無(wú)鉛錫膏電遷移現(xiàn)象介紹
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無(wú)鉛錫膏電遷移現(xiàn)象介紹
隨著半導(dǎo)體封裝技術(shù)日新月異，元件的集成化水平越來(lái)越高。在消費(fèi)者對(duì)電子產(chǎn)品使用要求越來(lái)越高的背景下，更加高度集成化的產(chǎn)品無(wú)疑受到追捧。高度集成化對(duì)封裝結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了很多影響，例如更多的內(nèi)部和外部互連數(shù)量，這對(duì)用于封裝的錫膏可靠性帶來(lái)了挑戰(zhàn)。無(wú)鉛錫膏是主流封裝材料廠家的主要焊料產(chǎn)品。但是由于電子產(chǎn)品集成化和小型化水平高，電遷移現(xiàn)象成為了影響錫膏焊接質(zhì)量的一大元兇。
無(wú)鉛錫膏焊接出現(xiàn)電遷移形成的一大重要原因是高電流密度。元件微型化和互連數(shù)增加帶來(lái)更大的電流密度，電遷移的影響也愈發(fā)明顯。電遷移是在高電流密度下由于電子和金屬原子之間的動(dòng)量轉(zhuǎn)移而引起的材料遷移。由于未補(bǔ)償?shù)慕饘龠\(yùn)動(dòng)，陰極側(cè)（電子流的入口）會(huì)出現(xiàn)空洞，而在陽(yáng)極側(cè)（電子流的出口）將發(fā)生金屬堆積， 最終導(dǎo)致開路并造成錫膏焊點(diǎn)失效。
對(duì)于倒裝芯片而言，電遷移會(huì)加快金屬擴(kuò)散并影響IMC生長(zhǎng)。隨著凸點(diǎn)下金屬層 (UBM) 的消耗和RDL寬度的減小，焊點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)空洞。高溫同樣會(huì)帶來(lái)IMC的加速生長(zhǎng)，脆性的IMC使得錫膏焊點(diǎn)出現(xiàn)裂紋和空洞。電流產(chǎn)生焦耳熱也會(huì)使得元件溫度升高并反過(guò)來(lái)加快電遷移?？斩吹某霈F(xiàn)增加了焊點(diǎn)的電阻，最后導(dǎo)致開路。平均失效時(shí)間可以通過(guò)下列公式確定。其中t是失效時(shí)間，J是電流密度，T是溫度，k是玻爾茲曼常數(shù)， A是預(yù)因子、n是電流密度指數(shù)，Ea是活化能。
圖1. 電遷移造成的失效機(jī)制。
銅柱結(jié)構(gòu)能夠改善電遷移性能。主要包含三個(gè)優(yōu)點(diǎn)，例如減少電流擁擠以盡量減少局部電流密度, 減少焦耳熱，以及提供距離屏障使錫膏不能直接與銅 RDL 發(fā)生反應(yīng) (Darveaux et al., 2015)，此外，在無(wú)鉛錫膏中摻雜一些特定種類的納米增強(qiáng)粒子對(duì)提升抗電遷移能力起到積極作用。
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參考文獻(xiàn)
Darveaux, R., Hoang, J.V., Vijayakumar, B., & Skyworks. 2015, “ELECTROMIGRATION PERFORMANCE OF WLCSP SOLDER JOINTS”.
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