随着电子、计算机及通讯技术的迅猛发展，电子产品的性能日益先进，尺寸微型化、结构复杂、使用环境也更严格和多变。由于这些电子产品经常会在伴随着冲击、剧烈震动以及严酷环境温度中使用，因而对这些电子器件的封装要求必然更加严格。同时，由于市场的强大推动力，电子信息产品不断朝着微型化、低成本、多功能、便携式以及高可靠性等方向迅猛发展，进而推动了倒装芯片技术在微电子封装中的应用并成为新一代晶圆级封装的主流技术。因此，倒装芯片技术中凸点互连结构的可靠性便成为影响1C及元器件可靠性的关键问题。
通常凸点互连结构的可靠性问题分为两类，即由工作电流引起的电迁移失效和由热循环引起的机械疲劳失效。本文主要从电迁移的角度,论述集成电路互连凸点电迁移的研究进展。
1倒装芯片与电迁移1.1倒装芯片
晶圆级的倒装芯片互连(1C封装)是一种超高密度封装科学技术，它通过裸晶片上的面阵列I/O微凸点与基板进行互连，从而使得1C封装具备超细间距、电性能增强、可靠性提高等特点。倒装芯片凸点互连结构包括3个部分:微凸点下的金属化层(UBM)、微凸点球(Bump)和基板互连微焊盘(Bondpad)。科学技术，它通过裸晶片上的面阵列I/O微凸点与基板进行互连，从而使得1C封装具备超细间距、电性能增强、可靠性提高等特点。倒装芯片凸点互连结构包括3个部分:微凸点下的金属化层(失效，大大缩短r寿命除洞这种失效形式外.还仃一种是由于阴极的金W原迁移作用下溶解进人钎料中，当局部UBM或导线完仝溶解in•所造成的焊点失效。HU等^发现了倒装芯片焊点屮的这类失效，实验所采用的样品足C’u/SnPb/Au/Ni/Cu倒装芯片互连结构.实验条件玷温度125t:.电流密度2X104A/cm2。如图3所示，通电15miti之后，电子人口处的铜原T开始溶解到钎料里，随#电迁移时间的延长，铜溶解到钎料1P.的W也越来越多.90min以后.电子人n端的铜原子完全溶解到钎料中。溶解的('u不仅包括CuUBM还包括芯片端的Cu导线。从阴极溶解出來的Cu原子在轩料中与Sn拟子反应牛成大量的CusSn化f;•物，从而导致了芯片的失效。
2电迁移的影响因素
迄今为止，对凸点中电迁移问题的研究时间并不长，Bnmdenhurg等于1998年在倒装芯片吊连凸点中也发现了电迁移现象.仅仅一年之后.W际t导体技术发展蓝阁(itrs)便把电迁移列为电子封装"依性问题。
2.1电流密度对电迁移的影响
在微电子封装中，有关A1Y连的电迁移研究已有几卜年的历史"•其本质是原子在电应力作用下的定向迁移。当八1互连中的电流密度达到l〇f_A/cnf时.互连线路中将发生电迁移，A1原子在外界电应力作川下沿电子流方向迁移.在阴极形成空洞而在阳极形成lui起。对于微小尺寸的倒装焊点来说，一定的电流密度条件下.焊点中的金属原子也会发^k原子的定向迁移，同样会引起K连结构的失效。因此，5器件上加载的电流密度强度足以引起焊点和八1氐连中的电迁移的条件下，互连结构的火效吋能会涉及A1互连和倒装焊点电迁移两个因素。陆裕东等lh;利用如图4(a)所示的倒装凸点结构进行了实验，他们在单晶硅晶圆h加工具打特定A1_fi连结构的倒装芯片，芯片上的凸点下金属化U材料为Al、Ni、Cu,凸点为无铅SnAgCu焊料。
经过试验他们得到如图4(b)所示的焊接良好的倒装芯片SEM照片。在125T'的环境温度条件齐.将该试样加载1.5A的ft流电流.分别经过15h和423h的加电实验.分别得到如图5所示的SEM照片。实验发现在加载15h后可以明敁观察到A1互连中形成了大曲枳的空洞.而加载423h后Alif:连屮M时可以观察到由电迁移4丨起的空洞，同时钝化窗丨丨及Jt附近位置的iJ:连金属U形貌发生了明®.的变化。因此他们对阁5屮的方框区域分別作了EDS分析，结果表明：图5(a)所示的能谱分析区域屮，A1原子分数达到7%,而图5(b)能谘分析区域中的A丨含沾达到13%(原子分数)左右，对于也的元素Sn、Pb，在较知:的电流加载时间内•由于Sn、Pb原子的扩散速度相对较慢.片不能观察到Sn、Pb原子向八117:连金W扩散的现象，而在423h通电后由于经过长时间的定向迁移的累积，在A1互连屮发现明显的Sn、Pb原子的侵蚀。结果表明:在长时间的电流吨力作用下,A1金属互连中出现空洞的同时焊料中的Sn、Pb原子向A1互连金属扩UBM)、微凸点球(Bump)和基板互连微焊盘(Bondpad)。电迁移过程中电流分布对焊料中金属间化合物(IMC’)的生长也有很大的影响。文献[17]指出：电迁移过程中.lt|于空位的定向迁移和局部的电流聚集效应使阴极芯片端焊料与IMC界面形成薄层状空洞，电子风力作用下持续的空位通M使空洞逐步扩展导致贾穿性空洞的形成.位于阴极的Ni(P)镀层在电迁移作用下出现局部性的镀层合金化，使焊盘中的Cu原子在电迁移作用下形成向上的通量.最终导致焊点高电流密度区域出现连续性的丨MC且IMCM由阴极向阳极逐渐增多。
2.2温度对电迁移的影响
在电迁移过程中由于电阻的存在,产生了焦耳热。焦耳热效应会在焊点中产生热点.有时甚至会使焊点产生部分熔化现象。另外，局部焦耳热会造成钎料焊点中存在很大的温度(热)梯度.从而引发热迁移发生•热迁移可能会进一步加速电迁移过程而降低焊点寿命。等1181研究了不同温度和不同电流密度下SriuAg,,...,Cu焊点的电迁移行为。实验中温度在125〜165°C变化,应用有限元软件建立二维模型,模拟广电流密度的分布状况。电子的流人点和流出点为电流密度集中区.电流的聚集加速了阴极孔洞的形成和阳极小丘的堆积，使得电迁移引发的失效加速。研究衣明.焦耳热效应对焊点的实际温度分布和平均失效时(MTTF)有明M的影响•所以对于MTTF公式的计算必须要考虑焦耳热效应的影响。
常红等1w经过有限元模拟和理论分析证实了热迁移对电迁移的影响.当两者迁移的方向一致吋.热迁移加速电迁移的过程.当两者方向相反时.热迁移减缓电迁移的过程。
2.3合金元素对电迁移的影响
研究表明焊点在高电流密度下的服役HJ•靠性1J焊点奸料成分苻关。王家兵等〜通过对比分析5种SnAgO基无铅焊点在高电流密度下的服役表现•分析了添加微M元素对于电迁移现象的影响规律.图6分別是5种奸料在整个试验过程中阴阳极IMC厚度的变化曲线。结果表明，焊球承受一定电流作川之后，阴极金厲间化合物分解.铜焊盘受侵蚀，阳极形成大脆性化合物Cu6Sn,。根据IMCM的厚度变化可知，Sn:1.9Aga:CU的抗电迁移忭能优于低银钎料;向低银钎料中加人微量元素Bi和Ni后，晶粒得到了明显的细化.界IfifIMC层较薄，其抗电迁移的能力得到了明显的改善。随着电子jd器件继续朝高性能、高集成度和微型化方向发展，电子微互连和焊点中的电迁移问题成为越来越受关注的可靠性问题。然而到目前为止，对电迁移问题的理解还远远不够，很多敢要的基础问题尚未搞清楚并加以解决。
尽早研究这一问题将为无铅钎料的选择和设计，倒装芯片凸点互连设计、互连可靠性评定和寿命预测等提供有效的指导。目前，急需研究和解决的电迁移相关问题主要有[23]:(1)在多种负载交替或耦合作用下互连(焊点)结构电迁移的物理力学机制和失效行为。(2)采用数值模拟方法对具有复杂结构和材料匹配的微互连(焊点)的电迁移问题进行表征，并进行优化设计研究，以解决目前的设计和评价程序严重依赖于成本高而周期长的试验工作来进行凸点材料选择、工艺制定、结构设计、可靠性评价和寿命预测等问题。(3)在获得必要参数及实验验证的条件下建立有效的微互连电迁移失效模型，为多材料选择和多设计参数下封装可靠性与耐久性评价以及产品设计提供全面而可靠的信息。(4)研究并开发出可靠而有效的互连(焊点)电迁移寿命预测方法。
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