Усиление прочности сцепления электроосажденных медных столбиков в полупроводниковой упаковке путем контроля ориентировки зерен

Почему маленькие металлические башенки важны для быстрых чипов

В современных высокопроизводительных компьютерах и аппаратуре для искусственного интеллекта модули памяти должны обмениваться данными с поразительной скоростью. Для этого они полагаются на тысячи крошечных металлических башенок, называемых медными столбиками, которые стоят между кремниевой микросхемой и её корпусом. Эти столбики проводят электрические сигналы, отводят тепло и помогают удерживать всю сборку вместе. По мере того как инженеры уплотняют количество соединений на все меньшей площади, каждый столбик становится тоньше и ближе к соседям, поэтому прочность каждого отдельного соединения приобретает критическое значение. В этом исследовании изучается, как тонкое изменение в способе роста медных столбиков может стать границей между надежной, долговечной упаковкой и той, что может потрескаться при нагрузке.

От припоечных выпуклостей к медным башням

На протяжении многих лет стандартным способом соединения чипа с корпусом были плоские выпуклости припоя. Однако при уменьшении шага между контактами до примерно десятой доли миллиметра эти мягкие выступы теряют высоту и сближаются, что ограничивает производительность и надежность. Медные столбики предлагают более изящное решение: жесткий медный столб с тонкой припоечной шляпкой. Такая жесткая форма сохраняет постоянный зазор, улучшает электрические и тепловые характеристики и позволяет плотнее размещать соединения. Но внутренняя кристаллическая структура меди и то, как формируется её поверхность в процессе изготовления, тихо определяют, насколько надежно каждый столбик будет держаться при нагреве, охлаждении и изгибе изделия в работе.

Как способ осаждения меняет внутреннюю структуру металла

Исследователи изготовили медные столбики шириной всего 25 микрометров — примерно четверть человеческого волоса — используя неизменный состав ванны для гальваники, но три разные настройки электрического тока в процессе роста. С помощью электронных микроскопов и методов дифракции они картировали крошечные кристаллические зерна внутри каждого столбика. При наименьшем токе медь росла в относительно большие упорядоченные колонны, доминируемые одной особенно стабильной ориентировкой. С увеличением тока металл затвердевал быстрее, образуя гораздо более мелкие зерна с хаотичным распределением ориентировок. Такое измельчение может показаться полезным, поскольку мелкие зерна часто повышают прочность металлов, но оно также создает гораздо больше внутренних границ, где атомы не совпадают и которые более уязвимы для химического воздействия.

Скрытые выемки, ослабляющие соединение

После выращивания столбиков команда удалила временный медный «затравочный» слой под ними с помощью кислотного раствора. В идеале этот этап просто очищает нежелательный металл, но на практике он может также подъедать сбоку основание каждого столбика, вырезая небольшое углубление, известное как undercut (подрез). При исследовании поперечных сечений ученые обнаружили, что столбики, выращенные при низком токе, развивали лишь мелкий undercut, глубиной менее полумикрометра. Столбики при высоком токе с их более мелкой зернистой сетью демонстрировали значительно большие выемки — до почти двух микрометров. Поскольку границы зерен служат легкими путями для раствора травления, их большее количество облегчало латеральное распространение раствора и выемку основания.

Измерение прочности и картирование напряжений

Чтобы проверить, как эти формы влияют на поведение в реальных условиях, команда сдвигала по боковой поверхности отдельные столбики до их разрушения, имитируя суровую механическую нагрузку. Столбики, выращенные при низком токе с небольшими undercut'ами, выдерживали почти вдвое большую силу по сравнению с теми, что получены при наивысшем токе. Микроскопический анализ разрушенных соединений показал, что прочные столбики, как правило, рвались внутри самой меди — это пластичное, энергоемкое разрушение. Напротив, столбики с большими выемками разделялись по выдолбленному краю, адгезионное разрушение, указывающее на слабый интерфейс. Компьютерное моделирование трехмерного распределения напряжений подтвердило, что подрезы концентрируют напряжение в нижнем ободе столбика, именно там, где наблюдалось зарождение трещин.

Проектирование более прочных соединений для будущих чипов

В целом исследование показывает, что для этих медных столбиков главной угрозой надежности является не базовая прочность металла, а необратимый геометрический дефект, возникающий при травлении. Высокотоковое осаждение измельчает зернистую структуру, но при этом способствует образованию глубоких подрезов, которые резко повышают локальные напряжения и сильно снижают прочность сцепления. Осаждение при низком токе формирует более крупные, стабильные зерна, противостоит росту подрезов и дает более прочные соединения. Для производителей микросхем это означает, что тщательная настройка тока осаждения — и в будущем многопрофильные режимы тока — предоставляет практический путь к столбикам, которые сохранят высокую скорость и долговечность следующих поколений модулей памяти в течение многих лет эксплуатации.

Цитирование: 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

Ключевые слова: медные столбики (bump), упаковка полупроводников, электролитическое осаждение, микроструктура, механическая надежность