隨著電子產(chǎn)品微型化和高集成度的發(fā)展,金屬微互連結(jié)構(gòu)所承受的的電流密度急劇增加,較高的電流密度極易使微互連材料發(fā)生電遷移現(xiàn)象。本文針對金屬微互連結(jié)構(gòu)的電遷移失效問題,設(shè)計了考慮不同溫度及電流密度的電遷移加速試驗,研究了產(chǎn)生不同的電遷移失效模式的微觀機理。同時在原子尺度下,利用分子動力學(xué)模擬方法,從原子擴散以及機械強度的角度對不同晶體以及晶體之間組成的界面結(jié)構(gòu)可靠性進行了分析,在微觀層面上研究了多種因素對電遷移壽命的影響。在宏觀上基于原子密度積分法理論體系,考慮材料的退化行為,利用自適應(yīng)時間步的算法實現(xiàn)對算法的迭代求解,提高了算法的計算效率以及計算精度,并通過SWEAT結(jié)構(gòu)對算法進行了驗證�？紤]到試驗及分子動力學(xué)模擬結(jié)果,晶體取向會對材料的遷移擴散行為有較大影響,因此本文利用有限元仿真,構(gòu)造了含不同取向晶粒的有限元模型,并分析了焊點的晶體取向?qū)﹄娺w移壽命的影響。本文首先基于電遷移試驗平臺,通過實施多組電遷移試驗,分別對不同電流密度和溫度條件下焊點的失效模式進行分析。通過對比不同工況下焊點內(nèi)部IMC(金屬間化合物)的分布、焊盤的消耗情況以及孔洞與裂紋的位置,結(jié)合長時間的恒溫老化試驗,研究電遷移的兩種失效模式(原子的劇烈擴散、裂紋的穿透)的失效機理。同時,考慮到Ni/Au阻隔層對原子在焊盤與焊料之間相互擴散的抑制作用,本文通過對比兩種試樣(含或不含Ni/Au阻隔層)在電遷移作用下的微觀組織演變過程,分析了焊盤對IMC的形成以及Ni/Au阻隔層影響下的電遷移失效規(guī)律。另外,本文通過EBSD(電子背散射衍射)技術(shù)對試樣所用焊點的晶體結(jié)構(gòu)進行分析,發(fā)現(xiàn)每個焊點僅含有限個晶粒,因而針對晶粒尺度下的材料性能需要得到更多的關(guān)注。其次,針對電遷移及老化試驗中焊盤的消耗及IMC的生長規(guī)律,本文通過分子動力學(xué)模擬,在晶粒尺度下對不同的IMC及晶體界面結(jié)構(gòu)進行了深入研究。分別從原子的擴散行為、晶體的力學(xué)性質(zhì)以及界面結(jié)構(gòu)強度的角度,考慮應(yīng)力、晶體取向等因素,對電遷移及老化過程中出現(xiàn)的Ag_3Sn、Cu_3Sn以及不同晶體所組成的界面結(jié)構(gòu)可靠性進行分析。結(jié)果表明壓應(yīng)力會促進原子的擴散,而拉應(yīng)力則有相反的效果;焊盤的晶體取向也會對原子的擴散以及界面強度有直接的影響,這種影響取決于焊盤與Cu_3Sn界面原子間的匹配程度。在宏觀方面,本文在電遷移原子密度積分法理論體系的基礎(chǔ)上,考慮材料性能在電遷移過程中的退化,結(jié)合自適應(yīng)時間步的算法功能,用于模擬過程中的迭代計算以及提高算法的計算效率和計算精度,并將該算法應(yīng)用于SWEAT結(jié)構(gòu)進行了驗證。同時,本文針對共格孿晶以及非共格孿晶兩種晶體結(jié)構(gòu),考慮不同的晶體取向,對試驗所用BGA結(jié)構(gòu)進行了模擬,并分析了晶體取向?qū)﹄娺w移壽命的影響。
【學(xué)位單位】：浙江工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TG457
【部分圖文】：

(a) 未經(jīng)電遷移處理 (b) 經(jīng)電遷移處理后圖 1-2 無鉛焊料的拉伸測試 SEM 圖片[44]觀組織粗化遷移的持續(xù)作用下，焊點內(nèi)部會發(fā)生明顯的晶粒粗化現(xiàn)象，其會引起化進而影響到材料的可靠性。針對這類問題，Ye 等研究了倒裝焊點用下晶粒的粗化及長大現(xiàn)象，其發(fā)現(xiàn)晶粒的粗化現(xiàn)象隨著電流密度的7]；Matin 等則研究了 Sn-Pb 釬料中影響組織粗化的因素，其認為釬變化呈線性生長規(guī)律，而富 Pb 相的粗化過程則更接近于漸進線[48]。面附近小丘和空洞的形成密度電流作用下，不僅在焊點內(nèi)部會出現(xiàn)材料粗化以及物相分離等現(xiàn)焊盤界面附近容易出現(xiàn)小丘和空洞等缺陷。這是由于焊點在電流入口而會發(fā)生電流擁擠現(xiàn)象，導(dǎo)致焊點在該區(qū)域因為焦耳熱效應(yīng)而處于也會使整個焊點的溫度有所增加，在電遷移的作用下，陰極附近的金陽極遷移，原子遷出后在原來位置留下空位，空位聚集、形核、長大

第 1 章 緒論題，此時往往需要設(shè)計一些特殊的測試結(jié)構(gòu)和裝置。這些測試結(jié)構(gòu)的設(shè)計都具有針對性，比如針對互連材料的力學(xué)性能測試，或者針對熱遷移電遷移進行獨立的測如，Zeyu Sun 等[73]利用 wearout-acceleration 技術(shù)對 VLSI 芯片進行了電遷移試驗洞的飽和體積進行評估。Hsu W N 等[74]利用 Cu/Sn3.5Ag/Cu 結(jié)構(gòu)，來測試在給定度作用下 Sn 在 Cu 中的擴散現(xiàn)象，如圖 1-4（a），Kim K S 等[75]采用 Cu/Solder/C測試焊接結(jié)構(gòu)的機械性能，如圖 1-4（b）。除此之外，任韜等[76]提出一種 S 型的構(gòu)，用以研究電流擁擠現(xiàn)象對電遷移導(dǎo)致的質(zhì)量輸運特性的影響；陳軍等[77]采用射法，通過將合金材料靶材沉積在硅基片上，并進行互連電路的制作，利用電遷試驗針對 Al-Cu 互連線，研究了溫度和電流密度對電遷移現(xiàn)象的影響；杜鳴等[78]具有冗余設(shè)計結(jié)構(gòu)的銅互連引線的電遷移可靠性進行了研究；吳振宇等提出了一擴散-蠕變機制的空洞生長模型，通過結(jié)合計算機模擬以及聚焦離子束分析技術(shù)了 Cu 互連中由應(yīng)力所誘生空洞的失效現(xiàn)象，并分析了空洞生長的速率與溫度、度和擴散路徑之間的關(guān)系，以及通孔的尺寸大小對銅互連應(yīng)力遷移現(xiàn)象的影響[79-

浙江工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文的 IMC 極性生長現(xiàn)象進行了分析，并從金屬原子遷移的角度提出了微互連焊點化的機理。隨著背散射衍射技術(shù)以及同步輻射技術(shù)的發(fā)展與推廣，從晶體學(xué)角度研究焊點材遷移影響下的變化過程越來越得到廣大學(xué)者的重視。許家譽等[92]通過對 BGA 封進行熱循環(huán)試驗，研究了不同晶粒取向的焊點失效行為。結(jié)果表明，不同的晶粒焊點的可靠性和失效模式有很大影響，晶粒的各向異性特點會促使裂紋沿著晶界生及擴展，并引起焊點的失效；J. Bertheau 等[93]利用同步輻射技術(shù)，對倒裝封裝的無鉛焊料在回流過程中的 IMC 生長過程進行了觀察，其根據(jù)觀察得到的 IMC變化，研究了焊點的回流溫度與焊盤尺寸之間的關(guān)系；H.X. XIE 等[94]通過對經(jīng)歷間電遷移之后的焊點進行觀察以及空洞重構(gòu)，發(fā)現(xiàn)無鉛焊料比有錢焊料具有更高遷移特性。Mertens J C E 等[95]則主要通過同步輻射技術(shù)計算了電遷移過程中的 I速度，如圖 1-5 所示。

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 尹立孟;姚宗湘;張麗萍;許章亮;;電遷移對低銀無鉛微尺度焊點力學(xué)行為的影響[J];焊接學(xué)報;2015年12期

2 梁利華;張金超;張元祥;;多場載荷作用下FCBGA焊點的電遷移失效研究[J];工程力學(xué);2013年09期

3 許家譽;陳宏濤;李明雨;;基于晶粒取向的無鉛互連焊點可靠性研究[J];金屬學(xué)報;2012年09期

4 張元祥;梁利華;劉勇;;金屬互連焊球的電遷移試驗設(shè)計研究與靈敏度分析[J];固體力學(xué)學(xué)報;2011年02期

5 何洪文;徐廣臣;郭福;;電遷移引發(fā)Cu/SnBi/Cu焊點組織形貌的演變[J];稀有金屬材料與工程;2010年S1期

6 梁利華;張元祥;劉勇;陳雪凡;;金屬互連結(jié)構(gòu)的電遷移失效分析新算法[J];固體力學(xué)學(xué)報;2010年02期

7 尹立孟;張新平;;無鉛微互連焊點力學(xué)行為尺寸效應(yīng)的試驗及數(shù)值模擬[J];機械工程學(xué)報;2010年02期

8 杜鳴;馬佩軍;郝躍;;具有冗余設(shè)計的銅互連線電遷移可靠性評估[J];固體電子學(xué)研究與進展;2009年04期

9 張滿;;微電子封裝技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[J];焊接技術(shù);2009年11期

10 陳軍;毛昌輝;;鋁銅互連線電遷移失效的研究[J];稀有金屬;2009年04期

本文編號：2832504