隨著電子產(chǎn)品微型化和高集成度的發(fā)展,金屬微互連結(jié)構(gòu)所承受的的電流密度急劇增加,較高的電流密度極易使微互連材料發(fā)生電遷移現(xiàn)象。本文針對(duì)金屬微互連結(jié)構(gòu)的電遷移失效問題,設(shè)計(jì)了考慮不同溫度及電流密度的電遷移加速試驗(yàn),研究了產(chǎn)生不同的電遷移失效模式的微觀機(jī)理。同時(shí)在原子尺度下,利用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法,從原子擴(kuò)散以及機(jī)械強(qiáng)度的角度對(duì)不同晶體以及晶體之間組成的界面結(jié)構(gòu)可靠性進(jìn)行了分析,在微觀層面上研究了多種因素對(duì)電遷移壽命的影響。在宏觀上基于原子密度積分法理論體系,考慮材料的退化行為,利用自適應(yīng)時(shí)間步的算法實(shí)現(xiàn)對(duì)算法的迭代求解,提高了算法的計(jì)算效率以及計(jì)算精度,并通過SWEAT結(jié)構(gòu)對(duì)算法進(jìn)行了驗(yàn)證�？紤]到試驗(yàn)及分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果,晶體取向會(huì)對(duì)材料的遷移擴(kuò)散行為有較大影響,因此本文利用有限元仿真,構(gòu)造了含不同取向晶粒的有限元模型,并分析了焊點(diǎn)的晶體取向?qū)﹄娺w移壽命的影響。本文首先基于電遷移試驗(yàn)平臺(tái),通過實(shí)施多組電遷移試驗(yàn),分別對(duì)不同電流密度和溫度條件下焊點(diǎn)的失效模式進(jìn)行分析。通過對(duì)比不同工況下焊點(diǎn)內(nèi)部IMC(金屬間化合物)的分布、焊盤的消耗情況以及孔洞與裂紋的位置,結(jié)合長(zhǎng)時(shí)間的恒溫老化試驗(yàn),研究電遷移的兩種失效模式(原子的劇烈擴(kuò)散、裂紋的穿透)的失效機(jī)理。同時(shí),考慮到Ni/Au阻隔層對(duì)原子在焊盤與焊料之間相互擴(kuò)散的抑制作用,本文通過對(duì)比兩種試樣(含或不含Ni/Au阻隔層)在電遷移作用下的微觀組織演變過程,分析了焊盤對(duì)IMC的形成以及Ni/Au阻隔層影響下的電遷移失效規(guī)律。另外,本文通過EBSD(電子背散射衍射)技術(shù)對(duì)試樣所用焊點(diǎn)的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)每個(gè)焊點(diǎn)僅含有限個(gè)晶粒,因而針對(duì)晶粒尺度下的材料性能需要得到更多的關(guān)注。其次,針對(duì)電遷移及老化試驗(yàn)中焊盤的消耗及IMC的生長(zhǎng)規(guī)律,本文通過分子動(dòng)力學(xué)模擬,在晶粒尺度下對(duì)不同的IMC及晶體界面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究。分別從原子的擴(kuò)散行為、晶體的力學(xué)性質(zhì)以及界面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的角度,考慮應(yīng)力、晶體取向等因素,對(duì)電遷移及老化過程中出現(xiàn)的Ag_3Sn、Cu_3Sn以及不同晶體所組成的界面結(jié)構(gòu)可靠性進(jìn)行分析。結(jié)果表明壓應(yīng)力會(huì)促進(jìn)原子的擴(kuò)散,而拉應(yīng)力則有相反的效果;焊盤的晶體取向也會(huì)對(duì)原子的擴(kuò)散以及界面強(qiáng)度有直接的影響,這種影響取決于焊盤與Cu_3Sn界面原子間的匹配程度。在宏觀方面,本文在電遷移原子密度積分法理論體系的基礎(chǔ)上,考慮材料性能在電遷移過程中的退化,結(jié)合自適應(yīng)時(shí)間步的算法功能,用于模擬過程中的迭代計(jì)算以及提高算法的計(jì)算效率和計(jì)算精度,并將該算法應(yīng)用于SWEAT結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)證。同時(shí),本文針對(duì)共格孿晶以及非共格孿晶兩種晶體結(jié)構(gòu),考慮不同的晶體取向,對(duì)試驗(yàn)所用BGA結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬,并分析了晶體取向?qū)﹄娺w移壽命的影響。
【學(xué)位單位】：浙江工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TG457
【部分圖文】：

(a) 未經(jīng)電遷移處理 (b) 經(jīng)電遷移處理后圖 1-2 無鉛焊料的拉伸測(cè)試 SEM 圖片[44]觀組織粗化遷移的持續(xù)作用下，焊點(diǎn)內(nèi)部會(huì)發(fā)生明顯的晶粒粗化現(xiàn)象，其會(huì)引起化進(jìn)而影響到材料的可靠性。針對(duì)這類問題，Ye 等研究了倒裝焊點(diǎn)用下晶粒的粗化及長(zhǎng)大現(xiàn)象，其發(fā)現(xiàn)晶粒的粗化現(xiàn)象隨著電流密度的7]；Matin 等則研究了 Sn-Pb 釬料中影響組織粗化的因素，其認(rèn)為釬變化呈線性生長(zhǎng)規(guī)律，而富 Pb 相的粗化過程則更接近于漸進(jìn)線[48]。面附近小丘和空洞的形成密度電流作用下，不僅在焊點(diǎn)內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)材料粗化以及物相分離等現(xiàn)焊盤界面附近容易出現(xiàn)小丘和空洞等缺陷。這是由于焊點(diǎn)在電流入口而會(huì)發(fā)生電流擁擠現(xiàn)象，導(dǎo)致焊點(diǎn)在該區(qū)域因?yàn)榻苟鸁嵝?yīng)而處于也會(huì)使整個(gè)焊點(diǎn)的溫度有所增加，在電遷移的作用下，陰極附近的金陽極遷移，原子遷出后在原來位置留下空位，空位聚集、形核、長(zhǎng)大

第 1 章 緒論題，此時(shí)往往需要設(shè)計(jì)一些特殊的測(cè)試結(jié)構(gòu)和裝置。這些測(cè)試結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)都具有針對(duì)性，比如針對(duì)互連材料的力學(xué)性能測(cè)試，或者針對(duì)熱遷移電遷移進(jìn)行獨(dú)立的測(cè)如，Zeyu Sun 等[73]利用 wearout-acceleration 技術(shù)對(duì) VLSI 芯片進(jìn)行了電遷移試驗(yàn)洞的飽和體積進(jìn)行評(píng)估。Hsu W N 等[74]利用 Cu/Sn3.5Ag/Cu 結(jié)構(gòu)，來測(cè)試在給定度作用下 Sn 在 Cu 中的擴(kuò)散現(xiàn)象，如圖 1-4（a），Kim K S 等[75]采用 Cu/Solder/C測(cè)試焊接結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能，如圖 1-4（b）。除此之外，任韜等[76]提出一種 S 型的構(gòu)，用以研究電流擁擠現(xiàn)象對(duì)電遷移導(dǎo)致的質(zhì)量輸運(yùn)特性的影響；陳軍等[77]采用射法，通過將合金材料靶材沉積在硅基片上，并進(jìn)行互連電路的制作，利用電遷試驗(yàn)針對(duì) Al-Cu 互連線，研究了溫度和電流密度對(duì)電遷移現(xiàn)象的影響；杜鳴等[78]具有冗余設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的銅互連引線的電遷移可靠性進(jìn)行了研究；吳振宇等提出了一擴(kuò)散-蠕變機(jī)制的空洞生長(zhǎng)模型，通過結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬以及聚焦離子束分析技術(shù)了 Cu 互連中由應(yīng)力所誘生空洞的失效現(xiàn)象，并分析了空洞生長(zhǎng)的速率與溫度、度和擴(kuò)散路徑之間的關(guān)系，以及通孔的尺寸大小對(duì)銅互連應(yīng)力遷移現(xiàn)象的影響[79-

浙江工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文的 IMC 極性生長(zhǎng)現(xiàn)象進(jìn)行了分析，并從金屬原子遷移的角度提出了微互連焊點(diǎn)化的機(jī)理。隨著背散射衍射技術(shù)以及同步輻射技術(shù)的發(fā)展與推廣，從晶體學(xué)角度研究焊點(diǎn)材遷移影響下的變化過程越來越得到廣大學(xué)者的重視。許家譽(yù)等[92]通過對(duì) BGA 封進(jìn)行熱循環(huán)試驗(yàn)，研究了不同晶粒取向的焊點(diǎn)失效行為。結(jié)果表明，不同的晶粒焊點(diǎn)的可靠性和失效模式有很大影響，晶粒的各向異性特點(diǎn)會(huì)促使裂紋沿著晶界生及擴(kuò)展，并引起焊點(diǎn)的失效；J. Bertheau 等[93]利用同步輻射技術(shù)，對(duì)倒裝封裝的無鉛焊料在回流過程中的 IMC 生長(zhǎng)過程進(jìn)行了觀察，其根據(jù)觀察得到的 IMC變化，研究了焊點(diǎn)的回流溫度與焊盤尺寸之間的關(guān)系；H.X. XIE 等[94]通過對(duì)經(jīng)歷間電遷移之后的焊點(diǎn)進(jìn)行觀察以及空洞重構(gòu)，發(fā)現(xiàn)無鉛焊料比有錢焊料具有更高遷移特性。Mertens J C E 等[95]則主要通過同步輻射技術(shù)計(jì)算了電遷移過程中的 I速度，如圖 1-5 所示。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

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本文編號(hào)：2832504