|
铜凸点中焊料远离电流阻塞区域，他的原子迁移受力情况有所改变，热迁移和电迁移在其中 起的作用就不同。 图2 焊点在电流下原子迁移的示意图 Fig. 2 An illustration of the atomic migration of solders under currents 2 柱形铜凸点的电流加载模拟研究 影响凸点互连电迁移的因素较多，外部因素主要有温度、电流密度、尺寸等，而材料因 素则包括扩散阻挡层的成分、厚度、IMC等。电流大小是焊点失效的重要因素，笔者主要就 从不同电流加载上对焊点进行研究，提取相关数据定量分析电热迁移力，分析出原子失效机 理。 热端 冷端 铜柱 焊料帽 原子热迁移方向 原子电迁移方向与电流方向相同 2.1 有限元模型的建立 采用有限元方法对柱形铜凸点连在电流加载条件下的电热场进行模拟。为简化模型，减 小计算，只采用了2个焊点的简单芯片结构模型。3D柱形铜凸点模型如图3所示。芯片上连 接是采用菊花链铝导线。Al线125 μm× 20 μm× 2 μm。Al线上薄膜层采用Al/Ni(V)Cu，厚度 为0.4 μm。Al/Ni(V)Cu薄膜层上是厚50 μm，直径50 μm的铜柱。然后和20 μm高的焊料帽连 接，其中焊料帽采用共晶SnPb。芯片端的接触开口为直径20 μm，底部金属开口为直径50 μm。 基板采用的是Cu导线，Cu导线75 μm× 50 μm× 14 μm。Cu导线上镀有5 μm的Ni钝化层。同时， 考虑到有IMC的生成，柱形铜凸点下是2 μm的Cu6Sn5，基板端的是1 μm的Ni3Sn4。柱形铜 凸点的间距为100 μm。封装时，用环氧树脂当底部填充材料填补柱形铜凸点之间的空隙。封 装后模型及各部分材料如图4和图5所示。由于大量采用了铜柱，焊料帽的高度很少，封装后 的高度基本是可以控制的。由于焊接材料帽的用量比传统焊点少得多，一般不会发生传统球 形焊点连接时出现的那种焊料坍塌失效问题。 图3 相邻的2个柱形铜凸点 Fig. 3 Two neighboring Cu-Pillar bumps Y X Z 图4 封装体有限元模型 Fig. 4 The finite element model of the package 图5 有限元模型剖面图及各种材料 Fig. 5 The cross-sectional view of the finite element model and the associated materials 模型的建立利用了ANSYS软件，这是一个算法比较全面的模拟软件。电热耦合模拟时， 采用直接耦合法。导电材料采用Solid69单元，导热材料采用Solid70单元。Solid69单元是一 种8节点的六面体热电偶和单元，Solid70单元是一种8节点的六面体热单元。由于模型比较 简单，采用直接建模方式建模。设置模拟所需要的各种材料的特性参数如表2所示[8, 9]，其中 导电率是随温度变化的。 表2 有限元模拟采用的材料参数 Table 2 The parameters of materials used in finite element model 材料 导热系数/ W·（m·K）-1 电阻率/ mΩ·cm 电阻率温度系数/K–1 Al 238.00 2.70 4.2×10-3 Al/Ni(V)Cu 166.60 29.54 5.6×10-3 Cu 403.00 1.70 4.3×10-3 Cu6Sn5 34.10 17.50 4.5×10-3 e-SnPb 50.00 14.60 4.4×10-3 Ni3Sn4 19.60 28.50 5.5×10-3 Ni 76.00 6.80 6.8×10-3 Si 147.00 － － BT 0.70 － － Underfill 0.55 － － PI 0.34 － － 2.2 电流的加载及求解 实体模型建立后，对其划分网格，获得有限元模型；然后对有限元模型施加边界条件及 加载，就可以求解出封装体的热电场模拟结果。焊点网格划分后的有限元模型如图6所示。 设定模型的初始温度为25 ℃，对各表面加载温度约束，基板地面散热条件良好。设定模型 的温度恒定在25 ℃，其他各表面与空气的对流系数在25 ℃时为10 W/m2·℃[8, 10]。 图6 柱形铜凸点的有限元模型 Fig. 6 The finite element model of the Cu-Pillar bump 在实际应用中，焊点中的平均电流密度一般只维持在102 A/cm2。但是，由于导电遵循 最短路径原理，会发生电流阻塞现象（电流密度分布不均），局部最大电流密度比平均值高 1～2个数量级[8]。因此，焊点中局部区域的最大电流密度仍然可以达到104 A/cm2。 为研究电流密度对焊点的影响，给焊点加载了不同的电流（0.2 A，0.4 A，0.6 A）。加 载电流方向如图7所示，在左边的铜导线前端面加载电流，并设定电压为0。根据焊点的的直 径（50 μm），可以得出各加载电流下焊点的平均电流密度分别为1×104 A/cm2、2×104 A/cm2、 3×104 A/cm2。模拟柱形铜凸点的电流加载过程，得出其电流密度分布、热梯度分布、温度 分布，并分析电流加载对柱形铜凸点的影响。 图7 铜柱形焊点的电流加载方向 Fig. 7 An illustration of the loading direction of currents in the Cu-Pillar bump 2.3 模拟计算结果与分析 2.3.1 电场 柱形铜凸点在电流下的电流密度模拟分布的情况如图8所示。Al导线和铜柱相连处是电 流通过横截面积变化最大的地方，Al导线的横截面（20 μm× 2 μm）约有铜柱横截面（π× 25 μm× 25 μm）的1/50。这种线-凸点结构上的变化使得电流密度在铜柱上与Al导线连接处比铜 柱的其他部位要大。电流阻塞现象一般发生在铜柱内导线和铜柱相连处5～10 μm的深度，只 要铜柱的高度大于10 μm就可以使焊料帽远离电流阻塞处。图9所示为右边铜凸点在各电流下 的电流密度分布。表3列出了模拟结果的铜凸点内部电流密度的关键值。从表3可以看出电流 阻塞处的数值一般都比平均电流密度大1个数量级。图10所示为右边焊料帽在各电流下的电 流密度分布，其数值见表4。由模拟结果可得，焊料帽内部的电流密度相差不大，分布比较 均匀，且都比电流阻塞处的最大电流密度值小1个数量级。 图8 柱形铜凸点在电流下的电流密度分布 Fig. 8 An illustration of currents density distribution of the Cu-Pillar bump (a) 0.2 A (b) 0.4 A (c) 0.6 A 图9 右边铜柱形凸点的电流密度分布图 Fig. 9 The current density distribution of the Cu-Pillar bump on the right side, where the magnitudes of current are (a) 0.2 A, (b) 0.4 A, and (c) 0.6 A, respectively (a) 0.2 A (b) 0.4 A (c) 0.6 A 图10 右边铜柱形凸点的焊料帽电流密度分布 Fig. 10 The current density distribution of the solder cap of the Cu-Pillar bump on the right side, where the magnitudes of current are (a) 0.2 A, (b) 0.4 A, and (c) 0.6 A, respectively 在这种新型焊点的倒装芯片连接方式中，电流最大密度是发生在柱形铜上的，而且焊料 远离电流阻塞区域。焊料帽与铜柱的横截面尺寸差不多，在结构上没有突变电流在焊料帽中 均匀分布，相差不大，如表4所示。由文献可知，当传统球形焊点的电流密度为1×104 A/cm2 时，会产生电迁移现象。然而，电流最大密度为7.76×105 A/cm2时柱形铜凸点也不会发生电 迁移，那是因为铜在这个数量级的电流密度下不会发生原子迁移。通过模拟电流加载，找出 了柱形铜凸点的抗迁移性能强于传统球形焊点的原因。这里只是模拟，没有进行实验。但是 可借助别人做的实验结果进行论证。Nah等[2]用传统焊点和柱形铜凸点的芯片做对比实验， 发现在温度100 ℃，电流平均密度2.25×104 A/cm2下，普通球形焊点在经历电流加载97 h后 就发生了电迁移失效。而柱形铜凸点在经历电流加载720 h 还没有发生电迁移失效。从模拟 和实验结果发现，柱形铜凸点具备优异的电性能。 表3 右边铜柱形凸点的电流密度 Table 3 The current density of the Cu-Pillar bump on the right side 外加电流 /A 平均电流密度 /（A·cm-2） 最大电流密度 /（A·cm-2） 焊料帽上最大电流密度 /（A·cm-2） 0.2 1×104 2.64×105 1.25×104 0.4 2×104 5.24×105 2.50×104 0.6 3×104 7.76×105 3.75×104 表4 右边铜柱形凸点的焊料帽电流密度 Table 4 The current density of the solder cap of the Cu-Pillar bump on the right side 外加电流 /A 平均电流密度 /（A·cm-2） 最大电流密度/ （A·cm-2） 最小电流密度 /（A·cm-2） 0.2 1×104 1.25×104 9.35×104 0.4 2×104 2.50×104 1.87×104 0.6 3×104 3.75×104 2.85×104 2.3.2 热场 在电流的加载下，由于焦耳热效应会使产品温度上升，在这个连接线路中主要的发热部 位在Al线下的Al/Ni(V)Cu，因其电阻率最大。模拟得出芯片模型的温度都升高了，其中柱形 铜凸点在不同电流下的温度分布如图11所示。柱形铜凸点在离铝导线最近区域的温度比其他 部位高。由这些模拟结果可以发现，铜凸点确实存在一个热点。在电流为0.2 A、0.4 A、0.6 A时，柱形铜凸点的热点最高温度分别为32.416 ℃、57.759 ℃、113.816 ℃。可以从图11发 现，随着电流的增大，柱形铜凸点温度升高，热点温度与平均温度差距会更大。所以，无论 在哪个方向温度梯度都会随着电流的增大而增加。由于铜具有良好的热传导性能，柱形铜凸 点内部的温度差没有传统焊点那么大。由于焊料帽远离热点，其温度分布也相对比较均匀， 温度梯度比传统焊点中小。温度的升高也会加速原子的迁移。Lin等[5]通过实验得出：同样 的焊点在同样的电流下把环境温度从100 ℃下降到70 ℃，原子迁移至焊点失效时间就从95 min 到31 d。柱形铜凸点使热点远离焊料，在一定程度上改善了倒装芯片连接方式的可靠性。 在这里简化模型，模拟了2个焊点加载电流的情况。另外，由于Al/Ni(V)Cu发热量最大，芯 片端的温度始终都高于底端。在本文所用的模型中，芯片端是热端，基地是冷端。热梯度使 原子由热端向冷端迁移，方向不变，都是从热端到冷端。而电流在相邻的2个柱形铜凸点中 方向是相反的，一个由下而上，一个由上而下，如图6所示。所以，在电流加载中，焊点的 热迁移可以加剧也可减弱电迁移。在本模拟条件下，右边焊点的热迁移就会减弱电迁移，左 边的则会加剧。Chen[3]发现电子流也会加速或减低金属间化合物的产生。当原子迁移方向的 电迁移和热迁移方向一致时，电子流会加速IMC的产生；相反则减弱。 (a) 0.2A (b) 0.4A (c) 0.6A 图11 右边铜柱形凸点温度密度分布 Fig. 11 The temperature density distribution of the Cu-Pillar bump on the right side, where the magnitudes of current are (a) 0.2 A, (b) 0.4 A, and (c) 0.6 A, respectively 由模拟可得焊料帽温度梯度如图12所示。焊料帽在不同的电流下，温度梯度变化很大。 学术论文网Tag：代写代发论文 计算机论文 代发论文 代写工科论文 职称论文发表 |
