电迁移和热迁移的影响因素与控制方法

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：焦耳热不仅会增加焊料凸点的温度，从而增加电迁移速率，还可能在焊料凸点上产生小的温度差，从而导致热迁移。热迁移将在第12章中讨论。焊料接头中另一个非常独特和重要的电迁移行为是它有两个反应界面。图1.16所示为阴极接触界面处电迁移导致的失效的SEM横截面照片，其中额定电流密度约为2×104 A/cm2，试验温度为100℃。图1.16一组由倒装芯片焊料接头阴极处的电流拥挤造成的14μm厚的金属Cu的UBM层溶解导致的电迁移失效SEM照片

现在的封装设计规则是在五个焊料凸点上分配1 A电流，或者说每个凸点承受0.2 A的电流。对于直径为100μm的焊料凸点，电流密度约为2×103 A/cm2。由于凸点的接触面积远小于其横截面，所以当电流进入焊料凸点时，实际电流密度可以比理论值高2倍。虽然该电流密度比Al或Cu互连线中的电流密度小约2个数量级，但由于焊料合金的熔点低，原子扩散系数高，因此焊料凸点中的电迁移不能被忽略[21-24]。对于熔点为183℃的共晶锡铅焊料，从数值上来讲，当以绝对温标K为单位时，室温约为其熔点的2/3。对于无铅焊料也有相似的情况。第二个原因是焊料合金“临界值”较低，使其在非常低的电流密度甚至在低至5×103 A/cm2条件下也可能发生电迁移。这一点将在第8章中详细讨论。第三个原因是互连线与凸点所形成的几何结构，使得在互连线和焊料凸点连接处存在一个电流密度的突变，导致互连线与凸点接触界面处发生电流拥挤，此外，电流密度比凸点中的平均电流密度高10~20倍。从电迁移失效的角度来说，电流拥挤效应是倒装芯片焊料接头中最严重的可靠性问题[25]。第四个原因是凸点与接触的Al或Cu互连线之间产生的焦耳热。焦耳热不仅会增加焊料凸点的温度，从而增加电迁移速率，还可能在焊料凸点上产生小的温度差，从而导致热迁移。在100μm直径的焊料凸点上，10℃的温度差将造成1 000℃/cm的温度梯度，这是不能忽视的[26]。热迁移将在第12章中讨论。

焊料接头中另一个非常独特和重要的电迁移行为是它有两个反应界面。在互连接头的阴极和阳极处，界面金属间化合物生长的极性效应都会发生。电迁移驱动原子从阴极运动到阳极，导致金属间化合物在阴极处趋向于溶解或生长受到抑制，而在阳极处堆积或生长受到促进[27-29]。图1.16所示为阴极接触界面处电迁移导致的失效的SEM横截面照片，其中额定电流密度约为2×104 A/cm2，试验温度为100℃。接触界面左上角的金属Cu的UBM层和Cu导线的溶解量随时间而不断增加的情况如图1.16（a）~图1.16（c）所示，图1.16（d）展现了Cu导线中孔洞的形成。因为失效是在电流进入焊料凸点的地方开始的，所以电流拥挤效应可以被非常清楚地看出来。这将在第9章中给出详细讨论。(https://www.chuimin.cn)

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图1.16　一组由倒装芯片焊料接头阴极处的电流拥挤造成的14μm厚的金属Cu的UBM层溶解导致的电迁移失效SEM照片

电迁移和热迁移的影响因素与控制方法

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