無(wú)鉛化倒裝芯片微凸點(diǎn)的電遷移失效機(jī)制

1、無(wú)鉛化倒裝芯片微凸點(diǎn)的電遷移失效機(jī)制Toru Miyazaki , Tomoya Omata摘要本文研究了施加電流應(yīng)力作用下，由無(wú)鉛SnAgCu 微凸點(diǎn)和Ni UBM層組成的倒裝芯片的電遷移行為。文章通過(guò)掃描電鏡和紅外顯微鏡物理分析方法研究孔洞增長(zhǎng)過(guò)程和阻抗衰減過(guò)程。凸點(diǎn)電遷移失效過(guò)程中，隨著時(shí)間的推移，電阻的變化隨著接觸直徑和UBM層結(jié)構(gòu)的變化而急劇變化?？锥词н^(guò)程中，電流擁擠引起了UBM層金屬擴(kuò)散和局部焦耳熱。1.介紹 微凸點(diǎn)封裝工藝被用于倒裝BGA（倒裝芯片球柵陣列封裝）結(jié)構(gòu)，用于硅芯片與封裝基板之間的互連。FCBGA是一個(gè)高引腳數(shù)，高性能的主流封裝技術(shù)。近年來(lái)，無(wú)鉛凸點(diǎn)封裝應(yīng)用在FC

2、GBA互連中，作為共晶SnPb 合金的替代品，這加速了解決有鉛釬料影響環(huán)境的問(wèn)題。另一方面，由于凸點(diǎn)直徑的小型化和硅芯片上的電路密度越來(lái)越高，使得凸點(diǎn)中的電流密度也越來(lái)越高。因此，凸點(diǎn)的電遷移失效成為FCBGA封裝可靠性的重要問(wèn)題之一。FCBGA上微凸點(diǎn)的電遷移失效有潛在性，因?yàn)橄啾扔趹?yīng)用于其他大規(guī)模集成電路器件的封裝材料來(lái)說(shuō)，凸點(diǎn)材料的熔點(diǎn)相對(duì)比較低。在一般情況下，凸點(diǎn)的橫截面積是Al或Cu線的105倍。凸點(diǎn)材料的熔點(diǎn)是在200左右，這與在硅芯片互連金屬相比要低得多。Choi等人研究過(guò)，錫原子通過(guò)電子流力遷 效是在電流密度1x104A/ cm2下觀察到的。相比在硅芯片上互連金屬可能的電流密度

3、，該電流密度低了二十倍。在大規(guī)模集成電路器件凸點(diǎn)中很容易達(dá)到這個(gè)電流密度。 早期對(duì)Ni UBM層無(wú)鉛SnAgCu凸點(diǎn)的研究表示，高電流密度會(huì)造成陰極側(cè)UBM界面孔洞的生長(zhǎng)。從電流密度在焊點(diǎn)上不均勻的角度看，焊點(diǎn)上的電遷移現(xiàn)象是不同于硅片導(dǎo)線金屬的。電遷移的發(fā) 賴(lài)于互連的形式和不同的金屬材料組成的層結(jié)構(gòu)。電流集聚效應(yīng)以及由此產(chǎn)生的焊點(diǎn)上不同的溫度分布被認(rèn)為是電遷移機(jī)制的關(guān)鍵因素。 在我們的研究中，為了研究電遷移導(dǎo)致系統(tǒng)失效的失效機(jī)理，電流加速電遷移壽命試驗(yàn)以及在無(wú)鉛SnAgCu微凸點(diǎn)和非阻焊定義配置的Ni UBM組成的系統(tǒng)上應(yīng)激物理分析，兩者都需實(shí)施。對(duì)焊料凸點(diǎn)使用紅外顯微鏡的熱分布分析再以施加

4、到偏置電流，研究了電流密度和溫度分布對(duì)電遷移孔洞的形成和生長(zhǎng)過(guò)程的影響。2.實(shí)驗(yàn) 在該研究中，焊點(diǎn)是由含96.5錫，3銀，0.5Cu組成的無(wú)鉛SnAgCu材料。在這項(xiàng)研究中，使用的凸點(diǎn)樣品的示意圖如圖1，焊點(diǎn)的直徑為100m。凸點(diǎn)下金屬化層有Ni結(jié)構(gòu)，在硅芯片上使用非定義配置阻焊的方法，用互聯(lián)銅線使凸點(diǎn)之間互相連接。硅芯片與封裝基板之間的間隙是由一種底部填充樹(shù)脂填充。帶有凸點(diǎn)的硅芯片被裝配到常規(guī)的倒裝芯片球柵陣列封裝（FCBGA）。 在電遷移測(cè)試下的焊點(diǎn)，它是通過(guò)在BGA封裝襯底上的銅導(dǎo)線連接到外端。焊點(diǎn)電阻測(cè)量可連同電遷移應(yīng)力測(cè)試來(lái)完成。封裝基板的布線和在硅芯片上的互連Cu線的設(shè)計(jì)，針對(duì)由于

5、電遷移應(yīng)力測(cè)試期間施加的電流或溫度的退化具有足夠的抵抗能力。正如表1，評(píng)估了環(huán)境變化對(duì)電遷移的壽命和失效形成進(jìn)程的影響，樣本水平通過(guò)不同的UBM Ni的厚度和到硅芯片的接觸直徑進(jìn)行分級(jí)。 在硅芯片上的UBM接觸面，電流應(yīng)力以電流密度在1.0104 A / cm 2到4.0104 A / cm2的范圍施加在各樣品上。在整個(gè)恒定測(cè)量周期的電遷移壓力測(cè)試中，焊點(diǎn)的阻力是使用四端電阻測(cè)量方法來(lái)監(jiān)測(cè)。在150環(huán)境溫度下，壓力測(cè)試產(chǎn)生電遷移的關(guān)聯(lián)現(xiàn)象稱(chēng)為固態(tài)擴(kuò)散。因?yàn)楹更c(diǎn)的熔點(diǎn)是在200左右，從而發(fā)生固態(tài)擴(kuò)散。需對(duì)應(yīng)激后的樣品實(shí)施SEM(截面掃描電鏡)的觀察及EDX（能量色散X射線光譜儀）元素分析，以確定

6、焊點(diǎn)和UBM材料上孔洞形成和擴(kuò)散過(guò)程的行為。 利用由QFI Corp制造的帶有InfraScope II顯微成像系統(tǒng)的紅外顯微鏡，觀察到焊點(diǎn)內(nèi)部的熱分布的詳細(xì)信息，如圖2所示，在我們的配置中，紅外顯微鏡使局部溫度測(cè)量達(dá)到4.8m的空間分辨率和0.1的溫度分辨率。紅外顯微鏡觀測(cè)的樣品是在500mA的電流應(yīng)力和40的環(huán)境溫度下進(jìn)行的。3.結(jié)果3.1 電遷移應(yīng)力測(cè)試 圖3顯示了在150的環(huán)境溫度時(shí)，1x104A/cm2電流密度條件下。電遷移壽命測(cè)試中，50m直徑凸點(diǎn)UBM電遷移時(shí)間，以及電阻轉(zhuǎn)變的變化情況。 在施加電應(yīng)力過(guò)程中，凸點(diǎn)電阻逐步增加。基于如圖3中時(shí)間-電阻曲線的斜率，凸點(diǎn)電阻轉(zhuǎn)變的行為可

7、分為兩種模式，這兩種模式被表示為“飽和模式”和“發(fā)散模式”，以下供參考。表2示出的是發(fā)散模式的失效率。在較厚的UBM Ni層和較大的UBM 接觸直徑的情況下，相對(duì)于壓力的時(shí)間，電阻轉(zhuǎn)變呈現(xiàn)一個(gè)漸漸飽和的趨勢(shì)。對(duì)于厚點(diǎn)的鎳或大點(diǎn)的UBM接觸直徑，電遷移壽命也比較長(zhǎng)。相反，對(duì)于較薄的UBM Ni和較小的接觸直徑狀態(tài)，由于超過(guò)應(yīng)力時(shí)間而突然增加的阻力，電遷移壽命會(huì)比較短。顯然，“發(fā)散模式”具有更短的電遷移壽命，更大的電阻值變化可能?chē)?yán)重影響實(shí)際LSI器件的電特性。3.2應(yīng)激后凸點(diǎn)的掃描電鏡橫截面觀察 為了研究在電遷移應(yīng)力測(cè)試觀測(cè)下“飽和模式”和“發(fā)散模式”實(shí)質(zhì)性凸點(diǎn)電阻轉(zhuǎn)變不同的原因，在電遷移應(yīng)力測(cè)試

8、后，對(duì)SEM(掃描電子顯微鏡)和EDX(能量色散X射線光譜儀)對(duì)截面樣品進(jìn)行分析。圖4示出的是一個(gè)樣品焊點(diǎn)和UBM界面的SEM圖象，在施加電應(yīng)力后該樣品飽和模式下失效。質(zhì)量通量的作用下，孔洞區(qū)域存在大量 SnAgCu和Ni-Sn的形成金屬間化合物（IMC）。在封裝組件的熱過(guò)程中，由于Ni的擴(kuò)散特性，造成Ni-Sn金屬間化合物（IMC）的形成。對(duì)Ni-Sn金屬間化合物（IMC）層觀察顯示，在SnAgCu，Ni-Sn金屬間化合物（IMC）的界面，電遷移引起Ni和Sn的質(zhì)量通量的變化是最為突出。 在飽和模式下，整個(gè)互連結(jié)構(gòu)對(duì)于剩余的UBM和Ni-Sn金屬間化合物（IMC）電阻仍然很低。即使在孔洞形成

9、后，焊點(diǎn)和在硅芯片金屬線之間良好的電接觸依舊需要維持。此外，生長(zhǎng)的孔洞區(qū)域需要防止Ni UBM進(jìn)一步擴(kuò)散和傳輸。這是在電遷移測(cè)試中觀察到的電阻轉(zhuǎn)變飽和性趨勢(shì)的原因。 圖5示出的是焊點(diǎn)的橫截面掃描電鏡圖像，此焊點(diǎn)在電遷移壓力測(cè)試發(fā)散模式中惡化的。EDX分析鑒定,在電流和熱誘導(dǎo)的電遷移的過(guò)程中，由于鎳原子擴(kuò)散到SnAgCu焊料中，Ni UBM和Ni-Sn的IMC被而完全消耗。孔洞沿著焊點(diǎn)和硅芯片之間的接觸界面形成。最終結(jié)果是電子流造成的大量流動(dòng)，Ni-Sn IMC移向凸點(diǎn)的陽(yáng)極側(cè)。在這種情況下，在芯片側(cè)的Cu線和Ni UBM之間的界面的孔洞形成降低了有效電接觸面積，并觀察到在隨后的電遷移應(yīng)力測(cè)試中

10、，導(dǎo)致較大的電阻轉(zhuǎn)變。3.3 紅外顯微鏡觀察焊點(diǎn)的熱分布 觀察焊點(diǎn)內(nèi)的熱分布，這個(gè)樣品是個(gè)橫截面，并在500毫安電流和Ta=40環(huán)境溫度下用熱紅外顯微鏡進(jìn)行分析。圖6示出厚度為4m和的接觸直徑為50m的UBM Ni施加完預(yù)應(yīng)力之后樣品的局部溫度分布圖像。紅外熱成像顯微圖像顯示了焊點(diǎn)內(nèi)不均勻的溫度分布。這個(gè)分布反映了電流集聚效應(yīng)，使得電子從較小截面面積的Cu線陰極側(cè)注入到凸點(diǎn)，電子向相對(duì)較大的凸點(diǎn)接觸面積Cu線陽(yáng)極側(cè)擴(kuò)散。其結(jié)果是，一個(gè)高能量的熱點(diǎn)出現(xiàn)在陰極側(cè)UBM電流密度最大的接觸口。我們也已經(jīng)證實(shí)，熱點(diǎn)溫度比在較小UBM接觸直徑下的焊點(diǎn)溫度更高。 圖7顯示出溫度沿UBM接觸剖面變化軌跡。跡線

11、（a）和（b）分別由UBM接觸直徑為30m和60m的樣品測(cè)量得出。不同的UBM接觸直徑樣品之間的最高溫度10的比較，這比兩個(gè)凸點(diǎn)接觸區(qū)域的比例估計(jì)的差別要大得多。這種溫差會(huì)電遷移應(yīng)力測(cè)試中，影響Ni擴(kuò)散進(jìn)入焊點(diǎn)的熱反應(yīng)速度，尤其是在發(fā)散模式。 圖8，圖9顯示在470小時(shí)電遷移應(yīng)力后，不同UBM接觸直徑下樣品的局部溫度分布圖像和跡線。每個(gè)樣品在UBM的接觸區(qū)域都有孔洞形成。（a）中示出的圖像是在發(fā)散模式下電阻100變化的樣品中記錄。（b）中所示的圖像是在飽和模式下的電阻4變化的樣品中記錄。在發(fā)散模式下孔洞形成過(guò)程中，局部焦耳熱在UBM金屬和在硅片上Cu金屬線的接觸處上升。峰值處位置的偏移是由于孔

12、洞增長(zhǎng)時(shí)減少了有效接觸面積。圖7.SnAgCu和Ni-Sn的金屬間化合物的邊界溫度曲線（虛線圖6）（a）UBM直徑為30m（b）UBM直徑為60m圖8每個(gè)模式下應(yīng)激后樣品的紅外顯微鏡熱分布圖。左：光學(xué)顯微鏡圖像右：熱分布圖像圖9.應(yīng)激后樣本溫度曲線。趨勢(shì)通過(guò)沿著虛線在圖8中獲得。（a）發(fā)散模式，30m的接觸直徑，4.0x104A/cm2的電流密度，在距離75m到115m的實(shí)際溫度跟蹤數(shù)據(jù)丟失是由于測(cè)量超量程。真正的峰值溫度遠(yuǎn)高于95攝氏度。（b）飽和模式，1.7x104A/cm2的電流密度，50m的接觸直徑4.討論 我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明兩種電遷移誘導(dǎo)孔洞形成機(jī)制取決于由于靠近陰極側(cè)的UBM局部焦

13、耳熱從而升高的UBM峰值溫度。圖10示出的散度模式的失效機(jī)制。在陰極側(cè)的UBM溫度增加超過(guò)一個(gè)臨界值時(shí)，鎳原子擴(kuò)散到焊點(diǎn)的反應(yīng)速度就加快。Ni-Sn IMC是沿著凸點(diǎn)接觸面反應(yīng)形成的。鎳原子擴(kuò)散和電子流導(dǎo)致Ni-Sn的傳輸效應(yīng)，以及層狀孔洞在UBM和硅芯片接觸界面上的形成。隨著溫度和質(zhì)量通量在UBM界面上達(dá)到最大，孔洞也沿著界面生長(zhǎng)。所得層狀孔洞減少了焊點(diǎn)的接觸面積，并由于電流密度的增加，進(jìn)一步導(dǎo)致了局部焦耳熱。上述焦耳熱增加和Ni UBM消耗的連續(xù)過(guò)程，最終會(huì)提高電阻增加的速率。紅外儀分析表明，焊點(diǎn)上的峰值溫度在很大程度上依賴(lài)于凸點(diǎn)的接觸面積和預(yù)應(yīng)力狀態(tài)樣品的UBM厚度。據(jù)推測(cè)，是由于UBM

14、焊點(diǎn)界面附近增加的電流密度的增加，以及電流通路的截面積的變化從而導(dǎo)致局部焦耳熱。 圖11示出飽和模式的降解機(jī)理。在較低的UBM峰值溫度下，鎳原子擴(kuò)散被抑制。在這種情況下，電子流引起的Sn原子運(yùn)輸是電遷移過(guò)程的主要反應(yīng)。最終，孔洞開(kāi)始在Ni-Sn IMC和SnAgCu焊點(diǎn)之間的界面生長(zhǎng)，該界面Sn的傳輸速率處于最大值。在這個(gè)過(guò)程中UBM Ni層依舊未消耗，Ni擴(kuò)散被孔洞生長(zhǎng)區(qū)域阻止。在這種情況下，剩余的Ni UBM和Ni-Si IMC保持焊點(diǎn)和硅芯片之間的電接觸。其結(jié)果是，相比發(fā)散模式的電阻增加，應(yīng)激后樣品的電阻增加是被限制的。 根據(jù)我們的研究。孔洞生長(zhǎng)的兩種機(jī)制取決于產(chǎn)生于局部焦耳熱最高溫度的

15、值。UBM凸點(diǎn)接觸處最高溫度極大地被UBM焊球界面的層結(jié)構(gòu)和接觸直徑影響。我們發(fā)現(xiàn)Ni UBM的厚度和UBM的接觸直徑是在凸點(diǎn)UBM中電遷移壽命關(guān)鍵參數(shù)。5.結(jié)論 在這次的研究中，我們探討的是由無(wú)鉛SnAgCu系微凸點(diǎn)和Ni UBM組成的倒裝芯片焊點(diǎn)的電遷移（EM）行為。通過(guò)施加電應(yīng)力到焊點(diǎn)，在焊點(diǎn)的陰極側(cè)形成孔洞。形成孔洞導(dǎo)致凸點(diǎn)互連的電阻增加。我們直接觀察的是，局部溫度會(huì)增加以及影響和Ni Sn原子擴(kuò)散，并且探究了必要的反應(yīng)機(jī)制。SnAgCu焊點(diǎn)的電遷移失效過(guò)程顯示了隨著時(shí)間的推移，由于UBM層厚度和凸點(diǎn)接觸面積性能轉(zhuǎn)變的程度，從而發(fā)生急劇變化。 在凸點(diǎn)互連失效過(guò)程中，局部焦耳熱和UBM金

16、屬擴(kuò)散扮演重要的角色。對(duì)SnAgCu焊點(diǎn)電遷移現(xiàn)象上的失效機(jī)理細(xì)節(jié)和對(duì)UBM焊球接口結(jié)構(gòu)的依賴(lài)的了解，具有高應(yīng)力可靠性等級(jí)的FCBGA產(chǎn)物的生產(chǎn)與設(shè)計(jì)就可以實(shí)現(xiàn)。鳴謝作者感謝M.Wang和美國(guó)NECEL有幫助性 的討論。文獻(xiàn)1Jae-Young Choi, Sang-Su Lee, Jong-Min Paik, Young-Chang Joo ; Electronic Materials and Packaging, 2001. EMAP 2001. Advances in 19-22 Nov. 2001 Page(s):417 - 420 2 T. Y. Lee, K. N. Tu, and D. R. Frear : J. Appl. Phys. 90, 4