微互連焊點(diǎn)電遷移失效機(jī)理研究.pdf

1、電子器件的多功能化、高性能、小尺寸等發(fā)展需求促進(jìn)了高密度封裝模式快速發(fā)展,單個(gè) IC裸芯片上的I/O引腳數(shù)量急劇增加,焊點(diǎn)尺寸下降,使通過(guò)焊點(diǎn)的平均電流密度大大增加,達(dá)到104A/cm2的數(shù)量級(jí),引起焊點(diǎn)的電遷移失效。微小焊點(diǎn)中的晶粒個(gè)數(shù)十分有限,而β-Sn具有強(qiáng)烈的各向異性,因此研究有限晶粒焊點(diǎn)的電遷移可靠性是一個(gè)非常值得探討的科學(xué)問(wèn)題。
　　本文對(duì)微互連焊點(diǎn)的電遷移失效機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)研究。首先分析了BGA結(jié)構(gòu)焊點(diǎn)在熱載荷和電流

2、載荷下的失效機(jī)制及界面IMC和組織的的演化規(guī)律;然后采用EBSD對(duì)Sn3.0Ag0.5Cu和Sn0.7Cu的晶粒特征進(jìn)行了分析,研究了電遷移失效特征和晶粒取向的關(guān)系;最后對(duì)BGA結(jié)構(gòu)的焊點(diǎn)中電遷移的散度進(jìn)行了計(jì)算,并分析了材料屬性,結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電遷移散度的影響。
　　研究結(jié)果表明:電流載荷下,凸點(diǎn)中存在電流塞積,界面IMC生長(zhǎng)具有極性效應(yīng),陰極IMC層快速溶解,Cu和Ni原子大量溢出導(dǎo)致陰極焊盤(pán)出現(xiàn)凹陷,最終形成斷路失效,陽(yáng)極大量樹(shù)

3、枝狀(CuNi)6Sn5富集;陰極界面存在IMC生長(zhǎng)和分解的平衡,電流密度較大時(shí),IMC分解速度大于生長(zhǎng)速度,厚度減小,電流密度較小時(shí),電子風(fēng)提供能量減低,IMC分解作用減緩,厚度增加;原子的定向移動(dòng)會(huì)使焊點(diǎn)中建立起應(yīng)力梯度,加速了Cu/Cu3Sn界面的Cu大量的向釬料基體溢出,促使了陽(yáng)極Kirkendall空洞的形成;Pb在電子風(fēng)力作用下向陽(yáng)極遷移形成富集,同時(shí)Sn向相反方向移動(dòng),在陰極形成富集;對(duì)接Sn0.7Cu接頭中含有多個(gè)晶粒,

4、電遷移失效機(jī)制與陰極界面處Sn晶粒取向有關(guān),晶粒的C軸與電流方向平行,Cu原子向陽(yáng)極擴(kuò)散加劇,陰極IMC迅速溶解同時(shí)焊盤(pán)出現(xiàn)凹陷,界面前沿產(chǎn)生裂紋;Sn3.0Ag0.5Cu對(duì)接接頭通常得到存在片層狀孿晶結(jié)構(gòu)的單晶焊點(diǎn),且β-Sn處于Cu原子擴(kuò)散的“差取向”,陰極IMC分解緩慢;通電后,Sn晶粒數(shù)量增多尺寸減小,孿晶取向關(guān)系減弱,晶粒間取向差角變均勻;通電BGA焊點(diǎn)中,電子遷移的程度要大于溫度遷移和應(yīng)力遷移,SnPb相比SnAgCu焊點(diǎn)更