无铅锡膏电迁移现象介绍
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无铅锡膏电迁移现象介绍
随着半导体封装技术日新月异，元件的集成化水平越来越高。在消费者对电子产品使用要求越来越高的背景下，更加高度集成化的产品无疑受到追捧。高度集成化对封装结构产生了很多影响，例如更多的内部和外部互连数量，这对用于封装的锡膏可靠性带来了挑战。无铅锡膏是主流封装材料厂家的主要焊料产品。但是由于电子产品集成化和小型化水平高，电迁移现象成为了影响锡膏焊接质量的一大元凶。
无铅锡膏焊接出现电迁移形成的一大重要原因是高电流密度。元件微型化和互连数增加带来更大的电流密度，电迁移的影响也愈发明显。电迁移是在高电流密度下由于电子和金属原子之间的动量转移而引起的材料迁移。由于未补偿的金属运动，阴极侧（电子流的入口）会出现空洞，而在阳极侧（电子流的出口）将发生金属堆积， 最终导致开路并造成锡膏焊点失效。
对于倒装芯片而言，电迁移会加快金属扩散并影响IMC生长。随着凸点下金属层 (UBM) 的消耗和RDL宽度的减小，焊点会出现空洞。高温同样会带来IMC的加速生长，脆性的IMC使得锡膏焊点出现裂纹和空洞。电流产生焦耳热也会使得元件温度升高并反过来加快电迁移。空洞的出现增加了焊点的电阻，最后导致开路。平均失效时间可以通过下列公式确定。其中t是失效时间，J是电流密度，T是温度，k是玻尔兹曼常数， A是预因子、n是电流密度指数，Ea是活化能。
图1. 电迁移造成的失效机制。
铜柱结构能够改善电迁移性能。主要包含三个优点，例如减少电流拥挤以尽量减少局部电流密度, 减少焦耳热，以及提供距离屏障使锡膏不能直接与铜 RDL 发生反应 (Darveaux et al., 2015)，此外，在无铅锡膏中掺杂一些特定种类的纳米增强粒子对提升抗电迁移能力起到积极作用。
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参考文献
Darveaux, R., Hoang, J.V., Vijayakumar, B., & Skyworks. 2015, “ELECTROMIGRATION PERFORMANCE OF WLCSP SOLDER JOINTS”.
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