Kwok[6]最先提出研究,Seith 與Wever 也以定位點(marker)
的運動,來量測質量遷移的位移量,此方式在測量電遷移上,後 來成為標準的方法。電遷移的主要驅動力為電子風力(electron wind force),在1914年由Skaupy提出,來量化電遷移的質量傳 輸。
H. Wang, C. Bruynseraede 等人在APL 2004 提出[7],當
電子聚集發生於電遷移在銅導線的damascence 當中,為了加速 速率分別為16、49、66 nm/h,,而活化能為0.73 ± 0.12 eV。
[8][9]
在Kuo Ning Chiang, Chien Chen Lee 等人發表在APL 2006 的文獻中[10]指出,無鉛銲錫受電遷移作用影響下,會有明顯孔
MTTF(mean-time to failure)為定義的焊錫接點平均破壞時
焦耳熱(Joule heating )是當電子通過金屬時,電能會轉變 為熱能,此熱能會對銲錫接點造成影響熱,焦耳熱造成的功率可
表示為以下式子: (Joule heating effect)。
在S.H. Chiu 與Chih Chen 等人發表於APL 2006 的文獻當 中指出[11],銲錫接點在通電作用下,產生的焦耳熱效應,對銲 exp層級減少,些微的影響即會造成很大的差異,Wu et al.在ECTC 2002[13]中提到,在共晶錫鉛銲錫中,電流密度為5 x 103 A/cm2, 因為焦耳熱效應會使得原本的溫度從所設定的加熱溫度125℃提 高為150℃,導致油MTTF公式所計算的平均破壞時間由277小時變 為84小時,由以上可知溫度項影響之巨。
2-2-2 電流集中效應
由 Liang et al.在JMR[14]所發表的研究中指出,藉由三維 有限元素分析法模擬可得到電流密度在銲錫接點中的分布,銲錫 內部最大電流密度遠大於平均電流密度,最大電流密度出現在銲 錫凸塊與金屬墊層的介面,是電遷移最易發生之處,導致空孔喜 好分布在此介面上,這是局部高度電流密度產生的電流集中效應 (current crowding effect)所致。當電子流從導線通往銲錫內 部時,其路徑面臨劇烈的幾何形狀改變,因為導線與銲錫的接觸
利用薄膜Al/Ni(V)/Cu UBM 的覆晶銲錫試片做研究。將共晶錫鉛 阻的變化。Hua Ye, Cemal Basaran[16]等人發現通電狀態下,
因為電流的推動,孔洞生成在陰極端,hiilock生成在陽極端。 的墊層,在1.5 A 、120℃的條件下,進行通電20、30、39.5 小 時的電遷移測試,結果可以發現以下幾點: 厚膜鎳金屬墊層快速 反應溶解、介金屬化合物迅速成長、產生孔洞,介金屬化合物最 遠可以生成到距離鎳金屬墊層 20μm 處。K.N. Tu 等人發表在 APL, Vol. 88(2006)[12]發現鬆餅狀的孔洞(pancake-type
void)。如圖2-4。其中內容引用,在150℃下電流密度為
2.55×104A/cm2 ,經過38小時之後,原子與空孔的交換下,可以 發現界面處有孔洞形成,一旦鬆餅狀孔洞生成後,其後只需要五 個小時鬆餅狀孔洞便會橫過整個介面,導致迴路斷路。
2-2-4 鋁導線在薄膜金屬墊層中的破壞
Y. S. Lai發表在Electronic Components and Technology
Conference (2007)[19]中發現,有鈦/鎳(釩)/銅(Ti/Ni(V)/Cu)薄 膜金屬墊層的錫銀銅(Sn-3Ag-0.5Cu)銲錫凸塊在電流密度
5x103A/cm2150℃經過2250小時的測試後,電子流方向由箭號標 出,因為電遷移所引起使靠近金屬墊層的鋁導線產生嚴重的破
鋁導線無法抵抗電子流造成的電遷移影響,之後利用
EPMA(electron probe microanalyzer elemental mapping)分析 得知,導線中的鋁原子經由金屬墊層進入銲錫內部,且錫原子也 進入導線內部,造成導線嚴重破壞。
2-3 銲錫電流密度分布的模擬
C. C. Yeh與K. N. Tu在J. Applied Physics Vol. 88(2000)
[20]發表的研究中,利用有限元素分析法做三維的結構模擬,用 人發表在Applied Physics L.Vol. 80(2002)[21]的研究中,
提出導線與銲錫接點幾何形狀的差異造成銲錫接點內部的電流 集中效應,並由實驗的結果證實此現象會造成銲錫接點中電流集 中處有孔洞生成,且使銲錫在電遷移可靠度測試的結果不如預 期,由結果推得在設計中引入可減緩電流集中效應的方法,可以 提高銲錫接點的電遷移測試可靠度。銲錫內部電流密度分布分析 結果如圖2-7所示。
圖 2-1 在鋁導線中電遷移的影響,造成質量隨電子流方向移動,一 端產生孔洞(void),一端產生質量堆積(extrusion)。
圖2-2 上圖為無鉛銲錫內部電流密度分布模擬。下圖為無鉛銲錫經過 1431 小時通電,電流密度為1.68×104 A/cm2之SEM影像,孔洞生成於 電子流由導線進入銲錫處(左邊銲錫凸塊左上角)。
圖2-3 (a)通入0.59 A 電流,以紅外線顯像儀觀測到的溫度分布。
[12]
(b)通入電流時,銲錫內部溫度分布模擬。[12]
圖2-4 銲錫內部鬆餅狀的孔洞生成SEM影像。[12]
圖2-5 上圖為錫銀銅銲錫接點經過2250小時通電測試後的SEM影像 剖面圖,下圖為白框部分的放大圖[19]
圖 2-6 轉角結構及導線孔洞造成的電流密度模擬結果。[20]
圖2-7 有限元素分析法模擬銲錫內部電流密度分布。[20]