倒装芯片焊点平均失效时间优化方案

2023-06-20 理论教育版权反馈

【摘要】：将n＝1.8，Q＝0.8 eV/原子的值代入该公式所得出的结果，被证实远远高估了倒装芯片焊点在高电流密度的平均失效时间。表9.2所示为倒装芯片焊点在三种不同的电流密度与温度下平均失效时间的计算值和测量值。这些发现表明倒装芯片焊点的平均失效时间对电流密度的微小增量都十分敏感。例如，在电流密度为2.25×104 A/cm2，温度为125℃时，无铅焊料的平均失效时间为580 h，而锡铅焊料却只有43 h。

电子工业使用平均失效时间（MTTF）分析来预测器件的寿命。1969年，Black提供了下列公式，用来分析铝互连中由电迁移引起的失效[16]：

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式（9.6）的推导基于对导致贯穿铝互连线的孔洞的形成时质量输运速率的估计。式（9.6）最大的特点是，平均失效时间是依赖于电流密度的平方的函数，即n＝2。

在对平均失效时间公式的后续研究中，对于指数n的值为1，2，或更大的值，一直都存在着争议，特别是如果考虑到焦耳热的影响。然而，假定发生失效的必要条件是，存在质量扩散通量的场源，并且孔洞的形核和生长需要空位处于过饱和浓度。Shatzkes和Lloyd提出了一个模型，来求解具有时间依赖性的扩散方程，并且得到了一个关于平均失效时间的解，这个解也是依赖于电流密度的平方的函数[17]。然而，Black的公式是否可适用于计算倒装芯片焊点中的平均失效时间还有待考证。

为了得到激活能，我们在高温下进行了等效加速试验。我们必须要注意试验的温度范围，因为在某个温度范围内，晶格扩散主导作用可能会与晶界扩散主导作用产生交集，同样晶界扩散主导作用可能会与表面扩散主导作用产生交集。对于锡铅共晶焊料，其情况更为复杂，因为在100℃左右时，主要扩散元素会在铅和锡之间进行变化。

孔洞的形成需要形核和生长两个过程。在倒装芯片焊点中，如图9.5所示，平均失效时间的主要部分不是取决于孔洞在接触界面上的生长，而是取决于孔洞形核的孕育期。后者大约占了失效时长的90%，孔洞在整个接触面上扩展的时长大约只占10%。此外，如本章前面所述，电流集聚效应的影响对失效是至关重要的，在平均失效时间分析中也不容忽视。Black指出了电流梯度和温度梯度对互连失效的重要性，尽管在公式中他没有明确地将其影响考虑在内。如图9.3~图9.7所示，在倒装芯片焊点的独特失效模型基础上，电流集聚效应的主要影响是大大增加了焊点入口处的电流密度和在焦耳热的作用下使局部温度升高。此外，焊点在阴极和阳极界面上有金属间化合物形成，电迁移影响金属间化合物的形成，反过来，金属间化合物的形成也影响了失效时间和失效模式。这些因素在Black最初的平均失效时间模型中没有被考虑进去。因此，在没有经过修正的情况下，我们不能用Black的等式来预测倒装芯片焊点的寿命。

Brandenburg和Yeh在利用Black公式时，设定n＝1.8，Q＝0.8 eV/原子，而没有考虑到电流集聚效应的影响。将n＝1.8，Q＝0.8 eV/原子的值代入该公式所得出的结果，被证实远远高估了倒装芯片焊点在高电流密度的平均失效时间。表9.2所示为倒装芯片焊点在三种不同的电流密度与温度下平均失效时间的计算值和测量值。在低电流密度1.9×104 A/cm2下，平均失效时间的测量值比计算值稍微大一点。但是在电流密度为2.25×104 A/cm2和2.75×104 A/cm2时，所测得的平均失效时间比计算值小很多。对于共晶锡银铜倒装芯片焊点来说也是如此。这些发现表明倒装芯片焊点的平均失效时间对电流密度的微小增量都十分敏感。当电流密度为3×104 A/cm2左右时，平均失效时间将迅速下降。并且，无铅焊料的平均失效时间比锡铅焊料长很多。例如，在电流密度为2.25×104 A/cm2，温度为125℃时，无铅焊料的平均失效时间为580 h，而锡铅焊料却只有43 h。

表9.2　锡铅共晶焊料倒装焊点的平均失效时间

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注：①没有失效。

可以对Black等式加以修正，使之包含电流集聚效应和焦耳热的影响：

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式中，c是考虑电流集聚效应所引入的参数，数量级大小为10；ΔT是考虑焦耳热所引入的参数，并且可能比100℃要高。从Black等式中可以看出，c和ΔT这两个参数都会使平均失效时间减小，即加速焊点的失效过程。由于ΔT的大小与j密切相关，修正过后的等式对电流密度的变化比Black等式更加敏感。我们知道由于产热和散热的影响，ΔT的值将取决于倒装芯片焊点和互连的设计。

倒装芯片焊点平均失效时间优化方案

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