劉春忠，崔獻(xiàn)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(diǎn)尺寸及間距越來越小，焊點(diǎn)中的電流密度進(jìn)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(diǎn)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(diǎn)的接口處產(chǎn)生了焦耳熱，有時甚至?xí)购更c(diǎn)產(chǎn)生部分熔化。局部的焦耳熱效應(yīng)會加大焊點(diǎn)中的溫度梯度，從而引起熱遷移的發(fā)生，進(jìn)而引起焊點(diǎn)壽命的降低［5－7］。

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

1 實(shí)驗(yàn)方法

本工作采用江陰長電科技有限公司提供的CSP焊點(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)中用LR－8400－20記錄儀實(shí)時監(jiān)測焊點(diǎn)電阻值的變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 電遷移的過程

凸點(diǎn)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(diǎn)與引線間的互連面積，使得電子的移動受到限制，進(jìn)而增大了焊點(diǎn)的電阻。在恒定的溫度下，通過測量焊點(diǎn)兩端的電壓值可以得到焊點(diǎn)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(diǎn)中的電流密度可達(dá)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(diǎn)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(diǎn)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(kuò)展與聚集階段，c快速失效階段。

圖3 凸點(diǎn)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(diǎn)，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(kuò)散所需要的能量時，這些Cu原子會向凸點(diǎn)中擴(kuò)散，與凸點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(yuǎn)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(yuǎn)離孔洞的一個應(yīng)力，初始空洞在應(yīng)力的作用下向外擴(kuò)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(diǎn)兩端的電阻，因此在一段時間內(nèi)凸點(diǎn)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(kuò)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(diǎn)兩端的電阻值的增加增大了焦耳熱的產(chǎn)生，原子的擴(kuò)散速率隨著凸點(diǎn)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(diǎn)發(fā)熱→Cu6Sn5相生長→電阻值增大→凸點(diǎn)發(fā)熱的惡性循環(huán)下，凸點(diǎn)在短時間內(nèi)迅速失效斷裂。

凸點(diǎn)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(jī)械應(yīng)力和化學(xué)力。Chip側(cè)Si基體上采用Cu作為凸點(diǎn)間的互連引線，據(jù)文獻(xiàn)可知［9］，無鉛焊料凸點(diǎn)中原子的擴(kuò)散主要是晶格擴(kuò)散，而鋁互連引線中主要是晶界擴(kuò)散，銅互連引線中主要是表面擴(kuò)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(jī)械應(yīng)力大抵相同，相互抵消，所以電遷移過程中凸點(diǎn)內(nèi)部不受熱機(jī)械應(yīng)力影響。

2.2 不同溫度下凸點(diǎn)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(jìn)一步提高，最厚的部分已經(jīng)達(dá)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(kuò)散到焊盤中的Sn阻隔開。

圖4 焊點(diǎn)的形貌

互連凸點(diǎn)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(kuò)展，直至整個焊球斷裂引起焊點(diǎn)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(diǎn)導(dǎo)通界面造成回路中電阻增大，焊點(diǎn)的熱效應(yīng)增強(qiáng)，裂紋在熱應(yīng)力的作用下快速擴(kuò)展加速了焊點(diǎn)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(kuò)展，芯片的溫度就已經(jīng)超過了焊球組織的熔點(diǎn)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(diǎn)電遷移行為的研究發(fā)現(xiàn)，互連凸點(diǎn)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(kuò)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(kuò)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(kuò)展;快速失效，孔洞的產(chǎn)生降低了焊點(diǎn)中導(dǎo)通的截面面積，增大了焊點(diǎn)中的電阻，凸點(diǎn)兩端的電阻值的增加增大了焦耳熱的產(chǎn)生，在凸點(diǎn)發(fā)熱→Cu6Sn5相生長→電阻值增大→凸點(diǎn)發(fā)熱的惡性循環(huán)下，凸點(diǎn)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(kuò)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(kuò)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(kuò)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(diǎn)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(diǎn)的兩個界面處形成時增大了焊點(diǎn)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(kuò)展之前焊點(diǎn)就已經(jīng)達(dá)到了熔化的溫度，焊點(diǎn)在裂紋處熔化斷路。

［1］Xu Luhuan，Pan John H L.Combined thermal and eletromigration exposure effect on SnAgCu BGA solder joint reliability［C］.2006 Electronic Components and Technology Conference，2006:1145 －1159.

［2］ShengquanOu，Tu K N.A study of electromigration in Sn3.5Ag and Sn3.8Ag0.7Cu solder lines［C］.Electronic Components and Technology Conference，2005:1445－1450.

［3］Chiang KuoNing，Lee Chien Chen，Lee Chang Chun.Currentcrowding－inducedelectromigrationin SnAg3.0Cu0.5microbumps［J］.Applied Physics Letters，2006，88:072102.

［4］Ye Song，Huang Mingliang，Chen Leida，et al.Electromigrationof 300 μmdiameter Sn － 3.0Ag － 0.5Cu lead － free bumps in flip chip package［C］.2010 11th International Conference on ElectronicPackaging Technology ＆ High Density Packaging，Xi＇an，China，2010:1132－1137.

［5］吳豐順，張金松，無懿平，等.集成電路互連引線電遷移的研究進(jìn)展［J］.半導(dǎo)體技術(shù)，2004，29(9):15－21.

［6］Gan H，Choi W J，Xu G，et al.Electromigration in solder joint and solder lines［J］.Electron Mater，2002(6):34－37.

［7］Tu K N，Zeng K.Reliability issue of pb－free solder joints in electronic packaging technology［J］.Materials Science and Engineering Reports，2002，38(2):38－55.

［8］Tu K N.Recent advance on electromigration in very large scale integration of interconnections［J］.Appl－Phys，2003，94(9):5451.

［9］楊幫朝，蘇宏，任輝.無鉛焊料的電遷移效應(yīng)［J］.SMT，2005(10):60 －64.