钎料的电子迁移现象

一、问题的引向电子迁入长期以来用作研究半导体配线缺失的构成机理及对策。预示着半导体配线的微细化，流到配线的电流值明显下降。

2020-03-30 VLSI中的Al或Cu线宽为0．1μm、薄0．2μm的横截面上，即使只通过1mA的电流，其电流密度也低约106A／cm2。面临如此大的电流密度，只要温度略为有变化，也将很更容易造成电子迁入现象再次发生。另一方面，对焊点来说现在其后半段部分早已较为小了，例如，其细间距已可超过200μm的直径。

然而，这还远非无限大。随着现代化工艺进程的更进一步前进，半导体的微细化后半段点数势必会之后减少，这就意味著，焊的后半段面积必定还将之后变大。

特别是在倒装片技术中，100μm的直径流到的峰值电流大约0．2A，到2011年该尺寸已更进一步增大到50μm，对上述某种程度的峰值电流来说，其电流密度之后低约10＾4A／cm2。由此，之后可意识到将来钎料的电子迁入现象必定不会沦为影响焊点可靠性的一个大问题。二、钎料的电子迁入电子迁入的驱动力是“电子风”，图1说明了其兴起的过程。

？图1强劲电子流前进原子的蔓延（灰色的原子由“电子风”引进的空穴蔓延）在很强的电子流的场合下，电子风相等于原子风。按其构成原理对其展开建模分析。

在这里把在电场E中的有效地电荷Z※作为驱动原子运动的动力Fem，这样就获得下式：Fem＝Z※Ee（1）式中e——电子的电荷；E——电场强度，对金属来说，在电场里流到电流时，其电场强度可回应为电流值j和电抗值ρ的乘积，即Fem＝Z※eρj（2）Z※——和“杂乱折断面积”涉及的变量，当电子取得一定程度的能量移动时，就可以求出原子的通量（单位时间通过单位面积的原子数，原子／cm2·s），有Jem＝C（D／kT）Fem＝C（D／kT）Z※eρj＝nμeEe（3）式中，C为单位体积当量的原子密度；n为单位体积当量的电子密度；（D／kT）为原子的移动度；μe为电子的移动度；D为玻尔兹曼常数（是温度函数）；T为绝对温度。此时库仑力因为较小故不予忽视。由式（3）可以预测某时间段不会再次发生怎样的原子移动。原子移动的本质是晶格中的空穴。

这些空穴的挤满之后构成空隙，空隙的茁壮所引发的破断就能用上式来预测。对LSI的Al或Cu配线场合，电子迁入沦为问题的电流密度为10＾5～10＾6A／cm2，而对钎料来说，更加较低的电流密度10＾3～10＾4A／cm2之后能产生。即使二者的配线大小等级有差异，但旋即也不会沦为问题的，这是必需要考虑到的。

像上式所回应的，电子迁入要影响原子的蔓延速度。作为在Sn中蔓延慢的原子如Cu、Ag、Ni等，实质上这些原子的蔓延速度是出现异常慢的，它不渗入Sn的结晶格子，只在晶格间移动。由于Sn的间隙间的多结晶结构，故Ni等是在Sn的间隙间的针中蔓延的。

由于只有β－Sn具备有所不同的方向性结晶（有所不同的结晶方位其特性上有较小的差异），所以Ni的蔓延亲率随结晶方位的有所不同也不存在着差异。这一性质，难道对识后半段部分也不会产生影响。总之作为识的钎料球，球自身完全也有多个结晶，所以其电子迁入的效果也是有所不同的。

三、电子迁入对黏合界面的影响电子迁入不是分开再次发生的，它同时加热、温度梯度及应力场等的转录而对蔓延产生影响。因此，在考虑到简单的装配形态时，必需充份研究上述的各种因素的影响。首先，讲解非常简单的界面情况，如图2示出了Sn－Ag－Sn包含的后半段界面的电子迁入的情况。

图2在Sn－Ag－Sn黏合界面的电流流到场合时的界面的组织的变化（140℃，500A／cm2的条件下15天后）电子从左向右流动，使左侧的界面金属间化合物层变薄，反过来在右侧的增厚。像这样在＋极侧和－近于外侧化合物的生长的差异，是因热扩散和电子迁移扩散的和或劣的有所不同所造成的，在左侧由于热导致的化合物生长的方向和由电子迁移扩散驱进的化合物生长的方向完全一致，因而化合物生长得薄，而在右侧二者是忽略的，因而生长的厚度厚。另外，还不应考虑到气流方面的影响。

例如，由再东流焊构成的反应层，不受电子迁入的影响大，如图3右图回应了Sn3．8Ag0．7Cu钎料球焊点的二比较电极界面的金属间化合物的状况。在此场合，－近于外侧的电极界面的化合物消失，而＋近于外侧则变薄了。

在Sn系焊的界面，也展现出了电子迁入的影响。较为SnNi、SnCu等的界面化合物的生长，前者Ni和Sn的蔓延具备双方性，而后者则是以Cu的蔓延居多。图3Sn3．8Ag0．7Cu的钎料球后半段部的界面的组织及电子迁入产于（4×104A／cm2，l50℃、35min后的的组织）在特定的条件下，由温度引发的蔓延也有可能沦为主要形式，如图4右图。两个Cu电极和SnPb共晶钎料后半段，把温度变化和流到的电流场合Sn构成的变化较为，在室温Sn向＋近于外侧蔓延，而在150℃时Pb也向＋近于外侧蔓延。

此时，温度的影响沦为主角。图4Sn37Pb钎料后半段部的Sn的浓度四、电子迁入对倒装片后半段的影响电子迁入之所以沦为问题，是随着低集成化和细间距简化的进展，对倒装片后半段情况，由于痉挛构成的温升影响变得愈多相当严重，从而导致焊点脱落。

此时，倒装片的接合部具备特异的后半段形状。计算出来一个球在后半段部分流向电流的状况，如图5右图。图5倒装片钎料球在后半段部展现出的电流密度产于前面已讲解，倒装片流向的平均值电流值大体为10＾4A／cm2。

由此可知，缺失的构成集中于在电流密度低的部分。这里作为化合物的生长的例子，如图6右图。Cu配线电流密度低的左侧部分完全消失，而其化合物的生长却很明显。

图6Pb3Sn的倒装片后半段部分解的电子迁入（2．55×10＾4A／cm2，155℃）倒装片后半段部空隙的构成如图7右图。由于电流密度低的部分Sn蔓延在晶格中构成空穴，这些空隙的茁壮首先在球的一侧开始，然后沿着电极界面向斜的方向展开拓展，如图8右图。

这时电流的流动路线也回来移往，电流仅有集中于在右侧流到。就时间来说，在37h之前空洞的再次发生不是非常明显的。然而在其之后空隙之后急速发展，仅数小时之后可波及后半段面的全部。

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