（材料加工工程专业论文）低银无铅焊点电迁移性能的研究.pdf

哈尔滨理_ 大学工学硕i l ：学位论文 低银无铅焊点电迁移性能的研究 摘要 目前，倒装芯片技术在电子封装中占据非常重要的地位，但是随着封装 密度的不断提高，电迁移现象已经成为严重影响其可靠性的重要问题，已引 起广泛关注。低银s n a g c u 系无铅钎料是最有可能替代s n p b 钎料的几种钎 料之一，相信会有很好的发展前景。因此，研究低银无铅钎料的电迁移行为 在微电子封装可靠性的研究中占有非常重要的地位。 本文以s a c 3 0 5 、s n 0 7 a 9 0 5 c u 和s n 0 7 a 9 0 5 c u 3 5 b i 0 0 5 n i 三种钎料 成分的焊点作为研究对象，在不同的环境温度、电流密度和时间条件下进行 了电迁移试验。对比分析了三种钎料的抗电迁移性能以及电迁移现象对焊点 界面结构和力学性能的影响。 研究结果表明，微量元素b i 和n i 可以有效提高低银无铅钎料的抗电迁 移性能；随着试验时间的增加，阴极i m c 层分解，c u 焊盘遭到侵蚀，阳极 端形成了大量的化合物，阴阳极的i m c 层表面逐渐趋于平缓；界面i m c 与 c u 焊盘之间生成一层c u 3 s n 化合物，阴极端比阳极端先出现c u 3 s n 层，并 且试验结束后阴极c u 3 s n 层厚度大于阳极；室温下，对互连焊点施加 0 8 1 0 4 a e m 2 的电流密度持续2 0 天，互连焊点扇贝状化合物表面趋于平 缓，而进行1 6 0 高温时效1 0 0 h 处理后再进行电迁移试验，扇贝状的i m c 基本上没有变化；在5 0 1 0 4 a c m 2 的电流密度下通电，互连焊点仅仅l m i n 就发生了非常严重的电迁移失效，阳极形成了大量的c u 6 s n 5 化合物，阴极 i m c 迅速分解，c u 焊盘遭到严重侵蚀，并且侵蚀最严重的区域位于焊盘两 三u j 师。 电迁移试验中，温度起着非常重要的作用。在其他试验条件相同的情况 下，环境温度越高，互连焊点发生的电迁移现象也越明显。环境温度为 1 2 0 、电流密度为1 7 6 x 1 0 4 a c m 2 时通电5 8 h 后，焊点在很短时间内就发 生了电迁移失效，而在2 5 和8 0 c 条件下，电迁移现象并不明显。 电迁移现象导致焊点内部组织发生变化，阴极端组织稀疏，有空洞和裂 纹产生；阳极端组织致密，大量化合物在此处形成；电迁移现象使得焊点各 处压痕硬度值发生变化，阴极区域焊点压痕硬度明显降低，阳极区域压痕硬 度升高，在焊点内部形成了一个硬度梯度；阴极端的弹性模量与试验前相比 明显降低，而阳极端变化并不明显：焊点的蠕变深度a h 随着加载速率的增 哈尔滨理上大学工学硕：l 二学位论文 加而升高，电迁移试验后阴阳两极的蠕变深度明显大于试验前，电迁移降低 了互连焊点的抗蠕变性能。 关键词低银钎料；电迁移；界面化合物；压痕硬度：蠕变 l l 哈尔滨理工人学工学硕l ：学位论文 s t u d y o ne l e c t r o m i g r a t i o nb e h a v i o ro f l o w - a g l e a d - f r e es o l d e rb u m p a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ef l i p c h i pt e c h n o l o g yp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei ne l e c t r o n i c p a c k a g i n g ，b u tw i t ht h ei n c r e a s i n gp a c k i n gd e n s i t y , e l e c t r o m i g r a t i o n ( e m ) h a s b e c o m eas e r i o u sp r o b l e ma f f e c t i n gr e l i a b i l i t y , a n dh a sa t t r a c t e dw i d ea t t e n t i o n a f t e rb a n n i n gt h el e a ds o l d e r , l o w - a gl e a d - f r e eh a st h em o s tp o s s i b i l i t yt o r e p l a c es n p ba l l o y , w eb e l i e v ei th a sab e t t e rp r o s p e c t b e c a u s eo ft h ei m p o r t a n c e o fe l e c t r o m i g r a t i o ni ne l e c t r o n i cp a c k a g i n g ，s oi ti s n e c e s s a r yt os t u d yt h e e l e e t r o m i g r a t i o no fl o w - a gs o l d e r t h i sp a p e rw a sb a s e do ns a c 3 0 5 ，s n 0 7 a 9 0 5 c ua n ds n 0 7 a 9 0 5 c u b i n i ， a n dt h ee l e c t r o m i g r a t i o nt e s tw a sd o n eb yd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e ，c u r r e n td e n s i t y a n d t i m e a n a l y z i n gt h ee l e c t r o m i g r a t i o nr e s i s t a n c eo ft h e s et h r e ek i n d so f s o l d e r s ，a l s ot h ec h a n g eo fi n t e r f a c i a ls t r u c t u r e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f s o l d e rj o i n t sa f t e re l e e t r o m i g r a t i o nf a i l u r e t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tb y a d d i n ge l e m e n t sb ia n dn ii nt h el o w - a gs o l d e r , e l e e t r o m i g r a t i o nb e h a v i o rc o u l db ei m p r o v e do b v i o u s l y w i t ht h et i m ei n c r e a s i n g ， i n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d s ( i m c ) d i s a p p e a r e dn e a rc a t h o d ea r e aw h e r et h ec o p p e r a r ec o n s u m e do b v i o u s l y , al a r g ea m o u n to fi m cw e r eo b s e r v e da tt h ea n o d e t h ee d g eo fi m cl a y e r sf l a t t e n e da n dal a y e ro fc u 3 s na p p e a r e db e t w e e ni m c l a y e ra n dc up a d ，c u 3 s nl a y e ra tc a t h o d ea p p e a r e de a r l i e ra n dt h i c k e rt h a na t a n o d ea f t e re mt e s t t h ee d g eo fi m cl a y e rf l a t t e n e du n d e rac u r r e n td e n s i t yo f 0 8x10 4 a c m za tr o o mt e m p e r a t u r ef o r2 0d a y s ，o nt h ec o n t r a r y , t h ei m c c h a n g e d l i t t l eu n d e re me x p e r i m e n tw h i c hw a sa f t e rat h e r m a l a g i n ga t16 0 。cf o r10 0 h e l e c t r o m i g r a t i o nd a m a g e sw e r eo b s e r v e di nt h eb u m p su n d e rac u r r e n td e n s i t yo f 5 o 10 斗a c m zj u s to n l yo n em i n u t e ，al a r g ea m o u n to fc u 6 s n 5i m cc o u l db e f o u n da ta n o d e ，i m cd i s a p p e a r e dn e a rc a t h o d ea r e aw h e r et h e c o p p e ra r e c o n s u m e dw o r s ea tt w oe d g e so ft h ec o n t a c ti n t e r f a c et h a na tm i d d l eo b v i o u s l y t e m p e r a t u r ep l a y s a ni m p o r t a n tr o l ei ne mt e s t w i t ht h et e m p e r a t u r e i n c r e a s i n g ，t h ee mf a i l u r eo fs o l d e rb u m p st a k ep l a c ee a s i e r i nt h ec o n d i t i o no f 1 1 1 哈尔滨理- l 夫学工学硕： 二学位论文 t = 1 2 0 。c ，j = 1 7 6 x 1 0 4 a g i n 2 ，t = - 5 8 h ，e mf a i l u r ec o u l db eo b s e r v e dq u i c k l y , b u t n o ti n2 5 a n d8 0 t h er e s u l t sa l s oi n d i e a t e dt h a te mf a i l u r ec a nl c a dt ot h ec h a n g e so f m i c r o s t r u c t u r e so fs o l d e rb u m p s ，t h es t r u c t u r ea tc a t h o d eb e c a m es p a r s e rw h i l e v o i d sa n dc r a c k sa s s e m b l e dh e r e ，h o w e v e ri ti s o p p o s i t e a tt h ea n o d e e l e c t r o m i g r a t i o na l s ol e a d st ot h ec h a n g e so fm i c r o h a r d n e s s e so fs o l d e rb u m p s ， a n di tr a i s e df o r mc a t h o d et oa n o d ec a u s e db ye m t h ee l a s t i cm o d u l u sa t c a t h o d ea r e ad e c r e a s e do b v i o u s l ya n dt h eo n ea ta n o d ew e r ea st h es a m ea s b e f o r e w i t ht h el o a d i n gr a t ei n c r e a s i n g ，t h ec r e e pd e p t h s ( h ) o fs o l d e rb u m p s i n c r e a s e db e f o r ea n da f t e rc u r r e n ts t r e s s i n g ，b u tc r e e pd e p t ha tc a t h o d ew a s b i g g e rt h a na ta n o d e ，e l e c t r o m i g r a t i o nf a i l u r ed e c r e a s e dt h ec r e e pr e s i s t a n c eo f s o l d e rb u m p s k e y w o r d sl o w a gs o l d e r ，e l e c t r o m i g r a t i o n ，i m c ，m i c r o h a r d n e s s ，c r e e p 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 随着电子工业的迅猛发展，倒装芯片技术( f l i pc h i pt e c h n o l o g y ) 作为微电 子封装中新一代晶圆级封装的主流技术越来越受到人们的关注【l 】。而电子信息 产品不断朝着微型化、便携式以及高可靠性等方面发展，也给倒装芯片技术带 来了巨大的挑战【2 】，图1 1 所示的是一个典型的倒装芯片互连焊点结构示意 图。随着电子产品的高密度化不断发展，互连焊点的尺寸将会不断减小，而通 过的电流有可能更大，那么焊点所承载的电流密度将会呈数量级增加，这将会 是一个非常严重的问题，因此，对于微焊点的电迁移失效，研究者们需要对其 进行更加深入地研究。 凸点下金 属化层 凸点下金 属化层 图1 - 1 倒装芯片互连焊点结构不意图 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo ff l i p c h i ps o l d e rb u m p 一直以来，s n p b 钎料依靠其较低的价格和良好的钎焊性能一直是电子工 业中的首选钎料，得到了广泛的认可，许多研究者对其电迁移性能做了比较深 入地研究。但是随着2 0 0 3 年w e e e 和r o l l s 两项指令的推出，含铅钎料已经 成为了历史，寻找s n p b 钎料替代品的工作稳步地的开展起来，其中美国 n e m i 推荐的s n 3 9 a g 0 6 c u ，欧盟推荐的s n 一3 8 a g 0 7 c u 和日本j e i t a 推荐 的s n 3 0 a g 一0 5 c u 3 ，4 是较为常见的几种高银钎料，许多研究者对其各方面性 能做了非常细致地研究，也包括高银钎料的抗电迁移性能。但是较高的含银量 哈尔滨理工人学工学硕1 ：学位论文 不但成本较高还会导致铅焊接头耐冲击性能的下降，对于担负机械连接任务的 焊点来说，影响是巨大的。因此，研究低银型无铅钎料是市场发展的必然趋 势。 研发低银s n a g c u 系无铅钎料的目的是在合理的成本范围内，找到一种新 的钎料在性能上和以往的含铅钎料相当，甚至有所改进。众所周知，较低的含 银量会导致钎料的硬度、强度等性能下降，在高温服役老化条件下其可靠性明 显下降，同时含银量的降低也会使其熔点、润湿性等焊接性能变差。不过，通 过向低银无铅钎料中加入b i 、n i 、s b 、g e 、i n 及其他稀土元素的方法可以有 效地提高其各方面的性能【5 】。但是，由于种类繁多，国内外目前并没有一种市 场上公认的、合理的配比方案，因此对于这个领域的研究是一个非常有意义的 工作。部分研究者已经把低银无铅钎料的一些基础性能做了比较细致的研究。 当一种钎料的基础性能研究日渐成熟后，它的更深层次的可靠性问题就会马上 进入研究者的视野里，这其中就包括严重影响倒装芯片可靠性的互连焊点的电 迁移问题。 虽然国内外研究者对于高银无铅钎料的抗电迁移性能做了多方面的研究， 但对低银无铅钎料抗电迁移性能的研究还属于起步阶段，我国与国外先进水平 差距不大，这将是我国电子封装水平与国际同步的好机会。 1 2 电迁移现象的研究现状及发展 1 电流拥挤效应和焦耳热效应 顾名思义，电迁移现象中的电流拥挤效应即为在电子元器件当中，互连焊 点部分区域的电流密度高于其他区域。电子流入处的电流密度一般要比平均电 流密度高一到两个数量级，形成电流的聚集现象 1 0 j h ，这也就是电迁移失效一 般在界面处产生的原因。 焦耳热效应是指在电迁移试验中，互连焊点承载了高温和高电流密度，焊 点内部电流聚集区域的温度要高于其他区域。温度的不均匀使得焊点内部存在 一个很大的温度梯度，这可能会加速焊点发生电迁移失效，降低互连焊点的寿 命 1 2 , 1 3 。 2 极化效应 极化效应主要是指电迁移驱使金属原子从互连焊点的阴极向阳极运动，使 得在阳极有i m c 生成，阴极的i m c 分解1 1 4 1 5 】。图1 2 所示的是裂纹扩展示意图。 在阳极，大量脆性金属间化合物的形成会严重降低焊点的可靠性，而小丘的形 哈尔滨理工大学工学硕i ：学位论文 成很有可能引起短路现象 1 6 1 ，图1 3 是一张典型的电迁移失效图。 c 二 黜屣 图1 2 裂纹形成和扩展示意图 f i g 1 - 2v o i d sn u c l e a t i o na n dg r o w t h 图1 - 3 电迁移失效图 f i g 1 - 3t h ef a i l u r eo fe l e c t r o m i g r a t i o n 由于电迁移问题日益突出，电迁移失效已经成为影响微电子封装可靠性的 一个十分严重的问题，迫切需要对其进行更加深入的研究。国内外的研究者对 于电迁移问题给予了高度关注，并做了大量的富有成效的工作。 1 9 6 1 年，h u n t i n g t o n 1 7 】等人报道，a u 引线在环境温度为8 5 0 1 0 0 0 。c 、电流 密度为1 0 4 刖c m 2 的条件下通电，会在阴极处形成原子的迁移现象，这是在引线 内电子风力的推动下完成的。这篇报道是关于电迁移现象的第一篇文章，由此 也开创了电迁移研究的新时代。 b l a c k 总结出了b l a c k 方程，如式1 1 所示，来预测互连引线的电迁移平 均失效时间【1 8 】： 一= 么专唧( 导) m ， jk 1 ) 式中：彳是常数0 8 ；是电流密度；刀是电流密度指数1 8 2 ；q 是单个原子的激 活能o 8 e v ；k 是波尔兹曼常数；堤平均绝对温度。 从2 0 世纪6 0 年代电迁移问题被研究者发现到现在，该问题的研究已经经 过了半个世纪，研究的方向大致可以分为两方面，即：互连引线的电迁移问题 和微电子封装中互连焊点的电迁移问题【1 9 】。 在互连引线的电迁移问题的研宄过程中，h u n t i n g t o n 【2 0 之2 】采用标记示踪原 子的方法研究t a g 、c u 、a u 、p b 中的空位和原子的迁移现象。他的研究成果 为后来众多研究者的研宄工作奠定了坚实基础。 直到1 9 9 8 年，b r a n d e n b u r g 和y e h 【2 3 】第一次报道了倒装芯片互连焊点的电迁 哈尔滨理工人学工学硕： ：学位论文 移现象。焊点直径为1 2 5 1 t m 的s n p b 焊点，环境温度为1 5 0 c ，所承受的电流密 度为8 1 0 3 a e m 2 ，通电几百小时后在阴极有空洞形成，阳极发现了p b 的堆积。 y e t 2 4 等人通过对n i s n p b c u 互连结构的研究发现，c u 一侧的i m c 为c u 6 s n s ，n i 一侧的i m c 为n i 3 s n 4 并且他们认为，富p b 相得生长和粗化主要和电流密度有 关，和温度的关系不大。但是，随着2 0 0 3 年欧盟委员会颁布了w e e e 和r o l l s 两 项指令，含铅钎料将肯定会被无铅钎料取代。因此，对无铅钎料电迁移行为的 研究成为微电子封装领域的新的热点。l e e t 2 习等人通过对n i s n p b c u 和 n i s n a g c u c u 互连结构电迁移行为的研究中发现，在j = 3 8 x 1 0 4 a e m 2 、 t = 1 2 0 * c 的条件下，在两种焊点内部都形成了n i c u - s n 化合物，但是产生了比 较明显的极化效应。c h e l a t 2 6 朋等人在5 o 1 0 2 a e r a 2 ，不同温度下对n i s n a g n i 和n i s n c u n i 结构做了细致地研究。研究发现，电迁移现象与温度成正比，电 迁移试验后，c u 只在阳极端发现。k n t u 教授【 】在总结了大量电迁移工作后 指出，在相同的电迁移试验条件下，利用示踪原子标记的方法分析时，在 s n a g c u 焊球中标记的位移要比s n p b 焊球小的多，这证明无铅钎料的电迁移速 率要比s n p b 钎料慢。 目前，国内的研究者对于无铅焊点电迁移可靠性问题的研究不是很久，同 国外领先技术还有一定的差距，不过随着电迁移问题在倒装芯片中日益突出， 相信会有更多的研究者加入到研究电迁移问题的队伍当中。 何洪文【：s 】应用s n a g c u 无铅焊膏焊接微米级铜线，进行电迁移试验。结果 表明，在焊点的阴极出现了一层薄薄的c u 3 s n ，而在阳极端没有发现c u 3 s n 形 成。他f 2 9 】为抑制芯片中微小焊点的电迁移，向共晶s n b i 钎料中添加微米级n i 颗 粒，试验后，阳极附近没有出现富b i 层，s n b i 钎料的电迁移性能得到改善。 尹立孟【3 0 】的结果表明，电迁移作用加速了焊点的蠕变断裂过程，随着电迁移 试验通电时间的增长及电流密度的增加，互连焊点蠕变应变速率显著增大，蠕 变寿命明显缩短；电迁移试验还导致了焊点蠕变断裂的机制从延性断裂变为脆 性断裂。 综上所述国外研究者对于倒装芯片中焊点的电迁移问题的研究还是比较早 的，而且成果显著。从刚起步时的集成电路中互连引线( a l 、c u ) 电迁移到后来 电子封装中互连焊点电迁移经历了将近半个世纪，研究的重点也都集中在电迁 移的极性效应、电流聚集效应和焦耳热效应。他们主要以焊点通电前后阴阳两 极的形貌及界面化合物组成进行对比分析为主要研究内容，来研究焊点的电迁 移极性效应。至于焊点内部电流密度的分布状况以及焊点产生的热量的研究， 目前的试验技术还不够成熟，只能通过有限元模拟的方法来研究。 哈尔滨理工人学：l = 学硕l ：学位论文 1 3 本课题研究内容 含铅钎料被禁止之后，s na g c u 系高银无铅钎料是最有可能替代s n - p b 钎料的产品之一【3 1 - 3 3 1 ，是学者们研究的热点。但是其例如抗冲击性能较差、成 本较高的缺点势必会影响其发展删。目前新出现的s n 0 7 a 9 0 5 c u ( 以下简称 s a c 0 7 0 5 ) 是低银钎料的代表f 3 5 1 ，相信会有较好的发展前景。由于电迁移问题在 电子封装可靠性上的重要性，所以研究低银无铅钎料的电迁移行为是十分重要 的。 由于互连焊点电迁移研究领域对于低银无铅焊点的研究还没有报道，所以 本文研究的目的在于找到一种抵抗电迁移能力较好的低银无铅钎料，并且研究 多种影响电迁移的因素，进而尽可能找到一种可能改善电迁移问题的途径，使得 在今后的倒装芯片技术中，互连凸点受电迁移问题的影响越来越小。 本试验的主要内容有以下几个方面： 1 对低银无铅钎料s a c 0 7 0 5 的抗电迁移性能做深入的研究，并与高银钎料 s n 3 0 a 9 0 5 c u ( 以下简称s a c 3 0 5 ) 的抗电迁移性能做对比。 2 在s a c 0 7 0 5 中加入微量元素b i 和n i ，对s n 0 7 a 9 0 5 c u 3 5 b i 0 0 5 n i ( 以下 简称s a c 0 7 0 5 b i n i ) 进行电迁移试验，探讨微量元素的加入对低银无铅钎料抗电 迁移性能的影响。 3 在不同环境温度、电流密度和时间下对互连焊点通电，分析电迁移失效 对i m c 形貌和厚度的影响。 4 对电迁移试样做进一步分析，讨论电迁移现象对互连焊点力学性能参数 的影响。 哈尔滨理工人学工学硕i ：学位论文 2 1 试验设计 第2 章试验方法 本试验主要设计思路和步骤如下： 1 熔炼s a c 3 0 5 和s a c 0 7 0 5 两种无铅钎料。 2 设计并制作出模拟倒装芯片技术的试验芯片和基板，将上述两种钎料制 备成试验要求尺寸的微焊球，经过两次回流焊到试验芯片和基板上，得到试验 前的电迁移试样。 3 将制备好的电迁移试样连入电路，在设计好的不同试验条件下进行试 验。试验结束后对通电试样进行分析。 4 在s a c 0 7 0 5 钎料中添加3 5 b i 元素和0 0 5 n i 元素，然后进行电迁移试 验，研究微量元素对低银无铅钎料点迁移性能的影响。 5 将经过电迁移试验后s a c 3 0 5 、s a c 0 7 0 5 和s a c 0 7 0 5 b i n i 三种钎料制备 纳米压痕试样，研究电迁移现象对无铅钎料力学性能参数的影响。 2 2 试验材料 2 2 1 微焊球的制备 本试验选用分析纯的s n 、a g 、c u 、b i 和n i 五种原材料进行s a c 3 0 5 、 s a c 0 7 0 5 和s a c 0 7 0 5 b i n i 三种钎料合金的熔炼，用电子天平( 精度o o o d 精确 称量出五种原材料的质量之后，以s p 一2 5 ( a ) 手提式高频感应加热机作为熔炼的 热源，以石英管作为熔炼器皿，通入9 9 9 9 的氩气进行保护进行熔炼。 熔炼过程中，高频感应加热机的工作电流调节到2 0 0 a ，熔炼时间持续3 分 钟。熔炼结束后，待钎料合金充分冷却后重新熔炼3 次，以确保钎料合金熔炼 均匀。 本试验所需的s a c 3 0 5 、s a c 0 7 0 5 和s a c 0 7 0 5 b i n i 三种钎料合金的微焊球 直径为3 5 0 4 0 0 “m ，由于试验条件的限制，无法机械化地生产出大量尺寸相同 的微焊球，本试验选择了一种操作简单的方法。此种方法比较适合需求量不大 的微焊球的制作，但是制作的焊球尺寸精度不高。主要步骤如下： 哈尔滨理工人学工学硕i ：学位论文 1 根据钎料合金的密度和所需求的微焊球的尺寸计算出每个焊球的质量。 2 将合金体钎料切出若干个规定质量的小块，在电子天平上测量筛选。 3 将分析纯的甘油( 丙三醇) 升温至3 0 09 c ，随后将筛选好的钎料小块放入 甘油中。由于钎料合金的熔点都不超过2 3 0 。c ，所以钎料小块很容易的就会在 甘油中熔化，并靠着表面张力的作用形成球体。 4 钎料小块均变成球体之后，停止加热，冷却之后将微焊球取出放入超声 波清洗设备中清晰表面附着的甘油。 5 用游标卡尺测量微焊球的直径，做最后一步筛选。 2 2 2 试验板的设计和制作 下图2 - 1 所示的是在电子工业中倒装芯片中最常见的结构，上层是芯片和 芯片基板组成的倒装芯片封装，下层是倒装芯片和p c b 板组成的二级球栅阵 列封装，并且从图2 一l 中可以很明显的看出，倒装芯片的互联焊点的直径要比 二级封装的直径小得多。 密封弓l 线缝台倒装芯片 印翎电路顿 芯片键台表面贴装焊揍凸点 图2 1 电子工业中倒装芯片最常见的结构 f i g 2 - lt h em o s tc o m m o nf l i pc h i ps t r u c t u r ei ne l e c t r o n i ci n d u s t r y 如果采用这样的结构进行试验研究，会给试验带来很多不必要的困难。所 以为了试验顺利进行，本试验简化了实际的倒装芯片结构，设计了如图2 2 所 示的模拟倒装芯片模型。 如图2 - 2 所示，采用f r - 4 制备的试验芯片和基板，模拟了c u 钎料c u 的 互连结构。试验芯片和基板厚度均为0 8 m m ，c u 焊盘直径为2 8 0 9 m ，厚度为 7 0 9 m ，c u 互连引线的宽度均为1 6 m m 。本试验选择1 6 m m 宽的互连引线是因 为电迁移试验中要求通过互连焊点的电流密度较高，而互连引线的电流密度一 般要比互连焊点的高两到三个数量级，所以需要加大互连引线的横截面积来保 证试验的顺利进行。 哈尔滨理工大学上学硕士学位论文 试验芯片和基板的其他尺寸如图2 3 所示，基板上另外增加了6 个直径为 1 2 m m 的圆盘，这样的设计目的是为了更好的监测互连焊点的电阻变化情况， 以便在电迁移试验过后能够大概清楚焊点发生电迁移失效的情况。 图2 2 模拟倒装芯片模型 f i g 2 - 2t h es c h e m a t i co fc o n f i g u r a t i o n m n m m m m m m m m m m m m j m m m m m 图2 3 试验芯片和基板的结构示意图 厚度0s ：n ：n 一厚度? 吼燃 捷融窗口2 s 一厚度08 ：r l t n 矸1 计 。i l 1 j 雕 ll l | 卜七= 刳 f i g 2 - 3t h es k e t c hm a po fc h i p sa n ds u b s t r a t e s 以上介绍的是本试验为了方便研究而简化的模拟倒装芯片模型，这样的结 构主要有以下优点： 1 试验芯片和基板都采用f r 一4 制备，能够经受较高的温度而不发生变 形。试验芯片和基板材料一致，所以互连结构不存在热量分配不均匀的问题。 2 简化了的模拟倒装芯片模型一共有1 0 个互连焊点，能够保证胡连接后 的稳定性。而且焊点与焊点之间的距离为5 r a m ，远高于实际的倒装芯片中焊 点之间的距离，可以最大限度的保持模型的平衡，减少应力。 2 2 3 电迁移试样的制备 微焊球和试验板都准备好之后，就可以把焊球回流焊到试样板上了。具体 步骤如下： 1 清洗。确保能得到最佳的焊接质量。 2 植球。在试验：占片的c u 焊盘上涂适量的助焊剂，然后把挑选好的焊球 哈尔滨理工人学工学硕i ：学位论文 置于c u 焊盘上，并在放大镜的帮助下把微焊球调整到焊盘中心位置。 3 一次回流焊。将植过球的试验芯片放入无铅氮气回流焊机t 2 0 0 n + 中进 行回流焊。由于本试验应用的s a c 3 0 5 、s a c 0 7 0 5 和s a c 0 7 0 5 b i n i 三种钎料 合金开始熔化温度和峰值温度各不相同，因此试验前均调试了适合每种钎料合 金最佳的回流焊工艺曲线，以确保得到最佳的焊接质量，尽量减少焊接缺陷对 电迁移试验的影响。图2 4 给出的是一次回流焊后试验芯片形貌及s a c 0 7 0 5 钎料合金的回流焊工艺曲线。 a ) 焊后试验芯片形貌 、 ，r ， ， | ， i 二 t 。】) 。； ，：二 ：j ，：弘：* j r ： ：- 0 0 ：e 叠 b ) 回流焊工艺曲线 图2 4 焊后试验芯片形貌及s a c 0 7 0 5 回流焊工艺曲线 f i g 2 - 4m o r p h o l o g yo fc h i pa f t e rf i r s tr e f l o w i n ga n dr e f l o wc u r v eo fs a c 0 7 0 5 4 二次回流焊。将试验芯片浸泡在无水乙醇并放入超声波清洗设备中清 洗，以去除残留在微焊球剧围的助焊剂。在基板上涂适量助焊剂，然后把试验 芯片翻转过来贴在基板上，利用贴片机对试验芯片和基板进行对位。对位准确 后，放入回流焊机进行二次回流焊。回流焊后就得到了本试验设计的电迁移试 样。 5 检测。检测焊好的电迁移试样是否导通，提出不合格的试样。 2 3 电迁移试验 电迁移试验装置需要有一个能够持续稳定地提供直流或脉冲电流的电源， 还有能够提供恒定温度的加热台。最重要的是，由丁电迁移失效是一个长期的 缓慢的现象，所以要求电迁移试验装置能够长时间稳定安全的工作。根据以上 要求本试验设计了一个简易的电迁移试验装置，其原理图和实物图如图2 5 所 哈尔滨理工大学工学硕一j ：学位论文 示。 本试验根据对大量国内外电迁移方面文献的总结，了解了国内外研究者们 对于电迁移失效的研究重点和研究方法。根据电迁移现象相关理论，本试验主 要以电迁移现象最典型的现象之一极化效应为理论依据，对s a c 3 0 5 、 s a c 0 7 0 5 和s a c 0 7 0 5 b i n i 三种钎料合金的点迁移性能给予分析评价。以下是 本电迁移试验具体的试验方案及相关参数： a ) 示意图b ) 实物图 图2 5 电迁移试验装置示意图及试验过程图片 f i g 2 5t h es k e t c hm a po fe q u i p m e n t sa n dt h ep r o c e s so fe x p e r i m e n t 1 在2 5 、8 0 和1 2 0 三种环境温度下，电流密度为1 7 6 x 1 0 4 a c m 2 ， 对三种钎料的互连焊点通电分别通电o h 、2 1 h 、5 0 h 和5 8 h 。 2 在环境温度为2 5 。c 、电流密度j = 0 8 1 0 4 a c m 2 的条件下对三种成分的 互连焊点通电2 0 天；环境温度t = 1 5 0 、电流密度j = 5 o 1 0 4 a c m 2 的条件下 通电6 0 s 。 3 三种成分的互连焊点在1 6 0 的环境温度下时效1 0 0 h ，而后在环境温度 为2 5 、电流密度j - - 0 8 1 0 4 a c m z 的条件下通电2 0 天。 4 对在t = 1 2 0 、j = 1 7 6 x1 0 4 a c m 2 、t = 5 8 h 条件下试验过的三种成分的互 连焊点应用纳米压痕发测试力学性能参数的改变。 2 4 微观分析试样的制备 由于试样已经过电迁移试验，很多互连焊点都已经发生了电迁移失效，所 以制备金相和扫描电镜试样的时候要格外小心，以免将试样破坏造成不必要的 损失。 哈尔滨理工人学工学硕i ：学位论文 1 镶嵌。将试样从电路中取下来之后，需要标记好电子流动方向，以备在 后来的观察中能够准确判断互连焊点的电子流入处( 阴极) 和电子流出处( 阳 极) 。由于互连焊点钎料合金的熔点在2 2 0 。c 左右，因此为了避免镶嵌时金属间 化合物继续生长影响试验结果，本试验选择工作温度较低的冷镶嵌方法。镶嵌 溶液是由自凝牙托粉和自凝牙托水混合而成，必须注意的是在调制过程中，要 掌握好比例。过稀会在凝固过程中把试验芯片和基板撑开，焊点被撕裂；而过 稠则会由于流动性差而影响镶嵌质量。 2 打磨和抛光。先用2 0 0 # 砂纸做粗加工，待互连焊点隐约可见的时候， 换1 0 0 0 # 砂纸细加工直至互连焊点全部露出，再用15 0 0 # 和2 0 0 0 # 砂纸打磨，在 光学显微镜下观察无较大划痕后，用0 5 1 a m 的金刚石抛光剂进行抛光。需要注 意的是由于焊点尺寸较小，打磨时一定要注意，很有可能稍不留神便把互连焊 点磨没，而且试样上下底面都有5 个互连焊点，所以在磨完一侧之后要注意保 护，以免刮出划痕。 。 3 喷金。如果需要利用扫描电镜进行观察的话，由于试样的导电性能不是 很好，因此要在试样上面贴导电胶或喷a u 。 哈尔滨理工人学工学硕? i ：学位论文 3 1 引言 第3 章无铅互连焊点的电迁移行为 随着电子产品向高密度化不断发展，互连焊点发生电迁移失效的可能性也 随之提高。这一问题已经成为严重影响微电子封装可靠性的重要因素。 k n t u 教授在总结了大量工作后得出结论，s n a g c u 钎料的抗电迁移性能 要优于s n p b 钎料，国内外很多研究者对高银无铅钎料的电迁移性能做了许多 工作f 3 锄1 ，但是目前还没有文章提到低银无铅钎料抗电迁移性能。因此，本章 试验设计的主要目的是对低银无铅钎料抗电迁移性能做一些研究，并且比较高 银和低银无铅钎料抗电迁移性能的优劣以及微量元素的添加对低银无铅钎料的 影响。 3 2 不同钎料成分的电迁移行为 3 2 1s a c 3 0 5 焊点的电迁移行为 目前，s a c 3 0 5 无铅钎料是几种应用较为广泛的高银钎料之一，本试验以 c u s a c 3 0 5 c u 互连结构为研究对象，进行电迁移试验。 本电迁移试验设计了三种试验条件对s a c 3 0 5 、s a c 0 7 0 5 和 s a c 0 7 0 5 b i n i 三种钎料进行试验，具体试验参数如表3 1 所示。 表3 1 电迁移试验参数 试验序号 环境温度( )电流密度( c m 2 )试验时间( h ) l2 51 7 6 x 1 0 45 8 28 01 7 6 1 0 45 8 3 1 2 0 1 7 6 x 1 0 45 8 电迁移试验中，如何确定通过互连焊点的电流密度是十分关键的。由于电 迁移现象存在电流拥挤效应，在电子流入处和流出处都会发生电子的堵塞现 象。电流拥挤区域的电流密度比互连焊点的平均电流密度高一到两个数量级， 很难精确地计算出实际的电流密度。因此，本试验为了更好地统一评价标准做 哈尔滨理工人学上学硕 ：学位论文 横向对比，规定回路当中的电流值i 与接触窗口( 在本试验当中即为c u 焊盘) 的 面积a 的比值，即为本试验通过互连焊点的电流密度j 。值得注意的是，这样 计算出的电流密度j 要高丁二焊点的平均电流密度( 因为焊点最大直径处的横截面 积大于接触窗口面积) ，低于焊点巾最大电流密度( 电流拥挤效应的影响) 。 对c u s a c 3 0 5 c u 互连结构施加试验参数l ( 如表3 1 所示) 的条件进行电迁 移试验，试验过后互连焊点阴阳极微观形貌发生了不同程度的变化，表现出了 比较明显的极化效应，如图3 1 所示。 a 1 阴极界面0 h 形貌 c ) 阴极界而2 l h 形貌 e ) 阴极界面5 0 h 形貌 g ) 阴极界面5 8 h 形貌 b ) 阳极界面o h 形貌 d ) 阳极界面7 l h 形貌 d 阳极界面5 0 h 形貌 h ) 阳极界面5 8 h ) 侈貌 图3 。1s a c 3 0 5 焊点试验前后阴阳极t m c 变化( t = 2 5 ，j = 1 7 6 1 0 4 a c m 2 ) f i g 3 一lm o r p h o l o g yo fi m cl a y e r so fs a c 3 0 5b u m p sb e f o r ea n da f l e rs t r e s s i n g ( t = 2 54 c ， j = 1 7 6 x 1 0 4 a c m 2 ) 可以很明显的看出，阴极界面化合物是典型的扇贝状，界面化合物分为灰 色的c 吨s n 5 和青色的c u 3 s n 两部分，c u 3 s n 层较薄。虽然电流密度为 1 7 6 x10 4 a c m 2 已经超过丫发牛电迁移的门槛值，但是以上试验的环境温度为 2 5 ，较低的环境温度并没有加速互连焊点的电迁移失效过程。随着电迁移试 验时间的增加，扇贝状化合物的形貌变的不规则，并且m 现了很多长条状的化 哈尔滨理= 大学工学硕士学位论文 合物，整个阴极i m c 层的平均厚度也略有减小。在阳极一侧，i m c 层的厚度 随试验时间的增加而略有上升，而且化合物的形貌从试验前的扇贝状变成了不 规则的化合物带，原来扇贝与扇贝之间的空隙也随着时问的增加逐渐长出了新 的化合物被填满，化合物表面趋于平缓。 结果表明，由于温度较低，互连结构显出了略微的极化效应，而且c u 3 s n 层与c u 焊盘结合处较为平整并没有什么明显的变化。 如图3 2 所示的是c u s a c 3 0 5 c u 互连结构在如表3 1 所示的试验参数2 的条件下进行电迁移试验前后阴阳极界面的变化情况。同前面介绍的2 5 的试 验结果稍有不同，随着试验时间的增加，i m c 层表面趋于平缓，c u 3 s n 化合物 层已经可以很明显地辨认出来，而且越来越厚，通电5 8 h 后，已经达到4 1 a m 左右。但是经过测量，c u 6 s n 5 与c u ，s n 两种化合物的总体厚度还有略有减少。 a ) 阴极界面0 h 形貌 c ) 阴极界面2 l h 形貌 e 1 阴极界面5 0 h 形貌 g ) 阴极界面5 8 h 形貌 b ) 阳极界面0 h 形貌 d ) 阳极界面2 1 h 形貌 d 阳极界面5 0 h 形貌 h ) 阳极界面5 8 h 形貌 图3 - 2s a c 3 0 5 焊点阴阳极i m c 劐l ( t = 8 0 c ，j - - i ，7 6 1 0 4 a c m 2 ) f i g 3 - 2m o r p h o l o g yo fi m cl a y e r so fs a c 3 0 5b u m p