集成电路封装柱形铜凸点在耦合场中原子迁移的数值研究

摘要

随着尺寸的进一步微型化和载荷严酷化，集成电路（IC）封装焊点必将遭遇原子迁移这一可靠性瓶颈。铜柱形凸点是一种新型的、超高密度的倒装芯片互连形式，将成为下一代IC封装的主流技术。本文旨在通过电场理论、热动力学理论和粘塑性力学分析，研究耦合场作用下柱形铜凸点的电迁移、热迁移、应力迁移现象。采用有限元方法对具体模型进行分析，提取原子迁移的关键参数，分析原子迁移的机制。我们对原子在耦合场的失效进行分析，首先对柱形铜凸点中的电迁移、热迁移和应力迁移因素单独分析，各个击破；然后综合研究在多场耦合条件下，这三种迁移的联合行为，并考虑不同大小的载荷对各个力的影响。
　　电流加载是集成电路（IC）封装焊点的一般的工作条件，本文采用有限元方法对具体模型施加不同的电流，清晰描绘其电流分布的物理图像，得出最大电流密度的数值和区域，以确认电迁移“可疑”和优先位置。用模拟仿真的方法得出了因焊料远离电流阻塞区域而使柱形铜凸点的抗电迁移性能力有所提高。同时通过定量分析热迁移力，计算得出了热梯度所产生的迁移力能在很大程度上影响电迁移力。热迁移必然成为一种失效隐患。
　　温差也是集成电路（IC）封装焊点所要面对的一个问题。这是由于材料的热性能和电阻率的差异而造成的。本文对柱形铜凸点在温度载荷的加载下的原子迁移失效模式进行了研究。并运用ANSYS软件对具体模型进行模拟研究，得到了柱形铜凸点内部温度梯度和应力分布。在铜柱形焊点中温度载荷对焊点失效影响很大，在芯片加载125℃的温度载荷就能得到很大的焊点的热应力梯度，产生的迁移力（比温度梯度的迁移力大）致使原子迁移。用模拟仿真的方法得出了在温度载荷下，应力迁移会在焊点上发生。
　　柱形铜凸点在电流的加载时，原子迁移失效是在电热力耦合场的共同作用下形成的。焊点原子失效模式要考虑周全，要把电迁移力、热应力迁移力和温度梯度迁移力都考虑进去才能建立正确的原子迁移失效模型。
　　本文研究柱形铜凸点在多场（电场、热场和力场）耦合作用下的原子迁移（电迁移、热迁移和应力迁移）失效模式与机理，分析影响原子迁移的主要原因，有望在IC封装的原子迁移可靠性改善方面获得重大突破。

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第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2 国内外研究现状

1.3 课题意义

1.4 研究内容

第二章 倒装芯片焊点的原子迁移失效机制的研究

2.1 原子迁移失效机制

2.2 电迁移效应

2.3 热迁移效应

2.4 应力迁移效应

2.5 小结

第三章 柱形铜凸点在电热耦合场中的原子迁移行为

3.1 柱形铜凸点的电热场理论分析

3.2 柱形铜凸点的电流加载模拟研究

3.3 小结

第四章 柱形铜凸点在热力耦合场中的原子迁移行为

4.1 柱形铜凸点的热力场理论分析

4.2 柱形铜凸点的温度加载模拟研究

4.3 小结

第五章 柱形铜凸点在电热力耦合场中的原子迁移行为

5.1 柱形铜凸点的电热力场理论分析

5.2 柱形铜凸点的电热力场模拟研究

5.3 小结

第六章 结论和展望

6.1 本文的研究成果

6.2 本文的特色和创新点

6.3 研究展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的成果