焦耳热不仅会增加焊料凸点的温度，从而增加电迁移速率，还可能在焊料凸点上产生小的温度差，从而导致热迁移。热迁移将在第12章中讨论。焊料接头中另一个非常独特和重要的电迁移行为是它有两个反应界面。图1.16所示为阴极接触界面处电迁移导致的失效的SEM横截面照片，其中额定电流密度约为2×104 A/cm2，试验温度为100℃。图1.16一组由倒装芯片焊料接头阴极处的电流拥挤造成的14μm厚的金属Cu的UBM层溶解导致的电迁移失效SEM照片......
2025-09-29
倒装芯片焊点电迁移失效的形式
【摘要】：图9.2焊点电流分布焊点电流分布二维仿真示意；焊点电流分布三维示意图9.3所示为倒装芯片焊点中电迁移损伤的一组SEM照片。由于孔洞的形成只能发生在硅晶片与阴极的接触一侧，也就是电子流入焊点的地方，所以说倒装芯片焊接中的电迁移失效模式是很独特的。
图9.1所示为倒装芯片焊点引线至凸点的几何示意。由于芯片端引线的横截面积比焊点的至少小两个数量级，所以在焊点与引线的接触界面上出现了很大的电流密度变化，其原因为通过焊点与引线的是同一电流。我们都知道电流总是倾向于从电阻最低的路径通过，因此电子会在焊点的入口处发生拥堵，从而形成电流集聚效应。以下是两个由电流集聚所引起的显著影响。首先，在互连区域出现了电流密度的急剧变化。该变化发生在电流进入焊点位置之前或者之后。其次，入口处附近的焊点平均电流密度大约比焊点中的平均电流密度大一个数量级。当焊点中的平均电流密度为1×104 A/cm2时，入口处附近的电流密度是1×105 A/cm2。
图9.2（a）所示为一个焊点电流分布的二维仿真示意。图9.2（b）所示为焊点电流分布的三维示意，其中x-y平面表示的是连接处的横截面，z轴表示与此相对应的电流密度。由此可见，引起焊点中电迁移失效的并不是块体材料连接处的平均电流密度，而是这种电流集聚效应或图9.2（a）和图9.2（b）右上角所示的高电流密度。因此，焊点中的电迁移失效发生在芯片端阴极附近，也就是说，发生在互连线和焊点之间的界面。电迁移损伤开始于电流的入口处附近，接下来我们来解释一下这种失效作用是怎样在整个接触面传播扩散的。
图9.2 焊点电流分布
（a）焊点电流分布二维仿真示意；（b）焊点电流分布三维示意
图9.3所示为倒装芯片焊点中电迁移损伤的一组SEM照片。在上部，焊点与硅晶片之间的接触面包含着一层由铜/镍（钒）/铝薄膜组成的UBM层。UBM薄膜的总厚度为1μm左右，铜的厚度大概只有0.4μm，所以在SEM照片当中并没有显现出来。施加的电子流从连接处的右上角进入焊点。将其在125℃下持续通过电流密度为2.25×104 A/cm2的电流达37 h，如图9.3（a）所示，我们发现其中并没有出现失效现象。然而，在过了38 h和40 h之后，在接触面的右上角出现了孔洞，并且这些孔洞分别沿着接触面从右向左进行扩展，分别如图9.3（b）和9.3（c）中所示。在43 h之后，连接处出现了一个横跨整个接触面的大型薄层状孔洞并因此而失效，如图9.3（d）所示。图9.4所示为电势随时间变化的相应曲线。该曲线显示，电势的变化对于孔洞的形成并不敏感，在孔洞扩展到整个接触面的时候，电势发生剧烈突变。图9.4中的箭头给出了图9.3中照片拍摄时所对应的时间。
焊点的电势变化对于孔洞的形成和扩散并不敏感，可通过以下两点实验结果来解释。第一点，图9.5所示为在接触面的最上端有薄层状孔洞的焊点的横截面。孔洞的形成和扩展将电流的入口转移到了孔洞的前面，所以只要电流能够进入焊点，那么由孔洞形成所引起的焊点的电阻值的改变就很小。最终，当且仅当孔洞扩展到了整个连接处或者接触面变为开路的时候，电阻值才发生突变。第二点，如表9.1所示，我们将铝（或铜）互连线处的电学行为与焊点的电学行为进行了比较，一个100μm×100μm×100μm（一个焊点的尺寸大小）的焊料立方片的电阻值大约是1mΩ。锡和铅的电阻率分别是11μΩ·cm和22μΩ·cm。长100μm，横截面为1μm×0.2μm的铝或铜线的电阻约为10Ω。由此可见，焊点为低电阻值导体，但是，互连线处为高阻值导体，也是产生焦耳热的源头。
以上的简单计算显示，互连的电阻值对其尺寸的设计及微观结构的轻微变化或损害尤为敏感。然而，焊点的电阻值对以上因素都不敏感，甚至对在焊点基体中所出现的大型孔洞都不敏感。通常来说，焊料的母材基体中可能会含有少量非常大的球形孔洞，这是由焊膏当中的残余焊剂而引起的，特别是在使用无铅焊料时，这种现象尤为严重。但是这些孔洞对于焊点的电阻率并没有产生太大影响，除非它们到达接触界面处，或是随焊膏的残渣进一步分散。
图9.3 倒装芯片焊点中电迁移损伤的SEM照片
（a）通电37 h；（b）通电38 h；（c）通电40 h；（d）通电43 h
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图9.4 与图9.3对应的电位随时间变化曲线
图9.6所示为一组倒装芯片焊点的菊花链（Daisy Chain）电学测试结构的横截面的SEM照片，其中位于顶部的是硅晶片，位于底部的则是基板。图中箭头所指的方向即为电流的方向。图中小圆圈表示的是电子流进入焊点的硅晶片上的阴极接触面处。硅晶片一侧的UBM层由铜/镍（钒）/铝组成，分别是0.8μm厚的铜，0.32μm厚的镍（钒）及1μm厚的铝。基板一侧上的焊盘是由金/镍（钒）/铜组成的，分别是0.08~0.2μm厚的金，3.8~5μm厚的镍（钒），以及38μm厚的铜。该焊点的组成为共晶成分的锡铅合金，或锡银铜合金（95.5Sn4Ag0.5Cu）。实验过程是在50℃环境下进行的，锡铅合金焊点的外加电流为1.7 A，锡银铜合金焊点的外加电流为1.8 A，其电流密度为（3.5~3.7）×103 A/cm2。
图9.5 在焊点上端界面处薄层状孔洞的形成和扩展的横截面示意
图9.6 一组倒装芯片焊点的菊花链电学测试结构的横截面的SEM照片
芯片表面温度可以利用一个位于测试芯片表面的450Ω蛇形铝金属电阻器的热敏系数来监测。这些电阻器被用来测定封装热阻特性，并实时监测I2 R或焦耳热。检测发现，在焊点中由电迁移所引起的孔洞在扩展的同时，焦耳热量也在增加。这一温度可以通过向50℃的环境温度中累加dT变量求得。
式中，θja被定义为封装的“结至空气”（Junction-to-Air）的热阻值，这一数值可以通过测量dT和计算I2R求得。θja测得的数据为62~72℃/W。当检测到芯片的温度高达175℃时，表示由于焦耳热效应温度上升了大约125℃。作为芯片表面温度的函数，电阻值变化15%所需要的时间对温度有很敏感的依赖性。
图9.7所示为一个扁平型接触孔洞。由于孔洞的形成只能发生在硅晶片与阴极的接触一侧，也就是电子流入焊点的地方，所以说倒装芯片焊接中的电迁移失效模式是很独特的。因此，孔洞或失效都只发生在一对凸点中的其中一个，而不是发生在每一个焊点处。
图9.7 扁平型孔洞形成所在位置的截面的SEM照片
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