原位觀察Cu/OSP/Sn3.0Ag0.5Cu/Ni倒裝焊點(diǎn)電遷移過(guò)程中的應(yīng)力松弛現(xiàn)象

張志杰，宋彥霞，耿遙祥，喻利花

(江蘇科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,鎮(zhèn)江 212003)

微型化、高性能、無(wú)鉛化(綠色制造)是微電子封裝制造的發(fā)展趨勢(shì)．基于微凸點(diǎn)和硅通孔(through silicon via,TSV)的三維(3D)封裝是一種通過(guò)多層芯片垂直互連堆疊,將芯片技術(shù)與封裝技術(shù)進(jìn)行結(jié)合的新技術(shù)[1]．目前報(bào)道的TSV孔徑小至2～20μm,相應(yīng)的用于互連TSV的微凸點(diǎn)直徑也僅為5～20μm[2-3]．此時(shí),通過(guò)焊點(diǎn)的電流密度將達(dá)到104～106A/cm2[4-5],因此,電遷移(electromigration,EM)已成為影響微電子產(chǎn)品可靠性的重要問(wèn)題[6-8]．此外,由于焊點(diǎn)特殊的幾何結(jié)構(gòu),在電子的流入和流出拐點(diǎn)處,電阻面積的變化會(huì)導(dǎo)致電流密度發(fā)生突變,比平均電流密度增大10～20倍,即產(chǎn)生電流擁擠現(xiàn)象[9-10],這進(jìn)一步加劇了焊點(diǎn)的電遷移失效．電遷移的物理本質(zhì)是金屬原子在靜電場(chǎng)力(順電場(chǎng)方向)和運(yùn)動(dòng)電子不斷地撞擊并發(fā)生動(dòng)量傳遞而產(chǎn)生作用力(逆電場(chǎng)方向)的復(fù)合作用下發(fā)生的定向遷移,動(dòng)力學(xué)上符合統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律[7]．

電遷移過(guò)程中原子由陰極定向擴(kuò)散遷移至陽(yáng)極,大量額外的原子遷移到陽(yáng)極,使得陽(yáng)極晶格發(fā)生畸變以適應(yīng)原子的輸入,從而產(chǎn)生壓應(yīng)力．相應(yīng)的空位在陰極聚集破壞了晶格位點(diǎn),產(chǎn)生拉應(yīng)力[11-12]．假若焊點(diǎn)的外表面完全被束縛,這種應(yīng)力則全部轉(zhuǎn)變成背應(yīng)力．但實(shí)際焊點(diǎn)的外表面并非完全束縛和完全自由,無(wú)鉛焊點(diǎn)的表面會(huì)形成一層Sn的氧化物,氧化層具有比Sn更強(qiáng)的硬度和強(qiáng)度,使得Sn表面并不能完全自由發(fā)生變形以松弛內(nèi)在的應(yīng)力．但氧化層也不能完全束縛外表面,特別是在壓應(yīng)力較大的陽(yáng)極界面附近,壓應(yīng)力超過(guò)氧化皮的臨界束縛則會(huì)發(fā)生隆起變形．文獻(xiàn)[13]中研究了倒裝芯片焊點(diǎn)陽(yáng)極處晶須的生長(zhǎng)情況,發(fā)現(xiàn)SnAgCu焊料比SnPb焊料具有更大的背應(yīng)力,因此,SnAgCu焊點(diǎn)中的電遷移失效比SnPb慢．文獻(xiàn)[14]中研究了電遷移過(guò)程中富Sn焊點(diǎn)的表面形貌,發(fā)現(xiàn)不同的焊點(diǎn)表現(xiàn)出不同的形貌特征,即不同的焊點(diǎn)具有不同的電遷移性能．文獻(xiàn)[15-16]中觀察了β-Sn釬料電遷移過(guò)程中的形貌變化,發(fā)現(xiàn)了電遷移條件下Sn晶粒的滑移旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象,同時(shí)電遷移后β-Sn的電阻下降了10%,推測(cè)是由于Sn晶粒為減小電阻重新改變?nèi)∠蛞鸬模紤]到電遷移過(guò)程中焊點(diǎn)表面的微變形與可靠性關(guān)系的研究較少,因此文中選用倒裝Cu/OSP/Sn3.0Ag0.5Cu/Ni焊點(diǎn),原位研究電遷移過(guò)程中焊點(diǎn)的微變形行為．

1 實(shí)驗(yàn)方法

文中電遷移樣品采用倒裝芯片封裝結(jié)構(gòu),如圖1,芯片尺寸為12 mm×12 mm×0.8 mm,底部基板尺寸為32 mm×23 mm×2.0 mm,芯片與基板通過(guò)228個(gè)Sn3.0Ag0.5Cu焊球相連,焊球直徑為300 μm,相鄰焊點(diǎn)的間距為500 μm,回流焊后焊點(diǎn)高度約為200 μm．圖2為Cu/OSP/Sn3.0Ag0.5Cu/Ni焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意,芯片端的凸點(diǎn)下金屬層(under bump metallization, UBM)厚度為6 μm、直徑為300 μm,基板端是經(jīng)過(guò)有機(jī)可焊性保護(hù)層(organic solderability preservatives,OSP)處理的Cu焊盤(OSP回流焊后溶解消失),其開(kāi)口直徑為250 μm,焊盤厚度為45 μm,Cu引線寬度為225 μm、厚度為45 μm．

圖1 電遷移試樣Fig.1 Sample for EM test

圖2 倒裝Cu/OSP/Sn3.0Ag0.5Cu/Ni焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic of the Cu/OSP/Sn3.0Ag0.5Cu/Ni flip-chip solder joint

文中將電遷移試樣放置于高熱導(dǎo)率的硅油中,油浴的溫度設(shè)定在108 ℃,焊點(diǎn)的溫度在20 min內(nèi)上升到150±3 ℃并達(dá)到穩(wěn)定,設(shè)定通過(guò)焊點(diǎn)的電流密度為1.5×104A/cm2,通電時(shí)間為100、200、300、400 h．圖3給出了5#～18#號(hào)焊球的剖面形貌及電子的流動(dòng)方向．

通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM,JSW-6480)對(duì)焊點(diǎn)內(nèi)部形貌進(jìn)行觀察,通過(guò)SEM附帶的能譜分析儀(EDX)分析金屬間化合物(intermetallic compounds, IMCs)成分．

圖3 倒裝Cu/OSP/Sn3.0Ag0.5Cu/Ni焊點(diǎn)電遷移的電子流向Fig.3 Direction of current stressing of Cu/OSP/Sn3.0Ag0.5Cu/Ni flip-chip solder joint

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 焊點(diǎn)的初始形貌

圖4為焊點(diǎn)初始形貌,其中圖4(a)為Cu/OSP/Sn3.0Ag0.5Cu/Ni的整體形貌,圖4(b)、(c)分別為芯片側(cè)和基板側(cè)界面處局部放大．觀察到基板側(cè)界面有一層連續(xù)的IMC,經(jīng)EDX分析該層化合物為(Cu,Ni)6Sn5(51.0Cu4.4Ni 44.6Sn，原子百分比，下同)類型．而芯片側(cè)除與Ni UBM相連接的界面處的一層IMC外,有部分IMC脫落至釬料中,經(jīng)EDX分析,界面處和脫落的IMC均為(Cu,Ni)6Sn5(30.6Cu25.0Ni44.4Sn)類型．兩側(cè)界面IMC均很薄,芯片側(cè)界面IMC略厚于基板側(cè)．

圖4 倒裝Cu/OSP/Sn3.0Ag0.5Cu/Ni焊點(diǎn)初始形貌Fig.4 Cross-sectional microstructure of as-soldered Cu/OSP/Sn3.0Ag0.5Cu/Ni solder joint

2.2 電遷移400 h后焊點(diǎn)的形貌

圖5為5#～18#焊點(diǎn)電遷移400 h后的形貌,由于相鄰兩焊點(diǎn)的電子流動(dòng)方向相反,實(shí)驗(yàn)中奇數(shù)焊點(diǎn)的電子流動(dòng)方向?yàn)閺男酒飨蚧?偶數(shù)焊點(diǎn)的電子流動(dòng)方向?yàn)閺幕辶飨蛐酒?jīng)過(guò)400 h的高溫通電,焊點(diǎn)表面變得粗糙,主要表現(xiàn)為陰極電子入口處釬料凹陷的產(chǎn)生伴隨空洞擴(kuò)展、基體溶解,如5#、7#、9#、11#焊點(diǎn);陽(yáng)極電子出口處Sn凸起以及焊點(diǎn)內(nèi)部IMC附近Sn凸起的生成,如6#、7#、8#、10#、12#、13#、14#、16#、18#焊點(diǎn);焊點(diǎn)內(nèi)部相鄰Sn晶粒的旋轉(zhuǎn)滑移現(xiàn)象,如12#焊點(diǎn)．

圖5 150℃、1.5×104 A/cm2電遷移400 h焊點(diǎn)形貌Fig.5 Cross-sectional microstructure of Cu/OSP/Sn3.0Ag0.5Cu/Ni flip chip solder joints after EM at 150℃ under 1.5×104 A/cm2 for 400 h

2.3 陰極附近處釬料平面凹陷

圖6為5#、7#、9#和11#焊點(diǎn)電遷移400 h后的陰極電子入口處局部放大．焊點(diǎn)陰極附近釬料平面出現(xiàn)階梯狀的凹陷,同時(shí)在在焊料/Ni UBM界面處形成空隙和裂縫,并且還發(fā)生了部分Ni UBM的明顯溶解．

圖6 焊點(diǎn)電遷移400 h陰極凹陷的局部放大照片F(xiàn)ig.6 Enlarged SEM images of hollows at the cathode in soldor joints after EM for 400 h

其中9#焊點(diǎn)陰極凹陷最為嚴(yán)重,甚至在界面處形成幾乎貫穿的裂紋,同時(shí)基體嚴(yán)重溶解,焊點(diǎn)瀕臨失效．這是由于電遷移使大量Sn原子通過(guò)晶格或晶界擴(kuò)散到陽(yáng)極,在陰極電子入口出留下空位．當(dāng)更多的空位聚集在陰極時(shí),導(dǎo)致裂紋的形成和傳播,引起電流的再分配．同時(shí),空位也擴(kuò)散到焊料的表面,導(dǎo)致陰極焊料的凹陷．在陰極處階梯狀凹陷的形成減少了空位濃度并減輕了電遷移引起的拉應(yīng)力．

2.4 Sn凸起的形成

圖7為7#、10#、13#和14#焊點(diǎn)電遷移400 h后的陽(yáng)極電子出口處局部放大圖．可觀察到焊點(diǎn)陽(yáng)極的Sn凸起現(xiàn)象．此外,從圖7(b)可清楚地觀察到其頂部有一個(gè)平面,即初始時(shí)的表面,表明凸起的產(chǎn)生正是由底部向上頂出生長(zhǎng)．從圖7(d)可觀察到側(cè)面的齒狀條紋,齒狀條紋通常為晶須的特征形貌[13],形象地描述為“擠牙膏式的從縫隙擠出來(lái)”．同時(shí)在電子出口處,明顯發(fā)現(xiàn)釬料平面的不平整,存在較多的階梯狀條紋,是由于釬料內(nèi)不同晶粒或同一晶粒內(nèi)發(fā)生擴(kuò)散蠕變而發(fā)生變形．電遷移使得大量額外金屬原子遷移至陽(yáng)極,陽(yáng)極晶格發(fā)生畸變,產(chǎn)生壓應(yīng)力．為了松弛這種應(yīng)力,Sn凸起被擠出．此外,焊點(diǎn)內(nèi)部大片Cu6Sn5類型IMC附近也出現(xiàn)了Sn凸起現(xiàn)象．

圖7 焊點(diǎn)電遷移400 h陽(yáng)極凸起的局部放大照片F(xiàn)ig.7 Enlarged SEM images of hillocks at the anode in solder joints after EM for 400 h

圖8為8#焊點(diǎn)Cu6Sn5(53.8Cu46.2Sn)類型IMC的局部放大圖．Sn凸起往往伴隨著Cu6Sn5類型IMC生成,并且表現(xiàn)出Sn凸起的典型特征-側(cè)面呈現(xiàn)螺紋狀,頂部為原焊點(diǎn)表面．該類型的Sn凸起也歸因于內(nèi)部壓應(yīng)力的作用,當(dāng)大量Cu6Sn5類型IMC在晶界或者晶粒內(nèi)部生成導(dǎo)致體積膨脹,進(jìn)而產(chǎn)生明顯的壓應(yīng)力．文獻(xiàn)[17]中也證明了這一觀點(diǎn),研究發(fā)現(xiàn)由于晶界上Cu6Sn5的影響,SnCu鍍層比純Sn鍍層中Sn凸起生長(zhǎng)的更明顯,生長(zhǎng)速率也更快．

圖8 8#焊點(diǎn)電遷移400 h整體及局部放大照片F(xiàn)ig.8 Whole and enlarged EM images of No.8 solder joints after EM for 400 h

2.5 晶界滑移

圖9為12#焊點(diǎn)電遷移過(guò)程中釬料Sn晶粒之間沿晶界的滑移或旋轉(zhuǎn)形貌演變,晶粒在晶界處的滑移使得原來(lái)平整的表面出現(xiàn)晶界形貌．

圖9 原位觀察12#焊點(diǎn)晶界旋轉(zhuǎn)滑移演變Fig.9 In situ observation grain boundary sliding in 12# solder bump

焊點(diǎn)中右側(cè)晶粒相比于左側(cè)晶粒往上抬起,隨著電遷移時(shí)間的增加,晶界形貌更加明顯,表明相鄰晶粒之間隨時(shí)間逐漸滑移．這是由于Sn晶粒的各向異性導(dǎo)致的原子擴(kuò)散通量不相等,原子堆積造成的壓應(yīng)力通過(guò)晶界的滑移得以松弛．同時(shí)Sn晶粒為減小電阻也會(huì)重新改變?nèi)∠蚨沟肧n晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)[15-16]．

3 結(jié)論

原位研究了Cu/OSP/Sn3.0Ag0.5Cu/Ni倒裝焊點(diǎn)在150℃、1.5×104A/cm2條件下電遷移過(guò)程中的應(yīng)力松弛行為．發(fā)現(xiàn)由于原子的不平衡擴(kuò)散,在釬料內(nèi)形成內(nèi)應(yīng)力,導(dǎo)致焊點(diǎn)發(fā)生形貌演變:

(1) 陰極電子入口處輕微凹陷,松弛拉應(yīng)力;

(2) 陽(yáng)極電子出口處形成凸起,松弛壓應(yīng)力;

(3) Sn晶粒之間發(fā)生晶界滑移,松弛晶界處內(nèi)應(yīng)力．應(yīng)力松弛降低了釬料內(nèi)的背應(yīng)力梯度,降低了背應(yīng)力對(duì)電遷移抑制的作用．