通过控制晶粒取向提高半导体封装电镀铜柱的粘结强度

为何微小的金属塔对高速芯片至关重要

在现代高性能计算机和人工智能硬件内部，存储芯片必须以惊人的速度交换数据。为此，它们依赖数以千计的微小金属塔，称为铜柱，位于硅芯片与封装之间。这些铜柱传输电信号、导热并帮助维持堆叠的机械结合。随着工程师在更小的空间内压入更多连接，每根铜柱都变得更细并相互靠得更近，使得每一个接点的强度变得至关重要。本研究探讨了在生长铜柱时对生长方式做出微妙改变，如何成为决定封装是坚固耐用还是在应力下容易开裂的关键差异。

从焊料凸点到铜柱塔

长期以来，扁平的焊料凸点是连接芯片与封装的标准方式。然而，当连接间距缩小到约0.1毫米以下时，这些柔软的凸点会降低高度并相互拥挤，从而限制性能和可靠性。铜柱提供了更优的解决方案：刚性的铜柱顶端覆盖一层薄薄的焊料帽。这种刚性结构保持一致的支撑高度、改善电气和热行为，并且可以更密集地排列。但铜的内部晶体取向及其在制造过程中表面形貌的形成，悄然决定了每根铜柱在器件加热、冷却和弯曲使用时能否保持牢固附着。

制造方式如何改变金属的内部结构

研究人员制备了宽度仅25微米的铜柱——约为一根人类头发的四分之一——在电镀浴中保持相同化学成分，但在生长过程中采用三种不同的电流设定。利用电子显微镜和衍射技术，他们绘制了每根铜柱内部微小晶粒的分布。在最低电流下，铜呈相对较大、整齐的柱状晶粒生长，以一种特别稳定的取向为主。随着电流增加，金属凝固更快，产生更细小且取向杂乱的晶粒。这种晶粒细化似乎有利——小晶粒通常能强化金属——但它也产生了更多的晶界，晶界处原子错位更严重，更容易受到化学腐蚀的侵蚀。

削弱接头的隐形切口

在铜柱生长完成后，团队用酸溶液去除了其下方的临时铜“种子”层。理想情况下，这一步只是清除不需要的金属，但在实际操作中，它也可能沿着每根柱基向侧面蚀刻，形成一个称为倒凹的小凹槽。通过观察横截面，科学家发现低电流生长的铜柱只产生了浅倒凹，不到半微米深。而高电流生长的铜柱，由于晶粒更细，显示出更大的掏空区域，深度可达近两微米。因为晶界为蚀刻液提供了便捷通道，晶界越多，溶液越容易横向扩散并掏空基部。

测量强度并映射应力

为了解这些形状如何影响实际性能，团队对单根铜柱进行了侧向施力直至失效的试验，以模拟严苛的机械载荷。低电流生长且具有小倒凹的铜柱能承受的力几乎是最高电流制备柱的两倍。断裂接点的显微观察显示，强壮的铜柱往往在铜体内部发生撕裂，这是一种延性、吸能的失效模式。相比之下，具有大倒凹的铜柱常沿被掏空的边缘分离，这是一种粘附性失效，表明界面较弱。三维应力分布的计算机模拟证实，倒凹会在柱体下缘集中应力，恰好是观测到裂纹起始的位置。

为未来芯片设计更坚固的连接

总体而言，研究表明，对于这些铜柱来说，可靠性的最大威胁并非金属的基本强度，而是在蚀刻过程中产生的不可逆几何缺陷。高电流电镀虽然细化了晶粒结构，却促成了深倒凹，使局部应力急剧上升并大幅削弱粘结强度。低电流电镀则有利于生成更大、更稳定的晶粒，抑制倒凹扩展，并产生更牢固的接头。对于芯片制造商而言，这意味着通过精确调节电镀电流——以及未来的多步电流方案——提供了一条实用途径，使铜柱在未来一代存储封装中在多年运行中既保持高速又更具耐久性。

引用: 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

关键词: 铜柱凸点, 半导体封装, 电镀, 微观结构, 力学可靠性