如何避免芯片焊点时变熔化的倒装问题？

2023-06-20 理论教育版权反馈

【摘要】：对于某些共晶锡银铜倒装芯片焊点，当外加的电流密度高于5×104 A/cm2，并且试验温度在100℃左右时，就会发生熔化。然而，我们观测到在倒装芯片焊点中，由电迁移引起的熔化现象是在一定时间内才完成的。为何在倒装芯片焊料凸点内所产生的焦耳热如此之大，以及熔化为何需要时间都需要合理的解释。如9.2.4.节中所讨论的，当电流密度很高时，电迁移会在铝中造成损伤。

熔化是倒装芯片焊点失效的一个相当常见的原因。对于某些共晶锡铅倒装芯片焊点，当外加的电流密度高于1.6×104 A/cm2，试验温度在100℃左右时，就会发生熔化。对于某些共晶锡银铜倒装芯片焊点，当外加的电流密度高于5×104 A/cm2，并且试验温度在100℃左右时，就会发生熔化。这些电流密度已成为倒装芯片焊点所能施加的电流密度上限。熔化时，温度应该达到焊料合金的熔点，如共晶锡铅和共晶锡银铜的熔化温度分别为183℃和220℃。这表明所产生的焦耳热一定使温度从100℃升高到了熔点。焦耳热是从哪里产生的？对其是源于焊料凸点本身，还是源于凸点上方的互连，我们尚不清楚。

在原则上，熔化是与时间无关的。通常来讲，熔化不需要过热，因此在回流焊时，当温度达到熔点，熔化就应该瞬间发生。然而，我们观测到在倒装芯片焊点中，由电迁移引起的熔化现象是在一定时间内才完成的。通常情况下，在某一外加电流密度下，焦耳热引起熔化需要一段时间，从几小时到几天不等。

在本章9.3节中，我们讨论过使用铝电阻测量芯片的温度，并且发现即使外加的电流密度只有3.5×103 A/cm2，也能产生大量的焦耳热。测量的芯片温度高达175℃，表明焦耳热的产生使温度升高了大约125℃。当给共晶锡银铜倒装芯片焊点施加5×104 A/cm2的电流密度时，电流集聚效应会使电流密度升至5×105 A/cm2。对于具有薄膜型UBM层的倒装芯片来说，电流集聚效应发生在焊料凸点内，因此焊料凸点内所产生的焦耳热很高。

在大型计算机中，应保证器件工作温度低于100℃，硅芯片会被冷却，使焊料凸点不会熔化。然而，大部分消费电子产品中没有冷却装置或者冷却设计不足，如只使用风扇冷却，因此焊料凸点会变得非常热并且最终导致熔化。

为何在倒装芯片焊料凸点内所产生的焦耳热如此之大，以及熔化为何需要时间都需要合理的解释。倒装芯片焊料凸点内独特的电流集聚效应会产生大量的焦耳热，这取决于IR2，而我们除了考虑产热外同时也必须考虑散热。由于焊料合金本身不是一个电的良导体，根据魏德曼-弗兰兹（Wiedemann-Franz）定律[18]，得知它也不是一个热的良导体。这个定律指出，对于金属导体，热导率与电导率之比与温度成正比。因此，将焊料凸点内的焦耳热传导出去是很重要的。通常情况下，凸点内的热量可以通过硅芯片经由UBM层传导出去。通过硅的热传导十分重要，是因为芯片上铝或铜的互连是焦耳热的来源。因此，在热管理中UBM层和互连的设计十分重要。尽管如此，因为设计是静态的，所以其与时间无关。在设计的基础上，只有当温度达到焊料熔点时，凸点才能熔化；否则就不熔化。这里没有任何与时间变量相关的因素。然而，倒装芯片焊点的熔化是一个动态过程，它确实与时间变量有关[19-20]。

电迁移或热迁移引起的焊点微观结构的改变是一个与时间有关的过程，并且影响焦耳热的产生。当扁平型孔洞形成，并且在硅芯片和焊料凸点的阴极接触处生长时，有两个至关重要的因素能影响产热和散热过程。首先，当扁平型孔洞长大时，孔洞上铝互连的传导电流的路径一定会增加。这会增加焦耳热的产生。如9.2.4.节中所讨论的，当电流密度很高时，电迁移会在铝中造成损伤。这会引起更多的焦耳热的产生。其次，孔洞是一个很好的热的绝缘体，可以阻止热量通过硅芯片散发出去。因此，随着孔洞的长大，焦耳热的产生和被隔绝的热量所引发的问题都变得更加严重，特别是当孔洞长大到覆盖绝大部分接触窗口时，其将导致凸点熔化。衬底上的铜引线也可以将凸点内的热传导出去，但是它也会在焊料凸点内产生一个温度梯度，并且引起凸点内的热迁移现象。热迁移现象将会在第12章中详细讨论。

如何避免芯片焊点时变熔化的倒装问题？

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