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中科院深圳先进院解析先进电子封装中焊点可靠性的研究进展

微电子封装是将电子产品中各个功能单元连接起来的一种技术,是连接芯片内外部电路的桥梁,是实现芯片功率输入、输出与外界连接的途径。近10年来,电子信息行业的蓬勃发展,智能手机、物联网、汽车电子、高性能计算、5G、人工智能等新兴领域对封装技术提出更高要求。电子设备向着小型化、轻薄化、高性能和多功能的方向发展。电子封装技术朝着增加输入/输出端口密度、减少封装体尺寸等方向发展,封装技术不断更新迭代。

倒装芯片技术(FC)、晶圆级芯片尺寸封装(WLCSP)技术、扇出式封装技术(Fan out)、埋入式芯片技术、三维晶圆级封装技术(3D WLCSP)、三维芯片封装(3D IC)技术和2.5D转接板技术为目前最主要的七种先进封装技术。先进封装技术的发展离不开金属互连技术的革新,先进金属互连形式主要有再布线(RDL)、微焊点、铜柱焊点(CuP)及硅通孔(TSV)等形式,与焊点技术相关的主要是微焊点和铜柱焊点技术两种。


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先进封装中代表性的焊点技术


中国科学院深圳先进技术研究院深圳先进电子材料国际创新研究院孙蓉研究员课题组在《机械工程学报》中以“先进电子封装中焊点可靠性的研究进展”为题发布综述论文。孙蓉老师课题组中主要从事电子材料、功能材料和光电材料等领域的前沿研究及规模量产成套工艺开发等工作。


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三维芯片封装技术示意图


该论文介绍,在先进封装中器件小型化的趋势下,焊点所处的服役环境越加苛刻,这对焊点材料提出了更高的可靠性要求。为保证微小尺寸焊点的可靠性,具有较强扩散阻挡能力的铁镍、铁镍磷和镍钴磷等合金作为新型凸点下金属层(UBM)应用。同时,微量元素对焊料合金力学性能、润湿性及界面化合物生长的调节作用也被广泛研究,以指导新型焊料的制备。

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SnAgCu焊料与Cu UBM界面反应情况


与此同时,可靠性分析技术发展迅速。高精度的三维X射线显微镜(3D-XRM)和超声波扫描显微镜(SAM)等先进无损分析技术在界面表征、缺陷快速定位上的得到广泛应用;透射电镜(TEM)、电子探针(EPMA)和背散射电子衍射(EBSD)等前沿技术填补了纳米尺度表征以及未知物相鉴定等技术空白。随着可靠性分析能力的提高,材料在高温、温度循环、机械应力、电流等常见的单场应力下的失效行为和机理研究日趋成熟。由于多物理场耦合的形式更接近小尺寸焊点实际的工作应力状态,其失效行为机理以及寿命模型逐渐成为研究热点。


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高温高湿环境下的Ag离子迁移现象


总结起来,近10年来微电子封装焊点可靠性的发展主要有如下几点表现:


(1)伴随着微电子封装技术的发展,焊点直径、间距进一步降低,焊点所承受的服役条件更加苛刻,为了保证先进封装互连可靠性,新型的UBM材料和焊料合金材料正在积极研发阶段。其中,Fe-Ni UBM润湿性好,界面化合物生长缓慢,且可以有效湮灭柯肯达尔孔洞,具备优异的抗电迁移能力,是新型扩散阻挡层的代表性材料。在焊料合金方面,在SnBi焊料体系中添加Ag元素,可以提高焊料合金润湿性,降低IMC生长速率,提高力学性能。因此,新型的SnBiAg低温焊料合金也逐步获得业界认可。

(2)在可靠性分析技术发展方面,3D-XRM和SAM的应用使得无损分析的精度提高至微米甚至亚微米级别。而TEM、EPMA以及EBSD技术的应用使得破坏性物理分析精度提高至纳米级别,成分分析准确度提高至0.01wt.%,并且可以实现微观结构定量化表征。这些先进表征设备的应用有助于剖析多层界面发生的复杂物理、化学变化,为失效机理及可靠性研究提供充足的数据支撑。

(3)在可靠性理论方面,焊点在高温、高温高湿、温度循环、振动疲劳、电迁移等单场应力作用下失效模式以及寿命模型日趋成熟。影响焊点寿命的隐形因素,包括焊点结构及尺寸、界面元素扩散行为、IMC生长行为、锡晶粒取向以及焊点承受应力应变状态等也被逐步澄清。与单场不同,多物理场耦合作用下的失效模式及寿命模型均存在较大差别,而且小型化下器件服役条件复杂,多种应力无法区分,多物理场耦合的可靠性研究成为重要的发展趋势。


该研究获得国家科技重大专项02专项(2011ZX02602)和国家重点基础研究计划(973计划,2010CB631006)资助项目的支持。


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点击次数:  更新时间:2021-12-21 12:28:45  【打印此页】  【关闭
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