无铅化倒装芯片微凸点的电迁移失效机制

1、无铅化倒装芯片微凸点的电迁移失效机制Toru Miyazaki , Tomoya Omata摘要本文研究了施加电流应力作用下，由无铅SnAgCu 微凸点和Ni UBM层组成的倒装芯片的电迁移行为。文章通过扫描电镜和红外显微镜物理分析方法研究孔洞增长过程和阻抗衰减过程。凸点电迁移失效过程中，随着时间的推移，电阻的变化随着接触直径和UBM层结构的变化而急剧变化。孔洞失效过程中，电流拥挤引起了UBM层金属扩散和局部焦耳热。1.介绍 微凸点封装工艺被用于倒装BGA（倒装芯片球栅阵列封装）结构，用于硅芯片与封装基板之间的互连。FCBGA是一个高引脚数，高性能的主流封装技术。近年来，无铅凸点封装应用在FC

2、GBA互连中，作为共晶SnPb 合金的替代品，这加速了解决有铅钎料影响环境的问题。另一方面，由于凸点直径的小型化和硅芯片上的电路密度越来越高，使得凸点中的电流密度也越来越高。因此，凸点的电迁移失效成为FCBGA封装可靠性的重要问题之一。FCBGA上微凸点的电迁移失效有潜在性，因为相比于应用于其他大规模集成电路器件的封装材料来说，凸点材料的熔点相对比较低。在一般情况下，凸点的横截面积是Al或Cu线的105倍。凸点材料的熔点是在200左右，这与在硅芯片互连金属相比要低得多。Choi等人研究过，锡原子通过电子流力迁 效是在电流密度1x104A/ cm2下观察到的。相比在硅芯片上互连金属可能的电流密度

3、，该电流密度低了二十倍。在大规模集成电路器件凸点中很容易达到这个电流密度。 早期对Ni UBM层无铅SnAgCu凸点的研究表示，高电流密度会造成阴极侧UBM界面孔洞的生长。从电流密度在焊点上不均匀的角度看，焊点上的电迁移现象是不同于硅片导线金属的。电迁移的发 赖于互连的形式和不同的金属材料组成的层结构。电流集聚效应以及由此产生的焊点上不同的温度分布被认为是电迁移机制的关键因素。 在我们的研究中，为了研究电迁移导致系统失效的失效机理，电流加速电迁移寿命试验以及在无铅SnAgCu微凸点和非阻焊定义配置的Ni UBM组成的系统上应激物理分析，两者都需实施。对焊料凸点使用红外显微镜的热分布分析再以施加

4、到偏置电流，研究了电流密度和温度分布对电迁移孔洞的形成和生长过程的影响。2.实验 在该研究中，焊点是由含96.5锡，3银，0.5Cu组成的无铅SnAgCu材料。在这项研究中，使用的凸点样品的示意图如图1，焊点的直径为100m。凸点下金属化层有Ni结构，在硅芯片上使用非定义配置阻焊的方法，用互联铜线使凸点之间互相连接。硅芯片与封装基板之间的间隙是由一种底部填充树脂填充。带有凸点的硅芯片被装配到常规的倒装芯片球栅阵列封装（FCBGA）。 在电迁移测试下的焊点，它是通过在BGA封装衬底上的铜导线连接到外端。焊点电阻测量可连同电迁移应力测试来完成。封装基板的布线和在硅芯片上的互连Cu线的设计，针对由于

5、电迁移应力测试期间施加的电流或温度的退化具有足够的抵抗能力。正如表1，评估了环境变化对电迁移的寿命和失效形成进程的影响，样本水平通过不同的UBM Ni的厚度和到硅芯片的接触直径进行分级。 在硅芯片上的UBM接触面，电流应力以电流密度在1.0104 A / cm 2到4.0104 A / cm2的范围施加在各样品上。在整个恒定测量周期的电迁移压力测试中，焊点的阻力是使用四端电阻测量方法来监测。在150环境温度下，压力测试产生电迁移的关联现象称为固态扩散。因为焊点的熔点是在200左右，从而发生固态扩散。需对应激后的样品实施SEM(截面扫描电镜)的观察及EDX（能量色散X射线光谱仪）元素分析，以确定

6、焊点和UBM材料上孔洞形成和扩散过程的行为。 利用由QFI Corp制造的带有InfraScope II显微成像系统的红外显微镜，观察到焊点内部的热分布的详细信息，如图2所示，在我们的配置中，红外显微镜使局部温度测量达到4.8m的空间分辨率和0.1的温度分辨率。红外显微镜观测的样品是在500mA的电流应力和40的环境温度下进行的。3.结果3.1 电迁移应力测试 图3显示了在150的环境温度时，1x104A/cm2电流密度条件下。电迁移寿命测试中，50m直径凸点UBM电迁移时间，以及电阻转变的变化情况。 在施加电应力过程中，凸点电阻逐步增加。基于如图3中时间-电阻曲线的斜率，凸点电阻转变的行为可

7、分为两种模式，这两种模式被表示为“饱和模式”和“发散模式”，以下供参考。表2示出的是发散模式的失效率。在较厚的UBM Ni层和较大的UBM 接触直径的情况下，相对于压力的时间，电阻转变呈现一个渐渐饱和的趋势。对于厚点的镍或大点的UBM接触直径，电迁移寿命也比较长。相反，对于较薄的UBM Ni和较小的接触直径状态，由于超过应力时间而突然增加的阻力，电迁移寿命会比较短。显然，“发散模式”具有更短的电迁移寿命，更大的电阻值变化可能严重影响实际LSI器件的电特性。3.2应激后凸点的扫描电镜横截面观察 为了研究在电迁移应力测试观测下“饱和模式”和“发散模式”实质性凸点电阻转变不同的原因，在电迁移应力测试

8、后，对SEM(扫描电子显微镜)和EDX(能量色散X射线光谱仪)对截面样品进行分析。图4示出的是一个样品焊点和UBM界面的SEM图象，在施加电应力后该样品饱和模式下失效。质量通量的作用下，孔洞区域存在大量 SnAgCu和Ni-Sn的形成金属间化合物（IMC）。在封装组件的热过程中，由于Ni的扩散特性，造成Ni-Sn金属间化合物（IMC）的形成。对Ni-Sn金属间化合物（IMC）层观察显示，在SnAgCu，Ni-Sn金属间化合物（IMC）的界面，电迁移引起Ni和Sn的质量通量的变化是最为突出。 在饱和模式下，整个互连结构对于剩余的UBM和Ni-Sn金属间化合物（IMC）电阻仍然很低。即使在孔洞形成

9、后，焊点和在硅芯片金属线之间良好的电接触依旧需要维持。此外，生长的孔洞区域需要防止Ni UBM进一步扩散和传输。这是在电迁移测试中观察到的电阻转变饱和性趋势的原因。 图5示出的是焊点的横截面扫描电镜图像，此焊点在电迁移压力测试发散模式中恶化的。EDX分析鉴定,在电流和热诱导的电迁移的过程中，由于镍原子扩散到SnAgCu焊料中，Ni UBM和Ni-Sn的IMC被而完全消耗。孔洞沿着焊点和硅芯片之间的接触界面形成。最终结果是电子流造成的大量流动，Ni-Sn IMC移向凸点的阳极侧。在这种情况下，在芯片侧的Cu线和Ni UBM之间的界面的孔洞形成降低了有效电接触面积，并观察到在随后的电迁移应力测试中

10、，导致较大的电阻转变。3.3 红外显微镜观察焊点的热分布 观察焊点内的热分布，这个样品是个横截面，并在500毫安电流和Ta=40环境温度下用热红外显微镜进行分析。图6示出厚度为4m和的接触直径为50m的UBM Ni施加完预应力之后样品的局部温度分布图像。红外热成像显微图像显示了焊点内不均匀的温度分布。这个分布反映了电流集聚效应，使得电子从较小截面面积的Cu线阴极侧注入到凸点，电子向相对较大的凸点接触面积Cu线阳极侧扩散。其结果是，一个高能量的热点出现在阴极侧UBM电流密度最大的接触口。我们也已经证实，热点温度比在较小UBM接触直径下的焊点温度更高。 图7显示出温度沿UBM接触剖面变化轨迹。迹线

11、（a）和（b）分别由UBM接触直径为30m和60m的样品测量得出。不同的UBM接触直径样品之间的最高温度10的比较，这比两个凸点接触区域的比例估计的差别要大得多。这种温差会电迁移应力测试中，影响Ni扩散进入焊点的热反应速度，尤其是在发散模式。 图8，图9显示在470小时电迁移应力后，不同UBM接触直径下样品的局部温度分布图像和迹线。每个样品在UBM的接触区域都有孔洞形成。（a）中示出的图像是在发散模式下电阻100变化的样品中记录。（b）中所示的图像是在饱和模式下的电阻4变化的样品中记录。在发散模式下孔洞形成过程中，局部焦耳热在UBM金属和在硅片上Cu金属线的接触处上升。峰值处位置的偏移是由于孔

12、洞增长时减少了有效接触面积。图7.SnAgCu和Ni-Sn的金属间化合物的边界温度曲线（虚线图6）（a）UBM直径为30m（b）UBM直径为60m图8每个模式下应激后样品的红外显微镜热分布图。左：光学显微镜图像右：热分布图像图9.应激后样本温度曲线。趋势通过沿着虚线在图8中获得。（a）发散模式，30m的接触直径，4.0x104A/cm2的电流密度，在距离75m到115m的实际温度跟踪数据丢失是由于测量超量程。真正的峰值温度远高于95摄氏度。（b）饱和模式，1.7x104A/cm2的电流密度，50m的接触直径4.讨论 我们的实验结果表明两种电迁移诱导孔洞形成机制取决于由于靠近阴极侧的UBM局部焦

13、耳热从而升高的UBM峰值温度。图10示出的散度模式的失效机制。在阴极侧的UBM温度增加超过一个临界值时，镍原子扩散到焊点的反应速度就加快。Ni-Sn IMC是沿着凸点接触面反应形成的。镍原子扩散和电子流导致Ni-Sn的传输效应，以及层状孔洞在UBM和硅芯片接触界面上的形成。随着温度和质量通量在UBM界面上达到最大，孔洞也沿着界面生长。所得层状孔洞减少了焊点的接触面积，并由于电流密度的增加，进一步导致了局部焦耳热。上述焦耳热增加和Ni UBM消耗的连续过程，最终会提高电阻增加的速率。红外仪分析表明，焊点上的峰值温度在很大程度上依赖于凸点的接触面积和预应力状态样品的UBM厚度。据推测，是由于UBM

14、焊点界面附近增加的电流密度的增加，以及电流通路的截面积的变化从而导致局部焦耳热。 图11示出饱和模式的降解机理。在较低的UBM峰值温度下，镍原子扩散被抑制。在这种情况下，电子流引起的Sn原子运输是电迁移过程的主要反应。最终，孔洞开始在Ni-Sn IMC和SnAgCu焊点之间的界面生长，该界面Sn的传输速率处于最大值。在这个过程中UBM Ni层依旧未消耗，Ni扩散被孔洞生长区域阻止。在这种情况下，剩余的Ni UBM和Ni-Si IMC保持焊点和硅芯片之间的电接触。其结果是，相比发散模式的电阻增加，应激后样品的电阻增加是被限制的。 根据我们的研究。孔洞生长的两种机制取决于产生于局部焦耳热最高温度的

15、值。UBM凸点接触处最高温度极大地被UBM焊球界面的层结构和接触直径影响。我们发现Ni UBM的厚度和UBM的接触直径是在凸点UBM中电迁移寿命关键参数。5.结论 在这次的研究中，我们探讨的是由无铅SnAgCu系微凸点和Ni UBM组成的倒装芯片焊点的电迁移（EM）行为。通过施加电应力到焊点，在焊点的阴极侧形成孔洞。形成孔洞导致凸点互连的电阻增加。我们直接观察的是，局部温度会增加以及影响和Ni Sn原子扩散，并且探究了必要的反应机制。SnAgCu焊点的电迁移失效过程显示了随着时间的推移，由于UBM层厚度和凸点接触面积性能转变的程度，从而发生急剧变化。 在凸点互连失效过程中，局部焦耳热和UBM金

16、属扩散扮演重要的角色。对SnAgCu焊点电迁移现象上的失效机理细节和对UBM焊球接口结构的依赖的了解，具有高应力可靠性等级的FCBGA产物的生产与设计就可以实现。鸣谢作者感谢M.Wang和美国NECEL有帮助性 的讨论。文献1Jae-Young Choi, Sang-Su Lee, Jong-Min Paik, Young-Chang Joo ; Electronic Materials and Packaging, 2001. EMAP 2001. Advances in 19-22 Nov. 2001 Page(s):417 - 420 2 T. Y. Lee, K. N. Tu, and D. R. Frear : J. Appl. Phys. 90, 4