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嘉峪檢測網(wǎng) 2021-12-23 22:18
電子技術(shù)的飛速發(fā)展，促使電子元件集成度的不斷提高，互連焊點(diǎn)直徑大小和焊點(diǎn)間距隨之縮小，從而導(dǎo)致互連焊點(diǎn)中電流的密度不斷增大，可達(dá)10000A/cm2，甚至更高。
在高密度的電流作用下，互連焊點(diǎn)中的原子或離子隨著電子遷移造成焊點(diǎn)內(nèi)的成分偏析，會出現(xiàn)丘凸和空洞，導(dǎo)致微互連焊點(diǎn)電遷移失效，嚴(yán)重影響電子產(chǎn)品的性能和高可靠性，這是電子元器件微型化、精密化以及互連焊點(diǎn)極小化的結(jié)果，已引起業(yè)內(nèi)專家和科研人員的廣泛關(guān)注。因此，電遷移失效已成為電子封裝工業(yè)中的一個關(guān)鍵問題。
1、電遷移現(xiàn)象與原理
1.1電遷移現(xiàn)象
電子在導(dǎo)體中長時間移動，推動金屬原子或離子運(yùn)動的現(xiàn)象，稱為電遷移現(xiàn)象。電子元器件的集成度越來越高，微焊點(diǎn)間的距離越來越小，造成互連焊點(diǎn)中的電流密度不斷增加，導(dǎo)致金屬原子的高能態(tài)遷移，在金屬互連線中形成空洞、小丘或凸起破壞焊點(diǎn)，如圖１所示。有研究表明，高電流密度下在錫鉛（SnPb）焊點(diǎn)多處發(fā)生電遷移現(xiàn)象。圖１為一個典型的倒裝芯片互連焊點(diǎn)的結(jié)構(gòu)示意圖。
1.2電遷移原理
對于互連微焊點(diǎn)而言，由于焊點(diǎn)特殊的幾何形狀，在焊點(diǎn)與導(dǎo)線的接點(diǎn)處發(fā)生電流擁擠效應(yīng)和金屬間化合物（IMC）生長的極性效應(yīng)，即金屬原子由陰極向陽極擴(kuò)散，溶解了陰極的IMC，導(dǎo)致陰極裂紋和空洞的出現(xiàn)，同時使陽極的IMC得到生長。
因此，陽極發(fā)生原子的堆積，而陰極處裂紋和空洞逐漸長大，最終導(dǎo)致焊點(diǎn)斷裂失效；而陽極處則由于原子的堆積而形成一些凸丘（如圖２所示），最終導(dǎo)致焊點(diǎn)破壞，元件短路失效，縮短了焊點(diǎn)平均失效時間。
在高電流密度下，焊點(diǎn)互連線中高速向陽極運(yùn)動的電子碰撞金屬原子，發(fā)生動量交換，雖然金屬原子受到電子風(fēng)力和靜電場力的雙向作用，但電子風(fēng)力起主導(dǎo)作用，因此電遷移中原子的遷移是在電子風(fēng)力作用下的定向遷移。
Ｔｕ等研究表明，在電遷移過程中鋁（AI）片越長，陰極的損耗越明顯，如圖３所示。鋁片的長度存在一個“臨界尺寸”，由Nabarro-Herring蠕變模型的晶體內(nèi)部平衡空位濃度理論模型可推算，如果空位濃度梯度效應(yīng)和電遷移效應(yīng)在“臨界尺寸”下處于平衡狀態(tài)，就不會出現(xiàn)明顯的原子遷移，因而也不會出現(xiàn)電遷移失效。這說明在高電流密度下導(dǎo)線中同時存在背應(yīng)力效應(yīng)和電遷移效應(yīng)。
2、電遷移的影響因素
Brandenbury等于1998年首次提出電遷移失效現(xiàn)象，隨后電遷移被作為微電子封裝可靠性問題進(jìn)行研究。Ｔｕ等在電遷移研究領(lǐng)域做了大量的研究發(fā)現(xiàn)，焊料合金的低熔點(diǎn)及較高的原子擴(kuò)散率是電子產(chǎn)品在服役時產(chǎn)生電遷移現(xiàn)象的主要原因。
2.1電流密度對電遷移的影響
在微電子封裝中，由于微焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)特征的影響，電流從導(dǎo)線流動到焊點(diǎn)時，導(dǎo)電路徑的橫截面面積發(fā)生突然變化，造成電流聚集，而電流聚集對電遷移有顯著的影響。一般凸點(diǎn)中的平均電流密度為10000A/cm2，接觸點(diǎn)即電流擁擠區(qū)域的電流密度可達(dá)100000A/cm2，甚至更高。
Chen等研究發(fā)現(xiàn)，在焊點(diǎn)中發(fā)生電遷移需要一個臨界電流密度，當(dāng)焊點(diǎn)承載的電流密度低于臨界電流密度時，電遷移不會發(fā)生；反之，電流密度越大，電遷移失效越嚴(yán)重。密度的大小和釬料、溫度有關(guān)。
Ｈｓｕ等研究發(fā)現(xiàn)，對于Ｓｎ－３。８Ａｇ－０。７Ｃｕ釬料，當(dāng)溫度為８０℃時，臨界電流密度為４。３×１０４ Ａ／ｃｍ２；當(dāng)溫度為１００℃時，臨界電流密度為３。２×１０４Ａ／ｃｍ２；而當(dāng)溫度為１２０℃時，臨界電流密度為１。４×１０４Ａ／ｃｍ２。
此外，電流密度的大小對陰極處ＩＭＣ的溶解速度也有很大影響。Ｔｕ等研究發(fā)現(xiàn)，增加電流密度會加快陰極處ＩＭＣ的溶解速度，當(dāng)焊點(diǎn)互連線中的電流密度為２×１０４Ａ／ｃｍ２時，經(jīng)過１０ｈ，電遷移就幾乎全部溶解了陰極處的ＩＭＣ。Ｓｈａｏ等研究發(fā)現(xiàn)，電流密度對電遷移失效機(jī)制也會產(chǎn)生影響，Ｓｎ－３.５Ａｇ在不同的電流密度下失效機(jī)制也不同。
研究指出，焊點(diǎn)下的金屬化層ＵＢＭ芯片為２μｍ時，電流擁擠區(qū)域出現(xiàn)在釬料中；而ＵＢＭ為１０μｍ時，電流擁擠出現(xiàn)在ＵＢＭ中而不是在釬料中。為了避免電流擁擠的出現(xiàn)，Ｔｕ等提出了加厚ＵＢＭ，加寬釬料凸點(diǎn)和高電流密度區(qū)域。
2.2 溫度對電遷移的影響
在電遷移過程中，空洞、凸起的形成導(dǎo)致了互連線的線性阻值增加，產(chǎn)生焦耳熱，當(dāng)焦耳熱越積越多達(dá)到１０００～１５００℃／ｃｍ時，就會引發(fā)熱遷移。熱遷移的存在對電遷移有重要影響，當(dāng)兩者遷移的方向一致時，熱遷移加速電遷移的過程；當(dāng)兩者遷移方向相反時，熱遷移減緩電遷移的過程。
研究經(jīng)過有限元模擬和理論分析證實(shí)了這一點(diǎn)，但是研究者發(fā)現(xiàn)，不管熱遷移單獨(dú)存在還是兩種遷移并存，都會出現(xiàn)ＩＭＣ在熱端變薄、冷端變厚的現(xiàn)象。當(dāng)電遷移的過程中存在熱遷移時，在遷移驅(qū)動力方面，熱遷移會高于電遷移。因此，在研究原子遷移時，考慮溫度水平的同時，還要考慮另一重要因素即溫度梯度。
在傳統(tǒng)的錫鉛（ＳｎＰｂ）焊點(diǎn)中，Ｓｎ和Ｐｂ原子的遷移方向受溫度的影響非常明顯。當(dāng)溫度大于等于１００℃時，Ｐｂ原子從陰極遷向陽極，Ｓｎ原子從陽極遷向陰極；室溫下，Ｐｂ原子從陽極遷向陰極，Ｓｎ原子從陰極遷向陽極。
此外，溫度不同時，擴(kuò)散的主導(dǎo)元素也不同。如傳統(tǒng)Ｓｎ－Ｐｂ釬料，當(dāng)溫度低于１００℃時，Ｓｎ擴(kuò)散比Ｐｂ快；而當(dāng)溫度高于１００℃時，Ｐｂ卻比Ｓｎ擴(kuò)散快。
另外，焊點(diǎn)內(nèi)溫度梯度也會對空洞遷移產(chǎn)生影響。電遷移中電流擁擠效應(yīng)產(chǎn)生的大量焦耳熱會引起焊點(diǎn)內(nèi)溫度梯度變化，引起空洞遷移和長大，導(dǎo)致焊點(diǎn)失效。
Ｗａｎｇ等研究了焊點(diǎn)內(nèi)溫度梯度對焊點(diǎn)內(nèi)空洞的影響，研究表明，溫度梯度會改變空洞附近的電阻系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)，使得空洞沿界面處長大，加速電遷移失效。
2.3合金成分對電遷移的影響
Ｌｅｅ等研究表明，焊料合金的熔點(diǎn)越低越容易導(dǎo)致電遷移失效。傳統(tǒng)的ＳｎＰｂ焊點(diǎn)中，主要的遷移原子為Ｓｎ原子和Ｐｂ原子，Ｓｎ原子和Ｐｂ原子有異向遷移傾向，并在兩端分別聚集著大量的Ｓｎ原子和Ｐｂ原子，如圖４所示。
無鉛錫銀銅（ＳｎＡｇＣｕ）焊料和ＳｎＰｂ焊料的電遷移過程明顯不同。在ＳｎＡｇＣｕ焊點(diǎn)中，Ｓｎ原子和Ｃｕ原子為主要的遷移原子，且Ｓｎ原子和Ｃｕ原子的遷移方向沿著電子的方向從陰極遷向陽極。不同的焊料合金會呈現(xiàn)不一樣的極性效應(yīng)，如錫鋅（Ｓｎ９Ｚｎ）釬料剛好呈現(xiàn)出與一般釬料相反的極性效應(yīng)。
Ｗａｎｇ等研究發(fā)現(xiàn)，Ｓｎ９Ｚｎ在溫度為１４０℃，電流密度為4.26X104A/cm2時，電遷移166H后，陰極處的IMC比陽極處的IMC要厚。一般情況下，焊點(diǎn)中Ｓｎ在陰極的濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，全文同）總是高于在陽極的濃度，但Ｓｎ濃度的增加會導(dǎo)致Ｓｎ的擴(kuò)散速率下降。研究還發(fā)現(xiàn)，Ｓｎ原子的電遷移方向與Ｓｎ的濃度梯度方向相反。
Ｃｈｅｎ等試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在釬料中添加Ｓｂ，金屬間化合物的厚度減小，并且晶粒得到細(xì)化，充分證實(shí)了在釬料中添加Ｓｂ等固溶原子，不僅可以抑制ＩＭＣ的生長，而且還提高了焊點(diǎn)的力學(xué)性能。
同樣Ｌｉ等研究也表明，釬料中添加了Ｓｂ后，金屬間化合物的生長速率明顯下降。Ｃｈｅｎ等發(fā)現(xiàn)，向ＳｎＡｇＣｕ釬料中添加Ｓｂ，雖能顯著提高其力學(xué)性能，但Ｓｂ的摻雜也降低了無鉛焊點(diǎn)抵抗電遷移的特性，故在釬料中是否添加Ｓｂ，或添加多少Ｓｂ，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況全面考慮。
3、電遷移對微焊點(diǎn)的影響
3.1電遷移對焊點(diǎn)力學(xué)性能的影響
三元合金ＳｎＡｇＣｕ是目前最常用的無鉛互連焊點(diǎn)材料。Ｓｎ的化學(xué)活性和潤濕性較好，它與貴重金屬元素形成的ＩＭＣ聚集在焊點(diǎn)的界面處，但消耗了ＵＢＭ層，且ＩＭＣ易脆，故顯著影響了焊點(diǎn)的機(jī)械強(qiáng)度。通過對不同電遷移時間的試樣做拉伸試驗(yàn)，繪制材料的拉伸曲線圖如圖５所示，由圖可知，電遷移效應(yīng)會導(dǎo)致焊點(diǎn)的力學(xué)性能下降。
電遷移是焦耳熱和電流綜合作用下的質(zhì)量傳輸過程。楊艷等研究表明，電遷移與熱時效均導(dǎo)致微焊點(diǎn)平均拉伸強(qiáng)度明顯退化，并且在確定的服役時間內(nèi)高密度電流作用引起的平均拉伸強(qiáng)度下降幅度更大，對微焊點(diǎn)可靠性的影響更明顯。
常紅等研究表明，電遷移使Ｓｎ－３.０Ａｇ－０.５Ｃｕ焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度顯著下降，電遷移36H使剪切抗力降低了約30%；而電遷移48Hｈ后，降低了50%，不僅降低速度快，降低幅度也很大。電遷移對微焊點(diǎn)平均拉伸強(qiáng)度的影響存在明顯的尺寸效應(yīng)。隨著微焊點(diǎn)高度尺寸（體積）的不斷減小，由電遷移和熱時效導(dǎo)致的微焊點(diǎn)平均拉伸強(qiáng)度明顯減弱。因此，在焊點(diǎn)微小化過程的焊點(diǎn)設(shè)計(jì)和制作及可靠性評價時應(yīng)予以考慮。
3.2電遷移對焊點(diǎn)斷裂機(jī)制的影響
在無電遷移作用時，微焊點(diǎn)斷裂是發(fā)生在焊點(diǎn)的釬料部分且呈延性斷裂，而經(jīng)歷過電遷移極化效應(yīng)的影響，微焊點(diǎn)最終在釬料與銅導(dǎo)線界面的陰極處斷裂呈現(xiàn)延性與脆性并存的斷裂。通過對不同電遷移時間的試樣做斷裂機(jī)制和端面形貌研究，發(fā)現(xiàn)在高電流密度下，微互連焊點(diǎn)的斷裂模式是一個由塑性斷裂向脆性斷裂的過程。
3.3電遷移對微焊點(diǎn)振動疲勞性能的影響
尹立孟等研究了微焊點(diǎn)在不同電遷移時間和電流密度時的振動疲勞行為及性能。研究發(fā)現(xiàn)，電遷移嚴(yán)重影響微焊點(diǎn)的振動疲勞失效，使振動疲勞壽命下降，不論是延長電遷移時間，還是增大電流密度都會加速微焊點(diǎn)由塑性斷裂向脆性斷裂轉(zhuǎn)變的過程，微焊點(diǎn)的振動疲勞失效就是振動疲勞與蠕變共同作用的結(jié)果。
4、結(jié)語
電流密度、電遷移時間與溫度、合金元素等因素，明顯影響了電遷移的失效過程。電遷移顯著降低焊點(diǎn)的力學(xué)性能，其對微焊點(diǎn)平均拉伸強(qiáng)度的影響存在明顯的尺寸效應(yīng)，電遷移使微焊點(diǎn)的振動疲勞壽命明顯下降，且無論是延長電遷移時間還是增大電流密度，都會加速微焊點(diǎn)由塑性斷裂向脆性斷裂轉(zhuǎn)變的過程。
目前，多數(shù)研究學(xué)者對微電子中的電遷移問題的研究，基本上還停留在電遷移失效機(jī)制和電遷移對微焊點(diǎn)影響的層面上，缺少實(shí)際的解決微電子封裝中凸點(diǎn)電遷移失效的解決方案，期待研究學(xué)者作進(jìn)一步研究。
另外，互連焊點(diǎn)的電遷移失效實(shí)際是多種影響因素的疊加或耦合（如在“電－熱－力－化學(xué)”的綜合作用）造成的，因此以后應(yīng)該對綜合作用下的電遷移作更多的研究和探討。
來源：半導(dǎo)體封裝工程師之家
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