专利名称：一种抑制焊料互连凸点电迁移失效的方法
技术领域：
本发明涉及微电子封装领域的微互连结构的可靠性，具体地说是一种抑制焊料互
连凸点电迁移失效的方法，适用于抑制焊料互连凸点(如图l所示)电迁移失效，提高互连 凸点结构的可靠性。该方法能广泛地应用于电子工业、宇航及通用工程。
背景技术：
电子产品的微型化及高性能化驱使集成电路尺寸持续减小，相应地，作为连接和 导电桥梁的焊料凸点的尺寸也急剧减小，从而带来一系列可靠性问题，其中尤以电迁移最 为突出。 电迁移是指导电金属材料在大电流密度条件下，导体中的金属原子或者离子沿电 子流方向发生扩散的一种现象。电迁移使得阴极因原子的迁出而产生空洞，严重时会导致 互连结构断路；在阳极，因为原子的迁入而形成"小丘"，引起短路。这两种基本的失效方式 都足以引发微互连结构不可逆转的破坏。因此，电迁移失效问题引起了国内外学术界及工 业界的广泛关注。 目前，抑制焊料互连凸点的电迁移失效尚缺乏有效的方法和技术。合金化(即通 过添加第三元素来抑制焊料凸点的电迁移失效)虽是一种抑制互连凸点电迁移的方法，但 是寻找合适的添加元素成为一个瓶颈，并且抑制效果不明显，这种方法目前只是停留在理 论的层面上。因此，寻找更加简单易行的抑制互连凸点电迁移失效的方法成为提高互连凸 点可靠性的关键问题。
发明内容
鉴于上述现有技术的实际情况，本发明的目的是提供一种抑制焊料互连凸点电迁 移失效的方法，它是简单易行而又有效的抑制倒装芯片互连凸点电迁移失效的方法，适合 当前微电子封装中凸点互连结构可靠性的需求。
为实现以上目的，本发明的技术方案如下 —种抑制焊料互连凸点电迁移失效的方法，对焊料互连凸点施加2_30%的预制塑 性变形。然后，对塑性预应变的互连凸点进行电迁移性能测试，以无应变的互连凸点的电迁 移失效作为对比。经过塑性预应变处理后，互连凸点的极性效应及元素偏聚现象被抑制，其 产生空洞及金属小丘的现象被阻止。 本发明中，在高电流密度(电流密度范围1 X 104A/cm2 1 X 106A/cm2)下的测试效 果良好，在低电流密度(100A/cm2《电流密度〈lX104A/cm2)下效果更优，在更低的电流密 度(0 <电流密度< 100A/cm2)下，效果尤佳！ 本发明中，预制塑性变形为拉伸塑性变形或压縮塑性变形等。 本发明塑性预应变具有很大的调节范围，可满足不同尺寸的互连凸点的需求。 本发明适用于倒装芯片互连凸点，以及其他的焊料互连体。 本发明采用力学加载的方法，对焊料互连凸点施加2-30% (优选为2-20% )的塑性变形，经过预应变的互连凸点显示出良好的抗电迁移性能。互连凸点在电迁移失效中常 见的"极性效应"得到抑制，互连凸点焊料中元素的偏聚也被有效阻止，从而显著提高了凸 点的机械强度。此外，空洞及金属小丘在互连凸点上的形成也被抑制，这也减少了互连凸点 因电迁移导致断路及凸点间短路的危险。因此，该方法可以有效抑制互连凸点的电迁移失 效，满足当前集成度不断提高的倒装芯片中互连凸点结构可靠性的要求，具有广泛的应用 范围。
本发明具有如下优点 1、采用本发明时，金属间化合物的"极性效应"被抑制。经过预应变后，在电流作 用下，互连凸点不再发生化合物在阴极的分解剥离以及在阳极的形成聚集(如图3，4，5所 示)，大大提高了凸点互连结构的机械强度。 2、采用本发明时，金属元素往阳极偏聚的现象被有效抑制。经过预应变，互连凸点 在电流作用下，焊料金属元素往阳极偏聚被有效阻止(如图7，8所示)，其力学性能得到极 大的提高。 3、采用本发明时，互连凸点发生断路和短路的现象被有效控制。由于预应变后，在 电流作用下，凸点的元素偏聚被有效抑制，同时凸点表面的金属小丘也被有效阻止，因而凸 点发生断路和短路的条件被打破。 4、本发明方法工艺简单易行，适用范围广，能广泛地应用于电子工业、宇航及通用 工程。
图1为本发明方法适用的倒装芯片凸点互连示意图。图中，l芯片；2焊料凸点；3
印刷电路板；4凸点下金属化层；5焊盘金属化层。 图2为SnAgCu/Cu凸点预应变20 %的拉伸曲线。 图3为SnAgCu/Cu凸点预应变5%后电迁移测试的界面微观组织图。 图4为SnAgCu/Cu凸点预应变10%后电迁移测试的界面微观组织图。 图5为SnAgCu/Cu凸点预应变20%后电迁移测试的界面微观组织图。 图6为SnAgCu/Cu凸点无应变时电迁移测试的界面微观组织图。 图7为SnBi/Cu凸点预应变10%后电迁移测试的界面微观组织图。 图8为SnBi/Cu凸点预应变20%后电迁移测试的界面微观组织图。 图9为SnBi/Cu凸点无应变时电迁移测试的界面微观组织图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。 如图1所示，本发明方法适用的倒装芯片凸点互连关系为芯片1与印刷电路板3 之间通过焊料凸点2连接，芯片1与焊料凸点2之间为凸点下金属化层4，印刷电路板3与 焊料凸点2之间为焊盘金属化层5。 实施例1 :预应变后Sn3. OAgO. 5Cu/Cu互连凸点的电迁移失效分析 为了消除电流聚集效应，本实施例采用了 Cu/Sn3. OAgO. 5Cu/Cu的三明治凸点互
连结构。首先把两块Cu块磨平抛光，然后在Cu试样上涂上一层锡银铜焊膏，采用美国ok公司的BGA&CSP返修工作站进行焊接，其焊点所受的最高温度为26(TC，焊料熔点(217°C )以 上时间90秒。再将该焊接样采用线切割切成截面为700iimX700iim的长方体样，经过砂 纸磨平及抛光处理，最终制备成截面为300 mX 300 y m的长方体试样。然后在小样品疲劳 试验机上，对凸点试样进行5%， 10%以及20%的拉伸塑性变形(如图2所示，以拉伸20% 为例)，应变速率为10—3/s。进行预应变后，凸点试样进行电迁移测试。其测试条件为，电流 密度为101/ci^数量级，通电时间为182小时。电迁移测试后的试样，经过再一次的抛光处 理，采用FeCl3酒精溶液腐蚀，用扫描电镜观察其界面的组织结构，如图3，4，5所示。从图 3，4，5可以看出，经过预应变处理后的电迁移焊料凸点，其阴阳极界面上的化合物的组织结 构相同，没有发生所谓的"极性效应"，即阳极化合物比阴极化合物厚的现象。
比较例1 :无应变的Sn3. OAgO. 5Cu/Cu凸点的电迁移失效分析
采用同样方法制作的测试样，在没有预应变的条件下，按照实施例1进行电迁移 测试，其界面组织结构如图6所示。从图6中可以发现，阴极化合物分解剥离，而阳极化合 物明显增厚，发生了所谓的"极性效应"。 实施例2 :预应变后Sn58Bi/Cu凸点的电迁移失效分析 按照实施例1的方法，为了消除电流聚集效应，本实施例同样采用了 Cu/Sn58Bi/ Cu的三明治凸点互连结构。采用同样的方式处理Cu块，然后在Cu试样上涂上一层锡铋焊 膏，采用美国ok公司的BGA&CSP返修工作站进行焊接，其焊点所受的最高温度为170°C， 焊料熔点(140°C)以上时间为90秒。然后按照实施例1的方式把样品制备成截面为 300iimX300iim的长方体试样。然后在小样品疲劳试验机上，对凸点试样进行10%以及 20%的拉伸塑性变形，应变速率为10—Vs。进行预应变后，凸点试样进行电迁移测试。其测 试条件为，电流密度为104A/cm2数量级，通电时间为182小时。电迁移测试后的试样，经过 再一次的抛光处理，采用FeCl3酒精溶液腐蚀，用扫描电镜观察其界面的组织结构(界面处 富集的连续Bi层)，如图7， 8所示。从图7， 8可以看出，经过预应变处理后的电迁移焊料凸 点，其Bi往阳极偏聚的数量大大减少(对比图9)。
比较例2 :无应变的Sn58Bi/Cu凸点的电迁移失效分析 采用同样方法制作的测试样，在没有预应变的条件下，按照实施例2进行电迁移 测试，其界面组织结构如图9所示。从图9中可以发现，Bi元素大量的聚集在阳极界面附 近。对比于施加10X和20X预应变的互连凸点电迁移测试，经过预应变处理后，Bi的扩散 被有效的抑制。数据表明，对互连凸点施加预应变后，Bi元素的扩散量相对于没有预应变 的电迁移测试结果可减少60%。因而，其力学性能更优。 与合金化抑制焊料凸点电迁移失效相比，本发明工艺简单，实用有效，具有更加广 泛的应用范围。该方法能抑制界面化合物"极性效应"的发生，能有效地抑制Bi元素往阳 极的偏聚，能有效地减少凸点表面金属小丘的形成，从而减少了电路发生断路和短路的危 险性。本发明能有效地提高互连凸点的可靠性，从而提高了 IC及元器件的可靠性，为电子 产品的微型化及高性能化的发展提供了基础。同样，该方法也能广泛地应用于电子工业、宇 航及通用工程。
权利要求
一种抑制焊料互连凸点电迁移失效的方法，其特征在于对互连凸点施加2-30％的预制塑性变形。
2. 按照权利要求1所述的抑制焊料互连凸点电迁移失效的方法，其特征在于适用于 倒装芯片互连凸点，以及其他的焊料互连体。
3. 按照权利要求1所述的抑制焊料互连凸点电迁移失效的方法，其特征在于预制塑 性变形为拉伸塑性变形或压縮等塑性变形。
4. 按照权利要求1所述的抑制焊料互连凸点电迁移失效的方法，其特征在于预制塑 性变形具有很大的调节范围，可满足不同尺寸的互连凸点的需求。
5. 按照权利要求1所述的抑制焊料互连凸点电迁移失效的方法，其特征在于对预制 塑性变形的互连凸点进行电迁移性能测试，以无应变的互连凸点的电迁移失效作为对比， 高电流密度下的测试效果良好，在低电流密度下效果更优。
6. 按照权利要求1所述的抑制焊料互连凸点电迁移失效的方法，其特征在于互连凸 点的极性效应及元素偏聚现象被抑制，其产生空洞及金属小丘的现象被阻止。
7. 按照权利要求1所述的抑制焊料互连凸点电迁移失效的方法，其特征在于该方法 应用于电子工业、宇航或通用工程。
全文摘要
本发明涉及微电子封装领域的微互连结构的可靠性，具体地说是一种抑制焊料互连凸点电迁移失效的方法，适用于抑制焊料互连凸点电迁移失效，提高互连凸点结构的可靠性。采用力学加载的方法，对焊料互连凸点施加2-30％的塑性变形，经过预应变的互连凸点显示出良好的抗电迁移性能。互连凸点在电迁移失效中常见的“极性效应”得到抑制，互连凸点焊料中元素的偏聚也被有效阻止，从而显著提高了凸点的机械强度。此外，空洞及金属小丘在互连凸点上的形成也被抑制，这也减少了互连凸点因电迁移导致断路及凸点间短路的危险。因此，该方法可以有效抑制互连凸点的电迁移失效，满足当前集成度不断提高的倒装芯片中互连凸点结构可靠性的要求，具有广泛的应用范围。
文档编号H01L21/02GK101728286SQ20081022813
公开日2010年6月9日 申请日期2008年10月17日 优先权日2008年10月17日
发明者尚建库, 张新房, 郭敬东 申请人:中国科学院金属研究所