Απόδοση Ηλεκτρομετανάστευσης του στρώματος ανακατανομής λεπτής γραμμής Cu (RDL) για συσκευασία HDFO

Απόδοση Ηλεκτρομετανάστευσης του στρώματος ανακατανομής λεπτής γραμμής Cu (RDL) για συσκευασία HDFO

Χρονική σήμανση: 18 Ιανουαρίου 2024 3:05 π.μ.
Κόμβος πηγής: 3069608

Η τάση συρρίκνωσης των συσκευών δημιουργεί συνεχείς απαιτήσεις αύξησης εισόδου/εξόδου (I/O) και πυκνότητας κυκλώματος, και αυτές οι ανάγκες ενθαρρύνουν την ανάπτυξη ενός πακέτου υψηλής πυκνότητας Fan-Out (HDFO) με στρώμα ανακατανομής λεπτού χαλκού (Cu). (RDL). Για εφαρμογές κινητής τηλεφωνίας και δικτύωσης με υψηλή απόδοση, το HDFO είναι μια αναδυόμενη λύση, επειδή μπορούν να εφαρμοστούν επιθετικοί κανόνες σχεδιασμού στο HDFO σε σύγκριση με άλλους τύπους πακέτων, όπως το Wafer Level Fan-Out (WLFO). Το HDFO επιτρέπει τη συναρμολόγηση περισσότερων του ενός τσιπ σε μία συσκευασία και χρησιμοποιείται κυρίως λεπτό Cu RDL για τη διασύνδεση των τσιπ. Επιπλέον, το HDFO μπορεί να κατασκευαστεί σε επίπεδο γκοφρέτας και υποστρώματος ανάλογα με την εφαρμογή, το οποίο έχει καλύτερη επεκτασιμότητα όσον αφορά το μέγεθος της συσκευασίας.

Το Cu RDL σε HDFO είναι ενσωματωμένο με ένα διηλεκτρικό στρώμα όπως το πολυιμίδιο (PI) και μεταφέρει το σήμα μεταξύ των τσιπ ή από το υπόστρωμα στο τσιπ. Καθώς το ρεύμα ρέει μέσω του Cu RDL, η θερμότητα συσσωρεύεται στον αγωγό λόγω της παραγωγής θέρμανσης Joule. Αυτή η συσσώρευση θερμότητας μπορεί να προκαλέσει υποβάθμιση της απόδοσης. Καθώς η απαιτούμενη πυκνότητα ρεύματος και η θερμοκρασία θέρμανσης Joule αυξάνονται στη δομή λεπτού Cu RDL, θεωρείται σημαντικός παράγοντας για την απόδοση της συσκευασίας HDFO.

Δεδομένου ότι το λεπτό Cu RDL θα πρέπει να έχει υψηλή απόδοση αξιοπιστίας, διάφορες δομές RDL εισήχθησαν πρόσφατα, όπως το ενσωματωμένο ίχνος RDL (ETR) και το ίχνος Cu καλυμμένο με ανόργανο διηλεκτρικό για διασύνδεση υψηλής πυκνότητας και απόδοση αξιοπιστίας [1, 2]. Έχουν διεξαχθεί επίσης πολλές μελέτες σχετικά με την αξιολόγηση της απόδοσης αξιοπιστίας λεπτού Cu RDL.

Η Ηλεκτρομετανάστευση (EM) είναι ένα από τα στοιχεία για την αξιολόγηση της αξιοπιστίας και της απόδοσης των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών του Cu RDL. Το EM είναι ένας ελεγχόμενος από τη διάχυση μηχανισμός με σταδιακή κίνηση των ατόμων μετάλλου στον αγωγό ως αποτέλεσμα της ροής ηλεκτρονίων. Αυτή η μαζική μεταφορά ατόμων μετάλλου οδηγεί στο σχηματισμό κενών στην πλευρά της καθόδου και λοφίσκου στην πλευρά της ανόδου του αγωγού. Αυτές οι διεργασίες έχουν ως αποτέλεσμα την απώλεια της ηλεκτρικής συνέχειας. Η συμπεριφορά ηλεκτρομετανάστευσης επηρεάζεται από το μέγεθος του χαρακτηριστικού, την κατάσταση τάσης, την κατεύθυνση ροής ηλεκτρονίων και τη δομή δοκιμής, όπως η μεταλλουργία αρμών. Σε περίπτωση δοκιμής Cu RDL EM, δεν υπάρχει μόνο δύναμη ροής ηλεκτρονίων αλλά και θερμική κλίση στον αγωγό, επομένως η υποβάθμιση ΗΜ αποδίδεται στο ηλεκτρικό δυναμικό και τη θερμική ενέργεια [3].

Χρησιμοποιώντας τα αποτελέσματα δοκιμών ΗΜ, είναι δυνατό να προβλεφθεί η μέγιστη επιτρεπόμενη πυκνότητα ρεύματος ή η διάρκεια ζωής σε συγκεκριμένες συνθήκες πεδίου. Οι δοκιμές ΗΜ που εκτελούνται υπό επιταχυνόμενες συνθήκες και η παρέκταση με βάση τα πειραματικά δεδομένα ΗΜ μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εκτίμηση της τρέχουσας ή της διάρκειας ζωής μιας περίπτωσης χρήσης. Για τον υπολογισμό, το μοντέλο του Black, το οποίο δημοσιεύτηκε από τον James Black το 1969, χρησιμοποιείται ευρέως. Ορισμένοι παράγοντες σε αυτό το μοντέλο καθορίζονται με την προσαρμογή του μοντέλου κατανομής αστοχίας όπως το Weibull και η λογαριθμική κατανομή. Σε αυτό το έγγραφο, περιγράφονται τα αποτελέσματα του χαρακτηρισμού ΗΜ και της ανάλυσης αστοχίας του Cu RDL με ≤ 10 μm σε μια συσκευασία HDFO υπό διάφορες συνθήκες ρεύματος και θερμοκρασίας. Επιπλέον, παρέχεται η αυξημένη αναλογία εκτιμώμενου μέγιστου επιτρεπόμενου ρεύματος υπό τις διάφορες συνθήκες χρήσης θερμοκρασίας λειτουργίας και διάρκειας ζωής.

Δομή Cu RDL σε συσκευασία HDFO

Κατασκευάστηκε ένα πακέτο HDFO για τη δοκιμή Cu RDL EM. Το μέγεθος του σώματος της συσκευασίας και της μήτρας ήταν 8.5 mm x 8.5 mm και 5.6 mm x 5.6 mm, αντίστοιχα. Η τηλεόραση HDFO έχει μια δομή RDL πολλαπλών επιπέδων που έχει τρία στρώματα πάχους 3 μm και στρώμα σπόρων Ti/Cu για κάθε RDL. Επίσης, πολυϊμίδιο εφαρμόστηκε ως διηλεκτρικό υλικό που περιβάλλει λεπτό Cu RDL. Πάνω από τη δομή RDL υπάρχουν προσκρούσεις, μήτρες και μούχλα πυλώνων Cu. Ο τύπος καλουπιού είναι πάνω από καλούπι που καλύπτει την επάνω πλευρά της μήτρας. Η συνολική δομή Cu RDL φαίνεται στο σχήμα 1.

Εικ. 1: Όψη διατομής του οχήματος δοκιμής HDFO με τα τρία RDL του.

Σχεδιάστηκε και δοκιμάστηκε ένα ευθύ Cu RDL με μήκος 1000 μm, πλάτος 2 και 10 μm. Το Cu RDL ήταν το πιο κάτω στρώμα (RDL3) στο HDFO. Τέσσερις σφαίρες συστοιχίας πλέγματος σφαιρών (BGA) συνδέθηκαν στο δοκιμασμένο Cu RDL για εξαναγκασμό ρεύματος και ανίχνευση τάσης. Το Σχήμα 2 δείχνει σχηματική απεικόνιση του δοκιμασμένου σχεδιασμού RDL.

Εικ. 2: Σχεδιασμός Cu RDL για δοκιμή ηλεκτρομετανάστευσης. Τα «F» και «S» σημαίνουν πίεση ρεύματος και ανίχνευση τάσης, αντίστοιχα.

Ηλεκτρομετανάστευση

Το όχημα δοκιμής HDFO τοποθετήθηκε επιφανειακά στην πλακέτα δοκιμής για ηλεκτρική σύνδεση με το σύστημα δοκιμής EM και η δεύτερη υποπλήρωση δεν εφαρμόστηκε μετά την επιφανειακή τοποθέτηση. Το Cu RDL πλάτους 10 μm καταπονήθηκε υπό συνεχές ρεύμα 7.5, 10 και 12.5 x 105A/cm2 και θερμοκρασία 174, 179, 188 και 194°C. Η δοκιμή Cu RDL EM πλάτους 2 μm δοκιμάστηκε επίσης υπό συνεχές ρεύμα 12.5 x 105A/cm2 και θερμοκρασία 157°C. Οι συνθήκες δοκιμής υποδεικνύονται στον πίνακα 1. Η θερμοκρασία δοκιμής θεωρείται ότι είναι η θερμοκρασία στο Cu RDL. Επομένως, η θερμοκρασία του φούρνου ρυθμίστηκε αντισταθμίζοντας την ποσότητα θέρμανσης Joule. Η βαθμονόμηση θέρμανσης Joule πραγματοποιήθηκε σε κάθε ρεύμα τάσης επειδή εξαρτάται από την ποσότητα της πυκνότητας ρεύματος.

Για τη βαθμονόμηση της θέρμανσης Joule, η αντίσταση μετρήθηκε σε πολλαπλές θερμοκρασίες υπό συνθήκες χαμηλού ρεύματος και τάσης. Το χαμηλό ρεύμα θεωρείται ως η κατάσταση που προκαλεί θέρμανση χωρίς Joule. Η τιμή αντίστασης αυξάνεται καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία περιβάλλοντος και η συμπεριφορά αλλαγής αντίστασης σε συνθήκες χαμηλού ρεύματος χρησιμοποιείται για να ληφθεί η τιμή του θερμικού συντελεστή αντίστασης (TCR). Μετά τη μέτρηση της αντίστασης σε λίγες συνθήκες θερμοκρασίας, η ποσότητα θέρμανσης Joule υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας TCR και η διαφορά αντίστασης μεταξύ χαμηλής και δοκιμαστικής κατάστασης ρεύματος. Η υπολογιζόμενη θερμοκρασία θέρμανσης Joule κάθε τρέχουσας συνθήκης δοκιμής και η θερμοκρασία σε Cu RDL πλάτους 10 μm υποδεικνύονται στον πίνακα 2.

Πίνακας 1: Οι συνθήκες δοκιμής λεπτής γραμμής Cu RDL EM.

Πίνακας 2: Θερμοκρασία και θερμοκρασία θέρμανσης Joule σε rdl. Διεξήχθησαν τέσσερις συνθήκες δοκιμής για τη δοκιμή λεπτού Cu RDL EM.

Η δοκιμή EM συνεχίστηκε έως ότου η αντίσταση αυξήθηκε κατά 100% και το κριτήριο για τον προσδιορισμό του χρόνου μέχρι την αστοχία (TTF) για τον υπολογισμό του μέγιστου επιτρεπόμενου ρεύματος ορίστηκε σε 20% αύξηση αντίστασης. Το κριτήριο της ποσοστιαίας αύξησης της αντίστασης είναι γνωστό ότι είναι πιο αποτελεσματικό εάν όλες οι δομές εμφανίζουν πολύ παρόμοια αρχική αντίσταση. Η αρχική αντίσταση υπό τις συνθήκες τάσης ήταν 0.7 έως 0.8 ohm για Cu RDL πλάτους 10 μm, επομένως οι τιμές έμοιαζαν αρκετά μεταξύ τους. Κατά τη διάρκεια της δοκιμής EM, η αντίσταση του Cu RDL μετρήθηκε χρησιμοποιώντας τεχνική μέτρησης 4 σημείων. Ο αριθμός των δειγμάτων δοκιμής προσδιορίστηκε σε 18 έως 20 για σημαντική στατιστική ανάλυση.

Εκτός από ένα οπτικό μικροσκόπιο, χρησιμοποιήθηκε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης εστιασμένης δέσμης ιόντων (FIB)/εκπομπής πεδίου (FESEM) για ανάλυση αστοχίας για την κατανόηση της υποβάθμισης κατά τη δοκιμή ηλεκτρομετανάστευσης. Εκτός από την ανάλυση της εικόνας από κάτοψη, συγκεκριμένες περιοχές διατομής έγιναν με άλεση ιόντων γαλλίου (Ga) για να παρατηρηθεί η μείωση της περιοχής Cu RDL από την οξείδωση και τα κενά Cu.

Συμπεριφορά αλλαγής αντίστασης

Η συμπεριφορά αύξησης της αντίστασης του Cu RDL πλάτους 10 μm κατά τη διάρκεια της δοκιμής EM φαίνεται στο σχήμα 3. Η τάση αύξησης της αντίστασης μπορεί να χωριστεί σε δύο διαφορετικούς τρόπους λειτουργίας. Στο αρχικό στάδιο, η αντίσταση αυξανόταν σταθερά, αλλά μετά την επίτευξη μιας ορισμένης αύξησης αντίστασης %, η αλλαγή αντίστασης συνέβη γρήγορα. Ο λόγος για τα δύο στάδια αύξησης της αντίστασης είναι ότι οι τρόποι αστοχίας που εμφανίζονται κυρίως είναι διαφορετικοί σε κάθε βήμα.

Η διαφορετική κατανομή διάρκειας ζωής ανά συνθήκες θερμοκρασίας και χρόνος μέχρι την αστοχία (TTF) υπό τις ίδιες συνθήκες δοκιμής υποδεικνύονται επίσης στο σχήμα 3. Υπολογίστηκε ότι ο λόγος κατανομής σε TTF υπό τις ίδιες συνθήκες οφειλόταν στο διαφορετικό μέγεθος κόκκων κάθε Cu RDL μεταξύ των δοκιμαστικών οχημάτων. Οι διαδρομές διάχυσης για τα άτομα μετάλλου Cu είναι τα όρια των κόκκων, η διεπαφή υλικού και το χύμα μέταλλο και οι ενέργειες ενεργοποίησης κάθε διαδρομής διάχυσης είναι διαφορετικές. Δεδομένου ότι η ενέργεια ενεργοποίησης του ορίου κόκκου ή της διεπαφής υλικού είναι χαμηλότερη από αυτή του χύδην μετάλλου, η διάχυση μέσω του ορίου κόκκων ή της διεπαφής υλικού είναι πιο κυρίαρχη κατά τη διάρκεια του ΗΜ. Επομένως, το μέγεθος των κόκκων είναι ένας σημαντικός παράγοντας που καθορίζει το TTF κατά τη διάρκεια των δοκιμών EM [4].

Σε περίπτωση μικρότερης πυκνότητας ρεύματος 7.5A/cm2, τα περισσότερα δείγματα παρουσίασαν χαμηλότερη αύξηση αντίστασης και πιο ομαλή καμπύλη σε σύγκριση με το υψηλό ρεύμα 12.5A/cm2 όπως φαίνεται στο σχήμα 3 (γ). Με βάση τα αποτελέσματα, αναμενόταν ότι αυτή η συνθήκη χαμηλού ρεύματος θα μπορούσε να έχει μια λιγότερο σοβαρή κατάσταση αστοχίας από την κατάσταση υψηλού ρεύματος, αλλά η κατάσταση αστοχίας δεν φαινόταν σημαντικά διαφορετική μεταξύ των συνθηκών υψηλού και χαμηλού ρεύματος. Σε μια περαιτέρω μελέτη, σχεδιάζεται να γίνει ανάλυση αστοχίας σε σχέση με τα βήματα της συμπεριφοράς αλλαγής αντίστασης.

Διεξήχθη πρόσθετη δοκιμή EM με Cu RDL πλάτους 2 μm κάτω από την ίδια συνθήκη πυκνότητας ρεύματος (12.5×105A/cm2) ως Cu RDL πλάτους 10 μm και συνθήκες χαμηλότερης θερμοκρασίας. Η γραφική παράσταση της αύξησης της αντίστασης κατά τη διάρκεια της δοκιμής EM παρουσιάζεται στο σχήμα 4. Σε αυτή την περίπτωση, η συμπεριφορά αλλαγής αντίστασης έδειξε μόνο σταθερά αυξημένη αντίσταση ακόμη και στο μακρύ χρόνο δοκιμής έως 10 Khrs, που ήταν διαφορετικός από την περίπτωση Cu RDL πλάτους 10 μm. Με βάση τη διαφορετική συμπεριφορά αλλαγής αντίστασης μεταξύ των συνθηκών χαμηλής και υψηλής θερμοκρασίας, υπήρχε η υποψία ότι οι τρόποι αστοχίας σε υψηλή και χαμηλή θερμοκρασία δεν ήταν πανομοιότυποι. Επίσης, αναμένεται ότι ο τρόπος αστοχίας του Cu RDL πλάτους 2 μm προέκυψε κυρίως λόγω του σταθερά αυξανόμενου σταδίου αντίστασης.

Για Cu RDL πλάτους 10 μm, ο αριθμός των μονάδων που ικανοποιούν τα κριτήρια αστοχίας 20% και 100% αύξηση της αντίστασης φαίνεται στον πίνακα 3. Όλες οι δοκιμασμένες μονάδες πληρούσαν τα κριτήρια αστοχίας του 20% εντός 8,000 ωρών και ορισμένες μονάδες έδειξαν κάτω από το 100 % αύξηση της αντίστασης όταν ο χρόνος δοκιμής ήταν 10,000 ώρες. Δεδομένου ότι ο αριθμός των μονάδων αστοχίας ήταν επαρκής για να γίνει στατιστική ανάλυση, η δοκιμή ΕΜ διακόπηκε στις 10,000 ώρες. Επίσης, τα δεδομένα EM όπου η αντίσταση αυξήθηκε κατά 100% είναι ασφαλισμένα, ώστε να είναι δυνατός ο υπολογισμός της μέγιστης χωρητικότητας ρεύματος ανάλογα με τα διάφορα κριτήρια αστοχίας.

Εικ. 3: Συμπεριφορά αύξησης αντίστασης κατά τη διάρκεια της δοκιμής EM του 10-μm πλάτος RDL, 12.5A/cm2 ρεύμα και (α) στους 174°C και (β) στους 194°C θερμοκρασία και (γ) 7.5A/cm2 και 188°C.

Εικ. 4: Συμπεριφορά αύξησης αντίστασης κατά τη διάρκεια της δοκιμής EM πλάτους RDL 2 μm. Οι συνθήκες δοκιμής ήταν πυκνότητα ρεύματος 12.5 Α/cm2 και θερμοκρασία 157°C.

Πίνακας 3: Ο αριθμός των αποτυχημένων μονάδων 10-µm πλάτος Cu RDL για κάθε συνθήκη.

Ανάλυση τρόπου αποτυχίας

Για την κατανόηση του μηχανισμού αστοχίας της δοκιμής λεπτού Cu RDL EM, χρησιμοποιήθηκε οπτικό μικροσκόπιο και FIB/FESEM για την παρατήρηση της άνω και της εγκάρσιας όψης. Το Σχήμα 5 δείχνει το πλάτος 2-μm και 10-μm του Cu RDL μετά την επιφανειακή τοποθέτηση στον πίνακα δοκιμής. Το πάχος και το πλάτος ταιριάστηκαν καλά με τις τιμές σχεδιασμού και δεν υπήρχαν ανωμαλίες όπως ανώμαλη επιφάνεια, κενά και αποκόλληση μεταξύ Cu και PI στο Cu RDL. Όπως φαίνεται στο σχήμα 5, επιβεβαιώθηκε ότι το μέγεθος των κόκκων στο RDL ποικίλλει. Δεδομένου ότι τα ελαττώματα μπορούν να επηρεάσουν την απόδοση ηλεκτρομετανάστευσης, η ποιότητα του Cu RDL θα πρέπει να ελεγχθεί πριν από τη δοκιμή EM.

Εικ. 5: Εικόνα FIB/FESEM του Cu RDL μετά την επιφανειακή τοποθέτηση: (α) 10-μm και (β) πλάτος 2-μm.

Στην περίπτωση του Cu RDL πλάτους 10 μm, παρατηρήθηκαν διάφοροι τρόποι αστοχίας όπως παρουσιάζονται στο σχήμα 6. Πρώτον, παρατηρήθηκαν αποκόλληση και οξείδιο Cu μεταξύ του Cu RDL και της παθητικοποίησης, γεγονός που οδήγησε σε μείωση της περιοχής Cu RDL και αποδόθηκε κυρίως σε η αντίσταση αυξάνεται. Η μείωση της περιοχής Cu RDL οδήγησε επίσης στον τρέχοντα συνωστισμό και επιταχύνθηκε επίσης η υψηλότερη θερμοκρασία στο RDL και το EM. Κατά τη διάρκεια της δοκιμής EM, τα κενά δημιουργήθηκαν λόγω της μετανάστευσης των ατόμων Cu και η αποκόλληση φαινόταν να προέρχεται από την ανάπτυξη των κενών κατά μήκος της διεπαφής μεταξύ παθητικοποίησης και Cu RDL. Η τιμή του εκθέτη της τρέχουσας πυκνότητας αντανακλά ποιο φαινόμενο είναι πιο κυρίαρχο μεταξύ του σχηματισμού κενού και της ανάπτυξης. [5] Όσον αφορά τη στιβάδα οξειδίου του Cu και τη διάχυση στο PI, η διάχυση του Cu φάνηκε να επιταχύνεται λόγω ροής ηλεκτρονίων ή/και θερμικής βαθμίδας, επειδή σε RDL2 (δεν έχει δοκιμαστεί EM), δεν υπάρχει στρώμα οξειδίου στο στρώμα σπόρων Ti/Cu. λειτουργούν ως στρώμα φραγμού όπως φαίνεται στο σχήμα 6 (β).

Μεταξύ Cu RDL2 και PI, παρατηρήθηκαν μόνο κενά και στρώμα οξειδίου Cu, τα οποία οφείλονται σε θερμική καταπόνηση. Με άλλα λόγια, ο τρόπος αστοχίας που παρατηρείται στο Cu RDL2 μπορεί να θεωρηθεί ως ένας τρόπος αποθήκευσης υψηλής θερμοκρασίας (HTS) για μεγάλο χρονικό διάστημα.

Εικ. 6: Οπτικό μικροσκόπιο και εικόνα FIB/FESEM πλάτους 10 μm Cu RDL μετά από δοκιμή σε 12.5×105A/cm2, 174°C: (α) Οξείδιο Cu και αποκόλληση σε δοκιμασμένο RDL3 και (β) χωρίς οξείδωση Cu στο στρώμα σπόρων Ti/Cu στο RDL2 (όχι ελεγμένο EM).

Σε αντίθεση με το Cu RDL πλάτους 10 μm, το Cu RDL πλάτους 2 μm δεν έδειξε την αποκόλληση μεταξύ Cu RDL και PI, όπως δείχνει το σχήμα 7. Από το λιγότερο κατεστραμμένο Cu RDL πλάτους 2 μm, υπάρχει η υποψία ότι η ανάπτυξη κενού κατά μήκος της διεπαφής μεταξύ Cu RDL και PI είχε ως αποτέλεσμα την αποκόλληση που φαίνεται στο πλάτος Cu RDL 10 μm. Επιπλέον, θεωρήθηκε ότι αυτή η αποκόλληση θα μπορούσε να είναι ένας παράγοντας που συμβάλλει κυρίως στο δεύτερο στάδιο που παρουσιάζει απότομη αύξηση της αντίστασης. Σχεδιάζεται να διεξαχθεί μια μελέτη για ηλεκτρομετανάστευση 2-μm Cu RDL υπό τις συνθήκες υψηλότερου ρεύματος για σύγκριση του τρόπου αστοχίας και των τιμών των παραμέτρων στην εξίσωση του Black με τα αποτελέσματα ηλεκτρομετανάστευσης Cu RDL 10 μm. Επίσης, αναμένεται να προσδιοριστεί ο τρόπος αστοχίας κάθε βήματος αύξησης της αντίστασης μέσω αυτής της περαιτέρω μελέτης.

Εικ. 7: Οπτικό μικροσκόπιο και εικόνα FIB/FESEM πλάτους 2 μm Cu RDL μετά από δοκιμή σε 12.5×105A/cm2, 157°C: (α) κενό οξείδιο Cu στο RDL3 και (β) διαφορετικός άξονας άλεσης FIB στο Cu RDL3.

Προσομοίωση θέρμανσης Joule

Για να προβλεφθεί η ποσότητα των θέσεων θέρμανσης και αστοχίας Joule, πραγματοποιήθηκε η ηλεκτρική-θερμική προσομοίωση για Cu RDL πλάτους 10 μm. Όταν η ποσότητα της συσσώρευσης θερμότητας είναι διαφορετική σε ένα ίχνος Cu, η σοβαρότητα της αστοχίας μπορεί να είναι διαφορετική ανάλογα με την τοποθεσία, επειδή η βλάβη ΗΜ οφείλεται όχι μόνο στη δύναμη ροής ηλεκτρονίων αλλά και σε μια θερμική κλίση. Όπως παρουσιάζεται στο σχήμα 8, ο πραγματικός σχεδιασμός δοκιμής και η δομή της τηλεόρασης HDFO και της πλακέτας δοκιμής αντικατοπτρίστηκαν σε ένα μοντέλο προσομοίωσης και εφαρμόστηκε επίσης η αποτελεσματική θερμική αγωγιμότητα κάθε δομής. Ο Πίνακας 4 δείχνει ένα σχέδιο πειραμάτων (DOE) με βάση τη θερμοκρασία του φούρνου και το ρεύμα προέλευσης. Η θερμοκρασία του φούρνου μπορεί να θεωρηθεί ως θερμοκρασία περιβάλλοντος και η ποσότητα θέρμανσης Joule αναμένεται να ποικίλλει ανάλογα με το ρεύμα προέλευσης. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης θέρμανσης Joule φαίνονται στο σχήμα 9. Η διαφορά της ποσότητας θέρμανσης Joule μεταξύ της προσομοίωσης και της πειραματικής τιμής ήταν 1.3 έως 4.2°C και οι τιμές των δύο ήταν σχεδόν παρόμοιες. Επίσης, η τοποθεσία που εμφανίζει την υψηλότερη τοπική θερμοκρασία ήταν η μέση του Cu RDL όπου συνδέονται τα μεταλλικά μαξιλάρια, η οποία ταιριάζει καλά με τις πραγματικές θέσεις αστοχίας μετά τη δοκιμή EM. Συνοψίζοντας, τα αποτελέσματα της προσομοίωσης θέρμανσης Joule ταιριάστηκαν καλά με τα πραγματικά αποτελέσματα δοκιμών EM όσον αφορά την ποσότητα θέρμανσης Joule και τις θέσεις αστοχίας, κάτι που ήταν χρήσιμο για την κατανόηση της υποβάθμισης EM του Cu RDL και την πρόβλεψη των θέσεων αστοχίας.

Εικ. 8: Μοντέλο προσομοίωσης θέρμανσης Joule για Cu RDL πλάτους 10 μm.

Πίνακας 4: DOE για προσομοίωση θέρμανσης Joule.

Εικ. 9: Αποτελέσματα προσομοίωσης θέρμανσης Joule: (α) περίγραμμα θερμοκρασίας και το σημείο που δείχνει την υψηλότερη θερμοκρασία κάτω από το 12.5 x 105A/cm2 και 137°C. (β) τη σύγκριση της ποσότητας θέρμανσης Joule μεταξύ πειράματος και προσομοίωσης.

Υπολογισμός τρέχουσας φέρουσας ικανότητας

Για τον υπολογισμό του μέγιστου ρεύματος σε συνθήκες πεδίου, χρησιμοποιείται ευρέως η εξίσωση του Black, η οποία σχετίζεται με το χρόνο έως την αστοχία στις δοκιμές ηλεκτρομετανάστευσης.

MTTF = AJ-n exp (Ea/Kt) (1)

Όπου MTTF είναι ο μέσος χρόνος μέχρι την αποτυχία, A είναι η εμπειρική σταθερά, J είναι η πυκνότητα ρεύματος, n ο εκθέτης πυκνότητας ρεύματος, Ea είναι η ενέργεια ενεργοποίησης (eV), το K είναι η σταθερά του Boltzmann (8.62×10-5 eV/K) και T είναι η θερμοκρασία (K). Για τον προσδιορισμό της παραμέτρου της εξίσωσης του Black όπως A, n και Ea, θα πρέπει πρώτα να πραγματοποιηθεί στατιστική ανάλυση. Είναι πολύ σημαντικό γιατί μια παρέκταση σε χαμηλότερο ποσοστό αστοχίας με βάση τα αποτελέσματα της στατιστικής ανάλυσης χρησιμοποιείται για την εκτίμηση της φέρουσας ικανότητας ρεύματος. Δύο τυπικές μέθοδοι για την περιγραφή της κατανομής αστοχίας ΗΜ είναι οι γραφικές παραστάσεις Weibull και λογαριθμικής κανονικής. Η λογαριθμική κανονική κατανομή προτιμάται όταν αναλύεται η αστοχία της μεταλλικής γραμμής και των αγωγών, ενώ το μοντέλο Weibull χρησιμοποιείται συνήθως όταν η δομή δοκιμής έχει πολλά ανεξάρτητα στοιχεία που μπορούν να προκαλέσουν την αστοχία, όπως ένα χτύπημα και ηλεκτρομετανάστευση μπάλας BGA. [6] Δεδομένου ότι η επιλογή του μοντέλου προσαρμογής θα μπορούσε να είναι κρίσιμη κατά την εκτίμηση του μέγιστου ρεύματος σε μια περίπτωση χρήσης, έχει πραγματοποιηθεί επίσης μια μελέτη σχετικά με το μοντέλο διανομής στην ηλεκτρομετανάστευση [7]. Σε αυτή τη μελέτη, επιλέχθηκε μια λογαριθμική κανονική κατανομή ως μοντέλο προσαρμογής και το διάγραμμα λογαριθμικής κανονικής κατανομής Cu RDL πλάτους 10 μm φαίνεται στο σχήμα 10.

Η μέγιστη ικανότητα μεταφοράς ρεύματος υπολογίστηκε με την παραδοχή ότι ο τρόπος αστοχίας είναι ο ίδιος μεταξύ αυτής της δοκιμής και της περίπτωσης χρήσης και η εξίσωση του Black ισχύει τόσο για επιταχυνόμενες συνθήκες δοκιμής όσο και για συνθήκες πεδίου. Η μέγιστη τρέχουσα χωρητικότητα σε περίπτωση χρήσης υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας την Εξίσωση 2. Σε αυτή την περίπτωση, το ποσοστό αστοχίας θεωρήθηκε ως 0.1% και η τιμή 3.09 προήλθε από τη βαθμολογία Z της τυπικής λογαριθμικής κανονικής κατανομής.

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

Όπου T είναι η θερμοκρασία χρήσης και η TTF είναι η αναμενόμενη διάρκεια ζωής στην περίπτωση χρήσης. Για πλάτος 10 μm Cu RDL, Ea και η προσδιορίστηκαν ως 0.74 και 1.88, αντίστοιχα. Γενικά, οι τιμές της ενέργειας ενεργοποίησης και του εκθέτη πυκνότητας ρεύματος είναι γνωστές ως 1 και 2, αντίστοιχα. Επιπλέον, η τιμή εκθέτη πυκνότητας ρεύματος 2 και 1 θεωρούνται γενικά ως κενά ελεγχόμενη από πυρήνωση και ελεγχόμενη από ανάπτυξη, αντίστοιχα. Σε αυτή τη δοκιμή EM, ο μηχανισμός αποτυχίας φάνηκε να είναι ένας συνδυασμός πυρήνων και ανάπτυξης κενού, και πιο συγκεκριμένα, ο σχηματισμός κενού φαινόταν να είναι πιο κυρίαρχος. Εάν ο μηχανισμός αστοχίας δεν είναι ίδιος με αυτήν τη μελέτη λόγω ορισμένων λόγων, όπως η σοβαρή κατάσταση δοκιμής ή διαφορετική δομή δοκιμής, η εκτιμώμενη τιμή μπορεί να είναι διαφορετική. Συνήθως, η τιμή του εκθέτη πυκνότητας ρεύματος (n) αυξάνεται όταν η κατάσταση υπερέντασης επιταχύνει την υποβάθμιση ΗΜ με θέρμανση Joule.

Ο Πίνακας 5 δείχνει την αναλογία αύξησης του εκτιμώμενου μέγιστου επιτρεπόμενου ρεύματος σε σύγκριση με την τιμή υπό συνθήκες πεδίου που είναι διάρκεια ζωής 100,000 ωρών, 100% κύκλος λειτουργίας και ποσοστό αστοχίας 0.1%. Η τιμή αναφοράς για σύγκριση είναι πλάτος 10 μm στους 125°C, η οποία ορίζεται ως 1. Όταν η θερμοκρασία λειτουργίας μειωθεί από 125°C σε 110°C, η εκτιμώμενη χωρητικότητα ρεύματος αυξήθηκε κατά 1.6 και 2.4 για 10- και 15 πλάτος 2 μm, αντίστοιχα. Τα κριτήρια αστοχίας επηρεάζουν την τιμή του μέγιστου επιτρεπόμενου ρεύματος, επομένως είναι σημαντικό να επιλέξετε τη μέγιστη χωρητικότητα ρεύματος για ένα σχέδιο. Όπως έδειξε η εξίσωση (XNUMX), το μέγιστο ρεύμα αυξάνεται εκθετικά – όχι ανάλογα με τη θερμοκρασία λειτουργίας. Όταν αυτή η τιμή εκτίμησης ρεύματος χρησιμοποιείται για τη σχεδίαση ίχνους, θα πρέπει επίσης να λαμβάνεται υπόψη με το ρεύμα τήξης RDL επειδή υπάρχει ένα σημείο διασταύρωσης μεταξύ του υπολογισμένου μέγιστου επιτρεπόμενου ρεύματος και του πραγματικού ρεύματος σύντηξης.

Εικ. 10: Λογομοριακή κατανομή για γραφική παράσταση πιθανότητας αστοχίας πλάτους 10 μm Cu RDL.

Πίνακας 5: Ο μέγιστος επιτρεπόμενος λόγος ρεύματος (mA) σε διάφορες συνθήκες πεδίου. Η τιμή του πλάτους 10 μm στους 125°C ορίζεται ως 1.

συμπεράσματα

Η συμπεριφορά ηλεκτρομετανάστευσης και ο τρόπος αστοχίας του Cu RDL λεπτής γραμμής για το πακέτο ανεμιστήρα υψηλής πυκνότητας αναφέρθηκε σε αυτή τη μελέτη. Το ελεγμένο πλάτος του Cu RDL ήταν 2- και 10-μm και η αύξηση της αντίστασης λόγω της υποβάθμισης από την ηλεκτρομετανάστευση ήταν διαφορετική για κάθε συνθήκη δοκιμής. Στην περίπτωση Cu RDL πλάτους 10 μm, υπήρχαν δύο στάδια που έδειχναν διαφορετική συμπεριφορά αλλαγής αντιστάσεων. Στο πρώτο βήμα, η αντίσταση αυξανόταν σταθερά και αναμενόταν η πυρήνωση και η ανάπτυξη κενών ως το κυρίως φαινόμενο που εμφανίστηκε στο πρώτο στάδιο. Το δεύτερο βήμα είναι ένα τμήμα όπου η αντίσταση αυξήθηκε γρήγορα. Αυτό το στάδιο εμφανίστηκε μόνο στην περίπτωση Cu RDL πλάτους 10 μm, η οποία έδειξε αποκόλληση μεταξύ Cu RDL και PI διαφορετική από την RDL πλάτους 2 μm που δοκιμάστηκε με χαμηλή θερμοκρασία και έδειξε μόνο οξείδιο Cu και κενά. Ως εκ τούτου, συνήχθη το συμπέρασμα ότι αυτή η αποκόλληση λόγω της ανάπτυξης κενών είναι ένας σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει την αύξηση της αντίστασης στο δεύτερο βήμα.

Ο παρατηρούμενος τρόπος αστοχίας μετά την ηλεκτρομετανάστευση ήταν μείωση της επιφάνειας Cu λόγω οξείδωσης Cu και δημιουργίας/ανάπτυξης κενών. Επειδή παρατηρήθηκε επίσης η μετανάστευση Cu στο PI, φάνηκε να επιταχύνεται λόγω της ροής ηλεκτρονίων ή/και της θερμικής διαβάθμισης. Δεδομένου ότι στη δοκιμή Cu RDL EM θα πρέπει να ληφθεί υπόψη μια θερμική αποικοδόμηση του PI, πραγματοποιήθηκε μια ηλεκτρική-θερμική προσομοίωση για να προβλεφθεί η ασθενής θέση που καταστρέφεται εύκολα και τα αποτελέσματα ταιριάστηκαν καλά με τα πραγματικά αποτελέσματα της δοκιμής. Επιπλέον, η ποσότητα θέρμανσης Joule που λήφθηκε από την προσομοίωση ήταν σχεδόν παρόμοια με τις πραγματικές πειραματικές τιμές.

Με βάση τα αποτελέσματα Cu RDL EM πλάτους 10 μm, η εξίσωση του Black ολοκληρώθηκε έτσι ώστε να μπορεί να υπολογιστεί η μέγιστη ικανότητα μεταφοράς ρεύματος. Η λογαριθμική κανονική κατανομή χρησιμοποιήθηκε για στατιστική ανάλυση με την υπολογισμένη τιμή του Ea και οι εκθέτες πυκνότητας ρεύματος ήταν 0.74 και 1.88, αντίστοιχα. Το μέγιστο ρεύμα που υπολογίζεται υπό συνθήκες πεδίου μπορεί να είναι χρήσιμο για το σχεδιασμό του RDL, αλλά υπάρχουν ορισμένες εκτιμήσεις όπως η πραγματική τιμή ρεύματος σύντηξης και η εξάρτηση του εκθέτη Ea και πυκνότητας ρεύματος από τη λειτουργία αστοχίας και τις συνθήκες δοκιμής.

Αναγνώριση

Αυτή η έρευνα υποστηρίχθηκε από το Amkor Technology Global R&D κέντρο. Οι συγγραφείς θα ήθελαν να ευχαριστήσουν την ομάδα R&D Process/Material Research για την προετοιμασία της τηλεόρασης υψηλής πυκνότητας με ανεμιστήρα. Επίσης, ευχαριστίες στους συναδέλφους του εργαστηρίου Ε&Α που συνεργάστηκαν για την προετοιμασία DUT και την ανάλυση αστοχίας.

αναφορές

  1. S. Jin, W. Do, J. Jeong, H. Cha, Y. Jeong and J. Khim, «Substrate Silicon Wafer Integrated Fan-out Technology (S-SWIFT) Packaging with Fine Pitch Embedded Trace RDL», 2022 IEEE 72nd Electronic Components and Technology Conference (ECTC), 2022, σελ. 1355-1361, doi: 10.1109/ECTC51906.2022.00218.
  2. H. Kudo et al., «Demonstration of high electromigration rezistencës of ενισχυμένο στρώμα αναδιανομής Cu sub-2 micron-scale for advanced fine-pitch packaging», 2017 IEEE CPMT Symposium Japan (ICSJ), 2017, σελ. 5-8, doi : 10.1109/ICSJ.2017.8240055.
  3. C.-L. Liang, Y.-S. Lin, C.-L. Kao, D. Tarng et al., «Electromigration Reliability of Advanced High-Density Fan-out Packaging with Fine-pitch 2μm/2μm L/S Cu Redistribution Line», IEEE Transactions on Components Packaging and Manufacturing Technology, σελ. 1438- , 1445.
  4. M. Rovitto, «Electromigration Reliability Issue in Interconnects for Three-Dimensional Integration Technologies», αδημοσίευτο.
  5. M. Hauschildt et al., «Ηλεκτρομετανάστευση πρώιμης αποτυχίας κενού πυρήνα και φαινόμενα ανάπτυξης σε διασυνδέσεις Cu και Cu(Mn), 2013 IEEE International Reliability Physics Symposium (IRPS), Monterey, CA, USA, 2013, σελ. 2C.1.1- 2C.1.6, doi: 10.1109/IRPS.2013.6531951.
  6. JEP154, «Guideline for Characterizing Solder Bump Electromigration under Constant Current and Temperature Stress», JEDEC, 2008.
  7. A. Basavalingappa, JM Passage, MY Shen και JR Lloyd, «Electromigration: Lognormal versus Weibull», 2017 IEEE International Integrated Reliability Workshop (IIRW), South Lake Tahoe, CA, USA, 2017, σελ. 1-4, doi: 10.1109/IIRW.2017.8361224.

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Ημι Μηχανική