第一组第二题：电子封装与组装中的电迁移现象研究现状

1、电子封装与组装中电子封装与组装中 焊点电迁移现象研究现状焊点电迁移现象研究现状组员：1200150104 卢廖翠1200150106 郑青1200150114 黄政杰1200150116 李定强1200150117 李钟维1200150119 刘树坤随着电子产品微型化、多功能化的发展趋势， 微电子封装焊点的尺寸也随之减小， 导致电流密度急剧增大， 由此引起的电迁移效应对焊点的失效问题也日趋严重。电迁移使焊点的阳极出现凸起、挤出、晶须等现象， 甚至产生塑性变形， 阴极出现空洞、裂纹等现象， 这些现象严重降低焊点的可靠性， 导致电路断路或者短路， 从而使元器件快速失效。电电迁移研究背景迁移研究背景

2、电电迁移机理迁移机理电迁移现象的基本原理是在电流穿过焊点的过程中，大量的自由电子在移动过程中和焊点中的离子或原子发生非弹性碰撞，从而发生动量的传递。在大量电子的连续作用下，焊点中的原子获得足够的能量而发生宏观迁移的现象。当大量的原子从阴极涌向阳极并在阳极积累时，会导致阳极原子产生晶格压应力，阴极随着空位浓度的不断增大，产生晶格拉应力。电电迁移研究现状迁移研究现状焊点的电迁移现象严重影响了焊点的可靠性,具有非常深远的研究意义,为此,人们主要从以下几个方面来对电迁移效应对封装焊点可靠性的影响进行研究： 相分离和相粗化 晶须、挤出和凸起 空洞的形核与长大 机械变形和力学性能损伤电电迁移影响因素迁移影

3、响因素电迁移作为微电子封装和组装的失效现在，严重影响微电子封装过程中焊点的可靠性。为了能有效减小电迁移对焊点可靠性的影响，那么对电迁移的影响因素的研究就是必不可少的： 电流密度对电迁移的影响 温度对电迁移的影响 合金成分对电迁移的影响电电迁移影响因素迁移影响因素 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。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。而临界电流密度的大小和钎料、温度有

4、关。 温度对电迁移的影响电电迁移影响因素迁移影响因素 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10001500 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，热迁移减缓电迁移的过程 温度升高导致焊点内原子的内能增加，从而加速电迁移失效。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。 合金成分对电迁移的影响电电迁移影响因素迁移影响因素 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，S

5、n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Pb原子。电迁移的防止措施电迁移的防止措施 在了解电迁移失效机理以及影响因素后，我们可以针对性地预测焊点的寿命，以及提高焊点抗电迁移的能力。具体可通过以下几个方面来控制和改善。 电流密度和焦耳热的控制 添加合金元素 焊盘结构成分的改善 电流密度和焦耳热的控制电迁移的防止措施电迁移的防止措施 电流密度和焦耳热其实是密不可分的，所以把它们放到一起考虑。焦耳热随着电流密度的增加而增加29。合理控制电流密度是减缓电迁移的一个重要手段。如改变电流大小或改变焊点尺寸都会相应地改变通过焊点的电流密度，随着电流密度的加大，电迁移现象更加明显，焊

6、点失效加速，所以要合理控制电流密度，同时降低焦耳热，提高电迁移可靠性从而提高焊点的使用寿命。焦耳热和电流密度的关系曲线电迁移的防止措施电迁移的防止措施 添加合金元素 合金元素的添加，如Ni、Co和Bi等元素，不仅能改善钎料的显微组织、润湿铺展以及力学性能，而且能提高焊点的电迁移可靠性。添加Co能有效地缓解IMC 层的生长趋势，提高接头显微组织的稳定性。添加Bi和Ni，能降低焊料的熔点，提高焊料和焊盘的润湿性，降低IMC的晶粒大小，并且提高抗电迁移性能。没有添加Bi和Ni元素的焊点，在焊点和Cu焊盘界面处由于电迁移形成裂纹，而添加Bi和Ni元素的焊点没有出现这种情况。添加Bi和Ni和没有添加的焊

7、点电迁移测试对比图电迁移的防止措施电迁移的防止措施 焊盘结构成分的改善 由于在电流的驱动下，Ni比Cu抗扩散的能力要强，所以当把Ag/Cu焊盘替换为Au/Ni（P）/Cu焊盘时，Sn-3.0Ag-0.5Cu和Sn-3.0Ag-0.5Cu-0.5Ce-0.2Zn两种钎料焊点的使用寿命都增加，即能够防止电迁移失效。 Cu焊盘对焊点基板的消耗速率要比Au/Ni/Cu焊盘的大。虽然Cu焊盘引起的孔洞问题比Au/Ni/Cu焊盘更为严重，但是当电流从基板侧流向UBM层时，Cu焊盘显示出更好的电迁移可靠性。这是由于Cu焊盘和焊点中的Sn在基板侧快速反应生成Cu-Sn IMC，同时连续的Cu扩散到UBM侧，减少了UBM的消耗。总结总结 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，这给我们留下了很大的研究空间！ 电流密度、电迁移时间与温度、合金元素等因素，