电迁移失效的微观机理及寿命预测方法研究

发布时间：2020-10-08 16:57

　　随着电子产品微型化和高集成度的发展,金属微互连结构所承受的的电流密度急剧增加,较高的电流密度极易使微互连材料发生电迁移现象。本文针对金属微互连结构的电迁移失效问题,设计了考虑不同温度及电流密度的电迁移加速试验,研究了产生不同的电迁移失效模式的微观机理。同时在原子尺度下,利用分子动力学模拟方法,从原子扩散以及机械强度的角度对不同晶体以及晶体之间组成的界面结构可靠性进行了分析,在微观层面上研究了多种因素对电迁移寿命的影响。在宏观上基于原子密度积分法理论体系,考虑材料的退化行为,利用自适应时间步的算法实现对算法的迭代求解,提高了算法的计算效率以及计算精度,并通过SWEAT结构对算法进行了验证。考虑到试验及分子动力学模拟结果,晶体取向会对材料的迁移扩散行为有较大影响,因此本文利用有限元仿真,构造了含不同取向晶粒的有限元模型,并分析了焊点的晶体取向对电迁移寿命的影响。本文首先基于电迁移试验平台,通过实施多组电迁移试验,分别对不同电流密度和温度条件下焊点的失效模式进行分析。通过对比不同工况下焊点内部IMC(金属间化合物)的分布、焊盘的消耗情况以及孔洞与裂纹的位置,结合长时间的恒温老化试验,研究电迁移的两种失效模式(原子的剧烈扩散、裂纹的穿透)的失效机理。同时,考虑到Ni/Au阻隔层对原子在焊盘与焊料之间相互扩散的抑制作用,本文通过对比两种试样(含或不含Ni/Au阻隔层)在电迁移作用下的微观组织演变过程,分析了焊盘对IMC的形成以及Ni/Au阻隔层影响下的电迁移失效规律。另外,本文通过EBSD(电子背散射衍射)技术对试样所用焊点的晶体结构进行分析,发现每个焊点仅含有限个晶粒,因而针对晶粒尺度下的材料性能需要得到更多的关注。其次,针对电迁移及老化试验中焊盘的消耗及IMC的生长规律,本文通过分子动力学模拟,在晶粒尺度下对不同的IMC及晶体界面结构进行了深入研究。分别从原子的扩散行为、晶体的力学性质以及界面结构强度的角度,考虑应力、晶体取向等因素,对电迁移及老化过程中出现的Ag_3Sn、Cu_3Sn以及不同晶体所组成的界面结构可靠性进行分析。结果表明压应力会促进原子的扩散,而拉应力则有相反的效果;焊盘的晶体取向也会对原子的扩散以及界面强度有直接的影响,这种影响取决于焊盘与Cu_3Sn界面原子间的匹配程度。在宏观方面,本文在电迁移原子密度积分法理论体系的基础上,考虑材料性能在电迁移过程中的退化,结合自适应时间步的算法功能,用于模拟过程中的迭代计算以及提高算法的计算效率和计算精度,并将该算法应用于SWEAT结构进行了验证。同时,本文针对共格孪晶以及非共格孪晶两种晶体结构,考虑不同的晶体取向,对试验所用BGA结构进行了模拟,并分析了晶体取向对电迁移寿命的影响。
【学位单位】：浙江工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG457
【部分图文】：

SEM图,无铅焊料,粗化,焊点

(a) 未经电迁移处理 (b) 经电迁移处理后图 1-2 无铅焊料的拉伸测试 SEM 图片[44]观组织粗化迁移的持续作用下，焊点内部会发生明显的晶粒粗化现象，其会引起化进而影响到材料的可靠性。针对这类问题，Ye 等研究了倒装焊点用下晶粒的粗化及长大现象，其发现晶粒的粗化现象随着电流密度的7]；Matin 等则研究了 Sn-Pb 钎料中影响组织粗化的因素，其认为钎变化呈线性生长规律，而富 Pb 相的粗化过程则更接近于渐进线[48]。面附近小丘和空洞的形成密度电流作用下，不仅在焊点内部会出现材料粗化以及物相分离等现焊盘界面附近容易出现小丘和空洞等缺陷。这是由于焊点在电流入口而会发生电流拥挤现象，导致焊点在该区域因为焦耳热效应而处于也会使整个焊点的温度有所增加，在电迁移的作用下，阴极附近的金阳极迁移，原子迁出后在原来位置留下空位，空位聚集、形核、长大

测试结构,焊料,电迁移

第 1 章绪论题，此时往往需要设计一些特殊的测试结构和装置。这些测试结构的设计都具有针对性，比如针对互连材料的力学性能测试，或者针对热迁移电迁移进行独立的测如，Zeyu Sun 等[73]利用 wearout-acceleration 技术对 VLSI 芯片进行了电迁移试验洞的饱和体积进行评估。Hsu W N 等[74]利用 Cu/Sn3.5Ag/Cu 结构，来测试在给定度作用下 Sn 在 Cu 中的扩散现象，如图 1-4（a），Kim K S 等[75]采用 Cu/Solder/C测试焊接结构的机械性能，如图 1-4（b）。除此之外，任韬等[76]提出一种 S 型的构，用以研究电流拥挤现象对电迁移导致的质量输运特性的影响；陈军等[77]采用射法，通过将合金材料靶材沉积在硅基片上，并进行互连电路的制作，利用电迁试验针对 Al-Cu 互连线，研究了温度和电流密度对电迁移现象的影响；杜鸣等[78]具有冗余设计结构的铜互连引线的电迁移可靠性进行了研究；吴振宇等提出了一扩散-蠕变机制的空洞生长模型，通过结合计算机模拟以及聚焦离子束分析技术了 Cu 互连中由应力所诱生空洞的失效现象，并分析了空洞生长的速率与温度、度和扩散路径之间的关系，以及通孔的尺寸大小对铜互连应力迁移现象的影响[79-

生长情况,焊点,同步辐射,无铅焊料

浙江工业大学博士学位论文的 IMC 极性生长现象进行了分析，并从金属原子迁移的角度提出了微互连焊点化的机理。随着背散射衍射技术以及同步辐射技术的发展与推广，从晶体学角度研究焊点材迁移影响下的变化过程越来越得到广大学者的重视。许家誉等[92]通过对 BGA 封进行热循环试验，研究了不同晶粒取向的焊点失效行为。结果表明，不同的晶粒焊点的可靠性和失效模式有很大影响，晶粒的各向异性特点会促使裂纹沿着晶界生及扩展，并引起焊点的失效；J. Bertheau 等[93]利用同步辐射技术，对倒装封装的无铅焊料在回流过程中的 IMC 生长过程进行了观察，其根据观察得到的 IMC变化，研究了焊点的回流温度与焊盘尺寸之间的关系；H.X. XIE 等[94]通过对经历间电迁移之后的焊点进行观察以及空洞重构，发现无铅焊料比有钱焊料具有更高迁移特性。Mertens J C E 等[95]则主要通过同步辐射技术计算了电迁移过程中的 I速度，如图 1-5 所示。

【参考文献】