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高密度封装中互连焊点的热迁移研究

陶媛  
【摘要】:随着高密度电子封装向小型化和高集成度的方向迅速发展,由焦耳热效应所引发的元器件互连焊点中的热迁移现象,已逐渐成为影响互连结构可靠性的主要问题之一。本文主要研究高密度焊点中的热迁移现象,包括实验装置及样品结构设计和数值模拟,共晶SnPb钎料层及商用BGA元件倒装芯片SnPb复合焊点中的热迁移现象观察及分析,热迁移对焊点界面金属间化合物形成及生长的影响评估,并在扩散学基础上,对温度梯度作用下钎料各个元素原子的迁移模式的讨论及分析,以及对热迁移理论中的关键常数和不同条件下的热迁移驱动力等参数的推理及计算。 为了使热迁移的观察及研究能脱离电迁移实验而独立出来,项目组自行研发了一套由可控温加热棒及帕尔贴元件组成的加热—制冷装置。同时针对这套装置,设计了四种Cu片(块)/钎料层/Cu片(块)的样品结构,并利用Ansys模拟这四种样品中的温度及温度梯度分布。结果表明这些样品中钎料层内的温度梯度都高于SnPb钎料热迁移温度梯度阈值1000K/cm,即设计的装置及样品结构满足热迁移实验要求。 在热迁移项目研究前期,采用的是自行设计的Cu片/SnPb钎料层/Cu棒的样品结构,结合固体加热—液体冷却的实验装置,对共晶SnPb钎料在高温下的热迁移现象进行观察和研究。实验前的数值模拟结果表明,钎料层中的温度梯度大部分处于1430K/cm~1579K/cm范围内,最大值可达1875K/cm。在热迁移实验过程中,前期的钎料内部并未发生明显变化。但在温度梯度加载了20小时之后,Pb相开始向冷端迁移,并在冷端以不规则的块状形态聚集。随着温度梯度加载时间的延长,Pb相向钎料层冷端迁移并聚集的现象越来越明显。另一方面,基于原子扩散理论,证明了在SnPb合金中,在面心立方中以空位机制扩散的Sn原子和Pb原子,在温度梯度作用下的迁移模式均是由热端迁移至冷端。同时,两者的迁移速率取决于环境温度。因此证明了在热迁移过程中,哪种元素能成为温度梯度作用下的主要迁移元素,必须取决于以上两个条件。此外,在微观观察的基础上,计算出了热迁移理论中的关键常数,即Pb原子的传递热Q*值为27.2kJ/mol,而在此条件下的热迁移驱动力为1.48×10~(-17)N。 在热迁移项目研究后期,主要以商用BGA元件中倒装芯片SnPb复合焊点为研究对象,分析在室温及高温条件下热迁移效应对焊点可靠性的影响。在室温25°C的环境下,通入密度为3×10~4A/cm~2的电流后,倒装芯片Si片侧及基板侧的温度分别为93.2°C和72.9°C。未通电焊点中的温度梯度主要集中在347K/cm~800K/cm范围内,最大值可达2388K/cm。在热迁移实验过程中,前期的钎料内部并未发生明显变化。但在温度梯度加载了100小时之后,焊点下部共晶SnPb钎料中的Sn相开始向冷端迁移,并于400小时之后在冷端界面附近形成了一层致密的聚集层,平均厚度达7.9μm。此外,在微观结果基础上,计算出了Sn原子的Q*值为22.1kJ/mol。同时,也计算出此条件下未通电焊点中的热迁移驱动力为9.1×10~(-17)N,低于通电焊点中的电迁移驱动力1.3×10-15N。因此可以判定在低温的通电倒装芯片焊点中,电迁移在原子扩散中起主导作用,而非热迁移。另外,通过针对热迁移现象对焊点界面IMC形成及生长的研究发现,在冷端界面处,热迁移能加速Cu6Sn5的生长,而明显抑制Cu_3Sn的生长。主要原因为:一方面,热迁移后在冷端界面处形成的Sn相聚集层给Cu-Sn化合物的生长提供了充足的Sn原子;另一方面,IMC层内部900K/cm~1264K/cm的温度梯度可以促进Sn原子由Sn相聚集层向IMC内迁移,使Cu-Sn反应优先生成Cu6Sn5。 同时,针对商用BGA元件中倒装芯片SnPb复合焊点在高温条件下的热迁移效应也进行了研究。在100°C的环境下,通入密度为3×10~4A/cm~2的电流后,倒装芯片Si片侧及基板侧的温度分别为125.2°C和160.9°C。未通电焊点中的温度梯度主要集中在1062K/cm~2450K/cm范围内,最大值可达7309K/cm。基于微观观察结果,确定了Sn原子在焊点中的宏观迁移模式为:相粗化→冷端附近从中心至两侧横向迁移→从冷端向热端横向及纵向迁移→在高Pb及共晶SnPb钎料交界处聚集。数值模拟分析了高温下本实验样品中并未出现明显缺陷,是由于底部填充胶的存在降低了焊点内部的温度梯度,从而减缓了热迁移失效。另外,Sn原子偏向于在高Pb及共晶SnPb钎料交界处聚集,也是两种钎料中温度梯度分布不均所致。


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