硅通孔结构中界面滑移行为的实验研究

This project aims to investigate the interfacial sliding problem in through silicon via (TSV),which is the core component of three dimensional IC packaging.The main contents of the project include the following items: (1)The behavior of TSV interfacial sliding under different thermal loading and electromigration, including intrude/protrude of the Cu pillar, the interfacial crack and the sliding rate；(2)The micromechanism of TSV interfacial sliding, which can be determined through the following measures: direct observation of microstructure of the interfacial layer with transmission electronic microscope,in-situ observation of interfacial sliding with SEM and deformation field measurement around interface with SEM digital image correlation, creep characterization of interfacial material with nano-indenter,and monitoring of possible dislocation movement during TSV interfacial sliding with acoustic emission facillity; (3)characterization method and corresponding methmatical- physical model for the TSV interfacial sliding.This item is based on the understanding of sliding mechanism and the accumlation of experimental data. The execution of the project will be helpful for the improvement of fabrication technology and reliability of 3-D ICpackaging, and in the same time, for the theoretical development of interface mechanics and experimental techniqus at microscale.

本项目针对三维电子封装的核心器件 - 硅通孔（TSV）的界面滑移行为展开研究，主要内容有：（1）不同热载荷及电迁移作用下TSV界面滑移的规律，包括铜填充内缩、外凸与界面开裂的发生条件以及界面滑移速率的测量 ；（2）TSV界面滑移的微观机制。通过对界面处微观结构的透射电镜观察、扫描电镜结合数字图像相关法对TSV界面滑移及界面两侧变形场的原位观测与测量、纳米压痕法对界面材料蠕变性能的测试以及声发射法对滑移过程中的位错运动的监测等实验手段，探索TSV界面滑移的微观机制；（3）根据TSV界面滑移机制和一系列实验数据，探索TSV界面滑移行为的表征方法，建立相应的数学物理模型。 本项目的研究有助于三维电子封装制作工艺参数的优化和可靠性的改善，也有助于界面力学的理论体系和微尺度实验力学技术的进一步发展。

作为三维电子封装关键部件的硅通孔（TSV）结构可以方便的实现层叠芯片垂直方向的电互连，由于减少了引线长度和电信号延迟，使系统集成度和电性能得以大幅提高。但是新工艺引发的一系列可靠性问题还没有得到充分认识和解决，其中比较典型的是热循环过程由于硅基体与填充铜之间较大的热膨胀系数差异引起的热应力与界面滑移问题，严重影响了周围芯片的电性能（压阻效应）和可靠性。特别是发生界面滑移现象(即铜填充相对于硅基体的膨出和缩进)后，在两种材料的界面上仍然结构完整，这是一种尚未研究透测的界面力学现象。本项目针对硅通孔中的界面滑移现象展开研究，主要内容和结果如下：.（1）采用扫描电镜下的原位热加载试验，研究了界面滑移现象发生的条件以及对芯片电路造成的损伤，测试了不同温度下的膨出速度，为界面滑移模型的验证提供了实验支持。.（2）通过自研的显微红外光弹仪测试了TSV结构在加热过程中的热应力变化，发现了界面滑移现象对TSV结构的热应力影响规律，也从另一个侧面佐证了界面滑移现象的温度条件；.（3）研究了界面滑移现象的微观机制。这里面有两方面的工作：首先，通过聚焦离子束（FIB）切割制作了TSV 界面试件，在透射电镜下观察了界面层的原子结构，采用EDS线扫描分析了界面层上的元素分布，发现界面层实际上是多种元素的混合体，衍射花斑又证明它是一种晶体，因此推测界面层实际上已经形成一种合金。其次，研究了几种金属材料在蠕变和塑形变形过程中的声发射特征，发现蠕变过程中的材料没有声发射信号出现。考虑到（界面层）合金的低熔点特性，以及TSV芯片在退火过程中极弱的声发射信号特征，我们得出了TSV界面滑移是缘于界面层材料高温条件下的扩散性蠕变的结论。.（4）基于高温扩散性蠕变的微观机制，建立了界面滑移的理论预测模型和相应的计算方法，可以根据界面层的厚度/环境温度以及其它材料常数，预测界面滑移的高度及其随温度和时间的变化规律。..通过本项目的研究，搞清了TSV界面滑移的微观机制，并基于此机制建立了界面滑移理论模型和相应的计算方法；在项目研究驱动下还研制成功了国际上首台显微红外光弹仪，并应用它发现了界面滑移对TSV结构热应力的影响规律。本项目的研究达到了预期目标，为类似的工程问题和界面力学问题的研究提供了实验方法和理论模型方面的指导。