أداء الهجرة الكهربائية لطبقة إعادة توزيع النحاس ذات الخطوط الدقيقة (RDL) لتغليف HDFO

يؤدي اتجاه تقليص حجم الأجهزة إلى زيادة الطلب المستمر على زيادة المدخلات/المخرجات (I/O) وكثافة الدوائر، وتشجع هذه الاحتياجات على تطوير حزمة مروحة خارجية عالية الكثافة (HDFO) مع طبقة إعادة توزيع دقيقة من النحاس (Cu) (ردل). بالنسبة لتطبيقات الهاتف المحمول والشبكات ذات الأداء العالي، يعد HDFO حلاً ناشئًا لأنه يمكن تطبيق قواعد التصميم الصارمة على HDFO مقارنة بأنواع الحزم الأخرى مثل Wafer Level Fan-Out (WLFO). يسمح HDFO بتجميع أكثر من شريحة واحدة في حزمة واحدة ويتم استخدام Cu RDL الناعم في الغالب لربط الرقائق. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تصنيع HDFO على مستوى الرقاقة والركيزة اعتمادًا على التطبيق، والذي يتمتع بقابلية توسع أفضل من حيث حجم العبوة.

يتم تضمين Cu RDL في HDFO مع طبقة عازلة مثل بوليميد (PI) وينقل الإشارة بين الرقائق أو من الركيزة إلى الرقاقة. مع تدفق التيار عبر Cu RDL، تتراكم الحرارة في الموصل بسبب توليد تسخين جول. يمكن أن يؤدي تراكم الحرارة هذا إلى تدهور الأداء. نظرًا لأن كثافة التيار المطلوبة ودرجة حرارة تسخين الجول تتزايد في بنية Cu RDL الدقيقة، فإنها تعتبر عاملاً مهمًا في أداء تعبئة HDFO.

نظرًا لأن Cu RDL الجيد يجب أن يتمتع بأداء موثوقية عالي، فقد تم تقديم هياكل مختلفة لـ RDL مؤخرًا، مثل التتبع المضمن RDL (ETR) وتتبع النحاس المغطى بعازل غير عضوي للتوصيل البيني عالي الكثافة وأداء الموثوقية [1، 2]. تم إجراء العديد من الدراسات المتعلقة بتقييم أداء موثوقية Cu RDL أيضًا.

يعد الهجرة الكهربائية (EM) أحد العناصر لتقييم موثوقية Cu RDL وأداء الخصائص الكهربائية. EM هي آلية يتم التحكم فيها بالانتشار عن طريق الحركة التدريجية للذرات المعدنية في الموصل نتيجة لتدفق الإلكترون. يؤدي هذا النقل الجماعي لذرات المعدن إلى تكوين فراغات على جانب الكاثود ورباط على جانب الأنود من الموصل. تؤدي هذه العمليات إلى فقدان الاستمرارية الكهربائية. يتأثر سلوك الهجرة الكهربائية بحجم الميزة وحالة الإجهاد واتجاه تدفق الإلكترون وبنية الاختبار مثل علم المعادن المشترك. في حالة اختبار Cu RDL EM، لا توجد قوة تدفق الإلكترون فحسب، بل يوجد أيضًا تدرج حراري في الموصل، لذلك يُعزى تدهور EM إلى الإمكانات الكهربائية والطاقة الحرارية [3].

باستخدام نتائج اختبار EM، من الممكن التنبؤ بالحد الأقصى المسموح به لكثافة التيار أو العمر في ظروف ميدانية محددة. يمكن استخدام اختبارات EM التي يتم إجراؤها في ظل ظروف متسارعة والاستقراء بناءً على البيانات التجريبية EM لتقدير القيم الحالية أو القيم الدائمة لحالة الاستخدام. بالنسبة للحساب، يتم استخدام نموذج بلاك، الذي نشره جيمس بلاك في عام 1969، على نطاق واسع. يتم تحديد بعض العوامل في هذا النموذج من خلال ملاءمة نموذج توزيع الفشل مثل ويبل والتوزيع اللوغاريتمي الطبيعي. في هذه الورقة، يتم وصف نتائج توصيف EM وتحليل الفشل لـ Cu RDL مع ≥ 10 ميكرومتر في حزمة HDFO في ظل ظروف تيار ودرجة حرارة مختلفة. بالإضافة إلى ذلك، يتم توفير النسبة المتزايدة للحد الأقصى المقدر للتيار المسموح به في ظل ظروف الاستخدام المتعددة لدرجة حرارة التشغيل والعمر الافتراضي.

هيكل Cu RDL في حزمة HDFO

تم إنشاء حزمة HDFO لاختبار Cu RDL EM. كان حجم جسم العبوة والقالب 8.5 مم × 8.5 مم و 5.6 مم × 5.6 مم على التوالي. يحتوي تلفزيون HDFO على هيكل RDL متعدد الطبقات والذي يحتوي على ثلاث طبقات بسماكة 3 ميكرومتر وطبقة بذرة Ti/Cu لكل RDL. أيضًا، تم تطبيق البوليميد كمادة عازلة تحيط بالنحاس الناعم RDL. يوجد فوق هيكل RDL نتوء عمود النحاس والقالب والعفن. نوع القالب فوق القالب يغطي الجانب العلوي من القالب. يظهر الهيكل العام لـ Cu RDL في الشكل 1.

الشكل 1: عرض المقطع العرضي لمركبة اختبار HDFO مع RDLs الثلاثة الخاصة بها.

تم تصميم واختبار RDL مستقيم من النحاس بطول 1000 ميكرومتر وعرض 2 و10 ميكرومتر. كانت طبقة Cu RDL هي الطبقة السفلية (RDL3) في HDFO. تم توصيل أربع كرات من مصفوفة الشبكة الكروية (BGA) بـ Cu RDL الذي تم اختباره من أجل التأثير الحالي واستشعار الجهد. يوضح الشكل 2 رسمًا تخطيطيًا لتصميم RDL الذي تم اختباره.

الشكل 2: تصميم Cu RDL لاختبار الهجرة الكهربائية. "F" و"S" يعنيان التأثير الحالي واستشعار الجهد، على التوالي.

اختبار الهجرة الكهربائية

تم تركيب مركبة اختبار HDFO على السطح على لوحة الاختبار للتوصيل الكهربائي مع نظام اختبار EM ولم يتم تطبيق الحشو الثاني بعد التركيب على السطح. تم التأكيد على Cu RDL بعرض 10 ميكرومتر تحت التيار المباشر البالغ 7.5 و10 و12.5 × 10⁵أ/سم² ودرجة الحرارة 174 و179 و188 و194 درجة مئوية. تم أيضًا اختبار اختبار Cu RDL EM بعرض 2 ميكرومتر تحت التيار المباشر 12.5 × 10⁵أ/سم² ودرجة الحرارة 157 درجة مئوية. شروط الاختبار موضحة في الجدول 1. تعتبر درجة حرارة الاختبار هي درجة الحرارة عند Cu RDL. لذلك، تم ضبط درجة حرارة الفرن عن طريق تعويض كمية التسخين بالجول. تم إجراء معايرة تسخين جول عند كل تيار إجهاد لأنه يعتمد على مقدار كثافة التيار.

لمعايرة تسخين جول، تم قياس المقاومة عند درجات حرارة متعددة في ظل الظروف الحالية المنخفضة والضغط. يعتبر التيار المنخفض هو الشرط الذي يولد تسخينًا غير جول. تزداد قيمة المقاومة مع زيادة درجة الحرارة المحيطة ويتم استخدام سلوك تغيير المقاومة في الظروف الحالية المنخفضة للحصول على قيمة المعامل الحراري للمقاومة (TCR). بعد قياس المقاومة عند ظروف درجة حرارة قليلة، تم حساب كمية تسخين الجول باستخدام TCR وفرق المقاومة بين حالة التيار المنخفض والتيار الاختباري. يشار في الجدول 10 إلى درجة حرارة تسخين الجول المحسوبة لكل حالة اختبار حالية ودرجة الحرارة عند Cu RDL بعرض 2 ميكرون.

الجدول 1: شروط اختبار Cu RDL EM ذات الخطوط الدقيقة.

الجدول 2: درجة حرارة تسخين الجول ودرجة الحرارة عند rdl. تم إجراء أربعة شروط اختبار لاختبار Cu RDL EM الدقيق.

استمر اختبار EM حتى زادت المقاومة بنسبة 100% وتم ضبط معيار تحديد وقت الفشل (TTF) لحساب الحد الأقصى للتيار المسموح به على زيادة المقاومة بنسبة 20%. من المعروف أن معيار النسبة المئوية للزيادة في المقاومة يكون أكثر فعالية إذا أظهرت جميع الهياكل مقاومة أولية متشابهة جدًا. كانت المقاومة الأولية في ظل حالة الإجهاد من 0.7 إلى 0.8 أوم لعرض Cu RDL بعرض 10 ميكرومتر، لذلك تبدو القيم متشابهة تمامًا مع بعضها البعض. أثناء اختبار EM، تم قياس مقاومة Cu RDL باستخدام تقنية القياس المكونة من 4 نقاط. تم تحديد عدد عينات الاختبار من 18 إلى 20 لإجراء تحليل إحصائي ذي معنى.

بالإضافة إلى المجهر الضوئي، تم استخدام شعاع الأيونات المركزة (FIB) / المجهر الإلكتروني لمسح انبعاث المجال (FESEM) لتحليل الفشل لفهم التدهور أثناء اختبار الهجرة الكهربائية. بالإضافة إلى تحليل صور العرض العلوي، تم تقطيع مناطق محددة بواسطة طحن أيون الغاليوم (Ga) لمراقبة انخفاض مساحة Cu RDL بواسطة أكسدة النحاس والفراغات.

سلوك تغيير المقاومة

يظهر الشكل 10 سلوك زيادة المقاومة بعرض 3 ميكرومتر Cu RDL أثناء اختبار EM. ويمكن تقسيم اتجاه زيادة المقاومة إلى وضعين مختلفين. في المرحلة المبكرة، زادت المقاومة بشكل مطرد، ولكن بعد الوصول إلى نسبة معينة من المقاومة، حدث تغير سريع في المقاومة. السبب وراء زيادة المقاومة في مرحلتيها هو أن أوضاع الفشل التي تحدث بشكل سائد تختلف في كل خطوة.

يُشار أيضًا إلى العمر المختلف حسب حالة درجة الحرارة وتوزيع وقت الفشل (TTF) تحت نفس ظروف الاختبار في الشكل 3. وتشير التقديرات إلى أن سبب التوزيع في TTF تحت نفس الظروف كان بسبب اختلاف حجم الحبوب لكل Cu RDL بين مركبات الاختبار. مسارات الانتشار لذرات معدن النحاس هي حدود الحبوب، والواجهة المادية والمعادن السائبة، وتختلف طاقات التنشيط لكل مسار انتشار. نظرًا لأن طاقة التنشيط لحدود الحبوب أو واجهة المواد أقل من طاقة المعدن السائب، فإن الانتشار عبر حدود الحبوب أو واجهة المواد يكون أكثر شيوعًا أثناء EM. لذلك، يعد حجم الحبوب عاملاً مهمًا يحدد TTF أثناء اختبارات EM [4].

في حالة انخفاض كثافة التيار 7.5 أمبير/سم²أظهرت معظم العينات زيادة أقل في المقاومة ومنحنى أكثر سلاسة مقارنة بالتيار العالي 12.5 أمبير / سم² كما هو مبين في الشكل 3 (ج). بناءً على النتائج، كان من المتوقع أن يكون لحالة التيار المنخفض هذه وضع فشل أقل خطورة من حالة التيار المرتفع، لكن وضع الفشل لم يبدو مختلفًا بشكل كبير بين ظروف التيار العالي والمنخفض. وفي دراسة أخرى، تم التخطيط لإجراء تحليل الفشل فيما يتعلق بخطوات سلوك تغيير المقاومة.

تم إجراء اختبار EM إضافي بعرض 2 ميكرون Cu RDL تحت نفس حالة الكثافة الحالية (12.5 × 10⁵أ/سم²) بعرض 10 ميكرومتر Cu RDL وظروف درجات الحرارة المنخفضة. يظهر في الشكل 4 رسم زيادة المقاومة أثناء اختبار EM. في هذه الحالة، أظهر سلوك تغيير المقاومة زيادة مطردة في المقاومة حتى في وقت الاختبار الطويل الذي يصل إلى 10 Khrs، والذي كان مختلفًا عن علبة Cu RDL بعرض 10 ميكرومتر. استنادًا إلى سلوك تغير المقاومة المختلف بين ظروف درجات الحرارة المنخفضة والعالية، كان من المشكوك فيه أن أوضاع الفشل عند درجات الحرارة العالية والمنخفضة ليست متطابقة. أيضًا، من المتوقع أيضًا أن يكون وضع الفشل للنحاس RDL بعرض 2 ميكرومتر قد حدث بشكل رئيسي بسبب مرحلة المقاومة المتزايدة باطراد.

بالنسبة لـ Cu RDL بعرض 10 ميكرومتر، يظهر في الجدول 20 عدد الوحدات التي تستوفي معايير الفشل بنسبة 100% و3% لزيادة المقاومة. جميع الوحدات التي تم اختبارها استوفت معايير الفشل بنسبة 20% خلال 8,000 ساعة وأظهرت بعض الوحدات أقل من 100 زيادة المقاومة٪ عندما كان وقت الاختبار 10,000 ساعة. وبما أن عدد وحدات الفشل كان كافيا لإجراء التحليل الإحصائي، فقد توقف اختبار EM عند 10,000 ساعة. كما يتم تأمين بيانات EM حيث زادت المقاومة بنسبة 100% بحيث يمكن حساب السعة القصوى للتيار اعتمادًا على معايير الفشل المختلفة.

الشكل 3: سلوك زيادة المقاومة أثناء اختبار EM بقيمة 10-ميكرون عرض RDL، 12.5 أمبير/سم² التيار و (أ) عند 174 درجة مئوية و (ب) درجة حرارة 194 درجة مئوية و (ج) 7.5 أمبير / سم² و 188 درجة مئوية.

الشكل 4: سلوك زيادة المقاومة أثناء اختبار EM لـ RDL بعرض 2 ميكرومتر. كانت ظروف الاختبار هي الكثافة الحالية البالغة 12.5 أمبير / سم² ودرجة الحرارة 157 درجة مئوية.

الجدول 3: عدد الوحدات الفاشلة من 10-µم عرض النحاس RDL لكل حالة.

تحليل وضع الفشل

لفهم آلية فشل اختبار Cu RDL EM الدقيق، تم استخدام المجهر الضوئي وFIB/FESEM لمراقبة المنظر العلوي والمقطع العرضي. يوضح الشكل 5 عرض 2 ميكرومتر و10 ميكرومتر لـ Cu RDL بعد تركيب السطح على لوحة الاختبار. كان السمك والعرض متطابقين جيدًا مع قيم التصميم ولم تكن هناك أي تشوهات مثل السطح غير المستوي والفراغات والتصفيح بين Cu وPI في Cu RDL. كما هو مبين في الشكل 5، تم التأكيد على أن حجم الحبوب في RDL يختلف. وبما أن العيوب يمكن أن تؤثر على أداء الهجرة الكهربائية، يجب التحقق من جودة Cu RDL قبل اختبار EM.

الشكل 5: صورة FIB/FESEM لـ Cu RDL بعد تركيب السطح: (أ) عرض 10 ميكرومتر و(ب) 2 ميكرومتر.

في حالة Cu RDL بعرض 10 ميكرومتر، لوحظت أوضاع فشل مختلفة كما هو موضح في الشكل 6. أولاً، تمت ملاحظة التصفيح وأكسيد النحاس بين Cu RDL والتخميل، مما أدى إلى تقليل مساحة Cu RDL ويعزى ذلك بشكل أساسي إلى زيادة المقاومة. أدى انخفاض مساحة Cu RDL أيضًا إلى الازدحام الحالي وارتفاع درجة الحرارة على تدهور RDL و EM أيضًا. أثناء اختبار EM، تم إنشاء الفراغات بسبب هجرة ذرات النحاس ويبدو أن التصفيح ناتج عن نمو الفراغات على طول الواجهة بين التخميل وCu RDL. تعكس قيمة أس الكثافة الحالية الظاهرة الأكثر هيمنة بين نواة الفراغ والنمو. [5] فيما يتعلق بطبقة أكسيد النحاس وانتشارها في PI، يبدو أن انتشار النحاس يتسارع بسبب تدفق الإلكترون و/أو التدرج الحراري لأنه في RDL2 (لم يتم اختباره بواسطة EM)، لا توجد طبقة أكسيد على طبقة بذرة Ti/Cu تكون بمثابة طبقة حاجزة كما هو موضح في الشكل 6 (ب).

بين Cu RDL2 وPI، تمت ملاحظة الفراغات وطبقة أكسيد النحاس فقط، والتي ترجع إلى الإجهاد الحراري. وبعبارة أخرى، يمكن اعتبار وضع الفشل الذي لوحظ في Cu RDL2 بمثابة تخزين عالي الحرارة (HTS) لفترة طويلة.

الشكل 6: المجهر الضوئي وصورة FIB/FESEM بعرض 10 ميكرومتر Cu RDL بعد الاختبار عند 12.5×10⁵A / cm2، 174 درجة مئوية: (أ) أكسيد النحاس والتصفيح عند RDL3 الذي تم اختباره و (ب) عدم وجود أكسدة النحاس على طبقة بذور Ti/Cu عند RDL2 (لم يتم اختبار EM).

على عكس Cu RDL بعرض 10 ميكرومتر، لم يُظهر Cu RDL بعرض 2 ميكرومتر التصفيح بين Cu RDL وPI، كما يوضح الشكل 7. من عرض Cu RDL الأقل تلفًا والذي يبلغ 2 ميكرومتر، يُشتبه في أن نمو الفراغ على طول الواجهة بين Cu RDL وPI أدى إلى التصفيح الموضح في عرض Cu RDL الذي يبلغ 10 ميكرومتر. وبالإضافة إلى ذلك، فقد اعتبر أن هذا التصفيح يمكن أن يكون عاملا مساهما بشكل رئيسي في المرحلة الثانية التي تظهر زيادة المقاومة بشكل مفاجئ. من المخطط إجراء دراسة للهجرة الكهربائية لـ RDL بحجم 2 ميكرومتر من النحاس في ظل الظروف الحالية الأعلى لمقارنة وضع الفشل وقيم المعلمات في معادلة بلاك مع نتائج الهجرة الكهربائية لـ RDL بحجم 10 ميكرومتر. ومن المتوقع أيضًا تحديد وضع الفشل لكل خطوة لزيادة المقاومة من خلال هذه الدراسة الإضافية.

الشكل 7: المجهر الضوئي وصورة FIB/FESEM بعرض 2 ميكرومتر Cu RDL بعد الاختبار عند 12.5×10⁵أ/سم²، 157 درجة مئوية: (أ) فراغ أكسيد النحاس عند RDL3 و (ب) محور طحن FIB مختلف على Cu RDL3.

محاكاة التدفئة جول

للتنبؤ بكمية مواقع التسخين والفشل في جول، تم إجراء المحاكاة الكهربائية الحرارية لـ Cu RDL بعرض 10 ميكرومتر. عندما تختلف كمية تراكم الحرارة في أثر النحاس، يمكن أن تختلف شدة الفشل حسب الموقع لأن تلف EM لا يرجع إلى قوة تدفق الإلكترون فحسب، بل أيضًا إلى التدرج الحراري. كما هو موضح في الشكل 8، انعكس تصميم الاختبار الفعلي وهيكل تلفزيون HDFO ولوحة الاختبار في نموذج محاكاة، كما تم تطبيق التوصيل الحراري الفعال لكل هيكل. ويبين الجدول 4 تصميم التجارب (DOE) على أساس درجة حرارة الفرن والمصادر الحالية. يمكن اعتبار درجة حرارة الفرن بمثابة درجة حرارة محيطة ومن المتوقع أن تختلف كمية تسخين الجول مع تيار المصدر. يظهر الشكل 9 نتائج محاكاة تسخين جول. وكان الفرق في مقدار تسخين جول بين قيمة المحاكاة والقيمة التجريبية يتراوح بين 1.3 إلى 4.2 درجة مئوية، وكانت قيم الاثنين متشابهة تقريبًا. أيضًا، كان الموقع الذي يُظهر أعلى درجة حرارة محلية هو منتصف Cu RDL حيث يتم توصيل الوسادات المعدنية، والذي كان متطابقًا جيدًا مع مواقع الفشل الفعلية بعد اختبار EM. للتلخيص، كانت نتائج محاكاة تسخين Joule مطابقة جيدًا لنتائج اختبار EM الفعلية من حيث كمية تسخين Joule ومواقع الفشل، مما كان مفيدًا لفهم تدهور EM لـ Cu RDL والتنبؤ بمواقع الفشل.

الشكل 8: نموذج محاكاة تسخين جول لعرض 10 ميكرون من Cu RDL.

الجدول 4: وزارة الطاقة لمحاكاة التدفئة جول.

الشكل 9: نتائج محاكاة تسخين جول: (أ) محيط درجة الحرارة والنقطة التي تظهر أعلى درجة حرارة تحت 12.5 × 10⁵أ/سم² و 137 درجة مئوية. (ب) مقارنة كمية تسخين جول بين التجربة والمحاكاة.

حساب القدرة الاستيعابية الحالية

لحساب الحد الأقصى للتيار في الظروف الميدانية، يتم استخدام معادلة بلاك، التي تتعلق بالوقت للفشل في اختبارات الهجرة الكهربائية، على نطاق واسع.

MTTF = جعفر^-n إكسب (آي / كيلوطن) (1)

حيث MTTF هو متوسط ​​وقت الفشل، A هو الثابت التجريبي، J هي كثافة التيار، n هو أس الكثافة الحالية، E_a هي طاقة التنشيط (eV)، K هو ثابت بولتزمان (8.62×10^-5 eV/K) وT هي درجة الحرارة (K). لتحديد معلمة معادلة بلاك مثل A وn وE_aيجب إجراء التحليل الإحصائي أولاً. إنه أمر مهم للغاية لأنه يتم استخدام استقراء لنسبة فشل أقل بناءً على نتائج التحليل الإحصائي لتقدير القدرة الاستيعابية الحالية. هناك طريقتان نموذجيتان لوصف توزيع فشل EM هما Weibull والمؤامرات اللوغاريتمية الطبيعية. يُفضل التوزيع اللوغاريتمي الطبيعي عند تحليل فشل الخط المعدني والمنافذ، في حين يتم استخدام نموذج Weibull عادةً عندما يحتوي هيكل الاختبار على العديد من العناصر المستقلة التي يمكن أن تسبب الفشل مثل النتوء والهجرة الكهربائية لكرات BGA. [6] نظرًا لأن اختيار النموذج المناسب قد يكون أمرًا بالغ الأهمية عند تقدير الحد الأقصى للتيار في حالة الاستخدام، فقد تم أيضًا إجراء دراسة بخصوص نموذج التوزيع في الهجرة الكهربائية [7]. في هذه الدراسة، تم اختيار التوزيع اللوغاريتمي الطبيعي كنموذج مناسب ويظهر مخطط التوزيع اللوغاريتمي الطبيعي بعرض 10 ميكرومتر Cu RDL في الشكل 10.

تم حساب الحد الأقصى للقدرة الاستيعابية الحالية على افتراض أن وضع الفشل هو نفسه بين هذا الاختبار وحالة الاستخدام، ومعادلة بلاك صالحة لكل من الاختبار المتسارع والظروف الميدانية. تم تقدير السعة القصوى الحالية في حالة الاستخدام باستخدام المعادلة 2. في هذه الحالة، تم افتراض معدل الفشل بنسبة 0.1٪ وجاءت قيمة 3.09 من درجة Z للتوزيع اللوغاريتمي الطبيعي القياسي.

J = [A exp (Ea/KT – 3.09σ)/TTF]^-n              (2)

حيث T هي درجة حرارة حالة الاستخدام و TTF هو العمر المتوقع في حالة الاستخدام. بالنسبة لعرض 10 ميكرون، تم تحديد Cu RDL وEa وn على أنها 0.74 و1.88 على التوالي. بشكل عام، تُعرف قيم طاقة التنشيط وأس كثافة التيار بـ 1 و2 على التوالي. بالإضافة إلى ذلك، تعتبر قيمة أس الكثافة الحالية 2 و1 بشكل عام بمثابة تحكم في النواة الفراغية والتحكم في النمو، على التوالي. في اختبار EM هذا، بدا أن آلية الفشل عبارة عن مزيج من نواة الفراغ والنمو، وبشكل أكثر تحديدًا، بدا أن نواة الفراغ أكثر هيمنة. إذا لم تكن آلية الفشل مماثلة لهذه الدراسة بسبب بعض الأسباب مثل حالة الاختبار الشديدة أو بنية الاختبار المختلفة، فقد تكون القيمة المقدرة مختلفة. عادة، تزداد قيمة أس الكثافة الحالية (n) عندما تؤدي حالة الضغط الزائد إلى تسريع تدهور EM مع تسخين جول.

يوضح الجدول 5 نسبة الزيادة في الحد الأقصى المقدر للتيار المسموح به مقارنة بالقيمة في ظل الظروف الميدانية والتي تبلغ عمر 100,000 ساعة ودورة تشغيل 100٪ ومعدل فشل قدره 0.1٪. القيمة المرجعية للمقارنة هي عرض 10 ميكرومتر عند 125 درجة مئوية، والذي تم ضبطه على 1. عندما تنخفض درجة حرارة التشغيل من 125 درجة مئوية إلى 110 درجة مئوية، تمت زيادة السعة الحالية المقدرة بمقدار 1.6 و2.4 لمدة 10 و عرض 15 ميكرون، على التوالي. تؤثر معايير الفشل على قيمة الحد الأقصى للتيار المسموح به، لذلك من المهم تحديد الحد الأقصى للسعة الحالية للتصميم. وكما أشارت المعادلة (2)، فإن الحد الأقصى للتيار يزداد بشكل كبير - ولا يتناسب مع درجة حرارة التشغيل. عند استخدام قيمة التقدير الحالية هذه لتصميم التتبع، يجب أخذها في الاعتبار أيضًا مع تيار الصهر RDL نظرًا لوجود نقطة تقاطع بين الحد الأقصى المحسوب للتيار المسموح به وتيار الصهر الفعلي.

الشكل 10: التوزيع اللوغاريتمي الطبيعي لتخطيط احتمالية الفشل بعرض 10 ميكرون من Cu RDL.

الجدول 5: الحد الأقصى المسموح به لنسبة التيار (mA) في العديد من الظروف الميدانية. يتم تعيين قيمة العرض 10 ميكرون عند 125 درجة مئوية على 1.

استنتاجات

تم الإبلاغ في هذه الدراسة عن سلوك الهجرة الكهربائية ووضع الفشل للخطوط الدقيقة Cu RDL لحزمة المروحة عالية الكثافة. كان العرض الذي تم اختباره لـ Cu RDL هو 2 و 10 ميكرومتر، وكانت زيادة المقاومة بسبب التدهور عن طريق الهجرة الكهربائية مختلفة لكل حالة اختبار. في حالة عرض Cu RDL بمقدار 10 ميكرومتر، كانت هناك مرحلتان تظهران سلوك مقاومات مختلفة. في الخطوة الأولى، زادت المقاومة بشكل مطرد وكان من المتوقع حدوث نواة فارغة ونمو باعتبارها الظاهرة التي حدثت بشكل رئيسي في المرحلة الأولى. الخطوة الثانية هي القسم الذي زادت فيه المقاومة بسرعة. تم عرض هذه المرحلة فقط في علبة Cu RDL بعرض 10 ميكرومتر، والتي أظهرت التصفيح بين Cu RDL وPI مختلفًا عن RDL بعرض 2 ميكرومتر الذي تم اختباره بدرجة حرارة منخفضة وأظهر فقط أكسيد النحاس والفراغات. لذلك نستنتج أن هذا التصفيح الناتج عن نمو الفراغ هو عامل رئيسي يؤثر على زيادة المقاومة عند الخطوة الثانية.

كان وضع الفشل الملحوظ بعد الهجرة الكهربائية هو تقليل مساحة النحاس بسبب أكسدة النحاس وتوليد / نمو الفراغات. نظرًا لأنه لوحظ أيضًا انتقال النحاس إلى PI، فقد بدا أنه تم تسريعه بسبب تدفق الإلكترون و/أو التدرج الحراري. نظرًا لأنه ينبغي أخذ التدهور الحراري لـ PI في الاعتبار في اختبار Cu RDL EM، فقد تم إجراء محاكاة كهربائية حرارية للتنبؤ بالموضع الضعيف الذي يتلف بسهولة وكانت النتائج مطابقة جيدًا لنتائج الاختبار الفعلية. بالإضافة إلى ذلك، كانت كمية تسخين الجول التي تم الحصول عليها عن طريق المحاكاة مماثلة تقريبًا للقيم التجريبية الفعلية.

استنادًا إلى نتائج Cu RDL EM بعرض 10 ميكرومتر، تم إكمال معادلة بلاك بحيث يمكن حساب القدرة الاستيعابية القصوى للتيار. تم استخدام التوزيع اللوغاريتمي الطبيعي للتحليل الإحصائي مع القيمة المحسوبة لـ Ea وكانت أسس الكثافة الحالية 0.74 و 1.88 على التوالي. يمكن أن يكون الحد الأقصى للتيار المقدر في ظل الظروف الميدانية مفيدًا لتصميم RDL، ولكن هناك بعض الاعتبارات مثل قيمة تيار الصهر الفعلية واعتماد Ea وأس كثافة التيار على وضع الفشل وظروف الاختبار.

اعتراف

تم دعم هذا البحث من قبل مركز البحث والتطوير العالمي Amkor Technology. يود المؤلفون أن يشكروا فريق البحث والتطوير في مجال العمليات/أبحاث المواد لإعداد التلفزيون عالي الكثافة. كما أشكر زملاء مختبر البحث والتطوير الذين تعاونوا في إعداد DUT وتحليل الفشل.

مراجع حسابات

1. S. Jin, W. Do, J. Jeong, H. Cha, Y. Jeong and J. Khim، "تغليف تقنية التهوئة المتكاملة لرقاقة السيليكون الركيزة (S-SWIFT) مع تتبع التتبع الدقيق RDL،" 2022 IEEE 72 مؤتمر المكونات الإلكترونية والتكنولوجيا (ECTC)، 2022، الصفحات من 1355 إلى 1361، دوى: 10.1109/ECTC51906.2022.00218.
2. H. كودو وآخرون، "عرض المقاومة العالية للهجرة الكهربائية لطبقة إعادة توزيع النحاس المحسنة بمقياس دون 2 ميكرون من أجل التعبئة والتغليف المتقدمة ذات الطبقة الدقيقة"، 2017 IEEE CPMT Symposium Japan (ICSJ)، 2017، الصفحات من 5 إلى 8، doi : 10.1109/ICSJ.2017.8240055.
3. C.-L. ليانغ، Y.-S. لين، سي.-إل. كاو، د. تارنج وآخرون، "موثوقية الهجرة الكهربائية للتغليف المروحي عالي الكثافة المتقدم مع خط إعادة توزيع النحاس بدقة 2 ميكرومتر/2 ميكرومتر لتر/ثانية"، معاملات IEEE بشأن تكنولوجيا تغليف المكونات وتصنيعها، الصفحات من 1438 إلى 1445 ، 2020.
4. إم. روفيتو، "مسألة موثوقية الهجرة الكهربائية في التوصيلات البينية لتقنيات التكامل ثلاثي الأبعاد"، غير منشورة.
5. M. Hauschildt وآخرون، "الفشل المبكر للهجرة الكهربائية يؤدي إلى إفراغ النواة وظواهر النمو في الوصلات البينية للنحاس والنحاس (Mn)،" 2013 ندوة IEEE الدولية لفيزياء الموثوقية (IRPS)، مونتيري، كاليفورنيا، الولايات المتحدة الأمريكية، 2013، ص 2C.1.1- 2C.1.6، دوى: 10.1109/IRPS.2013.6531951.
6. JEP154، "مبادئ توجيهية لوصف الهجرة الكهربائية لمطبات اللحام تحت ضغط التيار المستمر ودرجة الحرارة"، JEDEC، 2008.
7. A. Basavalingappa, JM Passage, MY Shen and JR Lloyd, "Electromigration: Lognormal vs Weibull Distribution," 2017 IEEE International Integrated Reliability Workshop (IIRW)، ساوث ليك تاهو، كاليفورنيا، الولايات المتحدة الأمريكية، 2017، الصفحات من 1 إلى 4، دوي: 10.1109/IIRW.2017.8361224.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• المصدر https://semiengineering.com/electromigration-performance-of-fine-line-cu-redistribution-layer-rdl-for-hdfo-packaging/