倒裝芯片中的電遷移現(xiàn)象及機(jī)制

1、倒裝芯片中的電遷移現(xiàn)象及機(jī)制在商電迪密度下.金屬中運(yùn)動(dòng)的屯子不斷撞擊金屬原子并將門身的能量傳遞給金屬原子.使其與相鄰的空位發(fā)粧位置互換*最終導(dǎo)致僉屬原子山一端流向另-喘的過程被稱之為電遷*札Gcrardin等人首次硏究了電流對(duì)我鈉合金與鐲鈿焊料凝固過程的影響.從此業(yè)界開始了對(duì)電遷移的研尤（鋼尤其隨著焊點(diǎn)封裝密度的不斷提島電遷移成為集或電路封裝失效的主要原悶之一Blech等人十1%7年研究指出；電遷移會(huì)導(dǎo)致集成電珞中的鋁導(dǎo)線失效削。該發(fā)現(xiàn)引起了電子工業(yè)界的廣泛關(guān)注，并將電遷移列為封裝領(lǐng)域的研究伐點(diǎn)。近年來，範(fàn)著電于封裝和元器件尺寸逐漸山毛米級(jí)進(jìn)入徵米乃至納米級(jí)別，電子產(chǎn)品在服役過程中通過焊點(diǎn)的電

2、流密度不斷坤I大研究發(fā)現(xiàn).電遷移產(chǎn)生的閥值為10"A/cn&、"|電流密度大于該閥值時(shí)，電遷移現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重影響電子產(chǎn)品可幕性。因此，電遷移機(jī)制的研究對(duì)于提髙焊點(diǎn)乃至整個(gè)電子產(chǎn)品的可靠性至關(guān)至要。電遷移的原子擴(kuò)散模型通常，焊點(diǎn)在通過大電流密度時(shí)，電子在靜電場(chǎng)力的作用下從陰極向陽極運(yùn)動(dòng).寫速運(yùn)動(dòng)的電子與金屬原子發(fā)牛確掠從而將動(dòng)蜃傳遞給原子.這就是電子風(fēng)丿5。另外.金屬原子還會(huì)受到靜電場(chǎng)力耳的作用。具體來講，電遷移受力悄況如圖1.8所示。電子流圖1.8電遷移的作用力示意圖.FigLXSchematicdiagramofforceduringelectromigration.

3、壯遷移驅(qū)動(dòng)力即二者的合力可以用式（1.9）和（1.10）表示：（1-9）Z*=Za，+ZH.rf（1.10）Jt中，佇是靜電場(chǎng)力，F(xiàn)譏是電子風(fēng)力，q足電阻率，Z"是冇效電荷，丿足電流密度，Z。是靜電場(chǎng)力冇效電荷常數(shù)，Z.“是電子風(fēng)力冇效電荷常數(shù)。通常，III于金屬原子會(huì)受到外在電子環(huán)繞所產(chǎn)牛的遮蔽作用，因此其所雯的電子風(fēng)力遠(yuǎn)大于靜電場(chǎng)力。這就導(dǎo)致任大多數(shù)金履物質(zhì)中，原子會(huì)隨電子從陰極向陽極移動(dòng)，電子風(fēng)力是金屬原子發(fā)生電遷移的驅(qū)動(dòng)力.電遷移對(duì)焊點(diǎn)顯微組織的影響般來講，電遷移可分為兩大類：固/固電遷移（焊料在固態(tài)時(shí)的電遷移）和液/固電遷移（焊料在液態(tài)時(shí)的電遷移）。LI詢，大多數(shù)研究都集中

4、在焊點(diǎn)的固/固電遷移.Yeh'10人模擬了電遷移過程中焊點(diǎn)內(nèi)部的電渝分布悄況。研究發(fā)現(xiàn)：111于焊點(diǎn)與鋁導(dǎo)線的界面處存在接觸面積突變，因此，此處會(huì)發(fā)生電流擁擠效應(yīng)，電流密度發(fā)生突變。電流擁擠效應(yīng)導(dǎo)致裂紋最初在焊點(diǎn)電子入口處產(chǎn)生，并班時(shí)間延長,裂紋沿焊料和基板界面不斷擴(kuò)展.在398K卜,以2.25xl04A/cm2電流密度進(jìn)廳電遷移試驗(yàn)時(shí)，陰極界面處裂紋會(huì)在43h后擴(kuò)展到整個(gè)焊點(diǎn)，并導(dǎo)致焊自完全失效，如圖1.9所示。re1.9由孔涓導(dǎo)致的IV點(diǎn)失效(a)398K下，電流密反為2.25X心A臚時(shí)，4311G的焊點(diǎn)形貌和(b)裂紋擴(kuò)展國汕Fig1.9:Failureofasolderjoin

5、tduetovoiding,(a)after43hunder2.2SxIO8Am2it39RKand(b)diagramofvoidpropagation11Nah等人研處了山電遷移導(dǎo)致的Cu/Sn3Pb97/SM3Pb37/Au/Ni復(fù)臺(tái)焊點(diǎn)的夫效。研究發(fā)現(xiàn)：電遷移和基板內(nèi)的電流擁擠效應(yīng)導(dǎo)致Cu濃度上升，進(jìn)而促進(jìn)J"陰極處Cu6Sn5金屬同化合物的生長，血陰極處醫(yī)板的消耗嵌終引起了焊點(diǎn)失效。另外，模擬結(jié)果也證實(shí),電流擁擠效應(yīng)有助于基板中Cu元素向焊料中的擴(kuò)散和CgSigCu.Sn金屬間化合物的形成Yc等人研究了不同電流密度和不同溫度下，SnPb倒裝焊點(diǎn)中的Pbfll化。Pb相粗化與

6、電流密度/和通電時(shí)間/的關(guān)系可用式（L10）表示.丹屮二泊（1.10）與溫度以及溫度梯度引發(fā)的熱遷移帝比，電流対Pb粗化的影響更人。更匝要的是，他們運(yùn)用T涉測(cè)最技術(shù)對(duì)電我荷下無鉛焊點(diǎn)的變形進(jìn)行原位觀察，并用構(gòu)造電遷移模型來對(duì)焊點(diǎn)變形進(jìn)行模擬.硏究表明，除電流密度之外，電流分布也對(duì)焊點(diǎn)變形發(fā)揮著蟲要的作用.電渝分布越不均勻.焊點(diǎn)的變形越大膠）綜.所述，電遷移會(huì)刈焊點(diǎn)顯微組織造成影響，1對(duì)焊點(diǎn)力學(xué)性能與顯微組織密不可彷，因此，研究電遷移對(duì)提髙焊點(diǎn)可靠性具fl連要意義。綜上所述，環(huán)境立法和電子器件微型化的發(fā):展趨衿推動(dòng)電于封裝技術(shù)進(jìn)入為密度、小間距時(shí)代。產(chǎn)于封裝后焊料合金與襯底材料形成的冶金連按為電

7、子器件系統(tǒng)提供了必不可少的電氣、導(dǎo)然和機(jī)械連接，因此焊料合金的焊接性能直按決定著焊點(diǎn)可靠性，戻至榕個(gè)電子設(shè)備的服役壽命。其中，焊料合金與襯底材料良好的潤網(wǎng)及適度的界面令屬間化命物反應(yīng)戻是焊點(diǎn)可鼎連接的必要保證。為不斷提禹無鉛焊料潤濕性能.很名研究者對(duì)各種潤濕的影響因素（焊料合金成分、回流溫度、助焊劑種類等）展開了深入研究。由于各種鍍層元索（Ni、Sn、Ag,Au、Pa等）已廣泛應(yīng)用于電子封裝基板上，且回流過程中鍍層元素對(duì)焊料潤濕和金屬間化合物形成具有至要作用。然而L1詢對(duì)那料合金在不同鍍層表面潤濕性能的報(bào)道換少。因此本文主耍從基仮元素?cái)U(kuò)散與金屬間化合物形成角度研究了不同回流峰值溫度下，Sn3Ag（）.5Cu焊料合金分別在不同鍍層農(nóng)面的潤濕性能，力求對(duì)無鉛焊料的潤濕機(jī)制加以補(bǔ)充。另外，電子封裝的徽型化導(dǎo)致電子產(chǎn)品在服役過程中承受更嚴(yán)酷的工作環(huán)境。首先，電于產(chǎn)品丄作時(shí)會(huì)不斷經(jīng)歷咼低溫?zé)嵫瓑淖饔?，焊點(diǎn)界面處金屈間化合物層埒耳，品粒不斷稍化，焊點(diǎn)叭切強(qiáng)度卜降H.焊料與焊點(diǎn)界面處伴隨著裂紋的質(zhì)牛和擴(kuò)展.最終導(dǎo)致焊點(diǎn)失效。除此之外.高緊度封裝還導(dǎo)致焊點(diǎn)服役時(shí)承受越來越高的電流密度.片超過臨界