微电子封装中焊点的电迁移现象分析与研究.docx

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1、微电子封装中焊点的电迁移现象分析与研究目录微电子封装中焊点的电迁移现象分析与研究1摘要：21电迁移现象与原理31.1 电迁移现象31.2 电迁移原理42电迁移的影响因素62.1 电流密度对电迁移的影响62.2 温度对电迁移的影响72.3 合金成分对电迁移的影响83电迁移对微焊点的影响103.1 电迁移对焊点力学性能的影响103.2 电迁移对焊点断裂机制的影响123.3 电迁移对微焊点振动疲劳性能的影响12微电子封装中焊点的电迁移现象分析与研究目录微电子封装中焊点的电迁移现象分析与研究1摘要：21电迁移现象与原理31.1 电迁移现象31.2 电迁移原理42电迁移的影响因素62.1 电流密度对电迁

2、移的影响62.2 温度对电迁移的影响72.3 合金成分对电迁移的影响83电迁移对微焊点的影响103.1 电迁移对焊点力学性能的影响103.2 电迁移对焊点断裂机制的影响123.3 电迁移对微焊点振动疲劳性能的影响124结语121电迁移现象与原理1.1电迁移现象电子在导体中长时间移动，推动金属原子或离子运动的现象，称为电迁移现象。电子元器件的集成度越来越高，微焊点间的距离越来越小,造成互连焊点中的电流密度不断增加，导致金属原子的高能态迁移，1.2电迁移原理对于互连微焊点而言，由于焊点特殊的几何形状，在焊点与导线的接点处发生电流拥挤效应和金属间化合物（IMC）生长的极性效应，即金属原子由阴极向阳极

3、扩散，溶解了阴极的IMC ,导致阴极裂纹和空洞的出现，同时使阳极的I MC得到生长。因此,阳极发生原子的堆积，而阴极处裂纹和空洞逐渐长大，最终导致焊点断裂失效；而阳极处则由于原子的堆积而形成一些凸丘（如图2所示），最终导致焊点破坏，元件短路失效，缩短了焊点平均失效时间。在高电流密度下，焊点互连线中高速向阳极运动的电子碰撞金属原子,发生动量交换，虽然金属原子受到电子风力和静电场力的双向作用，但电子风力起主导作用，因此电迁移中原子的迁移是在电子风力作用对于互连微焊点而言，由于焊点特殊的几何形状，在焊点与导线的接点处发生电流拥挤效应和金属间化合物（IMC）生长的极性效应，即金属原子由阴极向阳极扩散，

4、溶解了阴极的IMC ,导致阴极裂纹和空洞的出现，同时使阳极的I MC得到生长。因此,阳极发生原子的堆积，而阴极处裂纹和空洞逐渐长大，最终导致焊点断裂失效；而阳极处则由于原子的堆积而形成一些凸丘（如图2所示），最终导致焊点破坏，元件短路失效，缩短了焊点平均失效时间。在高电流密度下，焊点互连线中高速向阳极运动的电子碰撞金属原子,发生动量交换，虽然金属原子受到电子风力和静电场力的双向作用，但电子风力起主导作用，因此电迁移中原子的迁移是在电子风力作用下的定向迁移。2电迁移的影响因素B r a n d e n b u r y等于1 9 9 8年首次提出电迁移失效现象，随后电迁移被作为微电子封装可靠性问题

5、进行研究。T u等在电迁移研究领域做了大量的研究发现，焊料合金的低熔点及较高的原子扩散率是电子产品在服役时产生电迁移现象的主要原因。2.1电流密度对电迁移的影响在微电子封装中，由于微焊点结构特征的影响，电流从导线流动到焊点时，导电路径的横截面面积发生突然变化，造成电流聚集，而电流聚集对电迁移有显著的影响。一般凸点中的平均电流密度为1 0-4A/ c m 2，接触点即电流拥挤区域的电流密度可达1 0 5 A / c m2 ,甚至更高。Chen等研究发现，在焊点中发生电迁移需要一个临界电流密度，当焊点承载的电流密度低于临界电流密度时，电迁移不会发生；反之，电流密度越大，电迁移失效越严重。而临界电流

6、密度的大小和钎 料、温度有 关。H s u等研究发现，对于S n 3.8 A g - 0 . 7 C u钎料，当温度为8 0。时，临界电流密度为4.3X1 0 4 A / cm2 ；当温度为1 0 0 时，临界电流密度为3.2X104A / c m 2 ；而当温度为1 2 0 时，临界电流密度为1.4X104A / c m 2 o此外，电流密度的大小对阴极处I MC的溶解速度也有很大影响。T U等研究发现，增加电流密度会加快阴极处IMC的溶解速度，当焊点互连线中的电流密度为2 1 0 4 A / c m 2时，经过1 0 h ,电迁移就几乎全部溶解了阴极处的IMC。 Sha。等研究发现，电流密

7、度对电迁移失效机制也会产生影响，S n 3. 5 A g在不同的电流密度下失效机制也不同。文献研究指出，焊点下的金属化层U BM芯片为2 m时，电流拥挤区域出现在钎料中；而UBM为1 0 m时，电流拥挤出现在U BM中而不是在钎料中。为了避免电流拥挤的出现，Tu等提出了加厚U BM ,加宽钎料凸点和高电流密度区域。2.2 温度对电迁移的影响在电迁移过程中，空洞、凸起的形成导致了互连线的线性阻值增加，产生焦耳热，当焦耳热越积越多达到10 0 0 15 0 0 / Cm时，就会引发热迁移。热迁移的存在对电迁移有重要影响，当两者迁移的方向一致时，热迁移加速电迁移的过程；当两者迁移方向相反时，热迁移减

8、缓电迁移的过程。文献经过有限元模拟和理论分析证实了这一点，但是研究者发现，不管热迁移单独存在还是两种迁移并存,都会出现I MC在热端变薄、冷端变厚的现象。当电迁移的过程中存在热迁移时，在迁移驱动力方面，热迁移会高于电迁移。因此，在研究原子迁移时，考虑温度水平的同时，还要考虑另一重要因素即温度梯度。在传统的锡铅（s n P b ）焊点中，s n和P b原子的迁移方向受温度的影响非常明显。当温度大于等于1 0 0 时, Pb原子从阴极迁向阳极，Sn原子从阳极迁向阴极；室温下，Pb原子从阳极迁向阴极，S n原子从阴极迁向阳极。此外，温度不同时，扩散的主导元素也不同。如传统Sn -P b钎料，当温度低

9、于1 0 0 C时，S n扩散比P b快；而当温度高于1 0 0 时，P b却比S n扩散快。另外，焊点内温度梯度也会对空洞迁移产生影响。电迁移中电流拥挤效应产生的大量焦耳热会引起焊点内温度梯度变化，引起空洞迁移和长大，导致焊点失效。W a n g等研究了焊点内温度梯度对焊点内空洞的影响，研究表明，温度梯度会改变空洞附近的电阻系数和扩散系数，使得空洞沿界面处长大，加速电迁移失效。2.3 合金成分对电迁移的影响L e e等研究表明，焊料合金的熔点越低越容易导致电迁移失效。传统的SnPb焊点中，主要的迁移原子为Sn原子和Pb原子，Sn原子和Pb原子有异向迁移倾向，并在两端分别聚集着大量的S在传统的

10、锡铅（s n P b ）焊点中，s n和P b原子的迁移方向受温度的影响非常明显。当温度大于等于1 0 0 时, Pb原子从阴极迁向阳极，Sn原子从阳极迁向阴极；室温下，Pb原子从阳极迁向阴极，S n原子从阴极迁向阳极。此外，温度不同时，扩散的主导元素也不同。如传统Sn -P b钎料，当温度低于1 0 0 C时，S n扩散比P b快；而当温度高于1 0 0 时，P b却比S n扩散快。另外，焊点内温度梯度也会对空洞迁移产生影响。电迁移中电流拥挤效应产生的大量焦耳热会引起焊点内温度梯度变化，引起空洞迁移和长大，导致焊点失效。W a n g等研究了焊点内温度梯度对焊点内空洞的影响，研究表明，温度梯

11、度会改变空洞附近的电阻系数和扩散系数，使得空洞沿界面处长大，加速电迁移失效。2.4 合金成分对电迁移的影响L e e等研究表明，焊料合金的熔点越低越容易导致电迁移失效。传统的SnPb焊点中，主要的迁移原子为Sn原子和Pb原子，Sn原子和Pb原子有异向迁移倾向，并在两端分别聚集着大量的Sn原子和P b原子，如图4所示。3电迁移对微焊点的影响3.1电迁移对焊点力学性能的影响三元合金S n A g C u是目前最常用的无铅互连焊点材料。Sn的化学活性和润湿性较好，它与贵重金属元素形成的I MC聚集在焊点的界面处，但消耗了 UBM层，且IMC易脆，故显著影响了焊点的机械强度。通过对不同电迁移时间的试样

12、做拉伸试验，绘制材料的拉伸曲线图如图5所示，由图可知，电迁移效应会导致焊点的力学性3电迁移对微焊点的影响3.1 电迁移对焊点力学性能的影响三元合金S n A g C u是目前最常用的无铅互连焊点材料。Sn的化学活性和润湿性较好，它与贵重金属元素形成的I MC聚集在焊点的界面处，但消耗了 UBM层，且IMC易脆，故显著影响了焊点的机械强度。通过对不同电迁移时间的试样做拉伸试验，绘制材料的拉伸曲线图如图5所示，由图可知，电迁移效应会导致焊点的力学性能下降。3.2 电迁移对焊点断裂机制的影响在无电迁移作用时，微焊点断裂是发生在焊点的钎料部分且呈延性断裂，而经历过电迁移极化效应的影响，微焊点最终在钎料

13、与铜导线界面的阴极处断裂呈现延性与脆性并存的断裂。通过对不同电迁移时间的试样做断裂机制和端面形貌研究，发现在高电流密度下，微互连焊点的断裂模式是一个由塑性断裂向脆性断裂的过程。3.3 电迁移对微焊点振动疲劳性能的影响尹立孟等研究了微焊点在不同电迁移时间和电流密度时的振动疲劳行为及性能。研究发现，电迁移严重影响微焊点的振动疲劳失效，使振动疲劳寿命下降，不论是延长电迁移时间，还是增大电流密度都会加速微焊点由塑性断裂向脆性断裂转变的过程，微焊点的振动疲劳失效就是振动疲劳与蠕变共同作用的结果。4结语电流密度、电迁移时间与温度、合金元素等因素，明显影响了电迁移的失效过程。电迁移显著降低焊点的力学性能，其对微焊点平均拉伸强度的影响存在明显的尺寸效应，电迁移使微焊点的振动疲劳寿命明显下降，且无论是延长电迁移时间还是增大电流密度，都会加速微焊点山塑性断裂向脆性断裂转变的过程。目前，多数研究学者对微电子中的电迁移问题的研究，基本上还停留在电迁移失效机制和电迁移对微焊点影响的层面上，缺少实际的解决微电子封装中凸点电迁移失效的解决方案，期待研究学者作进一步研究。另外，互连焊点的电迁移失效实际是多种影响因素的叠加或耦合（如在“电一热一力一化学”的综合作用）造成的，因此以后应该对综合作用下的电迁移作更多的研究和探讨。