柱形铜凸点在电热耦合场中的原子迁移
行为
李艳，邬博义，刘宇，张遒姝，黄洪钟
(电子科技大学机械电子工程学院，成都 611731)
摘要：从电场理论和热动力学理论出发，研究了电热耦合场中柱形铜凸点的原子迁移失效的
形成过程，并运用ANSYS 软件建立了有限元分析模型，对电迁移和热迁移做了定性和定量
分析，揭示了柱形铜凸点在电热耦合作用下的失效机理。该研究对IC 封装的原子迁移可靠
性的改善提供了理论指导。
关键词：IC 封装；柱形铜凸点；原子迁移；有限元方法
 0 引 言
随着IC封装向超高密度（互连的尺寸微型化和信号引脚数量巨大化）和高功率方向发展，
单个封装结构所承载的电、热和机械载荷日益加剧。在这种情况下，一个微封装结构将会非
常“脆弱”，不堪重负，原子迁移相关的性能很快衰退，甚至失效。柱形铜凸点是一种新型的、
超高密度的倒装芯片互连形式，自2006年以来受到芯片封装界的普遍关注，正在逐渐取代引
线健合而成为下一代IC封装的主流技术。柱形铜凸点由铜柱和焊料帽构成（直径为50~100
μm），通过焊料帽与基板互连。相对于球形焊料凸点而言，柱形铜凸点中使用了大量的铜，
具备优异的导热性能和导电性能，同时避免了球形锡铅凸点的一些固有缺点，例如α粒子辐
射导致嵌入式存储器的“软”缺陷。更重要的是，如果凸点直径降到50 μm并且凸点间隙为50
μm，对于面积为1 cm2的芯片，理论上可以实现1万个柱形铜凸点，这为进一步实现IC封装
的微型化和多功能化提供了空间。但另一方面，柱形铜凸点作为IC封装进一步微型化的代表，
其面临的原子迁移失效问题更加突出，成为亟待解决的可靠性物理难题。
电迁移是指在高密度电流的作用下，电子与金属原子发生无数的剧烈碰撞并产生动量交
换，进而推动原子发生定向移动，从而导致互连微观结构的破坏和电连接的失效，是目前大
多数电子产品封装失效的关键失效模式[1]。热迁移是指金属原子在较大热梯度的作用下发生
基金项目：国家自然科学基金（60806029）
作者简介：李艳，（1982- ），女，硕士研究生，主要研究方向：可靠性设计
通信联系人：黄洪钟，教授，主要研究方向：可靠性设计，寿命预测，优化设计，hzhuang@uestc.edu.cn
 的定向移动，最终使互连材料金属相分离，破坏其微观结构。由于IC封装中各种材料的热性
能差异很大，在电流导通发热或外部加温时，IC中的温度分布不均匀，形成了热梯度，从而
成为电子产品封装失效的一种重要失效模式。产品在通电的条件下，由于焦耳热效应，必然
会使元器件局部升温显著，甚至导致焊点融化。对于直径较小的柱形铜凸点（直径小于50
μm），由于局部区域最大电流过高和局部温度过热，焊料帽中的电迁移和热迁移将更加活
跃，将显著降低柱形铜凸点的寿命，造成潜在的失效隐患，并且随着封装尺寸不断减少，焊
点中的原子迁移失效问题越来越突出，成为困扰IC封装业的难题之一[2]。
针对柱形铜凸点在电热场下耦合的原子迁移失效现象，系统地研究了柱形铜凸点在多场
（电场、热场）耦合作用下的原子迁移（电迁移、热迁移）失效模式和机理，分析了影响原
子迁移的主要原因，并运用ANSYS软件从宏观结构上对柱形铜凸点连接进行仿真分析，提
取相关数据（电流密度、温度梯度），对电迁移和热迁移做定性和定量分析，为后期进一步
开展试验验证提供重要的理论参考。
1 柱形铜凸点的电热场理论分析
1.1 电迁移和热迁移
在电流的加载下由于焦耳热效应，柱形铜凸点连接处的金属原子同时承受电场和热场的
影响。在一定条件下，电迁移和热迁移会同时存在并发生耦合，共同影响原子迁移失效。
在电场中，柱形铜凸点的电子定向漂移和金属原子碰撞促使原子向附近的空位移动。柱
形铜凸点中的Pb、Sn、Cu等原子都向阳极迁移，且方向随电子流方向变化。在电流持续加
载下，原子就会在阳极堆积致使连接而短路失效，或阴极由于原子的流失而断路失效。柱形
铜凸点发生迁移的材料仍然是焊料，并且由于柱形铜凸点独特的线-凸点连接结构，电流阻
塞和局部焦耳热加剧了原子迁移失效。
因为电流加载必然引起焦耳热产生，如果热梯度够大，电迁移必伴随热迁移。在热场中，
柱形铜凸点中的Pb、Sn、Cu等原子都是由热端向冷端迁移。热迁移可能促进电迁移，也可
能减弱电迁移。金属原子的迁移方向不会随电流变化。原子迁移路径也不是垂直的，原子向
热梯度最大的方向迁移。当热迁移中原子迁移方向和电迁移中原子迁移方向相同时，热迁移
就会加剧电迁移；相反则可以减弱电迁移，提高产品可靠性。Chen等[3]发现电子流会加速或
减少IMC的产生。当原子迁移方向在电迁移中和热迁移方向一致时，电子流会加速IMC的产
生；相反则减弱。
1.2 柱形铜凸点的电流阻塞现象
电流阻塞现象是由其独特的线-凸点连接结构引起的。电流通过焊点时，由于导线和焊
点的横截面积相差很大，电流不会均匀分布在焊点内部。焊料凸点的电阻率决定了电子流入
口处电流阻塞的程度[4]。焊料电阻率越大，电子流入口处电流塞积程度越大，即局部电流密
度越大。柱形铜凸点发生电流阻塞现象的地方仍然是在线-凸点连接处，即铜柱和导线连接
处。各种典型焊料和铜的电阻率如表1所示。铜的电阻率远小于焊料，从而改善了倒装芯片
封装的电流阻塞现象。在原子电迁移的整个过程中，焊料的熔点也是主要因素之一。铜的熔
点为1084.4 ℃，焊料熔点一般在200 ℃左右。铜的熔点远比焊料的熔点高，使得铜的扩散率
相对较小，这样它的抗电迁移能力比焊料强很多。柱形铜凸点使电流阻塞现象发生在铜柱上，
焊料上的电流大部分是均匀分布的，使易迁移的材料远离了电流阻塞区域，提高了互连结构
的可靠性。
 Nah等[2]对柱形铜凸点做了试验，也验证了柱形铜凸点相对优异的电性能。他们发现，
柱形铜凸点在铜和焊料交界面加载电流密度104 A/cm2，环境温度为100 ℃的条件下720 h后，
连接仍没有失效，而传统球形焊点在加载电流密度104 A/cm2下很快会失效。
表1 各种典型焊料和铜的电阻率
Table 1 Resistivity of Cu and various solders
材料 电阻率/（mΩ·cm）
Cu 1.7
Sn63Pb37 15.0
Sn3.5Ag 10.8
Sn0.7Cu 10.0~15.0
SnAgCu 13.0
1.3 柱形铜凸点的局部焦耳热现象
局部焦耳热现象也是由其独特的线-凸点连接结构引起的。由于电流在柱形铜凸点中分
布不均，焦耳热（Q）为
Q=I2Rt∝ j2ρ 。 (1)
在线-凸点连接处的电流阻塞现象处必然出现一个热点，产生了局部焦耳热现象。
局部焦耳热现象不但可使焊点融化而断路失效，而且会加剧电迁移。温度对原子的电迁
移影响比较大，很大程度是由于温度对材料扩散率的影响。温度升高会使原子获得更多能量，
使其更活跃，更容易扩散。Lin等[5]做实验得出结论：同样的焊点在同样的电流条件下将温
度从100 ℃下降到70 ℃，连接失效时间就从95 min增加到31 d。
1.4 电流加载下柯肯达尔孔洞失效形式
在局部区域最大电流密度过高和局部温度过热的情况下，直径为50 μm的柱形铜凸点的
焊料帽中的电迁移也将会更加活跃。由于焊料帽比较薄（20～40 μm），即使较小的微观结
构变化也可能会导致严重的退化或失效。在电流加载下，柱形铜凸点中也发现了孔洞，但是
这种孔洞与传统球形焊点电迁移下的孔洞不同，把这种孔洞称为柯肯达尔孔洞[6]。
柯肯达尔孔洞在柱形铜凸点的连接中也是一个值得关注的失效形式。对于柯肯达尔孔洞
的形成、聚集长大及其影响、控制因素，目前尚未形成统一的观点，并且对该问题的研究尚
处于初级阶段，仍需予以极大的关注。本人比较认同这个观点：原子间扩散速率的不同导致
了柯肯达尔空洞的形成[2, 6, 7]。由于形成缘由不同，柯肯达尔孔洞与电迁移产生的微空洞也
就有明显区别，如图1所示。Cu/Cu3Sn界面上比较有规则的孔洞是柯肯达尔孔洞，而电迁移
空洞在金属化合物Cu6Sn5/焊料界面处，而且柯肯达尔空洞在Cu/Cu3Sn界面都有，但电迁移
空洞在Cu6Sn5/焊料界面并不是都发生，它只发生在焊料内电流塞积最严重的区域。
柯肯达尔孔洞是发生在Cu/Cu3Sn整个界面的，分布比较均匀。总的来说，Cu3Sn的形成
原因是Cu原子富裕和缺乏Sn。Cu3Sn一部分来源于Cu6Sn5与Sn的反应，一部分由Cu和Sn反
应生成的。柯肯达尔孔洞在开始时虽然不会造成失效，但是会降低连接处的机械性能。这也
是在电流加载下的柱形铜凸点值得关注的失效形式。
 图1 柯肯达尔孔洞与电迁移产生的微空洞的示意图
Fig. 1 An illustration of microvoids generated by Kirkendall voids and electric migration
1.5 柱形铜凸点的电迁移和热迁移耦合作用
在电流加载的条件下，柱形铜凸点可能会同时发生电迁移和热迁移。对于直径大于150
μm的球形焊料凸点，热迁移对微观结构完整性的影响较慢，也较小。但是，对于直径为50 μm
的柱形铜凸点，其焊料帽中的热梯度很大，热迁移必然成为一种失效隐患。这是因为，焊料
帽一端连接着焦耳发热显著的导线和导热性差的基板，另一端则连着导热性很好的铜柱和硅
芯片体。于是，热迁移导致的柱形铜凸点的性能退化将不容忽视，甚至会对其寿命产生重大
的负面影响。本文将对其进行初步的模拟研究。
相邻2个加载电流的柱形铜凸点在电迁移和热迁移耦合下原子迁移程度不同。这是因为
相邻2个加载电流的柱形铜凸点的电子流方向相反，而热迁移方向是热端指向向冷端的。当2
个方向一致时，原子迁移加剧，不一致时则相反。图2所示为原子迁移机制。通电的两焊点
原子迁移程度不同。左边的焊点热迁移促进电迁移，右边的焊点热迁移减弱电迁移；左边焊
点原子迁移程度大于右边的。电迁移和热迁移的耦合作用也影响了柱形铜凸点IMC的形成，
改变了金属下化合物形成的极化性。柱形铜凸点的电迁移和热迁移与传统焊点的情况不同。
传统焊点中的主要危险点是在电流阻塞现象区域，在区域电迁移和热迁移现象严重。而柱形
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