热电应力下微凸点互连失效机理及可靠性研究

发布时间：2020-08-02 06:43

【摘要】：电子产品集成化、小型化的市场需求,使得倒装微互连凸点等高密度封装技术得以快速发展。倒装凸点因其细节距、微尺寸和超高I/O密度,而广泛应用于汽车电子、航空航天等高可靠电子产品。但随着凸点尺寸的不断缩小和功耗的增加,使得承载的电流密度上升和IMC层体积分数增加,引发新的热、电、机械等可靠性问题。因此,开展凸点互连结构在热电应力下的可靠性研究,是电子产品高可靠性迫切需要解决的问题。论文以一级封装中的铜柱凸点互连和二级封装中的混合焊料凸点互连为对象,开展微观组织、电学性能、失效机理分析以及物理模型构建和可靠性评价技术研究,针对典型产品,开展基于Pb含量和凸点结构的混合焊料凸点优化设计,实现基于失效物理的可靠性评价,为国产高可靠应用的微互连电子产品可靠性设计和评价提供依据。论文开展的主要工作和取得的主要创新成果如下:1.以Cu/solder/Cu互连结构为对象,基于Cu原子扩散通量守恒原理,考虑电子风力、Cu原子扩散、溶解等三种物理机制对Cu原子迁移和IMC层生长的影响,推导构建了热电应力下金属间化合物生长的动力学模型。模型显示,在热电综合应力条件下,互连界面IMC层的生长呈现出显著极性差异。2.基于热电可靠性试验、红外热像和微观组织分析方法,研究了Cu/Ni/SnAg1.8/Cu倒装铜凸点在125℃、3×10~4A/cm~2等9组热电应力下的界面行为、寿命分布、失效机理及其影响因素,发现热电应力下,铜柱凸点互连主要存在Cu焊盘溶解、层状空洞、阴极镍镀层侵蚀和Cu_3Sn合金化4种失效模式。铜柱凸点开裂失效可分为Cu_6Sn_5生长和Sn焊料消耗、Cu_3Sn转化生长、空洞形成及裂纹扩展3个阶段。基于Black方程和红外热像分析,量化了焦耳热效应的影响,构建了考虑焦耳热效应的铜柱凸点互连热电可靠性模型。结果表明:热电应力下,原子的扩散受电子风力主导,单一高温应力下,原子扩散受温度梯度主导,相比单一高温应力,热电综合应力显著加速并改变了铜柱互连IMC层的生长行为和失效机制。3.突破不同铅含量的混合焊料凸点制备技术和焊料凸点凝固行为、力学性能、微观组织分析评价技术,明确了混合焊料凸点在热电应力下的主要失效模式,提出了具有较佳综合性能的混合焊料铅含量比例。分析了混合焊料凸点开裂失效的微观机理,包括金属间化合物极性生长、Sn/Pb偏析、空洞扩展等。考虑电流聚集和焦耳热的影响,对black电迁移可靠性模型进行修正,获得混合焊料凸点的热电可靠性模型。针对混合焊料凸点的热疲劳失效机理,基于Engelmaier方程,构建了混合焊料凸点的热疲劳寿命预测模型,为混合焊料凸点的高可靠性设计和评价提供科学理论依据,解决高可靠应用中混合焊料凸点工艺可靠性设计无基础数据支撑的问题。4.提出将失效物理模型和可靠性数学方法融合的微互连电子组件可靠性综合评价方法,实现了基于失效物理的可靠性评价工具软件的国产化,解决了微互连电子组件可靠性综合评价难题,将基于失效物理的可靠性评价方法从基础研究推向了工程应用层面。5.论文提出的技术方法和取得研究成果,已在国家重大工程中得到了应用。针对某型号微互连电子组件,给出了4.67%wt的极佳Pb含量材料优化结果和焊点结构尺寸优化结果,使关键焊点的最大等效应力下降18.85%,利用可靠性评价工具软件,开展了任务剖面下的可靠性预测,预测获得的平均失效时间为18890小时,满足平均失效时间大于10000小时的产品可靠性指标要求,实现了基于工程应用的可靠性综合评价。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN405
【图文】：

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第一章绪论开始受到国内封装技术领域的高度关注，将是继引线键合和焊料凸点 IC 封装的主流技术[34]。柱形铜凸点通常由基体的铜柱和焊料帽构成0μm 之间，并正在向直径 20~30μm 快速发展)，通过焊料帽与基板互作为倒装芯片封装中新一代的互连方式，改变了传统的焊料倒装凸点的封装尺寸，具有细节距、微尺寸、超高 I/O 密度等优点。如图 1-1料凸点和铜柱凸点的结构示意图。

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图 1-2 微互连铜柱凸点照片1.2.2 混合焊料凸点互连结构图 1-3 所示为无铅焊料凸点-有铅焊料混合装联结构示意图，焊料凸点的互连结焊接时具有自对准特性，使得封装成品率较高，已在高密度封装中逐步取代引线键传统封装技术广泛应用于高性能电子封装中[41]。但是，该种混合装联结构主要存在料之间、工艺之间、设计之间不相容等问题，从而影响了电子产品的可靠性。例如混合组装过程中，由于存在熔融温度差，极易导致铅扩散不均匀，而在焊点内部产偏析现象，使焊点在温变环境下的蠕变行为加剧，易导致焊点沿富铅区界面发生开效[44]。此外，SnAgCu 无铅焊点中 Pb 的加入极易形成 Sn－Pb－Ag 低熔共晶相（77℃）,三元低熔点合金的形成易导致焊点在凝固过程中在焊接端面产生界面剥离或等缺陷，这些问题的存在对高可靠、长寿命、全天候工作的要求带来了极大的挑战

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点互连结构铅焊料凸点-有铅焊料混合装联结构示意图，特性，使得封装成品率较高，已在高密度封装应用于高性能电子封装中[41]。但是，该种混合、设计之间不相容等问题，从而影响了电子产于存在熔融温度差，极易导致铅扩散不均匀温变环境下的蠕变行为加剧，易导致焊点沿gCu 无铅焊点中 Pb 的加入极易形成 Sn－Pb－金的形成易导致焊点在凝固过程中在焊接端的存在对高可靠、长寿命、全天候工作的要求点，其铅含量控制在什么比例，具有较优的领域的重点研究方向之一[45]。

【参考文献】