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在半導體技術持續向3D集成與先進封裝發展的背景下，微凸點作為高密度互連的關鍵結構，其機械可靠性直接影響到系統整體性能與壽命。當前行業面臨的核心技術瓶頸在于傳統宏觀測試方法（如剪切、拉伸測試）難以在納米尺度準確表征異質界面的本征強度與失效機理，尤其對于Cu/Ni、Ni/SnAg等多材料界面，其界面脆性、孔洞生長、晶界弱化等問題在熱?機械耦合載荷下極易引發失效，制約了高可靠、高密度封裝的進一步發展。

因此戰略上急需發展跨尺度、原位、定量的界面表征與調控技術，通過納米力學測試、微觀結構設計與工藝優化（如調控IMC組織、引入納米孿晶強化等），實現界面可靠性的精準評估與提升，支撐我國在先進封裝領域的自主創新與產業安全。

針對上述問題，由東南大學等組成的團隊利用澤攸科技原位TEM測量系統進行了深入研究，其核心創新為提出基于原位TEM的微凸點異質界面強度原位測試與表征方案，揭示了 Ni/SnAg 等異質界面因 IMC 相脆性、空洞積累導致的失效機制，建立了微觀界面強度量化體系以突破傳統測試技術瓶頸。

標題：Study on micro failure mechanism of flip-chip bump interface by in-situ transmission electron microscope

期刊：Journal of Materials Research and Technology

網址：https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2025.10.233 

異質界面拉伸強度定量表征

研究團隊通過懸臂梁測試精確測定了微凸點中Cu/Ni和Ni/SnAg兩種關鍵異質界面的力學性能。實驗結果表明，Cu/Ni界面拉伸強度高達約1775 MPa，而Ni/SnAg界面強度僅為335 MPa，相差5倍以上。這一巨大差異揭示了微凸點結構中薄弱環節的位置，為封裝設計提供了關鍵定量依據。微觀結構分析顯示，Ni/SnAg界面處形成了(Cu,Ni)?Sn?金屬間化合物(IMC)，其與SnAg焊料邊界處存在大量Kirkendall空洞，成為界面強度顯著降低的重要原因。

圖 (a) 鍵合后微凸點橫截面的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像；(b) 金屬間化合物（IMC）的能譜（EDS）成分圖；(c) Cu/Ni界面的拉伸測試樣品；(d) Ni/SnAg（IMC）界面的拉伸測試樣品；(e) 通過聚焦離子束（FIB）在懸臂梁尖端加工的凹槽

圖 透射電子顯微鏡（TEM）下懸臂梁拉伸測試結果：(a–c) Cu/Ni界面樣品的初始狀態、最大伸長狀態和斷裂狀態；(d–f) Ni/SnAg界面樣品的初始狀態、最大伸長狀態和斷裂狀態

Cu/Ni界面失效微觀機制解析

利用澤攸科技原位TEM測量系統，研究團隊在納米尺度實時捕捉了Cu/Ni界面在拉伸載荷下的微觀變形演化過程。原位觀察發現，斷裂并非發生在Cu/Ni界面處，而是位于Cu層內部；Cu層中預先存在的納米孿晶有效阻礙了微裂紋擴展，而多滑移帶在晶粒內部的交互作用最終導致"W"形斷裂路徑形成。澤攸科技原位TEM測量系統的高精度操控能力使研究者能夠精確控制載荷施加過程，同時通過實時成像清晰記錄位錯運動與孿晶界相互作用的動態過程，揭示了納米孿晶結構對界面強度的增強機制。

圖 Cu/Ni界面的原位透射電鏡（TEM）拉伸測試結果：(a) 試樣在0秒時的初始微觀結構；(b) 試樣在377秒時的微觀結構及其局部放大圖；(c) 試樣在907秒時的微觀結構及其局部放大圖；(d) 試樣在1465秒時的微觀結構及其局部放大圖

Ni/SnAg界面拉伸失效行為研究

在拉伸載荷下，Ni/SnAg界面展現出獨特的"空洞生長-聚結-界面開裂"失效機制。原位TEM觀察顯示，IMC/SnAg邊界處預先存在的Kirkendall空洞在載荷作用下顯著擴展，隨后相互連接形成連續裂紋路徑。研究發現，這些空洞主要分布在IMC靠近焊料一側，歸因于Sn原子與Ni原子擴散速率差異導致的空位聚集。在拉伸過程中，SnAg焊料層顯著延展吸收應變，而Ni/IMC界面保持穩定，證實IMC/SnAg邊界是整個結構中薄弱區域，這與宏觀測試中觀察到的低強度現象完全吻合。

圖 拉伸測試前Ni/SnAg界面的透射電鏡（TEM）微觀結構：(a) Ni/SnAg界面的整體形貌，其中金屬間化合物（IMC）層位于Ni層與SnAg焊料之間；(b) (a)中區域①的局部放大圖；(c) (a)中區域②的局部放大圖；(d) (a)中區域③的局部放大圖及其對應的快速傅里葉變換（FFT）圖像

圖 Ni/SnAg界面的原位TEM拉伸測試結果：(a) 試樣在0秒時的初始微觀結構；(b) 試樣在287秒時的微觀結構及其局部放大圖；(c) 試樣在427秒時的微觀結構及其局部放大圖；(d) 試樣在643秒時的微觀結構

Ni/SnAg界面剪切載荷響應特性

為模擬微凸點在實際服役中可能遇到的剪切應力，研究團隊重新配置測試方案進行原位剪切實驗。結果表明，在剪切載荷下Ni/SnAg界面呈現完全不同的失效模式：裂紋優先在IMC晶界和三叉晶界處形核，并沿晶界擴展，最終穿透Ni層形成貫穿性斷裂路徑。與拉伸載荷下Kirkendall空洞主導失效不同，剪切條件下IMC粗大晶粒及其晶界缺陷成為主導因素。這一發現為優化IMC微觀結構提供了直接實驗證據，指明細化IMC晶粒、增強晶界結合強度是提升微凸點剪切可靠性的關鍵途徑。

圖 Ni/SnAg界面的原位TEM剪切測試結果：(a) 剪切模擬用聚焦離子束（FIB）樣品制備示意圖（黃色箭頭表示加載方向，藍色箭頭表示施力方向）；(b) 初始微觀結構表征（制樣殘留的Pt層可忽略不計）；(c) (b)中區域I和區域II的局部放大圖；(d) 試樣在206秒時的微觀結構及其局部放大圖；(e) 試樣在437秒時的微觀結構及其局部放大圖；(f) 試樣在636秒時的微觀結構

澤攸科技作為中國本土的儀器公司，是原位電子顯微鏡表征解決方案的一流供應商，推出的PicoFemto系列的原位透射電子顯微鏡表征解決方案，陸續為國內外用戶的重磅研究成果提供了技術支持。