《晶片銅線鍵合界面微結構生成機理與規律研究》是依託中南大學，由李軍輝擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：晶片銅線鍵合界面微結構生成機理與規律研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：李軍輝
- 依託單位：中南大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
晶片封裝採用鋁線和金線互連，由此產生的信號延遲占積體電路（IC）系統總延遲的主要部分，制約著IC系統運行速度和高頻特性。而，銅線互連因銅具有優良的電傳輸特性，信號路徑產生的信號延遲大大減小，銅線互連鍵合將成為高性能IC的必然選擇。.針對銅線互連鍵合發展的技術瓶頸- - 銅的硬度比金和鋁大，需施加雙倍載荷完成鍵合，而，雙倍載荷引起晶片組織損傷、焊點破壞，導致互連失效，本項目以實現超聲銅線鍵合載荷最小化為目標，從微觀層次，探討不同頻率/功率超聲能激活銅鍵合材料的微觀特性（晶體位錯、原子擴散等）及其軟化流變行為，研究銅線鍵合界面對多形態鍵合能的吸收與轉換通道以及鍵合微結構的生成，建立相關的數理模型，查明銅線鍵合界面變形/流動以及生成固溶體、金屬間化合物等微結構的機制與條件，弄清高頻超聲能強化機理和載荷減小的物理本質，並研究銅線鍵合過程超聲能、力、熱等多能場的耦合匹配規律，形成高性能銅線互連技術。
結題摘要
目前，Cu線鍵合主要是基於巨觀的參數規律匹配，本項目為深入微觀層次探討界面的行為規律，通過包埋法製作Φ50µm銅線鍵合點的測試樣品，攻克微小鍵合點微觀測試分析難題。採用高分辨透射電鏡HRTEM和X衍射測試手段，與從納米/原子尺度，探測銅線鍵合界面生成物的微觀組織結構和晶體結構參數，發現銅線鍵合界面生成固溶擴散結構，未發現Cu-Al金屬間化合物，Cu和AI的原子尺寸/晶格常數相差較大，原子尺寸/晶格常數存在差異，導致原子置換時產生晶格畸變，原子尺寸/晶格常數相差越大，需要克服的晶格變形能越大，且Cu和AI的電負性差較小，Cu/Al金屬間化合物是相當困難的。為進一步查明Cu線鍵合界面金屬間化合物生成的條件，Cu-Al金屬間化合物生長激活能是Au-Al金屬間化合物生長激活能的2倍多，考慮增加鍵合能來激活Cu-Al金屬間化合物生成，設計了123kHz的高頻超聲換能器，裝載於銅線鍵合實驗平台中，適當提高鍵合溫度，在高頻超聲能和熱能共同作用下，Cu線鍵合界面的X衍射數據出現了一些新的峰值：3個晶面間距‘d’值1.9200(310)、2.1156(112)、4.2869(110)為CuAl2，其晶胞參數a=b=6.06708，c=4.86375；還有3個晶面間距‘d’值2.0518(330)、1.1844(552)、3.5559(211)為Cu9Al4，其晶胞參數a=8.70642。超聲能合併熱能激活了Cu-Al金屬間化合物的生成，HRTEM和STEM也證實為CuAl2和Cu9Al4。當Cu-Al金屬間化合物生成後，強化了鍵合界面的性能，強度測試統計分析表明Cu線鍵合的鍵合強度和可鍵合性明顯提高。另一方面，採用鍵合區厚Al層新工藝，降低晶片硬度，減小鍵合衝擊，可提高銅線鍵合強度和成功率，特別是Cu線的硬度是Au線的3-4倍，在懸臂鍵合過程，超聲振動/鍵合壓力等多形態鍵合能鍵合能的作用下，硬Cu鍵合導致較大的實時撓度和衝擊，最大撓度和衝擊達到60-80µm，影響能量的傳遞與轉化，為提高Cu線懸臂鍵合過程的穩定性，通過增加晶片焊盤的Al層的厚度，降低晶片硬度，改善硬Cu懸臂鍵合過程的動力學，減小實時撓度和衝擊，Al層厚度增加至2.8µm，實時撓度和衝擊減小至20-30µm，提高硬銅鍵合過程多形態鍵合能的穩定傳輸，強化鍵合過程，提高了銅線懸臂鍵合強度和成功率。
