高密度封裝中互連焊點(diǎn)的熱遷移研究.pdf

1、隨著高密度電子封裝向小型化和高集成度的方向迅速發(fā)展,由焦耳熱效應(yīng)所引發(fā)的元器件互連焊點(diǎn)中的熱遷移現(xiàn)象,已逐漸成為影響互連結(jié)構(gòu)可靠性的主要問(wèn)題之一。本文主要研究高密度焊點(diǎn)中的熱遷移現(xiàn)象,包括實(shí)驗(yàn)裝置及樣品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬,共晶SnPb釬料層及商用BGA元件倒裝芯片SnPb復(fù)合焊點(diǎn)中的熱遷移現(xiàn)象觀察及分析,熱遷移對(duì)焊點(diǎn)界面金屬間化合物形成及生長(zhǎng)的影響評(píng)估,并在擴(kuò)散學(xué)基礎(chǔ)上,對(duì)溫度梯度作用下釬料各個(gè)元素原子的遷移模式的討論及分析,以及對(duì)熱遷

2、移理論中的關(guān)鍵常數(shù)和不同條件下的熱遷移驅(qū)動(dòng)力等參數(shù)的推理及計(jì)算。
　　為了使熱遷移的觀察及研究能脫離電遷移實(shí)驗(yàn)而獨(dú)立出來(lái),項(xiàng)目組自行研發(fā)了一套由可控溫加熱棒及帕爾貼元件組成的加熱—制冷裝置。同時(shí)針對(duì)這套裝置,設(shè)計(jì)了四種Cu片(塊)/釬料層/Cu片(塊)的樣品結(jié)構(gòu),并利用Ansys模擬這四種樣品中的溫度及溫度梯度分布。結(jié)果表明這些樣品中釬料層內(nèi)的溫度梯度都高于SnPb釬料熱遷移溫度梯度閾值1000K/cm,即設(shè)計(jì)的裝置及樣品結(jié)構(gòu)滿足

3、熱遷移實(shí)驗(yàn)要求。
　　在熱遷移項(xiàng)目研究前期,采用的是自行設(shè)計(jì)的Cu片/SnPb釬料層/Cu棒的樣品結(jié)構(gòu),結(jié)合固體加熱—液體冷卻的實(shí)驗(yàn)裝置,對(duì)共晶SnPb釬料在高溫下的熱遷移現(xiàn)象進(jìn)行觀察和研究。實(shí)驗(yàn)前的數(shù)值模擬結(jié)果表明,釬料層中的溫度梯度大部分處于1430 K/cm～1579K/cm范圍內(nèi),最大值可達(dá)1875K/cm。在熱遷移實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,前期的釬料內(nèi)部并未發(fā)生明顯變化。但在溫度梯度加載了20小時(shí)之后,Pb相開始向冷端遷移,并在冷端以

4、不規(guī)則的塊狀形態(tài)聚集。隨著溫度梯度加載時(shí)間的延長(zhǎng),Pb相向釬料層冷端遷移并聚集的現(xiàn)象越來(lái)越明顯。另一方面,基于原子擴(kuò)散理論,證明了在SnPb合金中,在面心立方中以空位機(jī)制擴(kuò)散的Sn原子和Pb原子,在溫度梯度作用下的遷移模式均是由熱端遷移至冷端。同時(shí),兩者的遷移速率取決于環(huán)境溫度。因此證明了在熱遷移過(guò)程中,哪種元素能成為溫度梯度作用下的主要遷移元素,必須取決于以上兩個(gè)條件。此外,在微觀觀察的基礎(chǔ)上,計(jì)算出了熱遷移理論中的關(guān)鍵常數(shù),即Pb原

5、子的傳遞熱Q*值為27.2kJ/mol,而在此條件下的熱遷移驅(qū)動(dòng)力為1.48×10-17N。
　　在熱遷移項(xiàng)目研究后期,主要以商用BGA元件中倒裝芯片SnPb復(fù)合焊點(diǎn)為研究對(duì)象,分析在室溫及高溫條件下熱遷移效應(yīng)對(duì)焊點(diǎn)可靠性的影響。在室溫25℃的環(huán)境下,通入密度為3×104A/cm2的電流后,倒裝芯片Si片側(cè)及基板側(cè)的溫度分別為93.2℃和72.9℃。未通電焊點(diǎn)中的溫度梯度主要集中在347 K/cm～800K/cm范圍內(nèi),最大值可達(dá)

6、2388 K/cm。在熱遷移實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,前期的釬料內(nèi)部并未發(fā)生明顯變化。但在溫度梯度加載了100小時(shí)之后,焊點(diǎn)下部共晶SnPb釬料中的Sn相開始向冷端遷移,并于400小時(shí)之后在冷端界面附近形成了一層致密的聚集層,平均厚度達(dá)7.9μm。此外,在微觀結(jié)果基礎(chǔ)上,計(jì)算出了Sn原子的Q*值為22.1kJ/mol。同時(shí),也計(jì)算出此條件下未通電焊點(diǎn)中的熱遷移驅(qū)動(dòng)力為9.1×10-17N,低于通電焊點(diǎn)中的電遷移驅(qū)動(dòng)力1.3×10-15N。因此可以判定

7、在低溫的通電倒裝芯片焊點(diǎn)中,電遷移在原子擴(kuò)散中起主導(dǎo)作用,而非熱遷移。另外,通過(guò)針對(duì)熱遷移現(xiàn)象對(duì)焊點(diǎn)界面IMC形成及生長(zhǎng)的研究發(fā)現(xiàn),在冷端界面處,熱遷移能加速 Cu6Sn5的生長(zhǎng),而明顯抑制Cu3Sn的生長(zhǎng)。主要原因?yàn)?一方面,熱遷移后在冷端界面處形成的Sn相聚集層給Cu-Sn化合物的生長(zhǎng)提供了充足的Sn原子;另一方面,IMC層內(nèi)部900K/cm～1264K/cm的溫度梯度可以促進(jìn)Sn原子由Sn相聚集層向IMC內(nèi)遷移,使Cu-Sn反應(yīng)優(yōu)

8、先生成Cu6Sn5。
　　同時(shí),針對(duì)商用BGA元件中倒裝芯片SnPb復(fù)合焊點(diǎn)在高溫條件下的熱遷移效應(yīng)也進(jìn)行了研究。在100℃的環(huán)境下,通入密度為3×104A/cm2的電流后,倒裝芯片Si片側(cè)及基板側(cè)的溫度分別為125.2℃和160.9℃。未通電焊點(diǎn)中的溫度梯度主要集中在1062K/cm～2450 K/cm范圍內(nèi),最大值可達(dá)7309K/cm?；谖⒂^觀察結(jié)果,確定了Sn原子在焊點(diǎn)中的宏觀遷移模式為:相粗化→冷端附近從中心至兩側(cè)橫向遷