《矽通孔結構中界面滑移行為的實驗研究》是依託北京航空航天大學，由蘇飛擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：矽通孔結構中界面滑移行為的實驗研究
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：蘇飛
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本項目針對三維電子封裝的核心器件 - 矽通孔（TSV）的界面滑移行為展開研究，主要內容有：（1）不同熱載荷及電遷移作用下TSV界面滑移的規律，包括銅填充內縮、外凸與界面開裂的發生條件以及界面滑移速率的測量 ；（2）TSV界面滑移的微觀機制。通過對界面處微觀結構的透射電鏡觀察、掃描電鏡結合數字圖像相關法對TSV界面滑移及界面兩側變形場的原位觀測與測量、納米壓痕法對界面材料蠕變性能的測試以及聲發射法對滑移過程中的位錯運動的監測等實驗手段，探索TSV界面滑移的微觀機制；（3）根據TSV界面滑移機制和一系列實驗數據，探索TSV界面滑移行為的表征方法，建立相應的數學物理模型。 本項目的研究有助於三維電子封裝製作工藝參數的最佳化和可靠性的改善，也有助於界面力學的理論體系和微尺度實驗力學技術的進一步發展。
結題摘要
作為三維電子封裝關鍵部件的矽通孔（TSV）結構可以方便的實現層疊晶片垂直方向的電互連，由於減少了引線長度和電信號延遲，使系統集成度和電性能得以大幅提高。但是新工藝引發的一系列可靠性問題還沒有得到充分認識和解決，其中比較典型的是熱循環過程由於矽基體與填充銅之間較大的熱膨脹係數差異引起的熱應力與界面滑移問題，嚴重影響了周圍晶片的電性能（壓阻效應）和可靠性。特別是發生界面滑移現象(即銅填充相對於矽基體的膨出和縮進)後，在兩種材料的界面上仍然結構完整，這是一種尚未研究透測的界面力學現象。本項目針對矽通孔中的界面滑移現象展開研究，主要內容和結果如下： （1）採用掃描電鏡下的原位熱載入試驗，研究了界面滑移現象發生的條件以及對晶片電路造成的損傷，測試了不同溫度下的膨出速度，為界面滑移模型的驗證提供了實驗支持。 （2）通過自研的顯微紅外光彈儀測試了TSV結構在加熱過程中的熱應力變化，發現了界面滑移現象對TSV結構的熱應力影響規律，也從另一個側面佐證了界面滑移現象的溫度條件； （3）研究了界面滑移現象的微觀機制。這裡面有兩方面的工作：首先，通過聚焦離子束（FIB）切割製作了TSV 界面試件，在透射電鏡下觀察了界面層的原子結構，採用EDS線掃描分析了界面層上的元素分布，發現界面層實際上是多種元素的混合體，衍射花斑又證明它是一種晶體，因此推測界面層實際上已經形成一種合金。其次，研究了幾種金屬材料在蠕變和塑形變形過程中的聲發射特徵，發現蠕變過程中的材料沒有聲發射信號出現。考慮到（界面層）合金的低熔點特性，以及TSV晶片在退火過程中極弱的聲發射信號特徵，我們得出了TSV界面滑移是緣於界面層材料高溫條件下的擴散性蠕變的結論。 （4）基於高溫擴散性蠕變的微觀機制，建立了界面滑移的理論預測模型和相應的計算方法，可以根據界面層的厚度/環境溫度以及其它材料常數，預測界面滑移的高度及其隨溫度和時間的變化規律。 通過本項目的研究，搞清了TSV界面滑移的微觀機制，並基於此機制建立了界面滑移理論模型和相應的計算方法；在項目研究驅動下還研製成功了國際上首台顯微紅外光彈儀，並套用它發現了界面滑移對TSV結構熱應力的影響規律。本項目的研究達到了預期目標，為類似的工程問題和界面力學問題的研究提供了實驗方法和理論模型方面的指導。
