Intermetallics for Structural Applications in Micro Joints of 3D ICs

J. J. Yu, T. L. Yang, R. Y. Wu, and C. R. KaoDepartment of Materials Science and Engineering

National Taiwan University

1

TSV (Through Silicon Via) and Micro Joints as interconnection for 3D IC 

3D IC integration provides a more direct and efficient way to integrate several heterogeneous functional components, such as Memory, Processor, Logic, Flash, and/or MEMS etc. in a package with the shortest distance.

3D IC integration

Source: http://www.3d‐ic.org/documents/IMIS_Press_Release.pdf

3D IC integration technology provides opportunities to go beyondMoore’s law.

2

Example of TSV‐3D IC Integration

Micron Hybrid Memory Cube Consortium 

“combine a logic layer with several DRAM dies stacked atop”  …   “deliver 15 times the performance while utilizing 70% less energy.” 

Source: The Micron HMC

Introduction

3

TSV and Micro‐joints as interconnection for 3D IC integration.

4

Volume ratio of IMC to solder  increases dramatically!Intermetallic compounds dominate the properties of micro joints in 3D ICs.

Characterization of IMCs becomes an urgent issue..

BGA 

Flip‐chip

3D IC micro joint

Significant Reduction of Solder Volume

5

Very small solder volume Solder will be transformed into intermetallic compounds completely during assembly or operation of a device.

Instead of solder,  IMCs will dominate the mechanical property of the micro joints. 

From regular solder joints to 3D IC micro‐joints:  Extremely small solder volume !

Flip‐chip solder jointMicro joint

Solder

From flip‐chip joints to 3D‐IC micro joints, solder volume shrinks by a factor of 1000. 

IMCSolder

Cu6Sn5

Cu6Sn5

6

Photo from M.D. Uchic, D.M. Dimiduk, Materials Science and Engineering: A 400–401 (2005) 268‐278.

FIB‐Assisted Testing Specimen Fabrication ‐Micropillar

• Milling a crater with a pillar located in thecenter.

• Using the same voltage and decreasing current,down to 0.2 nA.

• Refining the center pillar to a desired diameterand height.

dt

hθ

Geometry design:• Taper angle θ < 1.5° (to avoid overestimating 

stress)• extremely small current is required.

• Aspect ration dt/h = 2‐3• dt/h < 2 : overestimating displacement. • dt/h > 3 : buckling.

7

Advantage of Micropillar Testing

43μm 2.3μm

4.6μm

90μm

1. Various sizes of pillars from 100μm to 100nm

Different sizes of Ni superalloy micropillars

[1] M.D. Uchic, D.M. Dimiduk, Materials Science and Engineering: A 400–401 (2005) 268‐278.[2] Z. Shan, JOM 64 (2012) 1229‐1234.[3] V. Sriram, J.‐M. Yang, J. Ye, A.M. Minor, Microelectronic Engineering 87 (2010) 2046‐2049.

[1] 

Ni nanocrystalline sub‐micro pillar

[2] 

Nanotwinned Cu sub‐micro pillar

500nm

[3] 

8

2. Applicable to various materials 3. Various designs of structure

Al/SiC nanolaminates two pre‐tilt angles of ZrCu(metal glass)/Zr interface

[1] D. R .P. Singh, N. Chawla, G. Tang, Y.L. Shen, Acta Materialia 58 (2010) 6628‐6636.[2] J. Schwiedrzik, R. Raghavan, A. Burki, V. LeNader, U. Wolfram, J. Michler, P. Zysset, Nat Mater 13 (2014) 740‐747.[3] M.C. Liu, J.C. Huang, Y.T. Fong, S.P. Ju, X.H. Du, H.J. Pei, T.G. Nieh, Acta Materialia 61 (2013) 3304‐3313.

Dry ovine osteonal bone micropillar compression

4. Various mechanical properties• Yield strength• Fracture strength• Strain to failure• Interface strength• Failure mode• Slip system• Size effect

ZrCu

Zr

ZrCu

Si

[3] 

[2] 

[1] 

Advantage of Micropillar Testing

9

Cu6Sn5 Micropillar Compression by Nanoindentation

6

• A Berkovich indenter with a flat triangular cross‐section (10μm on a side) was used.• Strain rate=0.05• The Sneddon equation was used to modify the punching effect of a cylindrical

punch indenting into an elastic half space.dp=displacement of pillardmeas=measured displacementEi/Eb=Young’s modulus of indenter/bulk=Poisson ratio

dt/db=diameter of top/bottom

L. Jiang, N. Chawla, Scripta Materialia 63 (2010) 480‐483.

1 1

Fracture strength:1356MPa

Strain to failure:1.37%

10

The results also show that there was a linear decrease in strength when the deviation angle to the c‐axisincreases. 

There were a 7 % increase in Young’s modulus and 20% increase in strength along the c‐axis as compared with that normal to the c‐axis.

Effects of Cu6Sn5 Grain Orientation (Anisotropy)Crystallographic Orientation on the Mechanical Behavior of Cu6Sn5 by MicropillarCompression Testing L. Jiang, H. Jiang, and N. Chawla*, Journal of Electronic Materials, Vol. 41, No. 8, 2012. 

Cu6Sn5

Cu3SnAg3Sn Cu

Cu

Is there any promising approach to control the orientation of Cu6Sn5 during bonding? 

∥ to c‐axis ∥ to c‐axis 

to c‐axis to c‐axis 

∥ to c‐axis 

to c‐axis 

Sample jointed at 250 oC for 30s ITRI, Taiwan

900

c‐axis 

∥ c‐axis 

(degree)

11

Microstructure control of unidirectional growth of  ‐Cu6Sn5 on <111> Nanotwinned‐Cu

H. W. Lin, C. L. Liu, C. M. Liu, C. Chen*, D. Chen, J. C. Kuo, K. N. Tu, Acta Materialia 61, 4910, 2013.

Sn-Ag(1) (2) (3) (4)

(5) (6) (7) (8)

ND

ND

The crystallographic orientation of Cu6Sn5 grains show a strong texture by using <111> Nanotwinned Cu.12

2. Applicable to various materials 3. Various designs of structure

Al/SiC nanolaminates two pre‐tilt angles of ZrCu(metal glass)/Zr interface

[1] D. R .P. Singh, N. Chawla, G. Tang, Y.L. Shen, Acta Materialia 58 (2010) 6628‐6636.[2] J. Schwiedrzik, R. Raghavan, A. Burki, V. LeNader, U. Wolfram, J. Michler, P. Zysset, Nat Mater 13 (2014) 740‐747.[3] M.C. Liu, J.C. Huang, Y.T. Fong, S.P. Ju, X.H. Du, H.J. Pei, T.G. Nieh, Acta Materialia 61 (2013) 3304‐3313.

Dry ovine osteonal bone micropillar compression

4. Various mechanical properties• Yield strength• Fracture strength• Strain to failure• Interface strength• Failure mode• Slip system• Size effect

ZrCu

Zr

ZrCu

Si

[3] 

[2] 

[1] 

Advantage of Micropillar Testing

13

[2] Y. Takahashi, H. Kondo, H. Niimi, T. Nokuo, T. Suzuki, Sensors and Actuators A: Physical 206 (2014) 81‐87.

Microcantilever Bending‐ Suitable for measuring fracture toughness

[1] D.E.J. Armstrong, A.S.M.A. Haseeb, S.G. Roberts, A.J. Wilkinson, K. Bade, Thin Solid Films 520 (2012) 4369‐4372.

Ni‐W alloy

Si single crystal

6· ·

1.12 1.39 7.32 13.1 14.0

14

Picoindentation

1, lower part of the main frame2, supporting rib3, upper part of the main frame4, transducer in its support5, conductive indenter probe6, z slip‐stick actuator7, x, y slip‐stick actuators8, removable sample holder9, SEM stage10, SEM electron gun11, SEM high‐magnification detector.

Advantage:• Position the probe accurately and effectively.• Imaging the deformation process during the test.

K.A. Rzepiejewska‐Malyska et al., Journal of Materials Research 23 (2008) 1973‐1979. 15

Objectives of Our Works

• Using Picoindenter to• determine the mechanical properties of single crystalline

IMCs (Cu6Sn5, Ni3Sn4, Cu3Sn etc), polycrystalline IMCs, aswell as interfaces between metals and IMCs by micropillar compression.

• determine the fracture toughness of IMCs and grainboundaries of IMCs by cantilever bending.

16

0.127 mm Cu disk

Sn foil/granule

Reflow250℃,1min

+Heat Treatment300℃,168h

Mounting& Polishing

Top view

Cross‐section

40μm 40μm

Interfacial Reaction

Micropillarfabrication by FIB

CuCu3Sn

Cu6Sn5

Sn

50μm 10μm

Sample Preparation ‐ Interfacial Reaction

EBSD

EBSD

Acquiring grain 

orientation

Acquiring grain 

orientation

17

Stoichiometric Cu slug & Sn drop were added into a tube

Melting In sealed tube  under 

vacuum800°C,7 days

4N Sn drop5N Cu slug

Cu6Sn5 disc was cut from bulk ingot

Sample Preparation ‐ Alloying

Polishing

Micropillarfabrication by FIB

380°C for η phase180°C for η’ phase

Homogenization

η’η

EBSD

Acquiring grain 

orientation

18

19

Chawla’sIn this study

Top diameter≈2.4Length≈7.5 Aspect ratio≈3Taper angle<2 °

Top diameter=2~3Length=5~8Aspect ratio=2~2.5Taper angle=1~1.5°

Micropillar Fabrication

19

Obtaining Stress‐Strain Curve 

Load‐displacement curve(raw) Stress‐strain curve(modified)

1 1 Considering the punching effect ofa cylindrical punch indenting intoan elastic half‐space

Converting displacement into strain

Converting load into stress

20

Micropillar Compression

Strain rate:1x10‐3

Strain rate:2x10‐4

Cleavage plane

Cleavage plane

Split along same crystallographic plane.

21

Strain rate: 5x10‐2s‐1

Strain rate: 1x10‐3s‐1

Strain rate: 2x10‐4s‐1

Compared to Reference

L. Jiang, H. Jiang, and N. Chawla, Journal of Electronic Materials, Vol41, No.8 ,2012

Strainrate s‐1 5x10‐2 1x10‐3 2x10‐4

Fracture strength MPa 1724 242 1289 1252.02

Straintofailure 0.012 0.001 0.020 0.023

Engineering Strain 

Engine

ering Stress(M

Pa) 

220020001800

⊥ c‐axis

// c‐axis

02004006008001000120014001600

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03

22

• Adding Ni to Cu6Sn5 to investigate the effect of Niconcentration on various mechanical properties of(Cu,Ni)6Sn5

• To study the difference of mechanical properties betweenη’‐Cu6Sn5 and η‐Cu6Sn5.

• To fabricate multilayer structure to simulate themechanical properties of real 3D IC micro joints in variousstages of IMC growth.

• To collect mechanical property data that are essential forindustrial reliability modeling.

Future works

23