倒装芯片技术中无铅凸点电迁移研究

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1、摘要目前倒装芯片封装技术逐渐成为半导体芯片制造中晶圆级封装的主流。电子封装密度的不断提高以及电子产品的进一步微型化，微凸点直径和凸点之间的间距日42益变小，导致互连焊点中的电流密度的持续增长，并达到了10A/cm甚至更高。超过这个临界电流密度，微凸点互连焊点内部会发生电迁移现象，同时伴随着一系列互连可靠性问题，因此电迁移失效成为芯片可靠性的重要研究内容之一。从环境保护的要求出发，倒装芯片封装技术将逐渐使用无铅焊料合金代替Pb-Sn合金。所以，本论文主要研究了电流密度、UBM厚度和温度对无铅Sn/3.5Ag/0.5Cu焊料合金电迁移的影响。论文简述了半导体芯片互连凸点的电迁移现象及

2、其基本理论，综述了国内外的研究现状，设计了倒装芯片封装技术中无铅凸点电迁移的研究内容和试验方案。进行了电迁移的试验研究和数值计算，并且深入探讨和分析了影响电迁移的因素。研究发现，当电流密度超过电迁移门槛值时，电流密度的增加显著的减短了中值失效时间。这主要是由于更多的电子推动原子迁移，从而使得空洞更容易聚集和扩展，产生失效。电流密度聚集通常出现在UBM和凸点的界面，由此引起的焦耳热效应加速了失效过程。试验表明，Ni/Au膜的UBM减缓了电迁移过程，UBM较厚的试样电迁移比UBM较薄的试样长。电迁移电压－时间曲线都有三个阶段：电压的稳定上升阶段，电压的波动阶段和快速失效阶段。这三个阶

3、段分别对应不同的电迁移过程，即空洞的形核阶段、空洞的聚集扩展阶段和熔断失效阶段。另一个独特现象是IMC演化的极性效应。阴极处的IMC在电子流的作用下不断长大、剥落和迁移；迁移到阳极附近的原子产生了新的IMC，并与阳极原来的IMC聚集在一起，形成IMC的堆积。试验还表明，热老化条件下IMC的长大非常缓慢，而且没有出现极性效应。IMC在芯片和基板两侧的生长速度并不显著，形貌也基本类似。关键词：倒装芯片封装，无铅焊料凸点，电迁移，金属间化合物，凸点下金属化层IAbstractPb-freesolderinterconnectappliedinflipchip(FC)isapredomi

4、nanttechnologyforwafer-levelchip-scalepackage(WLCSP).InWLCSP,thedieshrinksareaforpoweravailable,thebumpshrinksvolumeandincreasequantityforinterconnectefficient.Asa42result,thebumpcurrentdensityisnowapproaching10A/cmlevel,whereEMbecomesasignificantreliabilityissue.Inaddition,Pb-freesolderalloy

5、sarelookingforwardtobecomingthealternativeofPb-Snalloysofenvironmentprotection.Thus,inthisthesisSn/3.5Ag/0.5CubumpsappliedinFCtechnologyhavebeenstudiedonEMregardingtheeffectsofUBMthickness,currentdensityandtemperature.Inthethesis,thetheoriesandthecurrentstudiesonEMhavebeenintroducedfirstly.An

6、dthen,anewmethodofexperimentisproposedanddone.Finally,theresultsoftheexperimentandthesimulationonEMareanalyzeddeeply.42Highercurrentdensityabove10A/cmlevelprolongsfailuretimelessthanlowerones.Itcanbeexplainedthatmoreelectro-flowimpactsatomstomigrateandredistribute,whichcausesvoidseasytopropag

7、ateandopen.CurrentcrowdingoftenoccursatthecorneroftheUBM/bumpinterfacewhenelectron-flowenters.Jouleheatisassociatedbytemperaturerisingatthecurrentcrowdingarea,thatdeterioratestheEMprocedure.SampleswiththickNi/Audiffusionbarrierlayershavelonge