芯片铜线键合界面微结构生成机理与规律研究

芯片封装采用铝线和金线互连，由此产生的信号延迟占集成电路（IC）系统总延迟的主要部分，制约着IC系统运行速度和高频特性。而，铜线互连因铜具有优良的电传输特性，信号路径产生的信号延迟大大减小，铜线互连键合将成为高性能IC的必然选择。.针对铜线互连键合发展的技术瓶颈- - 铜的硬度比金和铝大，需施加双倍载荷完成键合，而，双倍载荷引起芯片组织损伤、焊点破坏，导致互连失效，本项目以实现超声铜线键合载荷最小化为目标，从微观层次，探讨不同频率/功率超声能激活铜键合材料的微观特性（晶体位错、原子扩散等）及其软化流变行为，研究铜线键合界面对多形态键合能的吸收与转换通道以及键合微结构的生成，建立相关的数理模型，查明铜线键合界面变形/流动以及生成固溶体、金属间化合物等微结构的机制与条件，弄清高频超声能强化机理和载荷减小的物理本质，并研究铜线键合过程超声能、力、热等多能场的耦合匹配规律，形成高性能铜线互连技术。

目前，Cu线键合主要是基于宏观的参数规律匹配，本项目为深入微观层次探讨界面的行为规律，通过包埋法制作Φ50µm铜线键合点的测试样品，攻克微小键合点微观测试分析难题。采用高分辨透射电镜HRTEM和X衍射测试手段，与从纳米/原子尺度，探测铜线键合界面生成物的微观组织结构和晶体结构参数，发现铜线键合界面生成固溶扩散结构，未发现Cu-Al金属间化合物，Cu和AI的原子尺寸/晶格常数相差较大，原子尺寸/晶格常数存在差异，导致原子置换时产生晶格畸变，原子尺寸/晶格常数相差越大，需要克服的晶格变形能越大，且Cu和AI的电负性差较小，Cu/Al金属间化合物是相当困难的。. 为进一步查明Cu线键合界面金属间化合物生成的条件，Cu-Al金属间化合物生长激活能是Au-Al金属间化合物生长激活能的2倍多，考虑增加键合能来激活Cu-Al金属间化合物生成，设计了123kHz的高频超声换能器，装载于铜线键合实验平台中，适当提高键合温度，在高频超声能和热能共同作用下，Cu线键合界面的X衍射数据出现了一些新的峰值：3个晶面间距‘d’值1.9200(310)、2.1156(112)、4.2869(110)为CuAl2，其晶胞参数a=b=6.06708，c=4.86375；还有3个晶面间距‘d’值2.0518(330)、1.1844(552)、3.5559(211)为Cu9Al4，其晶胞参数a=8.70642。超声能合并热能激活了Cu-Al金属间化合物的生成，HRTEM和STEM也证实为CuAl2和Cu9Al4。当Cu-Al金属间化合物生成后，强化了键合界面的性能，强度测试统计分析表明Cu线键合的键合强度和可键合性明显提高。. 另一方面，采用键合区厚Al层新工艺，降低芯片硬度，减小键合冲击，可提高铜线键合强度和成功率，特别是Cu线的硬度是Au线的3-4倍，在悬臂键合过程，超声振动/键合压力等多形态键合能键合能的作用下，硬Cu键合导致较大的实时挠度和冲击，最大挠度和冲击达到60-80µm，影响能量的传递与转化，为提高Cu线悬臂键合过程的稳定性，通过增加芯片焊盘的Al层的厚度，降低芯片硬度，改善硬Cu悬臂键合过程的动力学，减小实时挠度和冲击，Al层厚度增加至2.8µm，实时挠度和冲击减小至20-30µm，提高硬铜键合过程多形态键合能的稳定传输，强化键合过程，提高了铜线悬臂键合强度和成功率。