电流密度变化范围较小的优化方案

2023-06-20 理论教育版权反馈

【摘要】：当超过阈值电流密度时，焊点将会发生熔化。在这一电流密度下，铝互连线中将会发生电迁移。在电流汇入铝互连线的位置，电流密度的大幅变化导致了更多的铝原子发生受迫迁移。将两个边界值结合起来看，我们在研究倒装芯片焊点电迁移现象时，只能在电流密度只有一个数量级差值的小范围内来进行研究工作。总而言之，电流密度上下边界之间的差距是很小的。

器件小型化的趋势致使焊点的直径被缩小至100μm以下，这样一来，焊点中的平均电流密度接近104 A/cm2。当电流密度较低的时候，与电流集聚效应及薄层状孔洞的形成相关联的焦耳热效应将会引起焊点温度的大幅提升。在对锡铅共晶焊料成分的倒装芯片焊点的熔化现象的系统性实验研究中，我们发现锡铅共晶焊料倒装芯片焊点的阈值电流密度大约为1.6×104 A/cm2。当超过阈值电流密度时，焊点将会发生熔化。熔化的过程是随时间变化并仅在局部发生的。这就意味着超过阈值电流一段时间后，焊料的一部分区域就会被熔化。关于倒装芯片焊点熔化的时间依赖性问题，我们将在9.4.7节中进行更为深入的讨论。由于在真实的器件中所承载的电流密度接近1×104 A/cm2，而这一数值已经十分接近熔化所需的阈值电流密度，并且由于其时间依赖性，所以倒装芯片焊点的熔化问题已经成为一个全新的可靠性问题。

导致熔化的原因我们尚不清楚。然而，值得一提的是，当焊点中的电流密度达到1×104 A/cm2时，互连线中的电流密度大约为1×106 A/cm2，这是因为互连线横截面的尺寸要比焊点小2个数量级。在这一电流密度下，铝互连线中将会发生电迁移。因此，从可靠性的角度来考虑，焊点和铝互连线中的电迁移失效之间存在着一个竞争机制。特别是在倒装芯片焊点中，当电子流从焊点流向互连线，在铝互连线中将会出现由电迁移诱发的原子扩散通量的场源（Atomic Flux Divergence），这一点与铝线在钨通道上所发生的现象相同。在电流汇入铝互连线的位置，电流密度的大幅变化导致了更多的铝原子发生受迫迁移。除此之外，反向空位流的汇聚可能会导致焊点上的铝中形成孔洞。这将会提高铝的电阻率，并释放更多焦耳热。

在我们已经了解了熔化时的电流密度上限之后，我们可能会提出这样的问题——电流密度的下限或电迁移阈值电流密度（低于这一电流密度时焊点中几乎不会发生电迁移损伤）是多少呢？这一数值大概是1×103 A/cm2。将两个边界值结合起来看，我们在研究倒装芯片焊点电迁移现象时，只能在电流密度只有一个数量级差值的小范围内来进行研究工作。电流密度上限在一定程度上取决于UBM层和接合焊盘的设计，其中，一种最佳的设计方案，可以将可供我们研究电迁移现象的电流密度的上限提高到5×104 A/cm2。而该电流密度下限则取决于焊料的组成成分，例如，如果使用的是无铅焊料，这一数值就有可能被修改为5×103 A/cm2。总而言之，电流密度上下边界之间的差距是很小的。

电流密度变化范围较小的优化方案

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