電場作用下CSP的失效行為

劉春忠，崔獻威，，吳 迪，劉志權(quán)

(1.沈陽航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽110136;2.中國科學(xué)院金屬研究所，沈陽110016)

隨著電子產(chǎn)品向便攜化、微型化、高性能方向發(fā)展，芯片的集成度和印制電路板的組裝密度不斷提高，焊點尺寸及間距越來越小，焊點中的電流密度進一步提高，使焊料中的電遷移效應(yīng)變得越來越顯著。由于電遷移效應(yīng)會直接導(dǎo)致焊點的電氣性能失效而引起可靠性問題［1－4］，當(dāng)前電遷移問題已經(jīng)受到越來越多的關(guān)注和研究。

電子傳導(dǎo)電信號的同時也在焊點的接口處產(chǎn)生了焦耳熱，有時甚至?xí)购更c產(chǎn)生部分熔化。局部的焦耳熱效應(yīng)會加大焊點中的溫度梯度，從而引起熱遷移的發(fā)生，進而引起焊點壽命的降低［5－7］。

本文采用倒裝芯片無鉛互連焊點研究電遷移單因素對組織的影響，通過焊點間的電阻值的變化揭示組織演化過程，為無鉛焊點的可靠性研究提供理論基礎(chǔ)。

1 實驗方法

本工作采用江陰長電科技有限公司提供的CSP焊點樣品，樣品結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。芯片尺寸為1 mm×1 mm，在其表面上均勻分布著成分為 95.5Sn3.8Ag0.7Cu 的 4 個焊球，焊球直徑320 μm，球間距500 μm，與焊球下的 UBM 分為3層，4 000 ? 的 Cu，1 000 ? 的 Ti和 7.5 μm 的 Cu。經(jīng)過回流過程芯片貼裝在PCB板上，樣品截面如圖1(b)所示?；亓髟O(shè)備為溫控?zé)o鉛回流爐，4個溫區(qū)的溫度分別為120℃、170℃、245℃、200℃?；亓髑€如圖2所示。

圖1 CSP的結(jié)構(gòu)及尺寸圖示(a)平面視圖(b)截面視圖

圖2 95.5Sn3.8Ag0.7Cu焊球回流曲線

實驗中采用固緯直流(可編程)電源輸出電流，輸出范圍在0～15 A。焊點的失效行為通常為樣品通電條件下產(chǎn)生的熱效應(yīng)促使陽極處的原子向陰極移動，原子的遷移可使原子耗盡處產(chǎn)生孔洞，原子堆積處形成小丘?？锥吹漠a(chǎn)生會導(dǎo)致互連引線的電阻值的增加。實驗中用LR－8400－20記錄儀實時監(jiān)測焊點電阻值的變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 電遷移的過程

凸點的電遷移過程導(dǎo)致孔洞的形成和原子的堆積，孔洞的形成位置發(fā)生在陰極處，大量的孔洞縮小了焊點與引線間的互連面積，使得電子的移動受到限制，進而增大了焊點的電阻。在恒定的溫度下，通過測量焊點兩端的電壓值可以得到焊點的電阻值隨時間變化的趨勢。在環(huán)境溫度為50℃電流載荷為2.6 A條件下，凸點中的電流密度可達到1.02×104A/cm，超過了電遷移發(fā)生的閥值，圖2所示的為凸點兩端電阻值與時間的關(guān)系曲線。從曲線中可以看出互連凸點在通電過程中電阻變化有3個階段，分別對應(yīng)電遷移過程的3個階段:a微孔洞的孕育與形成階段，b孔洞的擴展與聚集階段，c快速失效階段。

圖3 凸點兩端電阻與時間的關(guān)系曲線

在微孔洞的孕育與形成階段，高密度的電子流在電場力的作用下沿著Cu引線流向凸點，UBM層和Cu3Sn層在電子的不斷沖擊下，部分Cu原子產(chǎn)生了一定的動量，當(dāng)超過了Cu原子擴散所需要的能量時，這些Cu原子會向凸點中擴散，與凸點中的Sn反應(yīng)生成Cu6Sn5。Cu3Sn中的Cu被不斷消耗，在原來的位置處形成微小的孔洞。電子流在Cu引線流向凸點的過程中有一個轉(zhuǎn)向過程，由開始的平行于Cu引線轉(zhuǎn)為垂直于Cu引線流動。當(dāng)孔洞產(chǎn)生后，凸點中的電子流沿著孔洞的邊緣流動，靠近孔洞側(cè)電流密度較大，遠離孔洞的位置電流密度較小，因此在電場力的作用下，產(chǎn)生一個從孔洞位置向遠離孔洞的一個應(yīng)力，初始空洞在應(yīng)力的作用下向外擴展，新的孔洞也在電子流的作用下不斷產(chǎn)生［8］。由于導(dǎo)通面積的減小和Cu6Sn5的生成增大了凸點兩端的電阻，因此在一段時間內(nèi)凸點兩端的電阻會隨著時間的推移迅速增加，此階段為空洞的擴展和聚集階段。由于電遷移產(chǎn)生的損壞速率與電流密度的平方成正比，凸點兩端的電阻值的增加增大了焦耳熱的產(chǎn)生，原子的擴散速率隨著凸點溫度的升高而增大，也就是說Cu6Sn5相的生長速率與電阻值增加成幾何增長關(guān)系，在凸點發(fā)熱→Cu6Sn5相生長→電阻值增大→凸點發(fā)熱的惡性循環(huán)下，凸點在短時間內(nèi)迅速失效斷裂。

凸點中的電遷移驅(qū)動力除了電場力、電子風(fēng)力、電流梯度應(yīng)力之外，還有熱機械應(yīng)力和化學(xué)力。Chip側(cè)Si基體上采用Cu作為凸點間的互連引線，據(jù)文獻可知［9］，無鉛焊料凸點中原子的擴散主要是晶格擴散，而鋁互連引線中主要是晶界擴散，銅互連引線中主要是表面擴散。芯片側(cè)和PCB板側(cè)的Cu布線厚度和方式對稱，通電過程中Chip側(cè)和PCB側(cè)焦耳熱產(chǎn)生的熱機械應(yīng)力大抵相同，相互抵消，所以電遷移過程中凸點內(nèi)部不受熱機械應(yīng)力影響。

2.2 不同溫度下凸點的電遷移組織變化

如圖4所示，(a)為50℃ 2.4 A通電50 h的掃描圖像，Chip側(cè)的UBM層與焊球的界面處為陽極，界面處的金屬間化合物只一層厚度約為10 μm的Cu6Sn5，PCB側(cè)Cu焊盤與焊球界面的金屬間化合物較少并且不連續(xù)，焊球組織中沒有Cu6Sn5組織。在低溫條件下Cu與Sn的反應(yīng)較慢難以生成大量的 Cu6Sn5。(c)為70℃ 2.4 A通電50 h的掃描圖像，隨著溫度的升高UBM層與焊球間的 Cu6Sn5厚度增加到約為35 μm，在UBM與Cu6Sn5間還有一層極薄的Cu3Sn，。PCB側(cè)的焊盤也發(fā)生溶解，溫度升高增大了Cu與Sn間的反應(yīng)速率，生成的Cu6Sn5在電子風(fēng)的作用下向陽極移動，在焊球體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了大塊的Cu6Sn5。(e)為90℃ 2.4 A通電50 h的掃描圖像，陽極的Cu6Sn5生長速度進一步提高，最厚的部分已經(jīng)達到了100 μm，UBM層與Cu6Sn5間的 Cu3Sn也迅速長大。PCB側(cè)的Cu焊盤大量溶解，部分焊盤已經(jīng)被擴散到焊盤中的Sn阻隔開。

圖4 焊點的形貌

互連凸點失效形式大致分為3種，第一種如圖3(b)所示，焊盤的Cu與Sn反應(yīng)被完全消耗，造成互連引線連接中斷;第二種如圖3(d)所示，裂紋在焊球與PCB的界面或焊球與UBM界面的附近擴展，直至整個焊球斷裂引起焊點的開路，這種情況多見于先在Cu6Sn5中產(chǎn)生微裂紋，裂紋的出現(xiàn)降低了焊點導(dǎo)通界面造成回路中電阻增大，焊點的熱效應(yīng)增強，裂紋在熱應(yīng)力的作用下快速擴展加速了焊點的失效;第三種如圖3(f)所示在焊球中部斷裂，部分焊球組織在高溫環(huán)境中發(fā)生熔化。高溫條件下焊球中的裂紋還未來得及擴展，芯片的溫度就已經(jīng)超過了焊球組織的熔點引起焊球在熱量最集中的裂紋處熔化。

3 結(jié)論

通過對不同溫度條件下的互連凸點電遷移行為的研究發(fā)現(xiàn)，互連凸點的電遷移過程可以分為3個階段:孔洞的形成，Cu3Sn層中的Cu原子在電子的不斷沖擊下獲得了一定的動量，向焊料中擴散與Sn反應(yīng)生成Cu6Sn5。Cu原子被不斷消耗在原來位置處形成孔洞;孔洞的擴展，互連引線中的電子沿著Cu布線向焊球中流動，在焊球與導(dǎo)線連接的拐角處電子的流動方向會發(fā)生轉(zhuǎn)向，靠近孔洞的低方電場力大，孔洞沿著應(yīng)力的方向生長和擴展;快速失效，孔洞的產(chǎn)生降低了焊點中導(dǎo)通的截面面積，增大了焊點中的電阻，凸點兩端的電阻值的增加增大了焦耳熱的產(chǎn)生，在凸點發(fā)熱→Cu6Sn5相生長→電阻值增大→凸點發(fā)熱的惡性循環(huán)下，凸點在短時間內(nèi)迅速失效斷裂。

低溫小電流的條件下Cu與Sn相互擴散緩慢，降低了Cu－Sn金屬間化合物的生長，50℃2.4 A的樣品中UBM與Cu界面間的Cu6Sn5在通電50 h后沒有明顯變化，升高環(huán)境溫度提高了原子的擴散系數(shù)，Cu6Sn5層快速生長，在70℃2.4 A通電50 h后長到10 μm 厚，PCB側(cè) Cu原子受到電子風(fēng)作用力向Chip側(cè)擴散，在焊球內(nèi)Cu與Sn反應(yīng)生成大塊的Cu6Sn5。90℃條件下焊盤幾乎全部溶解，在UBM與Cu6Sn5界面處的Cu3Sn也聚集生長。

凸點的3種斷裂模式中焊盤的溶解通常是在低溫長時間小電流的情況下發(fā)生的，當(dāng)裂紋在焊點的兩個界面處形成時增大了焊點的熱應(yīng)力，裂紋很容易在應(yīng)力的作用下生長直至貫穿整個焊球，當(dāng)在高溫環(huán)境中裂紋在未得到擴展之前焊點就已經(jīng)達到了熔化的溫度，焊點在裂紋處熔化斷路。

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