热-电应力下Cu/Ni/SnAg1.8/Cu倒装铜柱凸点界面行为及失效机理

• 作者: 付志伟 周斌 姚若河 恩云飞 陈思 黄云
• 来源期刊: 物理学报
• 关键词: 铜柱凸点 界面行为 失效机理 热电应力
• 年，卷（期）: 2018,（2）
• 所属期刊栏目: 物理学交叉学科及有关科学技术领域
• 页码范围: 277-286
• 页数: 10页
• 语种: 中文
• DOI: 10.7498/aps.67.20171950

摘要

微互连铜柱凸点因其密度高、导电性好、噪声小被广泛应用于存储芯片、高性能计算芯片等封装领域,研究铜柱凸点界面行为对明确其失效机理和组织演变规律、提升倒装封装可靠性具有重要意义.采用热电应力实验、在线电学监测、红外热像测试和微观组织分析等方法,研究Cu/Ni/SnAg1.8/Cu微互连倒装铜凸点在温度100—150 ?C、电流密度2×104—3×104A/cm2热电应力下的互连界面行为、寿命分布、失效机理及其影响因素.铜柱凸点在热电应力下的界面行为可分为Cu6Sn5生长和Sn焊料消耗、Cu6Sn5转化成Cu3Sn、空洞形成及裂纹扩展3个阶段,Cu6Sn5转化为Cu3Sn的速率与电流密度正相关.热电应力下,铜凸点互连存在Cu焊盘消耗、焊料完全合金化成Cu3Sn、阴极镍镀层侵蚀和层状空洞4种失效模式.基板侧Cu焊盘和铜柱侧Ni镀层的溶解消耗具有极性效应,当Cu焊盘位于阴极时,电迁移方向与热迁移方向相同,加速Cu焊盘的溶解以及Cu3Sn生长,当Ni层为阴极时,电迁移促进Ni层的消耗,在150 ?C,2.5×104A/cm2下经历2.5 h后, Ni阻挡层出现溃口,导致Ni层一侧的铜柱基材迅速转化成(Cux, Niy)6Sn5和Cu3Sn合金.铜柱凸点互连寿命较好地服从2参数威布尔分布,形状参数为7.78,为典型的累积耗损失效特征.研究结果表明: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界面金属间化合物的生长行为和失效机制.