Verbeteren van de bindingssterkte van elektroverplaatste Cu-pilaren voor halfgeleiderverpakkingen door controle van korreloriëntatie

Waarom kleine metalen torentjes belangrijk zijn voor snelle chips

Binnen moderne high‑performance computers en hardware voor kunstmatige intelligentie moeten geheugenchips gegevens met verbazingwekkende snelheden uitwisselen. Daarvoor vertrouwen ze op duizenden kleine metalen torentjes, koperpilaren genoemd, die tussen een siliciumchip en zijn behuizing staan. Deze pilaren voeren elektrische signalen, geleiden warmte en helpen de stapel bij elkaar te houden. Terwijl ingenieurs meer verbindingen in kleinere ruimtes proppen, wordt elke pilaar dunner en dichter bij de buren geplaatst, waardoor de sterkte van elk afzonderlijk contact kritisch belangrijk wordt. Deze studie onderzoekt hoe een subtiele wijziging in de manier waarop deze koperpilaren worden gegroeid het verschil kan maken tussen een robuuste, langlevende verpakking en een die bij belasting kan barsten.

Van soldeerbobbels naar koperen torens

Jarenlang waren platte soldeerbobbels de standaardmethode om een chip met zijn verpakking te verbinden. Maar zodra de afstand tussen aansluitingen kleiner wordt dan ongeveer een tiende millimeter, verliezen deze zachte bobbels hoogte en raken ze elkaar, wat de prestaties en betrouwbaarheid beperkt. Koperpilaren bieden een elegantere oplossing: een stijve koperen kolom met een dunne soldeerlaag bovenop. Deze stijve vorm houdt een constante afstand, verbetert elektrisch en thermisch gedrag en kan dichter opeengepakt worden. Toch bepalen de interne kristalstructuur van het koper en de wijze waarop het oppervlak tijdens de productie wordt gevormd stilletjes hoe goed elke pilaar vast blijft zitten wanneer het apparaat opwarmt, afkoelt en buigt in gebruik.

Hoe het maken van het metaal zijn interne patroon verandert

De onderzoekers fabriceerden koperpilaren van slechts 25 micrometer breed—ongeveer een kwart van een menselijke haar—met een vaste chemie in het plaatbad maar drie verschillende stroominstellingen tijdens de groei. Met behulp van elektronenmicroscopen en diffractie-technieken brachten ze de kleine kristalkorrels in elke pilaar in kaart. Bij de laagste stroom groeide het koper als relatief grote, ordelijke kolommen gedomineerd door één bijzonder stabiele oriëntatie. Naarmate de stroom toenam, stollende het metaal sneller, waardoor veel fijnere korrels met een wirwar aan oriëntaties ontstonden. Deze verfijning klinkt misschien voordelig, omdat kleine korrels metalen kunnen versterken, maar ze creëert ook veel meer interne grenzen waar atomen niet uitgelijnd zijn en die gevoeliger zijn voor chemische aantasting.

Verborgen inkepingen die het contact verzwakken

Nadat de pilaren waren gegroeid, verwijderde het team de tijdelijke koperen "zaad"laag eronder met een zuurwaterige oplossing. Idealiter haalt deze stap alleen overtollig metaal weg, maar in de praktijk kan ze ook zijwaarts onder de basis van elke pilaar knagen en een kleine uitsparing vormen die bekendstaat als een undercut. Door dwarsdoorsneden te onderzoeken, vonden de wetenschappers dat pilaren bij lage stroom slechts een ondiepe undercut ontwikkelden, minder dan een halve micrometer diep. Hoogstroompilaren, met hun fijnere korrelnetwerk, vertoonden veel grotere uitgeboorde gebieden, tot bijna twee micrometer. Omdat korrelgrenzen als gemakkelijke paden voor de etsoplossing fungeren, maakte het hebben van meer van zulke grenzen het eenvoudiger voor de oplossing om zijwaarts te verspreiden en de basis uit te hollen.

Sterkte meten en spanningen in kaart brengen

Om te zien hoe deze vormen de praktijkprestaties beïnvloeden, duwde het team zijwaarts tegen individuele pilaren totdat ze bezweken, waarmee een zware mechanische belasting werd nagebootst. Pilaren gegroeid bij lage stroom met kleine undercuts hielden bijna het dubbele aan kracht van die geproduceerd bij de hoogste stroom. Microscopen van de gebroken verbindingen toonden dat sterke pilaren de neiging hadden binnenin het koper zelf te scheuren, een ductiele, energieabsorberende breuk. Daarentegen scheidden pilaren met grote undercuts vaak precies langs de uitgeholde rand, een adhesieve breuk die op een zwakke interface wijst. Computersimulaties van de driedimensionale spanningsverdeling bevestigden dat undercuts spanning concentreren aan de onderrand van de pilaar, precies daar waar scheuren werden waargenomen te beginnen.

Ontwerpen van stevigere verbindingen voor toekomstige chips

Al met al laat de studie zien dat voor deze koperpilaren de grootste bedreiging voor betrouwbaarheid niet de basale sterkte van het metaal is, maar een onomkeerbare geometrische fout die tijdens het etsen wordt uitgesneden. Hoogstroomplating verfijnt de korrelstructuur maar bevordert diepe undercuts die de lokale spanning sterk verhogen en de bindingssterkte scherp verminderen. Laagstroomplating bevordert grotere, stabielere korrels, weerstaat het groeien van undercuts en levert taaiere verbindingen op. Voor chipfabrikanten betekent dit dat het zorgvuldig afstemmen van de plaatstroom—en toekomstige meerstaps stroomprofielen—een praktische weg biedt naar pilaren die volgende‑generatie geheugenverpakkingen zowel snel als duurzaam houden gedurende jaren van gebruik.

Bronvermelding: Yoon, J., Shin, T., Kim, D. et al. Enhancing bonding strength of the electroplated Cu pillars for semiconductor package by controlling grain orientation. Sci Rep 16, 9814 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38879-9

Trefwoorden: koperpilaarbumpjes, halfgeleiderverpakking, elektroplating, microstructuur, mechanische betrouwbaarheid