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微焊點(diǎn)金屬間化合物分析:EDS與EBSD技術(shù)應(yīng)用

金鑒實(shí)驗(yàn)室 ? 2024-12-23 17:28 ? 次閱讀

隨著半導(dǎo)體行業(yè)的迅猛發(fā)展,集成電路的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)經(jīng)歷了從簡單的平面二維布局到復(fù)雜的三維堆疊結(jié)構(gòu)的重大轉(zhuǎn)變。這種轉(zhuǎn)變極大地增強(qiáng)了芯片的性能,并提高了其功能集成度。三維集成電路的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵在于硅通孔技術(shù)(TSV),該技術(shù)允許不同層級(jí)的芯片實(shí)現(xiàn)垂直連接,從而創(chuàng)造出更為精密的芯片架構(gòu)。隨著焊點(diǎn)尺寸的持續(xù)減小,對焊料的選擇和焊接工藝提出了更高的要求,這為半導(dǎo)體行業(yè)帶來了新的技術(shù)挑戰(zhàn)。

焊料選擇與挑戰(zhàn)

在這一過程中,基于錫(Sn)的焊料因其優(yōu)異的焊接性能和成本效益而被廣泛采用。然而,基于Sn的焊料與母材(例如銅Cu)在焊接過程中會(huì)發(fā)生反應(yīng),形成如Cu6Sn5和Cu3Sn等金屬間化合物(Intermetallic Compounds, IMCs)。這些IMCs的形成對焊點(diǎn)的機(jī)械性能和電性能有著顯著影響,可能會(huì)影響微電子設(shè)備的長期可靠性。


分析技術(shù)的應(yīng)用

為了更好地理解和控制這些現(xiàn)象,研究人員采用了能量色散X射線光譜(Energy-Dispersive Spectroscopy, EDS)和電子背散射衍射(Electron Backscatter Diffraction, EBSD)技術(shù)來分析微焊點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過使用能譜探測器,研究人員對微焊點(diǎn)區(qū)域的成分進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示,焊點(diǎn)的兩側(cè)主要是銅(Cu)和鎳(Ni)元素,而中間區(qū)域則存在錫(Sn)和少量銀(Ag)顆粒。通過AutoPhaseMap功能,研究人員進(jìn)一步揭示了中間區(qū)域相結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,發(fā)現(xiàn)了多種不同的相。菊池帶襯度分布圖清晰地展示了各層晶粒的形貌,而將相結(jié)構(gòu)與菊池帶襯度疊加的圖像則顯示了區(qū)域內(nèi)存在的六種不同相。


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定量線掃描分析揭示了鎳(Ni)元素在中間區(qū)域的分布,表明可能存在穩(wěn)定的(Cu,Ni)6Sn5相。對Cu6Sn5和Cu3Sn相的取向和晶粒大小分析顯示,Cu3Sn相中的晶粒呈等軸晶結(jié)構(gòu),平均晶粒尺寸約為350納米,部分晶粒的[001]晶向趨于與Y方向平行。


技術(shù)優(yōu)勢與挑戰(zhàn)

能譜探測器和Symmetry EBSD技術(shù)在本研究中展現(xiàn)了其高速度和高分辨率的優(yōu)勢。AZtec軟件的TruPhase功能利用能譜實(shí)時(shí)區(qū)分具有相似晶體結(jié)構(gòu)但成分不同的相,極大地提高了分析的準(zhǔn)確性。Symmetry EBSD技術(shù)在短時(shí)間內(nèi)完成了多種物相的標(biāo)定和能譜采集,顯示了其高效率。


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總結(jié)與展望

通過運(yùn)用先進(jìn)的EDS和EBSD技術(shù),研究人員能夠?qū)ξ⒑更c(diǎn)的成分和結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確表征,這對于優(yōu)化焊接工藝、提高微電子設(shè)備的性能和可靠性具有重要意義。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,未來半導(dǎo)體工業(yè)中的焊點(diǎn)設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化將更加依賴于這些高精度的分析技術(shù)。此外,隨著對焊點(diǎn)可靠性要求的提高,對IMCs的形成機(jī)制和影響因素的研究也將更加深入,以確保微電子設(shè)備的長期穩(wěn)定運(yùn)行。

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