無鉛錫膏電遷移對焊點可靠性的影響
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無鉛錫膏電遷移對焊點可靠性的影響
隨著電子設備需求的增加和日趨的小型化，電遷移不僅對集成電路的可靠性提出了挑戰，而且對電子封裝的可靠性也提出了挑戰。電遷移是影響錫膏焊點可靠性的因素之一。在電子設備使用時會產生電流應力在錫膏焊點處形成一定的電流密度，且隨著I/O數量越來越多，電流密度也隨之加大。電流密度是原子的遷移和金屬間化合物生長的驅動力。隨著時間推移，持續的電流應力可能會導致開路問題。
電遷移是由移動電子的動量轉移引起的金屬離子的擴散，電遷移發生條件是元件存在陽極和陰極。在電流應力作用下，互連焊點中的定向原子傳輸加速了UBM消耗和IMC層的不對稱生長，并導致空隙、裂紋等缺陷。無鉛錫膏容易出現電遷移，是因為無鉛錫膏熔點較低導致較高的擴散率。快速的電遷移會導致焊點失效。AbdelAziz et al. (2021)測試了SAC305錫膏焊點的電阻的變化，發現在300多小時的時候電阻率迅速上升，意味著電遷移的發生 (圖1)。并且焊點裂紋和空洞也隨著時間變化。
圖1. SAC305錫膏焊點電阻測試結果，電流=5A (AbdelAziz et al., 2021)。
圖2. SAC305錫膏焊點不同時間下的微觀剖面圖, (a) 0, (b) 102, (c) 139, (d) 171 and (e) 276 h (AbdelAziz et al., 2021)。
從圖2可以看到，隨著時間發展，SAC305錫膏焊點頂部和底部左下角出現了裂紋，且在焊點上方出現了空洞(黑色區域)。
類似的，Zuo et al. (2015)對共晶SnBi錫膏的電遷移測試，發現在電和熱應力耦合作用測試后期，高電流密度造成電遷移，改變了由質量傳輸引起的界面力學，加快生成金屬間化合物，并導致了最終的焊點失效。Zuo et al.實驗結果顯示在260小時電熱耦合應力作用后，焊點出現了明顯的空洞和棒狀鉍擠壓(extrusions) (圖3)。 裂紋已經進一步發展，并且Cu-Sn金屬間化合物厚度越來越大，呈現出和時間的正相關關系。
圖3. SnBi58錫膏在電流密度2x103A/cm2和熱循環狀態下測試260小時后的SEM圖；(a)陰極，(b)陽極 (Zuo et al., 2015)。
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參考文獻
AbdelAziz, M., Xu, D.E., Wang, G.T., & Mayer, M. (2021), “Electromigration in solder joints: A cross-sectioned model system for real-time observation”, Microelectronics Reliability, vol.119.
Zuo, Y., Ma, L.M., Liu, S.H., Shu, Y.T., & Guo, F. (2013), “Evolution of Microstructure Across Eutectic Sn-Bi Solder Joints Under Simultaneous Thermal Cycling and Current Stressing”, Journal of Electronic Materials, vol.44.
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