第一作者：彭刚强

通讯作者：洪仕偉研究助理教授、冯宪平教授

通讯单位：香港城市大学系统工程系

原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202521964

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纳米晶铜（ng-Cu）因为晶粒很细、晶界很多，原子沿晶界扩散得更快，所以在先进电子封装里很受关注——它能让铜-铜（Cu-Cu）在较低温度下就“粘”得很牢（低温铜铜键合）。

但问题是：电镀出纳米晶铜之后，如果加工流程拖得比较久，它在室温放着放着就会发生晶粒自己长大、结构变粗的现象（也叫“自退火”）。这样一来，原本细晶带来的低温键合优势会被削弱，影响量产应用。

为了解决这个问题，这项工作提出一种新结构：在取向为（111）的纳米孪晶铜（nt-Cu）基底上，再电镀一层纳米晶铜，形成“纳米晶/纳米孪晶铜”（ng/nt-Cu）叠层。实验发现，这种叠层能够显著抵抗室温自退火。

原因主要有两点：

1.界面更稳定，晶界不容易跑：纳米晶层和纳米孪晶层之间形成了Cu(111)界面。这个界面的原子能量分布更均匀，使晶界迁移更困难；同时也不利于原子在晶界处“堆积吸附”，从而减慢晶粒长大的过程。

2.电镀出来的上层更“抗变形”：在纳米孪晶铜基底上电镀，会让上面的纳米晶铜更容易形成大量Σ3孪晶界和层错。它们相当于在材料内部加了很多“障碍”和“缓冲”，可以释放内部应力，进一步抑制晶界运动和晶粒长大。

因此，这种ng/nt-Cu结构能在室温下保持原有微观结构超过30天，并且在较低热输入（低热预算）的条件下实现高质量的铜-铜键合。

总体来说，这项研究从晶体学角度解释了电镀铜为什么会（或不会）自退火，并推动了电子封装中低温Cu-Cu键合技术的发展。

背景介绍

过去几十年，芯片性能的提升主要来自把晶体管做得更小、密度更高。但随着制程微缩逐渐接近物理极限，业界开始通过“先进封装”来继续提升算力：把多个芯片垂直堆叠，提高集成度，同时缩短电信号路径、降低功耗、加快产品开发周期。

在这种堆叠封装里，关键在于让上下芯片之间实现更高密度的电连接。当互连间距缩小到10微米以下时，传统焊料连接容易发生熔融焊料“搭桥短路”，还会生成脆且电阻较高的金属间化合物，可靠性风险上升。因此，越来越多研究转向“铜-铜直接键合”，让两块铜表面在固态下直接结合，以支持更小间距、更高I/O密度的3D互连。

不过，常规铜要实现可靠的铜-铜直接键合，往往需要超过300°C并持续数小时的高温长时间工艺。这不仅可能损伤器件，也限制了温度敏感芯片的集成；同时，高温会带来更大的残余应力和对位偏差，影响量产良率。为了降低铜-铜键合的热预算，研究者提出多种路线，其中“晶粒工程”（通过电镀调控铜的微观结构，如纳米晶铜、纳米孪晶铜等）因工艺相对简单、成本更可控而备受关注。纳米晶铜晶界多、原子扩散更快，被认为有助于实现低温高质量的铜-铜键合。

研究出发点

尽管纳米晶铜在低温键合上很有潜力，但它存在一个制约量产的关键问题：电镀得到的纳米晶铜在室温下会发生“自退火”，晶粒会在几天内自发长大，导致原本有利于扩散与键合的细晶结构迅速退化。现实制造中，晶圆电镀通常发生在晶圆厂，而封装键合往往在外部封装测试厂完成；中间的运输、存储与排队等待时间可能超过一周，足以让纳米晶铜失去应有的键合活性。

因此，本研究的出发点是：如何让电镀纳米晶铜在室温下长期保持稳定（跨越实际生产中的等待时间），同时仍能实现低热预算、高可靠性的铜-铜直接键合。研究进一步发现，把纳米晶铜简单做薄、或放在普通粗晶铜上，仍可能在界面处出现更快的异常晶粒长大，反而加速纳米晶层被“吞噬”。这意味着需要一种新的结构设计与界面调控策略，从根本上提升纳米晶铜在实际工艺窗口内的稳定性，才能推动其进入可制造、可量产的先进封装应用。

图文解析

图1主要用截面显微结构（TEM/TKD 等）和随时间变化的电学/衍射表征来证明：把电镀得到的纳米晶铜（ng-Cu）沉积在（111）取向的纳米孪晶铜（nt-Cu）基底上形成 ng/nt-Cu 双层后，上层纳米晶结构在室温下能长期保持稳定，自退火（晶粒自发长大）被明显抑制；对比之下，ng-Cu 放在普通粗晶铜等基底上更容易在短时间内发生晶粒长大与结构退化，而 ng/nt-Cu 仅在电镀后前一两天出现轻微应力释放/微结构调整，随后进入稳定状态，可支持后续低温高质量 Cu–Cu 键合。

图1. ng/nt-Cu 双层结构的表征及电镀后微观结构演化

图2通过“实验表征 + 电镀行为 + 分子动力学模拟”对比说明：Cu(111) 取向的界面比其他铜晶面更能抑制界面处的晶界迁移与晶粒长大。作者先用 EBSD 看到 ng/cg-Cu 在室温放置 3 天后，纳米晶层会被相邻粗晶快速“吞噬”（界面驱动的异常长大），而基底对比显示 cg-Cu 取向随机、nt-Cu 则几乎统一为 (111) 取向；随后电镀曲线表明在 (111) 表面上成核更“难”（过电位更高、离子更不易吸附）；最后用分子动力学进一步证明：把纳米晶铜放在不同取向单晶铜上做等温演化时，只有 Cu(111) 的界面能长时间保持清晰稳定，而像 (211) 等高指数晶面会更快“消失/混合”，并用原子能量、晶界原子比例等指标量化这一差异，并配示意图总结机制。

图2. Cu(111) 与其他铜晶面界面机制的对比。

图3 主要说明：为什么把纳米晶铜（ng-Cu）电镀在纳米孪晶铜（nt-Cu）上会更稳定。作者用χ=45° 倾斜 XRD 专门“只看”上层 ng-Cu（尽量屏蔽底层(111)基底的信号），比较 ng-Cu/nt-Cu 与 ng-Cu/cs-Cu 的织构与 W–H 分析结果，发现 ng/nt-Cu 的 ng 层虽然晶粒更细，但微应变（内应力/缺陷引起的应变）反而更低；再结合高分辨 TEM 看到 ng/nt-Cu 的纳米晶内有较多层错与孪晶，以及对 nt-Cu 基底表面 EBSD 的分析显示其具有更高密度的 Σ3 孪晶界，说明 nt-Cu 基底会在电镀初期“模板化”诱导上层形成更多 Σ3 孪晶/层错，从而帮助释放应力、钉扎/抑制晶界运动，提升抗自退火稳定性。

图3. nt-Cu 上方 ng-Cu 层的结构分析

图 4 主要是在回答“放了很久（30天Q-time）之后，ng/nt-Cu 还能不能在低温下键合得又牢又可靠？”——作者展示了 post–Q-time 的 ng/nt-Cu 在 200 °C、10 min 低热预算条件下，键合界面在显微结构上已经变成“像晶界一样”的连续结合：截面 FIB/SEM 看不到明显缝隙，HR-TEM/SAED+iFFT 证明界面两侧晶格能对齐并形成良好结合，同时 EBSD 显示整体取向一致、GPA 应变图也看不到明显残余应力；在性能上，剪切与直拉测试给出较高强度且具延性，而电迁移测试中 ng/nt-Cu 的寿命与电阻变化也更优，说明这种结构不仅能“键合得上”，还能“键合得稳、扛得住”。

图4. ng/nt-Cu 在长时间 Q-time 之后的键合性能综合评估。

总结与展望

本研究提出并验证了一种用于先进封装的 ng/nt-Cu 双层结构（在(111)取向纳米孪晶铜 nt-Cu 上电镀纳米晶铜 ng-Cu），能够在实际制造常见的长等待时间（Q-time）条件下 有效抑制室温自退火，使纳米晶微结构在 超过30天 的存放中仍保持稳定；其稳定性主要来自 Cu(111)界面抑制晶界迁移，以及 nt-Cu 基底的高密度孪晶界“模板化”诱导上层 ng-Cu 形成更多孪晶与层错，从而进一步抑制晶界运动并释放内应力。在应用层面，作者不仅展示了该结构在长Q-time前后都能实现低热预算的高质量 Cu–Cu 键合，并通过力学与电学评估验证可靠性，还制备了不同尺寸的 ng/nt-Cu 微焊盘阵列，说明该方法具备放大到实际半导体制造的可行性；未来若结合更小间距与更复杂3D异质集成场景进行工艺窗口与长期可靠性验证，将有望进一步推动其在包含温度敏感芯片的先进封装与堆叠应用中落地。

课题组介绍

冯宪平教授课题组主页：https://www.tonyfenglab.com/

洪仕偉研究助理教授主页：

https://scholars.cityu.edu.hk/en/persons/swhung/

第一作者彭刚强Google Scholar页面：

https://scholar.google.com/citations?user=jFbSkjAAAAAJ&hl=zh-CN

原文信息

G. Peng, X. Dong, B. Li, et al. “ Interface Engineering Suppresses Self-Annealing in Electroplated Nanograined Copper for Low-Temperature Copper-to-Copper Bonding.” Advanced Science (2026): e21964. https://doi.org/10.1002/advs.202521964