温度梯度驱动Cu-In系统热迁移与金属间化合物非对称生长：面向高可靠3D互连

《Journal of Materials Research and Technology》：Thermomigration-driven Cu Diffusion and asymmetrical growth of intermetallics in Cu-In system for reliable 3D interconnects

为实现三维集成电路（3D IC）高可靠性互连，本研究针对温度梯度对Cu/In/Cu接头中金属间化合物（IMC）生长与热迁移行为的影响展开了系统研究。结果表明，在86°C/cm温度梯度下，固液互扩散（SLID）键合过程中，Cu原子向冷端热迁移导致Cu11In9和CuIn IMC呈现非对称生长（冷端厚、热端薄）。研究计算得出Cu在熔融In中的输运热（Q*）为1.48±0.44 kJ/mol，表明其热迁移驱动力低于传统无铅钎料。该研究为理解温度梯度对Cu-In体系原子输运与IMC演化的调控作用提供了定量依据，有助于优化基于Cu/In的SLID键合工艺，提升3D互连可靠性。

　　

随着电子产品对小型化和高性能的持续追求，半导体行业遵循摩尔定律不断将晶体管微缩，但传统的二维集成已逼近其物理极限。为此，三维集成电路（3D IC）封装技术应运而生，它通过垂直堆叠多个芯片，显著缩短了互连长度和信号传输路径，同时实现了不同功能芯片的异质集成。然而，3D IC也带来了严峻的热管理挑战。不断增大的电流密度导致了严重的焦耳热，而堆叠结构有限的散热表面积使得焊点处会形成巨大的温度梯度。这种温度梯度会驱动热迁移现象，导致焊料与凸点下金属化层（UBM）界面处的金属间化合物（IMC）发生非对称演化，从而降低互连的电、热和机械可靠性。

与此同时，传统的高温键合工艺会进一步加剧热应力、对准偏移和潜在的器件损伤。为了缓解这些问题，低温固液互扩散（SLID）键合，也称为瞬态液相（TLP）键合，受到了越来越多的关注。在键合过程中施加温度梯度已被证明能显著加速键合动力学，但同时也增强了热迁移，深刻影响元素扩散和IMC生长行为。在众多材料体系中，铟（In）因其156.6°C的低熔点，使得键合温度可远低于锡基钎料，而铜（Cu）因其优异的导电性和润湿性被广泛用作UBM材料，这使得Cu-In体系成为有前景的低温互连技术候选。然而，尽管对Ag-In体系中的IMC形成和热迁移行为已有广泛研究，但对于Cu/In接头中热迁移驱动的微观结构演化，特别是与SLID键合动力学相关联的系统研究仍然有限。

为此，来自台湾国立清华大学的研究团队在《Journal of Materials Research and Technology》上发表论文，系统研究了在SLID键合过程中，施加温度梯度对Cu/In/Cu接头中热迁移行为及IMC演化的影响。他们采用对称的Cu/In/Cu三明治结构，在220°C、86°C/cm温度梯度下进行回流，分析了不同回流时间下Cu与In的界面反应和IMC演化，并与等温键合条件进行对比。研究揭示了温度梯度导致的IMC非对称生长机制，并定量计算了Cu在熔融In中的关键热迁移参数，为优化基于Cu/In的可靠3D互连提供了重要见解。

研究人员主要运用了几项关键技术方法：首先，他们制备了Cu/In/Cu三明治结构样品，通过在热板（220°C）一端加热，另一端接触铝制散热器，建立了横跨In层的温度梯度。其次，利用有限元分析（FEA）进行稳态热模拟，并结合K型热电偶实验测量，验证了样品内部（约86°C/cm）与近等温条件下的温度分布。在微观结构表征方面，研究团队采用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）结合能量色散X射线光谱（EDX）对抛光并蚀刻后的截面样品进行形貌观察和成分分析，并使用聚焦离子束（FIB）制备透射电子显微镜（TEM）样品，通过选区电子衍射（SADP）确定了IMC的晶体结构。最后，利用ImageJ软件测量IMC厚度，并基于原子通量模型和斯托克斯-爱因斯坦关系，进行了动力学分析，计算了Cu在熔融In中的输运热（Q*）。

3.1. Cu/In/Cu样品的模拟温度分布和温度梯度

通过ANSYS进行的有限元模拟显示，在强制温度梯度条件下，In层内的最高和最低局部温度分别为217.4°C和216.8°C，温差0.6°C，对应于70 μm厚In层的温度梯度为86°C/cm。而在近等温条件下，上下界面温度几乎一致（约219.4°C），梯度可忽略。实验热电偶测量结果与模拟值高度吻合，验证了热模型的可靠性。

3.2. 温度梯度键合和近等温条件下Cu/In/Cu样品的微观结构演化

在86°C/cm温度梯度下键合不同时间后，Cu/In界面处均观察到两层不同的IMC。靠近In层的一侧为致密的扇贝状形貌，靠近Cu UBM的一侧则为细小的球形颗粒形成的准连续多孔层。EDX分析表明，其成分分别对应Cu₁₁In₉和CuIn相。TEM及SADP分析进一步证实了这两相的晶体结构。在键合240分钟后，热端的连续CuIn层完全消失，扇贝状Cu₁₁In₉IMC从Cu UBM上脱落。相比之下，在220°C等温键合的样品中，IMC在接头两端呈对称生长。

3.3. 温度梯度下Cu-In IMC的生长

对IMC厚度的定量分析表明，在温度梯度下，冷端的Cu₁₁In₉和CuIn生长均快于热端，呈现明显的非对称性。Cu₁₁In₉的生长可分为两个阶段：前90分钟为快速生长阶段，冷端生长速率（0.153 μm/min）高于热端（0.103 μm/min）；90分钟后进入慢速生长阶段，冷端速率降至0.020 μm/min，热端降至0.011 μm/min。对于CuIn相，在90分钟后，热端厚度急剧减少甚至消失，而冷端则缓慢增厚。对Cu UBM厚度的监测发现，热端的Cu消耗速率显著高于冷端，到180分钟时热端Cu UBM几乎被完全消耗，这证实了Cu原子从热端向冷端的净迁移通量。

3.4. 熔融In体系中Cu的动力学分析

IMC的总体生长行为受化学势梯度驱动力和温度梯度驱动力竞争控制。在生长第一阶段，化学势梯度驱动力占主导，两端IMC生长速率相近。随着Cu UBM被消耗，化学势梯度减小。在第二阶段，温度梯度驱动力变得相对重要，导致热端IMC生长减缓甚至发生再溶解，而冷端则继续增厚。基于原子通量模型的计算，得到了Cu原子由温度梯度驱动的平均迁移通量（J_TM）为1.30×10¹⁵atoms/cm²?s。

JTM), where the thickness of the IMC layers at the cold end and the hot end are similar. (c) At stage 2, chemical potential gradient driving force become smaller and temperature gradient driving force start to dominant (JChem ≈ JTM), where the thickness of the Cu11In9 IMC layer at the cold end become thicker than the hot end over time.">

3.5. Cu在熔融In中的输运热（Q）*

基于实验得到的平均热迁移通量，并结合Cu在In中的溶解度、通过斯托克斯-爱因斯坦关系估算的扩散系数等参数，研究人员计算得出Cu在熔融In中的输运热（Q）在220°C下为1.48 ± 0.44 kJ/mol。该值高于260°C下Ni在液态Sn-Ag中的Q（0.76 kJ/mol），但显著低于260°C下Cu在液态Sn中的Q*（20 kJ/mol）。这表明，在86°C/cm的温度梯度下，Cu原子通过熔融In的扩散速率相对较慢，导致Cu UBM的消耗更为平缓，因此IMC的非对称生长程度低于传统的Sn基钎料体系。

本研究系统揭示了在SLID键合过程中，温度梯度对Cu/In/Cu接头液-固界面反应及IMC演化的影响机制。核心结论是，在220°C、约86°C/cm的温度梯度下回流会导致Cu₁₁In₉和CuIn IMC的非对称生长，冷端生长快于热端，而等温回流则产生对称的IMC层。这种非对称生长归因于Cu原子从热端向冷端的热迁移。IMC的演化经历了两个阶段，由化学势梯度与温度梯度的竞争所主导。第一阶段，化学势梯度占主导，促进两端IMC增厚；第二阶段，随着Cu被消耗，化学势梯度减小，温度梯度驱动力作用相对凸显，导致冷端IMC生长放缓，热端厚度进一步减少。研究定量得出的Cu在熔融In中较低的输运热（1.48±0.44 kJ/mol）表明，与常规Sn基钎料相比，Cu/In/Cu接头在温度梯度下具有更高的稳定性，其IMC非对称生长程度更轻，有助于提升互连的长期可靠性。这项工作为理解温度梯度调控Cu-In体系原子输运与IMC演化提供了定量视角，对优化基于Cu/In的SLID键合工艺，以应用于高可靠性的先进微电子封装具有重要的指导意义。