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在半导体技术持续向3D集成与先进封装发展的背景下，微凸点作为高密度互连的关键结构，其机械可靠性直接影响到系统整体性能与寿命。当前行业面临的核心技术瓶颈在于传统宏观测试方法（如剪切、拉伸测试）难以在纳米尺度准确表征异质界面的本征强度与失效机理，尤其对于Cu/Ni、Ni/SnAg等多材料界面，其界面脆性、孔洞生长、晶界弱化等问题在热‑机械耦合载荷下极易引发失效，制约了高可靠、高密度封装的进一步发展。

因此战略上急需发展跨尺度、原位、定量的界面表征与调控技术，通过纳米力学测试、微观结构设计与工艺优化（如调控IMC组织、引入纳米孪晶强化等），实现界面可靠性的精准评估与提升，支撑我国在先进封装领域的自主创新与产业安全。

针对上述问题，由东南大学等组成的团队利用泽攸科技原位TEM测量系统进行了深入研究，其核心创新为提出基于原位TEM的微凸点异质界面强度原位测试与表征方案，揭示了 Ni/SnAg 等异质界面因 IMC 相脆性、空洞积累导致的失效机制，建立了微观界面强度量化体系以突破传统测试技术瓶颈。

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

期刊：Journal of Materials Research and Technology

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

异质界面拉伸强度定量表征

研究团队通过悬臂梁测试精确测定了微凸点中Cu/Ni和Ni/SnAg两种关键异质界面的力学性能。实验结果表明，Cu/Ni界面拉伸强度高达约1775 MPa，而Ni/SnAg界面强度仅为335 MPa，相差5倍以上。这一巨大差异揭示了微凸点结构中薄弱环节的位置，为封装设计提供了关键定量依据。微观结构分析显示，Ni/SnAg界面处形成了(Cu,Ni)₃Sn₄金属间化合物(IMC)，其与SnAg焊料边界处存在大量Kirkendall空洞，成为界面强度显著降低的重要原因。

图 (a) 键合后微凸点横截面的扫描电子显微镜（SEM）图像；(b) 金属间化合物（IMC）的能谱（EDS）成分图；(c) Cu/Ni界面的拉伸测试样品；(d) Ni/SnAg（IMC）界面的拉伸测试样品；(e) 通过聚焦离子束（FIB）在悬臂梁尖端加工的凹槽

图 透射电子显微镜（TEM）下悬臂梁拉伸测试结果：(a–c) Cu/Ni界面样品的初始状态、最大伸长状态和断裂状态；(d–f) Ni/SnAg界面样品的初始状态、最大伸长状态和断裂状态

Cu/Ni界面失效微观机制解析

利用泽攸科技原位TEM测量系统，研究团队在纳米尺度实时捕捉了Cu/Ni界面在拉伸载荷下的微观变形演化过程。原位观察发现，断裂并非发生在Cu/Ni界面处，而是位于Cu层内部；Cu层中预先存在的纳米孪晶有效阻碍了微裂纹扩展，而多滑移带在晶粒内部的交互作用最终导致"W"形断裂路径形成。泽攸科技原位TEM测量系统的高精度操控能力使研究者能够精确控制载荷施加过程，同时通过实时成像清晰记录位错运动与孪晶界相互作用的动态过程，揭示了纳米孪晶结构对界面强度的增强机制。

图 Cu/Ni界面的原位透射电镜（TEM）拉伸测试结果：(a) 试样在0秒时的初始微观结构；(b) 试样在377秒时的微观结构及其局部放大图；(c) 试样在907秒时的微观结构及其局部放大图；(d) 试样在1465秒时的微观结构及其局部放大图

Ni/SnAg界面拉伸失效行为研究

在拉伸载荷下，Ni/SnAg界面展现出独特的"空洞生长-聚结-界面开裂"失效机制。原位TEM观察显示，IMC/SnAg边界处预先存在的Kirkendall空洞在载荷作用下显著扩展，随后相互连接形成连续裂纹路径。研究发现，这些空洞主要分布在IMC靠近焊料一侧，归因于Sn原子与Ni原子扩散速率差异导致的空位聚集。在拉伸过程中，SnAg焊料层显著延展吸收应变，而Ni/IMC界面保持稳定，证实IMC/SnAg边界是整个结构中薄弱区域，这与宏观测试中观察到的低强度现象完全吻合。

图 拉伸测试前Ni/SnAg界面的透射电镜（TEM）微观结构：(a) Ni/SnAg界面的整体形貌，其中金属间化合物（IMC）层位于Ni层与SnAg焊料之间；(b) (a)中区域①的局部放大图；(c) (a)中区域②的局部放大图；(d) (a)中区域③的局部放大图及其对应的快速傅里叶变换（FFT）图像

图 Ni/SnAg界面的原位TEM拉伸测试结果：(a) 试样在0秒时的初始微观结构；(b) 试样在287秒时的微观结构及其局部放大图；(c) 试样在427秒时的微观结构及其局部放大图；(d) 试样在643秒时的微观结构

Ni/SnAg界面剪切载荷响应特性

为模拟微凸点在实际服役中可能遇到的剪切应力，研究团队重新配置测试方案进行原位剪切实验。结果表明，在剪切载荷下Ni/SnAg界面呈现完全不同的失效模式：裂纹优先在IMC晶界和三叉晶界处形核，并沿晶界扩展，最终穿透Ni层形成贯穿性断裂路径。与拉伸载荷下Kirkendall空洞主导失效不同，剪切条件下IMC粗大晶粒及其晶界缺陷成为主导因素。这一发现为优化IMC微观结构提供了直接实验证据，指明细化IMC晶粒、增强晶界结合强度是提升微凸点剪切可靠性的关键途径。

图 Ni/SnAg界面的原位TEM剪切测试结果：(a) 剪切模拟用聚焦离子束（FIB）样品制备示意图（黄色箭头表示加载方向，蓝色箭头表示施力方向）；(b) 初始微观结构表征（制样残留的Pt层可忽略不计）；(c) (b)中区域I和区域II的局部放大图；(d) 试样在206秒时的微观结构及其局部放大图；(e) 试样在437秒时的微观结构及其局部放大图；(f) 试样在636秒时的微观结构

泽攸科技作为中国本土的仪器公司，是原位电子显微镜表征解决方案的一流供应商，推出的PicoFemto系列的原位透射电子显微镜表征解决方案，陆续为国内外用户的重磅研究成果提供了技术支持。