基于不同鍵合參數(shù)的Cu-Sn-Cu 微凸點失效模式分析

張瀟睿

（中國民用航空飛行學(xué)院航空工程學(xué)院，四川廣漢 618307）

1 引言

目前微電子產(chǎn)品的可靠性隨著產(chǎn)品微型化的發(fā)展受到了嚴(yán)重的影響[1-2]，由于封裝密度的提高，微凸點尺寸和間距的減小，大大提高了凸點中的電流密度，導(dǎo)致更加容易出現(xiàn)嚴(yán)重的電遷移現(xiàn)象，從而使產(chǎn)品壽命降低或者直接失效。

電遷移發(fā)生后，會在凸點內(nèi)部形成空洞、裂紋等缺陷，導(dǎo)致產(chǎn)品失效；同時金屬凸點內(nèi)部金屬間化合物（Intermetallic Compound,IMC）層也會增加凸點脆性斷裂的風(fēng)險[3-5]。電流密度是影響電遷移發(fā)生與否的主要因素，部分文獻(xiàn)中提到當(dāng)電流密度接近104A/cm2時，會引發(fā)凸點內(nèi)部電遷移行為[6-8]。除此之外，工作溫度、凸點下金屬層、凸點材料等都會對電遷移行為產(chǎn)生影響[9-10]。芯片鍵合過程中，鍵合質(zhì)量參差不齊，導(dǎo)致芯片性能差異明顯。

本文針對不同鍵合參數(shù)下的芯片鍵合樣品，在不同電流密度負(fù)載下進(jìn)行了電遷移試驗，以獲得不同鍵合質(zhì)量芯片在不同負(fù)載下的失效模式及凸點內(nèi)部組織演變行為。

2 Cu-Sn-Cu 微凸點倒裝芯片

本文采用了一款Cu-Sn-Cu 互連微凸點倒裝芯片，芯片設(shè)計如圖1 所示。

圖1 Cu-Sn-Cu 倒裝芯片（單位：mm）

芯片共54 個微凸點，并設(shè)計有相應(yīng)標(biāo)記點用于鍵合時的識別對準(zhǔn)。鍵合完成后，芯片A-A、B-B 是2 條菊花鏈通路，每一條通路包含24 個微凸點。電遷移實驗中，選擇其中一條通路作為試驗通路。

電遷移試驗平臺由可編程直流電源及數(shù)據(jù)采集軟件組成。該電源提供過壓保護(hù)和過流保護(hù)功能，通過預(yù)設(shè)電壓/電流保護(hù)功能，當(dāng)芯片通路在電流負(fù)載下電阻發(fā)生變化達(dá)到預(yù)設(shè)阻值，電源立刻停止工作。

3 芯片鍵合參數(shù)

基于日本Athlete 公司的CB-600 半自動倒裝鍵合機的熱壓鍵合功能，選擇不同的鍵合參數(shù)完成了芯片鍵合。最終選取4 組參數(shù)作為電遷移試驗的對比組，具體鍵合參數(shù)如表1 所示。

表1 鍵合參數(shù)

1、2、3 組作為鍵合力大小的對比組，2 和4 組作為鍵合溫度的對比組。不同組別下的樣品鍵合質(zhì)量差異明顯，1、2 組芯片通路導(dǎo)通，但Cu/Sn 鍵合界面存在較為明顯的縫隙，但2 組樣品較1 組更好；3 組Cu/Sn 鍵合界面結(jié)合緊密，且通過抗剪切力測試，3 組樣品抗剪切力能力最強，1 組樣品鍵合質(zhì)量最差[11]。鍵合溫度對比組中，更高的鍵合溫度彌補了較小鍵合力所帶來的鍵合界面的縫隙，但由于更高的溫度導(dǎo)致Sn 層被壓縮得更薄。

4 不同鍵合質(zhì)量下微凸點的失效行為

觀察在不同電流負(fù)載下，金屬微凸點內(nèi)部的組織演變和失效行為，將樣品分為鍵合力和鍵合溫度2 個對比組進(jìn)行電遷移試驗。

4.1 大電流密度負(fù)載下芯片的失效行為

將電流設(shè)置為10 A，此時凸點內(nèi)部電流密度為1.27×105A/cm2。在該負(fù)載下，用第1 組樣品進(jìn)行了多次試驗，芯片通路均在通電后的幾秒之內(nèi)出現(xiàn)了斷路失效，樣品凸點截面電鏡掃描圖見圖2。對該工作電流下的芯片進(jìn)行溫度及電流密度仿真，結(jié)果如圖3 所示。

由圖2 可以看到Sn 層溢出凸點，內(nèi)部出現(xiàn)了明顯的邊緣規(guī)則的大型空洞，并且空洞邊緣出現(xiàn)了裂紋擴展；同時由于鍵合力過小所導(dǎo)致的Cu/Sn 鍵合界面的縫隙消失不見。結(jié)合圖3 的仿真結(jié)果，芯片內(nèi)溫度達(dá)到了375 ℃以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過Sn 的熔化溫度，導(dǎo)致凸點Cu/Sn 連接結(jié)構(gòu)重組。凸點內(nèi)部的結(jié)構(gòu)改變說明在此電流負(fù)載下，凸點內(nèi)部焦耳熱嚴(yán)重，溫度迅速跳變，導(dǎo)致Sn 層出現(xiàn)了熔化現(xiàn)象。

圖2 第1 組樣品凸點截面形貌

圖3 芯片溫度及電流密度仿真

如圖2（b）中微銅柱和銅線之間出現(xiàn)了明顯分離，這是導(dǎo)致芯片通路斷路的主要原因。由圖3（b）可知，由于銅線厚度過小，工作中最大電流密度位于銅線上，導(dǎo)致銅線和微銅柱之間出現(xiàn)了連接失效而斷路。

4.2 小電流密度負(fù)載下芯片的失效行為

4.2.1 電流密度負(fù)載為3.2×104A/cm2時的電遷移試驗

將電流密度數(shù)量級降至104A/cm2，電流設(shè)置為2.5 A，此時電流密度為3.2×104A/cm2，對1、2、3 組樣品進(jìn)行試驗。

第1 組樣品在經(jīng)歷了78 h 負(fù)載后電阻大幅度上升，第2、3 組在經(jīng)歷了120 h 負(fù)載后電阻值稍有上升，但保持在一個較小的穩(wěn)定范圍內(nèi)，芯片仍能正常工作。

圖4 為3 組不同鍵合質(zhì)量的芯片凸點截面形貌圖，其中每組的前兩幅為同一凸點不同放大倍數(shù)下的形貌，每組的第3 幅為同一樣品中通路的另一凸點形貌。由圖4 可知，凸點內(nèi)部并未出現(xiàn)嚴(yán)重的電遷移缺陷。3 組樣品都在Cu/Sn 鍵合界面生成了一層較薄的Cu6Sn5。IMC 的生成導(dǎo)致凸點內(nèi)部由于體積收縮產(chǎn)生小型的空洞和裂紋，而第1、2 組樣品由于Cu/Sn 鍵合界面有效結(jié)合區(qū)域少，空洞和裂紋的產(chǎn)生更容易導(dǎo)致凸點出現(xiàn)連接失效，鍵合質(zhì)量更好的3 組樣品在較小的電流負(fù)載下凸點性能基本穩(wěn)定。

圖4 不同鍵合力下凸點截面形貌

4.2.2 電流密度負(fù)載為6.4×104A/cm2時的電遷移試驗

將電流設(shè)置為5 A，即電流密度為6.4×104A/cm2。第1、2 組樣品分別在通電3.5 h 和12 h 后出現(xiàn)了斷路，3 組樣品在通電35 h 后電阻值出現(xiàn)了明顯的上升。

圖5 為3 組不同鍵合質(zhì)量的芯片凸點截面形貌圖，其中（a）和（b）的前兩幅為同一凸點不同放大倍數(shù)下的形貌，第3 幅為同一樣品中通路的另一凸點形貌；（c）為該條件下通路中3 個不同凸點的截面形貌圖，選取了不同放大倍數(shù)來展示凸點結(jié)構(gòu)的演變情況。

由圖5 可以看到，對于第1 組樣品，無論鍵合截面作為陰極還是陽極，裂紋擴展的區(qū)域總是出現(xiàn)在Cu/Sn 鍵合界面，有效結(jié)合區(qū)域不斷減小，凸點內(nèi)電流密度不斷增大，從而使得產(chǎn)品加速失效，也就是說電遷移行為會放大芯片鍵合缺陷對產(chǎn)品的影響。對于第2 組樣品，雖然鍵合質(zhì)量有所提升，但同樣無論鍵合界面作為陰極還是陽極，總是會出現(xiàn)嚴(yán)重的裂紋擴展現(xiàn)象。對于第3 組樣品，由于鍵合質(zhì)量的提高，可以看到Sn 凸點開始更多地向IMC 轉(zhuǎn)化，裂紋和空洞開始朝著凸點內(nèi)部擴展和延伸，不再局限于鍵合界面區(qū)域，凸點的失效模式完全取決于電遷移行為的發(fā)展。

圖5 電流5 A 負(fù)載下凸點截面形貌

4.2.3 鍵合溫度375 ℃下樣品的電遷移試驗

對第4 組樣品分別在2.5 A 和5 A 條件下進(jìn)行電遷移試驗。2.5 A 負(fù)載下，樣品在工作120 h 后電阻值出現(xiàn)了較為明顯的上升。5 A 負(fù)載下，樣品在工作6 h后出現(xiàn)了電阻值大幅度上升的情況。

圖6 為鍵合條件3.24 N、30 s、375 ℃的樣品在不同電流負(fù)載下工作后的截面形貌圖，其中（a）為2.5 A負(fù)載下通路中3 個不同凸點的截面形貌，（b）的前2 幅為5 A 負(fù)載下同一凸點不同放大倍數(shù)下的形貌，第3幅為同一樣品中通路的另一凸點形貌。

圖6 第4 組鍵合樣品在2.5 A 和5 A 負(fù)載下凸點截面形貌

可以看到，375 ℃鍵合溫度的樣品，在2 種不同電流負(fù)載以及差異明顯的工作時長下，樣品凸點中Sn層均全部轉(zhuǎn)化為Cu6Sn5和Cu3Sn。由于過高的鍵合溫度導(dǎo)致Sn 層熔化外溢，凸點間Sn 層厚度明顯減小，同時過高的鍵合溫度也會使初始IMC 的厚度增加，這2 點共同導(dǎo)致凸點中Sn 層向IMC 的迅速轉(zhuǎn)化，從而在凸點內(nèi)部產(chǎn)生了明顯的大型空洞和裂紋。該鍵合條件下，樣品的失效模式主要體現(xiàn)在凸點內(nèi)部的明顯電遷移缺陷，以及Sn 層全部轉(zhuǎn)化為IMC 所帶來的凸點脆性斷裂失效。

5 結(jié)論

不同鍵合參數(shù)導(dǎo)致芯片鍵合后初始質(zhì)量差異明顯，在不同的工作電流負(fù)載下，不同鍵合質(zhì)量的樣品體現(xiàn)出了不同的失效模式，試驗主要得到了以下幾點結(jié)論：（1）芯片互連凸點有效工作時長與鍵合質(zhì)量成正比；（2）過大的電流密度導(dǎo)致的失效模式表現(xiàn)為銅線與銅柱微凸點連接斷開；（3）電遷移行為會放大鍵合缺陷對產(chǎn)品帶來的影響，對于鍵合質(zhì)量差的樣品，Cu/Sn 鍵合界面是凸點互連失效的主要區(qū)域，鍵合質(zhì)量較好的樣品其缺陷更多會向凸點內(nèi)部擴展延伸；（4）過高的鍵合溫度會加速工作負(fù)載下凸點中Sn 層向IMC 的轉(zhuǎn)化，從而增大產(chǎn)品電遷移失效和脆性斷裂的風(fēng)險。