無鉛錫膏電遷移現象介紹
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無鉛錫膏電遷移現象介紹
隨著半導體封裝技術日新月異，元件的集成化水平越來越高。在消費者對電子產品使用要求越來越高的背景下，更加高度集成化的產品無疑受到追捧。高度集成化對封裝結構產生了很多影響，例如更多的內部和外部互連數量，這對用于封裝的錫膏可靠性帶來了挑戰。無鉛錫膏是主流封裝材料廠家的主要焊料產品。但是由于電子產品集成化和小型化水平高，電遷移現象成為了影響錫膏焊接質量的一大元兇。
無鉛錫膏焊接出現電遷移形成的一大重要原因是高電流密度。元件微型化和互連數增加帶來更大的電流密度，電遷移的影響也愈發明顯。電遷移是在高電流密度下由于電子和金屬原子之間的動量轉移而引起的材料遷移。由于未補償的金屬運動，陰極側（電子流的入口）會出現空洞，而在陽極側（電子流的出口）將發生金屬堆積， 最終導致開路并造成錫膏焊點失效。
對于倒裝芯片而言，電遷移會加快金屬擴散并影響IMC生長。隨著凸點下金屬層 (UBM) 的消耗和RDL寬度的減小，焊點會出現空洞。高溫同樣會帶來IMC的加速生長，脆性的IMC使得錫膏焊點出現裂紋和空洞。電流產生焦耳熱也會使得元件溫度升高并反過來加快電遷移。空洞的出現增加了焊點的電阻，最后導致開路。平均失效時間可以通過下列公式確定。其中t是失效時間，J是電流密度，T是溫度，k是玻爾茲曼常數， A是預因子、n是電流密度指數，Ea是活化能。
圖1. 電遷移造成的失效機制。
銅柱結構能夠改善電遷移性能。主要包含三個優點，例如減少電流擁擠以盡量減少局部電流密度, 減少焦耳熱，以及提供距離屏障使錫膏不能直接與銅 RDL 發生反應 (Darveaux et al., 2015)，此外，在無鉛錫膏中摻雜一些特定種類的納米增強粒子對提升抗電遷移能力起到積極作用。
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參考文獻
Darveaux, R., Hoang, J.V., Vijayakumar, B., & Skyworks. 2015, “ELECTROMIGRATION PERFORMANCE OF WLCSP SOLDER JOINTS”.
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