這種接頭具有耐高溫、抗電遷移強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，適用于汽車電子、高頻通信等嚴(yán)苛場(chǎng)景。

然而，液態(tài)Sn在鍵合過程中容易溢出，造成相鄰?fù)裹c(diǎn)短接，這對(duì)微細(xì)節(jié)距（如<10μm）的互連構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為此，研究者采用了減薄Sn層、增加Ni阻擋層、以及將Sn層處理為珊瑚狀或多孔結(jié)構(gòu)等優(yōu)化策略，在抑制溢出的同時(shí)加速Cu-Sn反應(yīng)進(jìn)程。

Cu-Sn體系瞬態(tài)液相連接原理示意

2. 固態(tài)擴(kuò)散互連技術(shù)（SSDB）

為避免液態(tài)Sn帶來的問題，SSDB在低于Sn熔點(diǎn)（232°C）的溫度下進(jìn)行，通常為150~220°C。此時(shí)Cu和Sn原子通過固態(tài)擴(kuò)散生成IMC，避免焊料溢出風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)降低了熱應(yīng)力對(duì)芯片的影響。

但固態(tài)擴(kuò)散速度較慢，且無法補(bǔ)償凸點(diǎn)表面的粗糙度和氧化層，因此對(duì)表面預(yù)處理要求高。常用手段包括Ar/H?等離子體清洗和甲酸（HCOOH）蒸氣還原，以確保凸點(diǎn)表面具備足夠的活性。研究表明，經(jīng)優(yōu)化預(yù)處理后，即使在160°C的低溫條件下也能實(shí)現(xiàn)可靠互連。

二、微凸點(diǎn)可靠性量化方案

無論是TLPB還是SSDB，其工藝優(yōu)化都離不開一個(gè)核心評(píng)價(jià)指標(biāo)——力學(xué)強(qiáng)度。而在微米級(jí)的凸點(diǎn)尺度下，推拉力測(cè)試是直接定量反映互連結(jié)合質(zhì)量的關(guān)鍵表征方法。

推力測(cè)試（剪切測(cè)試）

在TLPB研究中，PAWAR等對(duì)80μm直徑的Cu-Sn銅柱凸點(diǎn)進(jìn)行剪切測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在196N、275°C、800s條件下，接頭強(qiáng)度超過101.92N。經(jīng)過1000次熱循環(huán)測(cè)試（-25~125°C）后，電阻變化小于5%，表明該工藝下互連具有優(yōu)良的抗熱疲勞能力。

在SSDB研究中，WAN等采用HCOOH+N?氣氛輔助鍵合，在150°C、30MPa、10min的參數(shù)下，獲得了高達(dá)59MPa的剪切強(qiáng)度。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)凸點(diǎn)直徑縮小至5μm時(shí)，由于IMC層形成齒狀結(jié)構(gòu)，應(yīng)力分布得到改善，強(qiáng)度反而顯著提升。

拉力測(cè)試（垂直拉拔）

雖然文獻(xiàn)中更多提及剪切強(qiáng)度，但在實(shí)際封裝質(zhì)量控制中，垂直拉拔測(cè)試同樣重要，尤其適用于評(píng)估芯片與基板之間的整體結(jié)合力。對(duì)于全I(xiàn)MC接頭，其脆性較高，拉拔測(cè)試能有效反映界面斷裂韌性，是對(duì)剪切測(cè)試的必要補(bǔ)充。

結(jié)構(gòu)改良的Cu-Sn微凸點(diǎn)

三、完整的可靠性驗(yàn)證體系

銅柱微凸點(diǎn)互連技術(shù)的進(jìn)步，不僅依賴于材料與工藝的創(chuàng)新，更依賴于精確、可重復(fù)的力學(xué)測(cè)試手段。推拉力測(cè)試機(jī)在以下環(huán)節(jié)發(fā)揮關(guān)鍵作用：

工藝參數(shù)窗口的確定：通過不同溫度、壓力、時(shí)間條件下的剪切強(qiáng)度對(duì)比，鎖定鍵合參數(shù)；

可靠性壽命評(píng)估：結(jié)合熱循環(huán)、高溫高濕老化測(cè)試后的強(qiáng)度衰減，預(yù)判實(shí)際服役壽命；

失效模式分析：通過斷口形貌與力-位移曲線關(guān)聯(lián)，區(qū)分脆性斷裂（IMC層）與韌性斷裂（Sn層）。

從瞬態(tài)液相到固態(tài)擴(kuò)散，銅柱微凸點(diǎn)互連技術(shù)正朝著更細(xì)間距、更低熱預(yù)算、更高可靠性的方向持續(xù)演進(jìn)。推拉力測(cè)試作為連接工藝開發(fā)與產(chǎn)品質(zhì)量控制的重要工具，為互連強(qiáng)度的優(yōu)化提供可量化的數(shù)據(jù)支撐。科準(zhǔn)測(cè)控Alpha-W260推拉力測(cè)試機(jī)，適用于晶圓級(jí)凸點(diǎn)、銅柱及芯片級(jí)剪切/拉拔等測(cè)試場(chǎng)景，可協(xié)助研發(fā)與生產(chǎn)人員對(duì)互連可靠性進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估。如果您還有關(guān)于推拉力測(cè)試機(jī)怎么選、自動(dòng)推拉力測(cè)試機(jī)品牌哪家好、芯片推拉力測(cè)試機(jī)價(jià)格、微組裝推拉力測(cè)試機(jī)廠家、推拉力測(cè)試機(jī)校準(zhǔn)規(guī)范等需求，歡迎私信或留言聯(lián)系我們。