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本文介紹薄膜陶瓷基板上直徑為40μm或30μm的倒裝芯片無鉛焊接連接的電遷移研發(fā)，在電遷移是影響電子設(shè)備長(zhǎng)期可靠性的過程之一；因此，它成為近年來許多調(diào)查的重點(diǎn)。也是關(guān)于倒裝芯片封裝技術(shù)，在大多數(shù)已發(fā)表的數(shù)據(jù)都與金屬化有機(jī)陶瓷基板的焊料連接中的電遷移有關(guān)。在本文中幾乎沒有關(guān)于薄膜陶瓷基板上無鉛焊接連接中電遷移的任何信息。

因此，在這項(xiàng)工作展示了組裝到薄膜氧化鋁陶瓷基板上的硅芯片上，標(biāo)稱直徑為40μm或30μm，間距為100μm的無鉛（SAC305）倒裝芯片焊料凸塊的電遷移研發(fā)效果。凸點(diǎn)下金屬化（UBM）由直接沉積在AICu0.5跡線上的5μm厚的化學(xué)鍍鎳浸金（ENIG）層組成。陶瓷基板使用薄膜多層（NiCr-Au（1.5μm）-Ni（2μm）結(jié)構(gòu)金屬化，在其頂部通過沉積所需直徑的閃金（60nm）以高精度產(chǎn)生可潤(rùn)濕區(qū)域（40μm或30μm）。

倒裝芯片焊料凸塊繼續(xù)為將半導(dǎo)體器件（例如硅芯片）與外部電路（例如印刷電路板）互連提供經(jīng)過驗(yàn)證且可靠的方式，組件的持續(xù)小型化、更大的晶圓、更薄的封裝、更高水平的集成和環(huán)境法規(guī)對(duì)這種封裝技術(shù)構(gòu)成了重大挑戰(zhàn)。它們是通過應(yīng)用由無鉛合金組成的逐漸變小的焊球來滿足的，而這些焊球以越來越短的距離（間距）相互焊接。然而，焊點(diǎn)的小尺寸引起了對(duì)其可靠性的擔(dān)憂。特別是近年來，電遷移（EM）應(yīng)力下的互連性能已成為關(guān)注的焦點(diǎn)。

大多數(shù)關(guān)于倒裝芯片無鉛焊點(diǎn)電遷移的公開數(shù)據(jù)都與有機(jī)基板 (PCB)上的互連有關(guān)，幾乎沒有任何關(guān)于陶瓷基板上無鉛焊點(diǎn)電遷移的信息；高鉛焊料今天仍用于陶瓷上的互連。這項(xiàng)工作首次展示了對(duì)組裝到薄膜Al上的硅芯片上標(biāo)稱直徑為40 μm或30 μm且間距為100 μm的無鉛 (SAC305) 倒裝芯片焊接連接中電遷移的綜合研究結(jié)果陶瓷基板。

所有電遷移測(cè)試均在125℃的溫度下進(jìn)行，最初，以8KA/cm2的電流密度加載一個(gè)具有40μm焊料凸塊和一個(gè)具有30μm焊料凸塊的芯片組件1000小時(shí)。組裝并沒有失敗，使用SEM進(jìn)行的調(diào)查顯示凸塊的微觀結(jié)構(gòu)沒有顯著變化。

此后，對(duì)7個(gè)具有40μm焊料凸塊的芯片組件和5個(gè)具有30μm凸塊的組件進(jìn)行了14KA/cm或25KA/cm的電遷移測(cè)試分別。到目前為止，40μm組件中有6個(gè)在7000小時(shí)后失效，而30μm組件在2500小時(shí)測(cè)試持續(xù)時(shí)間后沒有一個(gè)失效。用SEM和EDX對(duì)失效樣品進(jìn)行的研發(fā)表明，微觀結(jié)構(gòu)在電流方面發(fā)生了不對(duì)稱的變化。發(fā)現(xiàn)在焊料中形成了幾種金屬間相。發(fā)現(xiàn)互連的主要損壞發(fā)生在與芯片的陰極接觸處；那里的Ni-P層顯示出典型的柱狀 Kirkendall 空洞，這是由Ni從層遷移到焊料中引起的。Ni-P和焊料之間的界面明顯發(fā)生了接觸失效。

總之，研發(fā)結(jié)果表明陶瓷基板上的無鉛焊接連接具有非常高的抗電遷移穩(wěn)定性。這種高穩(wěn)定性主要是由于更好的散熱以及，因此在電流流動(dòng)期間由電阻加熱引起的陶瓷封裝的相對(duì)較低的溫度升高。此外，研發(fā)中使用的金屬化類型似乎比標(biāo)準(zhǔn)PCB金屬化更能抵抗電遷移，因?yàn)樗缓~層。