Sn3.0Ag0.5Cu倒装焊点中的电迁移

采用10⁴ A/cm²数量级的电流密度对Sn30Ag05Cu倒装焊点中的电迁移机理作了研究.电迁移引起的原子（或空位）的迁移以及在此过程中形成的焦耳热,使Sn30Ag05Cu倒装焊点的显微形貌发生变化.电迁移作用下,由于空位的定向迁移和局部的电流聚集效应使阴极芯片端焊料与金属间化合物界面形成薄层状空洞.处于阴极的Cu焊盘的Ni（P）镀层与焊料间也产生了连续性空洞,但空洞面积明显小于处于阴极的芯片端焊料与金属间化合物界面.焊盘中的Cu原子在电迁移作用下形成与电子流方向一致的通量,最终导致焊点高电流密度区域出现连续性的金属间化合物且金属间化合物量由阴极向阳极逐渐增多. 关键词： Sn30Ag05Cu 倒装 焊点 电迁移     

热-电应力下Cu/Ni/SnAg_(1.8)/Cu倒装铜柱凸点界面行为及失效机理

微互连铜柱凸点因其密度高、导电性好、噪声小被广泛应用于存储芯片、高性能计算芯片等封装领域,研究铜柱凸点界面行为对明确其失效机理和组织演变规律、提升倒装封装可靠性具有重要意义.采用热电应力实验、在线电学监测、红外热像测试和微观组织分析等方法,研究Cu/Ni/SnAg_1.8/Cu微互连倒装铜凸点在温度100—150℃、电流密度2×10~4—3×10~4 A/cm~2热电应力下的互连界面行为、寿命分布、失效机理及其影响因素.铜柱凸点在热电应力下的界面行为可分为Cu_6Sn_5生长和Sn焊料消耗、Cu_6Sn_5转化成Cu_3Sn、空洞形成及裂纹扩展3个阶段,Cu_6Sn_5转化为Cu_3Sn的速率与电流密度正相关.热电应力下,铜凸点互连存在Cu焊盘消耗、焊料完全合金化成Cu_3Sn、阴极镍镀层侵蚀和层状空洞4种失效模式.基板侧Cu焊盘和铜柱侧Ni镀层的溶解消耗具有极性效应,当Cu焊盘位于阴极时,电迁移方向与热迁移方向相同,加速Cu焊盘的溶解以及Cu_3Sn生长,当Ni层为阴极时,电迁移促进Ni层的消耗,在150℃,2.5×10~4 A/cm~2下经历2.5h后,Ni阻挡层出现溃口,导致Ni层一侧的铜柱基材迅速转化成(Cu_x,Ni_y)_6Sn_5和Cu_3Sn合金.铜柱凸点互连寿命较好地服从2参数威布尔分布,形状参数为7.78,为典型的累积耗损失效特征.研究结果表明:相比单一高温应力,热电综合应力显著加速并改变了铜柱互连界面金属间化合物的生长行为和失效机制.     

集成电路微互连结构中的热迁移

高工作电流在集成电路微互连结构中产生大量焦耳热,引起局部区域的温升、形成高温度梯度,金属原子沿着温度梯度反向运动发生热迁移.热迁移是集成电路微互连失效的主要原因之一.阐述了热迁移原理、失效模式及原子迁移方程.综述和分析了在单纯温度场、电场和温度场耦合等不同载荷条件下金属引线和合金焊料的热迁移研究.归纳并提出了集成电路微互连结构热迁移研究亟待解决的问题. 关键词： 集成电路 微互连 热迁移     

基于白光三角法的凸点封装高度测量仿真研究

随着集成电路制造技术的发展,封装尺寸变得更加细密,焊料变形导致的互连短路问题日益突出,针对芯片凸点进行共面性缺陷检测即测量凸点高度的需求更加迫切.为实现这一目的,建立了基于白光三角法的芯片凸点高度测量仿真模型,系统分为光源整形模块,精密狭缝、显微投影系统和显微成像系统.分析了样品移动过程中凸点顶部反射光斑的变化情况,同...     

Al原子在Ni基衬底表面的扩散及团簇的形成

Ni Al纳米颗粒具有较高的能量密度和良好的高温力学性能,铝吸附原子在不同镍基表面上的扩散行为与不同扩散机制对铝在镍基表面沉积生长的影响有待进一步阐明.本文通过采用肘弹性带和分子动力学结合嵌入原子势的方法,系统地研究了单个铝吸附原子在镍基表面的扩散行为和纳米颗粒团簇在十面体(DEC)、立方八面体(CUB)和二十面体(ICO)结构上的生长.研究结果表明:Al吸附原子在三种Ni基底上表面扩散的交换与跳跃两种机制,最低的Ehrlich-Schwoebel(ES)势垒为0.38 e V (交换CUB{111}→100})、0.52 e V (交换DEC{111}→100})和0.52 e V (跳跃ICO{111}→111}),从{111}面扩散到{100}面主要以交换机制为主,而相邻两个{111}面之间的扩散则以跳跃机制为主.沉积的铝原子首先倾向于扩散到台阶边缘和顶点附近.随着Al原子数量的增加,沉积的Al原子开始聚集.对于Ni团簇上的Al原子,在较低温度下在镍基底表面沉积Al原子,可以获得良好的Ni核/Al壳结构.对于二十面体结构基底,其对应的核壳团簇的缺陷数最小,随后为十面体结构和八面体结构.随着生长温度的增加Ni Al纳米粒子的表面逐渐开始合金化.     

H,O,N,He原子掺杂Al原子的第一性原理研究

采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波赝势方法,对Al中分别加入H,O,N和He原子后的晶体状态进行了研究.通过晶体结构和形成能分析比较了杂质原子占据不同位置的难易程度及对晶体稳定性的影响,并从态密度、电荷密度和电荷布居的角度,分析了其电子结构.结果表明:H、O和N原子占据金属Al的四面体间隙最稳定,而He原子主要占据金属Al的八面体间隙. O和N原子与Al原子具有强烈的共价作用,H原子与Al原子存在共价作用但相对较弱,而He原子与Al原子的相互作用以范德华力为主.进一步揭示了四种原子在金属Al中不同行为的电子机制.     

电迁移对Ni/Sn3.0Ag0.5Cu/Au/Pd/Ni-P倒装焊点界面反应的影响

本文研究了150 ℃, 1.0× 10⁴ A/cm²条件下电迁移对Ni/Sn3.0Ag0.5Cu/Au/Pd/Ni-P倒装焊点界面反应的影响. 回流后在solder/Ni和solder/Ni-P的界面上均形成(Cu,Ni)₆Sn₅类型金属间化合物. 时效过程中两端界面化合物都随时间延长而增厚, 且化合物类型都由(Cu,Ni)₆Sn₅转变为(Ni,Cu)₃Sn₄. 电迁移过程中电子的流动方向对Ni-P层的消耗起着决定性作用. 当电子从基板端流向芯片端时, 电迁移促进了Ni-P层的消耗, 600 h后阴极端Ni-P层全部转变为Ni₂SnP层. 阴极界面处由于Ni₂SnP层的存在, 使界面Cu-Sn-Ni三元金属间化合物发生电迁移脱落溶解, 而且由于Ni₂SnP层与Cu焊盘的结合力较差, 在Ni₂SnP/Cu界面处会形成裂纹. 当电子从芯片端流向基板端时, 阳极端Ni-P层并没有发生明显的消耗. 电流拥挤效应导致了阴极芯片端Ni层和Cu焊盘均发生了局部快速溶解, 溶解到钎料中的Cu和Ni原子沿电子运动的方向往阳极运动并在钎料中形成了大量的化合物颗粒. 电迁移过程中(Au,Pd,Ni)Sn₄的聚集具有方向性, 即(Au,Pd,Ni)Sn₄因电流作用而在阳极界面处聚集.     

金属互连电迁移噪声的分形特征

为了研究金属互连电迁移失效机理并寻找新的电迁移表征参量，应用分形理论，通过电子扩散轨迹分形维数，将电迁移噪声时间序列分形维数与晶粒间界分形维数相联系，确定了噪声时间序列分形维数在电迁移演变中的变化趋势.研究结果表明，在金属互连电迁移前期，晶粒间界形貌越来越复杂，致使噪声时间序列的分形维数逐渐增大；成核后，由于空位凝聚成空洞，晶粒间界形貌变得较成核前规则，致使噪声时间序列的分形维数减小；成核时刻是其折点.实验结果证明理论分析的正确性，噪声时间序列的分形维数可望作为金属互连电迁演变的表征参量.     

过渡族金属掺杂Al(111)表面对氢分子催化分解的影响

为了探求过渡金属催化剂对催化合成储氢材料NaAlH₄效果的影响, 本文采用第一性原理方法研究了多种金属原子取代Al (111)表面铝原子形成的合金表面对氢的催化分解的影响. 计算结果表明, Sc, V, Fe, Ti原子掺杂的表面对氢分子分解具有催化作用. H₂在对应的掺杂表面催化分解所需要的活化能分别为0.54 eV, 0.29 eV, 0.51 eV, 0.12 eV. H原子在Sc, V, Ti掺杂表面扩散需要的活化能分别为0.51 eV, 0.66 eV, 0.57 eV. 同时, 过渡金属掺杂在Al表面时倾向于分散分布, 增加掺杂表面的掺杂原子个数, 掺杂表面的催化效果体现为单个掺杂过渡金属原子的催化效果. 本研究将为金属掺杂Al (111)表面催化加氢合成NaAlH₄提供理论参考.     

NiCu双金属纳米粒子的表面偏析、结构特征与扩散

NiCu双金属核壳纳米粒子不仅由于其优异的稳定性、选择性以及磁学和催化性能而受到广泛关注,而且可以通过改变其纳米粒子的形貌、表面元素分布和粒径大小而具有可调谐性能.采用分子动力学与蒙特罗方法并结合嵌入原子势对NiCu双金属纳米粒子的表面偏析、结构特征以及Cu吸附原子在Ni基底沉积生长与表面扩散进行了研究,结果表明Cu原子在Ni基底表面具有强的偏析倾向.随着Cu原子浓度的增加,Cu原子优先占据纳米粒子的顶点、边、(100)和(111)面,最终形成完美的Ni核/Cu壳纳米粒子.在生长温度T=400 K时,形成的Ni核/Cu壳结构最稳定.进一步采用肘弹性波方法模拟计算在Ni基表面Cu吸附原子的扩散势垒,结果表明, Cu吸附原子无论是交换还是扩散,都需要克服较大的ES势垒,从而难以在Ni基底表面进行面间扩散.与Ni基底相反,在Cu基底上沉积Ni原子, Ni吸附原子很容易从(111)面迁移至(100)面,且在当前模拟温度下, Ni吸附原子无法在(100)面进行迁移,导致生长构型朝正八面体的形状发展,且其八个顶角几乎被Ni原子所占据.本文经过深入研究,从原子的角度出发,对NiCu纳米催化剂的初步设计提供了一种新的思路和方法.     

超大规模集成电路互连电迁移自由体积电阻模型

将晶核析出的Avrami 方程应用于描述超大规模集成电路中金属Al薄膜互连电迁移过程中电阻的演变. 根据电子散射理论，晶界电阻主要起源于晶界处空位或者空洞对电子的散射. 为了描述这些离子的特征，引入了自由体积的概念，将晶界处电子散射这个复杂的过程简化用自由体积的有效散射截面来描述，从而建立了自由体积与电阻变化的定量关系，统一描述了电迁移过程中不同阶段的电阻变化. 数值模拟结果表明，在第一个空洞成核时刻电阻会发生急剧变化，这一结果已被实验所证实. 关键词： 电迁移 Al互连 电阻变化     

Spectroscopic analysis of electromigration at gold nanojunctions

We have investigated the electromigration process at gold nanojunctions by introducing a novel spectroscopic approach. When the junction voltage exceeded certain critical values, conductance showed successive drops by one quantum conductance, corresponding to one-by-one removal of gold atoms. The observed critical voltages agree with the activation energies for surface diffusion of gold atoms. This fact clearly indicates that the elementary process of electromigration is the self-diffusion of metal atoms driven by microscopic kinetic energy transfer from a single conduction electron to a single metal atom. This new finding can be applied to reproducible formation of atomic-spacing gaps for single molecular junctions and also to the failure-tolerant interconnects for VLSIs.     

热迁移对Cu/Sn/Cu焊点液-固界面Cu6Sn5生长动力学的影响

电子封装技术中, 微互连焊点在一定温度梯度下将发生金属原子的热迁移现象, 显著影响界面金属间化合物的生长和基体金属的溶解行为. 采用Cu/Sn/Cu焊点在250℃和280℃下进行等温时效和热台回流, 对比研究了热迁移对液-固界面Cu₆Sn₅生长动力学的影响. 等温时效条件下, 界面Cu₆Sn₅生长服从抛物线规律, 由体扩散控制. 温度梯度作用下, 焊点冷、热端界面Cu₆Sn₅表现出非对称性生长, 冷端界面Cu₆Sn₅生长受到促进并服从直线规律, 由反应控制, 而热端界面Cu₆Sn₅生长受到抑制并服从抛物线规律, 由晶界扩散控制. 热端Cu 基体溶解到液态Sn中的Cu原子在温度梯度作用下不断向冷端热迁移, 为冷端界面Cu₆Sn₅的快速生长提供Cu 原子通量. 计算获得250℃和280℃下Cu原子在液态Sn中的摩尔传递热Q^*分别为14.11和14.44 kJ/mol, 热迁移驱动力F_L分别为1.62×10^-19和1.70×10^-19 N.     

In和Cu掺杂对Sn基钎料抗电性能影响的第一性原理研究

采用第一性原理的方法对Cu和In提高Sn基钎料抗电性能机制进行研究.计算结果表明,Sn31Cu和Sn31In相对Sn32具有更高的扩散激活能,并且最靠近掺杂位置的Sn原子的扩散迁移能高于Cu和In原子,这表明Cu和In的掺杂可以提高Sn基钎料的抗电性能,并且Cu和In原子在电迁移过程中是占主导的扩散元素.电子结构分析表明Cu和In的掺杂可以提高体系的稳定性,特别是极大地稳定了与其邻近的Sn原子.     

Electromigration revisited: competition between Kirkendall shift and backstress in pure metals and two-phase alloys

The simple phenomenological model and analytical approach of electromigration in the two-phase alloy (solder) under combined influence of the Kirkendall effect, backstress and sedimentation is presented. It is compared with electromigration in pure metal under condition of quasi-equilibrium vacancies (unlimited power of vacancy sinks-sources) and electromigration in pure metal with account of nonequilibrium vacancies.     

Cu互连应力迁移温度特性研究

提出了一种基于扩散-蠕变机制的空洞生长模型, 结合应力模拟计算和聚焦离子束分析技术研究了Cu互连应力诱生空洞失效现象, 探讨了应力诱生空洞的形成机制并分析了空洞生长速率与温度、应力梯度和扩散路径的关系. 研究结果表明, 在Cu M1互连顶端通孔拐角底部处应力和应力梯度达到极大值并观察到空洞出现. 应力梯度是决定空洞成核位置及空洞生长速率的关键因素. 应力迁移是空位在应力梯度作用下沿主导扩散路径进行的空位积聚与成核现象, 应力梯度的作用与扩散作用随温度变化方向相反, 并存在一个中值温度使得应力诱生空洞速率达到极大值. 关键词： Cu互连 应力迁移 应力诱生空洞 失效     

Effects of soft beam energy on the microstructure of Pb37Sn, Au20Sn, and Sn3.5Ag0.5Cu solder joints in lensed-SM-fiber to laser-diode-affixing application

This paper reports on the effectiveness of soft beam energy as a heat source to form an optimum solder joint to fix a lensed fiber permanently on a Ni/Au-plated substrate. Solders, i.e., Pb37Sn, Au20Sn, and Sn3.5Ag0.5Cu (SAC) [wt%] were evaluated for this fluxless application. The microstructures of the solder joints have been examined using scanning electron microscopy (SEM), in order to understand the response of these solder materials to the focussed white light. Obviously, the exposure time has a greater effect on the soldering temperature before reaching the peak temperature, which is determined by the power. A power setting of 40 W can reach approximately 340 °C, 30 W can reach about 310 °C while 25 W can easily reach 260 °C. In general, a higher soldering temperature than the melting temperature is required to form good wetting solder joints for fluxless applications. However, too high an input thermal energy may result in premature aging for the cases of Pb37Sn and SAC, and lateral cracks for the case of Au20Sn. The thermal cracks and voids observed in Au20Sn solder joint were attributed to the fact that the soft beam heating profile does not suit the AuSn preform. Out of these three solder types, SAC demonstrated just the right response to the soft beam, i.e., good wetting, fine and homogeneous structure, and no cracks or other visible failures.     

Validation and traceability of XRF and SEM‐EDS elemental analysis results for solder in high‐reliability applications

A procedure and calibration samples were developed for X‐ray fluorescence spectrometry and scanning electron microscopy (SEM) with energy dispersive spectrometry (EDS) analysis methods for Sn and Pb amounts in solder and coatings. Test methods are needed by laboratories that perform destructive physical analysis of high‐reliability electronics for MIL‐STD‐1580B. Calibrants are prepared by evaporative deposition of multiple, alternating quantities of pure Sn and pure Pb having mass per unit area proportional to mass fractions of Sn and Pb in a solder being mimicked. Validation reference materials are prepared by evaporative deposition of thin films of SRM 1729 Tin Alloy (97Sn–3Pb). Films are created on high‐purity Ni foil to mimic some actual electronics structures and prevent charging during SEM‐EDS measurements. Maximum thickness of films prepared this way must be kept below approximately 1 µm to ensure that the entire thickness is probed by the primary X‐ray or electron beam and that measured X‐rays come from the entire thickness of all films. Detailed procedures are presented, and method performance was characterized. The primary purpose is to create calibrations for Sn and Pb that are simple to implement and establish traceability to the international system of units. The secondary purpose is to validate calibrations using a certified reference material to prove that, for simpler structures of thin solder coatings on metal, both X‐ray fluorescence and SEM‐EDS provide accurate results. Keeping films thin may be unrealistic in comparison with some, if not many, electronic structures, but this approach enables a laboratory to demonstrate competence in a controlled manner. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于微观结构的Cu互连电迁移失效研究

提出了一种基于微观晶粒尺寸分布的Cu互连电迁移失效寿命模型. 结合透射电子显微镜和统计失效分析技术, 研究了Cu互连电迁移失效尺寸缩小和临界长度效应及其物理机制. 研究表明, 当互连线宽度减小, 其平均晶粒尺寸下降并导致互连电迁移寿命降低. 小于临界长度的互连线无法提供足够的空位使得铜晶粒耗尽而发生失效. 当互连长度大于该临界长度时, 在整个电迁移测试时间内, 部分体积较小的阴极端铜晶粒出现耗尽情况. 随着互连长度的增加该失效比例迅速增大, 电迁移失效寿命减小. 当互连长度远大于扩散长度时, 失效时间主要取决于铜晶粒的尺寸, 且失效寿命和比例随晶粒尺寸变化呈现饱和的波动状态. 关键词： Cu 互连 电迁移 微观结构