简介

后摩尔时代，半导体产业面临着制程技术逼近物理极限的挑战。为实现“超越摩尔定律”的目标，2.5D/3D 封装技术加速发展。本文将探讨一种由交通大学陈智教授意外发现的革命性材料——纳米双晶铜，其在3D芯片封装中的应用及观察方法。

什么是纳米双晶铜？

纳米双晶铜是指铜的微观结构呈现（111）单一方向柱状晶，柱状晶粒内有高密度的铜双晶堆叠，双晶晶界间距在数纳米到数百纳米间。这种特殊的铜微结构是新竹阳明交通大学的陈智教授团队于2012年通过电化学电镀方式，在特殊的添加剂作用下制备而成。

图1 奈米双晶铜结构（离子束影像 ion-beam imaging）

纳米双晶铜的特性与优势

纳米双晶铜的最大特点是在保持良好导电性的同时，大幅提升了机械强度。此外，它还具有高度热稳定性、优异的抗电迁移特性和抗柯肯德尔效应特性。这些特性使其在3D芯片封装中具有巨大潜力。

随着摩尔定律逐渐逼近极限，异质整合和小芯片技术成为后摩尔时代的重要发展方向。2.5D/3D封装技术应运而生，其中CoWoS和SoIC等技术备受瞩目。这些封装技术中，高性能铜在TSV、凸块、RDL、铜-铜接合等环节发挥着关键作用。纳米双晶铜的应用不仅能提升连接性能，还能增强封装可靠性。

结晶方向的检测

材料大范围结晶方向的检测主要采用X光绕射分析（XRD）、电子背向散射绕射（EBSD）和TEM电子绕射等方法。XRD检测范围最大，EBSD次之，TEM电子绕射范围最小。

EBSD的优势在于能分析样品表面及截面的晶粒方向分布。研究结果显示，纳米双晶铜样品表面和横截面的优选方向几乎全部为111方向。

图2 样品表面 EBSD，垂直样品表面为 Z 轴，可以由反极图（Inverse Pole Figure）知道，垂直样品表面优选方向几乎全部都是 111 方向
图3 样品横截面 EBSD 结果，可以由反极图（Inverse Pole Figure）知道，垂直样品表面优选方向几乎全部都是 111 方向。

纳米双晶铜的观察

纳米双晶铜的观察方法主要包括离子束影像、TEM和STEM等。

·离子束影像：利用聚焦离子束显微镜（FIB）上的离子源照射样品表面，通过通道效应差异显示纳米双晶结构。

·TEM：利用200KV电子束穿透薄试片，通过厚度质量对比或绕射对比观察纳米双晶。TEM照片显示，纳米双晶最小厚度约6nm，最大厚度约125nm。

·STEM：与TEM类似，但采用扫描方式照射试片。STEM照片清晰地展示了铜柱状晶粒内高密度的铜双晶堆叠。

TEM除了观察结构，还能通过电子绕射技术鉴定晶粒结晶方向。结果与EBSD一致，纳米双晶厚度方向与柱状晶长度方向相同，均沿铜的111结晶方向。此外，TEM还能观察到纳米双晶铜内存在弯曲不规则的纵向差排。

图4 TEM 照片，左图为明场像，右图为暗场像
图5 STEM 照片，奈米双晶厚度方向大约与柱状晶长度方向相同
图6 奈米双晶电子绕射图
图7 不同 STEM 条件观察纵向差排。

结语

自2012年提出以来，纳米双晶铜已成为2.5D/3D封装领域不可或缺的技术。

随着研究的深入和技术的进步，纳米双晶铜在WoW、RDL、u-bump等封装技术中的应用将越来越广泛。关于纳米双晶铜的检测能力，可通过EBSD、FIB离子影像、TEM/STEM等方法，全面观察其结构并鉴定结晶方向，为3D芯片封装技术的进一步发展提供有力支持。