利用三维X射线层析成像技术解析Ni/SnAg/Ni焊料微凸点中由电迁移引起的空洞缺陷

《Materials Advances》：Elucidating electromigration-induced void failures in Ni/SnAg/Ni solder microbumps using 3D X-ray laminographic inspections

高分辨率3D X射线显微术可有效非破坏检测Ni/SnAg/Ni微 bumps中电迁移引发的空隙，结果显示空隙呈不规则随机分布，且随电流密度增加（8×10? A/cm2时71-75%检出率，1.6×10? A/cm2时33%）与Sn α 角度存在关联，高α空隙微 bumps保持完整Sn，低α空隙微 bumps Sn颗粒残留量与空隙程度相关。

　　

杨世志|吴志豪|谢凯成|涂敬宁|陈志

国立阳明交通大学材料科学与工程系，新竹30010，台湾

摘要

本研究表明，高分辨率（0.4 μm）的3D X射线显微镜可以用于无损且有效地表征Ni/SnAg/Ni微凸点中由电迁移（EM-induced）引起的空洞。3D X射线观测的结果与常见的破坏性方法获得的结果相当。通过连续的层析成像观测发现，这些空洞的形状不规则且分布随机。为了评估空洞故障的程度，根据3D X射线观测结果定义了三个级别：轻微、中等和严重。在高电流密度（8×10^4 A/cm^2）下，始终检测到空洞（71%～75%），而在低电流密度（1.6×10^4 A/cm^2）下则很少观察到空洞（33%）。此外，还阐明了空洞故障与Sn α角度的依赖性。未出现空洞的微凸点中Sn结构完整，而出现空洞的微凸点中Sn颗粒的α角度较低，并且会随着空洞程度的不同而变化。

引言

自20世纪60年代初倒装芯片技术出现以来，微电子封装的研究进展迅速[1]，实现了多种组装和封装方式[2,3]。最近，高端计算设备的需求推动了3D集成的发展。由于小型化和环境健康问题[4,5]，倒装芯片封装已从含铅焊料转向无铅焊料微凸点[6]。针对高带宽存储器（HBM）应用的垂直堆叠动态随机存取存储器（DRAM），相邻芯片通过焊料微凸点和硅通孔（TSVs）连接[7]。典型的焊料微凸点包含Cu柱和焊料帽，采用瞬态液相（TLP）和热压键合工艺制造。它们的直径和间距可以缩小到50 μm以下[8,9]，从而提高了封装密度，以满足摩尔定律的扩展。也就是说，与体积比高的C4凸点相比，焊料在微凸点中的比例大大降低。此外，为了防止金属间化合物（IMCs）脱落，凸点下金属化层（UBM）的厚度无法相应减小[10]。这种焊料体积的减少在回流焊后可能会引发多种可靠性问题。由于过度焊接反应形成的IMCs可能导致微凸点的机械退化和电阻增加[11]。此外，还有报道称，由于焊料可能会润湿UBM的周边，可能会导致缩颈故障[12]，从而造成焊料耗尽，对互连造成致命损害[13,14]。

电迁移（EM）包括热效应和电效应，是焊料互连的另一个典型可靠性问题。由于原子运动和空位流动的差异，阴极处的空洞聚合可能导致电阻增加或开路故障[15,16]，从而缩短焊料接头的电迁移寿命。对于承受持续电流载荷的接头，不均匀界面处的电流拥挤可能会产生局部过热并加速电迁移[17],[18],[19]，导致焊料/IMC界面处形成类似煎饼状的空洞[20,21]。此外，由于焊接反应中的UBM消耗，IMC/UBM界面也会发生空洞聚合[22]。此外，在Cu3Sn层中经常发现由原子通量不平衡引起的Kirkendall空洞，这可能会降低焊料接头的结构完整性[23]。尽管已经发现焊料微凸点中的电阻增加主要是由IMC生长引起的[24,25]，但离散的空洞形成仍然会显著降低平均故障时间（MTTFs）[26]。电迁移可靠性的另一个值得关注的问题是β-Sn基质中金属原子的各向异性扩散性，这是由于其体心四方（BCT）晶格结构[27,28]。许多研究者已经阐明，电迁移故障机制与β-Sn颗粒的晶体取向密切相关[29],[30],[31]。

为了表征焊料微凸点中的这些空洞故障，样品通常需要研磨和抛光到所需的表面，以便用扫描电子显微镜（SEM）或其他破坏性方法进行观测[32],[33],[34],[35]。然而，这些破坏性方法可能会产生自由表面，导致进一步的氧化和热扩散问题。而且对芯片中的数千个微凸点进行故障分析非常耗时。因此，需要采用无损方法，因为它们更有效且可以避免上述问题。基于此，本工作采用了无损的三维X射线（3D X射线）观测。此前，已经使用3D X射线层析成像结合有限元（FE）模型来表征电迁移过程中倒装芯片焊料接头的离散空洞形成[36,37]。其360度扫描方法能够对焊料微凸点内部进行完整的体积和线性观测。与破坏性方法不同，3D X射线检测可以在不破坏芯片的情况下进行完整成像。尽管3D X射线已被用于无损表征焊料接头的电迁移故障[37,38]，但尚未根据不同的电迁移条件进行进一步的空洞故障研究。在本研究中，使用高分辨率3D X射线检测了电流应力作用下焊料微凸点中的空洞形成情况。在不同电迁移条件和电流应力时间下，对微凸点中的空洞故障进行了表征。3D X射线表征的结果与横截面SEM的观测结果相当。

实验部分

实验

在本研究中，Cu/Ni/Sn2.3Ag/Ni/Cu焊料微凸点接受了电迁移测试。样品结构的SEM背散射电子图像（BEI）如图1a所示。微凸点的直径约为30 μm，焊料高度为12 μm。顶部和底部的Cu RDL厚度为3 μm。采用了10-μm-Cu/2-μm-Ni的UBM，据报道这种结构能够减轻电迁移损伤并抑制热迁移[39],[40],[41]。值得注意的是...

结果与讨论

3D X射线显微镜的结果如图5所示。该样品在电迁移测试前进行了检查。图5a显示了平面视图CT扫描结果，其中带有空洞的微凸点用红色矩形标出。相应的3D X射线重建图像如图5b所示。图5c是所提到的带有空洞的微凸点的放大横截面视图。正如预期的那样，观察到了明显的空洞，这与图5a的结果一致，验证了3D X射线观测的可靠性

结论

借助高分辨率3D X射线观测，我们能够无损且有效地检测焊料微凸点中的电迁移引起的空洞故障。结果与使用SEM的破坏性方法得到的结果一致。空洞在微凸点内形成不规则且分布随机。此外，根据层析成像图像确定了三个空洞级别：轻微、中等和严重级别，以评估空洞情况

CRediT作者贡献声明

杨世志：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，软件，方法论，调查，正式分析，数据管理，概念化。吴志豪：软件，调查，正式分析，数据管理。谢凯成：正式分析，数据管理，概念化。涂敬宁：撰写 – 审稿与编辑，验证，正式分析。陈志：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，监督，项目管理，方法论，资金支持

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本工作得到了台湾国家科学技术委员会（NSTC）通过T-Star中心项目：“未来半导体技术研究中心”（114-2634-F-A49-001和111-2634-F-A49-008）以及台湾先进半导体技术研究中心在教育部的高等教育Sprout项目下的资助。此外，作者还要感谢Mars Tohken Solution（MTS）的技术支持。