倒装芯片技术中无铅凸点电迁移研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文倒装芯片技术中无铅凸点电迁移研究姓名：张金松申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：吴丰顺20040601I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益变小，导致互连焊点中的电流密度的持续增长，并达到了 104A/cm2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 IIAbstract Pb-free solder interconnect applied in flip chip (FC) is a predominant technology for wafer-level chip-scale package (WLCSP). In WLCSP, the die shrinks area for power available, the bump shrinks volume and increase quantity for interconnect efficient. As a result, the bump current density is now approaching 104A/cm2 level, where EM becomes a significant reliability issue. In addition, Pb-free solder alloys are looking forward to becoming the alternative of Pb-Sn alloys of environment protection. Thus, in this thesis Sn/3.5Ag/0.5Cu bumps applied in FC technology have been studied on EM regarding the effects of UBM thickness, current density and temperature. In the thesis, the theories and the current studies on EM have been introduced firstly. And then, a new method of experiment is proposed and done. Finally, the results of the experiment and the simulation on EM are analyzed deeply. Higher current density above 104A/cm2 level prolongs failure time less than lower ones. It can be explained that more electro-flow impacts atoms to migrate and redistribute, which causes voids easy to propagate and open. Current crowding often occurs at the corner of the UBM/bump interface when electron-flow enters. Joule heat is associated by temperature rising at the current crowding area, that deteriorates the EM procedure. Samples with thick Ni/Au diffusion barrier layers have longer failure time than those with thin ones. More Ni atoms in the UBM layer delay EM failure occurring. Three stages are found in EM procedure, which are the stable stage, the fluctuating stage, and the sharp fusion stage. IMCs growth and migration and voids nucleation appear in the stable stage. Voids propagate along the interface in the direction of stress gradient decreasing is included in the fluctuating stage. Melts dramatic fusion is observed in the sharp fusion stage. Another unique EM behavior is the polarity effect on IMCs growth at the anode and dissolution at the cathode. That is Ni atoms move from the cathode to the anode, and a lot of IMCs accumulate at the anode. The IMCs evolutions of EM samples are compared with those of thermal aging samples at 180°C. The results indicate IMC evolutions in thermal aging samples are completely different with EM ones. They change slowly and uniform at the both of two sides, not found in the bump. Keywords: Flip Chip Packaging, Lead-free Solder Bump, Electromigration, Intermetallic Compound (IMC), Under Bump Metallization (UBM) 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密□ ，在________年解密后适用本授权书 本论文属于 不保密□ （请在以上方框内打“√” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日11 概 述 1.1 电迁移现象及理论 1.1.1 倒装芯片封装技术中的可靠性问题 随着电子信息工业以每年超过 20％递增速度的迅猛发展，到 2003 年，电子信息工业已经跃居为我国工业的第一大产业，年销售额达到 18800 亿元。

电子信息工业的总体规模已经位居世界第三，并且将继续保持高速的增长势头[1]因此，电子信息工业的核心技术——芯片的设计和制造成为了整个电子信息工业的重中之重；也是追赶国际领先水平，最终开发出具有完全自主知识产权的技术突破口目前，在长江三角洲、珠江三角洲，以及渤海经济圈等地区，相继引进了十几条晶圆生产线，其中的 8 英寸 IC 晶圆生产线是当今国际技术的主流方向未来数十年，国民经济将继续保持高速发展， 我国必将逐渐成为世界 IC 生产的主要基地和消费的主要市场[2]所以，围绕 IC 产业的封装制造——“电子制造”进行的新材料、新技术研究和开发，成为了最具吸引力的新方向之一 由于市场的强大推动力，电子信息产品不断朝着微型化、低成本、多功能、便携式以及高可靠性等方向迅猛发展， 进而推动了倒装芯片技术 （Flip Chip Technology）在微电子封装中的应用并成为新一代晶圆级封装的主流技术[3] 晶圆级的倒装芯片互连（IC 封装）是一种超高密度封装科学技术，它通过裸晶片上的面阵列 I/O 微凸点与基板进行互连， 从而使得 IC 封装具备超细间距、 电性能增强、 可靠性提高等特点倒装芯片凸点互连结构包括三个部分：微凸点下的金属化层（UBM） 、微凸点球（Bump）和基板互连微焊盘（bond pad） 。

而在集成晶片 Al 焊盘上形成的 UBM 通常有三层结构：扩散阻挡/粘附层、润湿层、抗氧化层在 UBM 上形成的焊料合金微凸点将与对应在基片上的镀有 Ni/Au 的铜焊盘键合形成互连焊点 图 1-1 给出的就是一个典型的倒装芯片互连焊点的结构示意图 2图 1-1 典型的凸点互连结构 图 1-2 凸点的电迁移失效 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益变小，导致互连焊点中的电流密度的持续增长，并达到了 104A/cm2甚至更高[4]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[5]电迁移（EM）特别容易发源于金属互连的界面，最终导致互连的结构破坏和电学失效，是引起 IC 封装失效的一种重要机制[6] 在倒装芯片互连。