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倒装芯片Ni/Sn-3.0Ag-0.5Cu/ENEPIG（OSP）无铅焊点的电迁移行为

作　者: 叶松
导　师: 黄明亮
学　校: 大连理工大学
专　业: 材料学
关键词: 电迁移 倒装芯片 Sn-3.0 Ag-0.5Cu钎料凸点 Ni凸点下金属化层 金属间化合物 化学镀镍钯浸金表面处理 有机可焊性保护层表面处理 热电耦合模拟
分类号: TN405
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


随着电子产品向微型化和集成化发展,钎料凸点的尺寸持续减小,通过焊点的电流密度持续升高。当倒装芯片焊点直径降低到50μm时,通过焊点的平均电流密度将达到104A/cm2。在如此高的电流密度下,电迁移效应将对焊点可靠性构成严重威胁。同时由于环保的要求,钎料互连向无铅化发展。因此,电迁移对微细无铅焊点可靠性的影响引起了学术界和工业界的广泛关注。本论文研究了Ni/Sn-3.0Ag-0.5Cu/ENEPIG和Ni/Sn-3.0Ag-0.5Cu/OSP两种倒装芯片互连焊点的热时效(150℃)和电迁移(5×103A/cm2)行为,并结合ANSYS有限元热电耦合分析,模拟了焊点中的电流密度分布和温度分布。1、模拟结果表明：显著的电流拥挤在焊点电流入口和出口处发生。由于焦耳热效应,芯片温度显著升高。但就单个焊点而言,温度分布较均匀,焊点内部温差小于1℃。2、实验结果表明：(1)对于Ni/Sn-3.0Ag-0.5Cu/ENEPIG焊点而言,热时效过程中焊点两端初始界面(Cu,Ni)6Sn5均转变成了(Ni,Cu)3Sn4。在电迁移过程中,当基板端Ni-P层作为阴极时,电迁移显著加速了Ni-P层的消耗和多孔状Ni3P的形成。一旦Ni-P层完全消耗并全部转化为Ni3P,钎料中的Sn原子与Ni3P反应将加速,导致Ni2SnP快速地生长。从Ni-P层中溶解出来的Ni原子在电迁移的作用下沿着电子运动的方向扩散,并在钎料中形成大量(Ni,Cu)3Sn4。当芯片端的Ni UBM作为阴极时,电流拥挤效应导致芯片端Ni UBM和Cu焊盘均发生了局部过度溶解,溶解出来的Cu原子在电迁移的作用下扩散到阳极使阳极界面(Ni,Cu)3Sn4转变为(Cu,Ni)6Sn5。回流后在钎料中均匀分布的(Au,Pd,Ni)Sn4在时效过程中粗化长大,并且不仅分布在钎料中而且在两端界面也有分布,但在电迁移作用下,(Au,Pd,Ni)Sn4则趋向在阳极界面沉积。(2)对于Ni/Sn-3.0Ag-0.5Cu/OSP焊点而言,热时效过程中两端初始界面化合物均保持(Cu,Ni)6Sn5类型,且随时间延长,化合物中的Cu含量升高,Ni含量降低。在通电过程中,当基板端的Cu作为阴极时,电流拥挤效应导致了基板端Cu焊盘发生局部快速溶解和空洞产生。从Cu焊盘溶解出来的Cu原子沿着电子运动方向扩散,在钎料中析出形成大量的Cu6Sn5。随着时间的延长,阴极Cu焊盘溶解加剧,空洞变宽并沿着Cu6Sn5/Cu界面扩展,最终造成焊点失效。当芯片端的Ni UBM作为阴极时,Ni UBM和Cu焊盘均没有发生过度溶解,钎料中也没有出现大规模化合物,焊点两端界面化合物类型也没有发生改变,均保持(Cu,Ni)6Sn5类型,整个焊点也保持完好。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-21
  1.1 电子封装  9-10
  1.2 倒装芯片技术  10-12
  1.3 电迁移理论  12-14
    1.3.1 电迁移通量(Flux)方程式  13-14
    1.3.2 平均破坏时间(Mean-Time-To-Failure,MTTF)  14
  1.4 倒装芯片焊点中电迁移研究现状  14-20
    1.4.1 电流拥挤效应(Current crowding)  15-16
    1.4.2 焦耳热效应及热迁移(Joule heating and thermomigration)  16-17
    1.4.3 电迁移作用下的失效模式(electromigration failure modes)  17-20
  1.5 本论文研究目的和研究内容  20-21
    1.5.1 研究目的  20
    1.5.2 研究内容  20-21
2 实验及模拟方法  21-26
  2.1 实验样品、仪器及方法  21-25
    2.1.1 实验样品  21-22
    2.1.2 实验仪器  22-23
    2.1.3 电迁移实验方法  23-25
    2.1.4 样品分析方法  25
  2.2 模拟方法  25-26
3 ANSYS有限元模拟  26-34
  3.1 ANSYS软件介绍  26-27
  3.2 倒装芯片热电耦合分析  27-28
  3.3 Ni/Sn-3.0Ag-0.5Cu/ENEPIG焊点电流密度与温度分布  28-30
  3.4 Ni/Sn-3.0Ag-0.5Cu/OSP焊点电流密度与温度分布  30-32
  3.5 本章小结  32-34
4 Ni/Sn-3.0Ag-0.5Cu/ENEPIG焊点的热时效与电迁移  34-51
  4.1 初始界面组织结构  34-36
  4.2 150℃下焊点的热时效  36-40
    4.2.1 芯片端Ni/Sn-3.0Ag-0.5Cu界面组织结构  36-38
    4.2.2 基板端Ni-P/Sn-3.0Ag-0.5Cu界面组织结构  38-40
  4.3 150℃和低电流密度(5×10~3A/cm~2)下焊点的电迁移  40-46
    4.3.1 Ni-P为阴极(Ni UBM为阳极)  40-42
    4.3.2 Ni UBM为阴极(Ni-P为阳极)  42-46
  4.4 结果与讨论  46-50
  4.5 本章小结  50-51
5 Ni/Sn-3.0Ag-0.5Cu/OSP焊点的热时效与电迁移  51-69
  5.1 焊点初始界面组织结构  51-52
  5.2 150℃下焊点的热时效  52-55
    5.2.1 芯片端Ni/Sn-3.0Ag-0.5Cu界面组织结构  52-54
    5.2.2 基板端Cu/Sn-3.0Ag-0.5Cu界面组织结构  54-55
  5.3 150℃和低电流密度(5×10~3A/cm~2)下焊点的电迁移  55-63
    5.3.1 Cu为阴极(Ni UBM为阳极)  55-60
    5.3.2 Ni UBM为阴极(Cu为阳极)  60-63
  5.4 结果与讨论  63-68
  5.5 本章小结  68-69
结论  69-71
参考文献  71-75
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  75-76
致谢  76-77

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 微电子学、集成电路（IC） > 一般性问题 > 制造工艺
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