铜柱凸点锡膏_铜柱凸点可靠性-深圳福英达
铜柱凸点锡膏_铜柱凸点可靠性-深圳福英达
随着对更小尺寸和更高I/O密度的需求增加，焊点的间距和尺寸继续缩小。倒装芯片中的铜柱凸点能够实现更小的间距和更大的抗电迁移性，但也带来更高的应力。电镀焊料凸点（区域阵列）器件的最小间距限制为140μm–180μm。因此，当焊点间距小于140μm时，通常使用铜柱凸点。
焊点可靠性是值得关注的话题。Li等人通过热压键合工艺获得了Cu/Sn-Ag/Cu和Cu/IMC/Cu凸点结构，并进行了热循环试验以比较其失效模式。其中铜柱与基板连接一端带有约20μm厚的SnAg3.5锡膏。
图1. 热压焊接示意图。
从图2可以看出，随着温度或时间的增加，基板一侧IMC厚度增长明显。热压键合过程中发生的反应主要是固液扩散，铜柱凸点中的Cu原子溶解到焊料Sn中，当界面附近焊料Sn中溶解的Cu原子饱和时，在界面处形成扇贝形Cu6Sn5和少量Ag3Sn。如果键合温度高于300 °C且保持时间大于10 s，在Cu6Sn5层下方还会形成较薄的Cu3Sn。
图2. 不同焊接条件下IMC生长情况。
铜柱-Sn-3.5Ag-焊盘凸点失效形式
最开始可以观察到裂纹发生在铜柱焊点的角部处，然后焊点内部慢慢开始出现空洞的生长。空洞在应力的作用下积聚增大并导致焊点断裂。 裂纹的位置主要出现在铜柱一侧的IMC和焊料的界面处，或者界面附近的焊料内部。
图3. 焊点断裂演变。
Sn-Ag焊点在循环应力下发生蠕变和应力松弛。位错环在焊料中的Cu6Sn5和Ag3Sn等颗粒附近形成，然后逐渐成核并继续生长成椭圆形空洞。在铜柱边缘的锡膏焊料中，疲劳裂纹主要是由集中应力所导致。裂纹随后向内生长并与空洞结合，最终沿着铜柱的界面贯穿整个焊点。
铜柱-IMC-焊盘
在热老化后焊料会逐渐转化成IMC。裂纹主要发生在基板侧Cu6Sn5和Cu3Sn的界面处。 主要失效模式的特点是在基板侧Cu6Sn5和Cu3Sn的界面处出现界面分层，然后两侧的Cu6Sn5晶粒断裂，最后两侧的Sn焊料贯穿整个焊点。焊点的失效模式属于脆性断裂。
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参考文献
Li, J.H., Zhang, Y.X., Zhang, H.L., Chen, Z., Zhou, C., Liu, X.H. & Zhu, W.H. (2020). The thermal cycling reliability of copper pillar solder bump in flip chip via thermal compression bonding. Microelectronics Reliability, vol.104.
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