銅柱凸點(diǎn)錫膏_銅柱凸點(diǎn)可靠性-深圳福英達(dá)
銅柱凸點(diǎn)錫膏_銅柱凸點(diǎn)可靠性-深圳福英達(dá)
隨著對(duì)更小尺寸和更高I/O密度的需求增加，焊點(diǎn)的間距和尺寸繼續(xù)縮小。倒裝芯片中的銅柱凸點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)更小的間距和更大的抗電遷移性，但也帶來(lái)更高的應(yīng)力。電鍍焊料凸點(diǎn)（區(qū)域陣列）器件的最小間距限制為140μm–180μm。因此，當(dāng)焊點(diǎn)間距小于140μm時(shí)，通常使用銅柱凸點(diǎn)。
焊點(diǎn)可靠性是值得關(guān)注的話題。Li等人通過(guò)熱壓鍵合工藝獲得了Cu/Sn-Ag/Cu和Cu/IMC/Cu凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了熱循環(huán)試驗(yàn)以比較其失效模式。其中銅柱與基板連接一端帶有約20μm厚的SnAg3.5錫膏。
圖1. 熱壓焊接示意圖。
從圖2可以看出，隨著溫度或時(shí)間的增加，基板一側(cè)IMC厚度增長(zhǎng)明顯。熱壓鍵合過(guò)程中發(fā)生的反應(yīng)主要是固液擴(kuò)散，銅柱凸點(diǎn)中的Cu原子溶解到焊料Sn中，當(dāng)界面附近焊料Sn中溶解的Cu原子飽和時(shí)，在界面處形成扇貝形Cu6Sn5和少量Ag3Sn。如果鍵合溫度高于300?°C且保持時(shí)間大于10?s，在Cu6Sn5層下方還會(huì)形成較薄的Cu3Sn。
圖2. 不同焊接條件下IMC生長(zhǎng)情況。
銅柱-Sn-3.5Ag-焊盤凸點(diǎn)失效形式
最開(kāi)始可以觀察到裂紋發(fā)生在銅柱焊點(diǎn)的角部處，然后焊點(diǎn)內(nèi)部慢慢開(kāi)始出現(xiàn)空洞的生長(zhǎng)。空洞在應(yīng)力的作用下積聚增大并導(dǎo)致焊點(diǎn)斷裂。 裂紋的位置主要出現(xiàn)在銅柱一側(cè)的IMC和焊料的界面處，或者界面附近的焊料內(nèi)部。
圖3. 焊點(diǎn)斷裂演變。
Sn-Ag焊點(diǎn)在循環(huán)應(yīng)力下發(fā)生蠕變和應(yīng)力松弛。位錯(cuò)環(huán)在焊料中的Cu6Sn5和Ag3Sn等顆粒附近形成，然后逐漸成核并繼續(xù)生長(zhǎng)成橢圓形空洞。在銅柱邊緣的錫膏焊料中，疲勞裂紋主要是由集中應(yīng)力所導(dǎo)致。裂紋隨后向內(nèi)生長(zhǎng)并與空洞結(jié)合，最終沿著銅柱的界面貫穿整個(gè)焊點(diǎn)。
銅柱-IMC-焊盤
在熱老化后焊料會(huì)逐漸轉(zhuǎn)化成IMC。裂紋主要發(fā)生在基板側(cè)Cu6Sn5和Cu3Sn的界面處。 主要失效模式的特點(diǎn)是在基板側(cè)Cu6Sn5和Cu3Sn的界面處出現(xiàn)界面分層，然后兩側(cè)的Cu6Sn5晶粒斷裂，最后兩側(cè)的Sn焊料貫穿整個(gè)焊點(diǎn)。焊點(diǎn)的失效模式屬于脆性斷裂。
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參考文獻(xiàn)
Li, J.H., Zhang, Y.X., Zhang, H.L., Chen, Z., Zhou, C., Liu, X.H. & Zhu, W.H. (2020). The thermal cycling reliability of copper pillar solder bump in flip chip via thermal compression bonding. Microelectronics Reliability, vol.104.
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