HDFO-pakkausten hienoviivaisen Cu-uudelleenjakokerroksen (RDL) sähköiron suorituskyky

Laitteiden koon pieneneminen aiheuttaa jatkuvia vaatimuksia lisätä tulo/lähtö (I/O) ja piiritiheys, ja nämä tarpeet rohkaisevat kehittämään HDFO-pakettia, jossa on hieno kupari (Cu) uudelleenjakokerros. (RDL). Korkean suorituskyvyn mobiili- ja verkkosovelluksiin HDFO on nouseva ratkaisu, koska HDFO:hun voidaan soveltaa aggressiivisia suunnittelusääntöjä verrattuna muihin pakettityyppeihin, kuten Wafer Level Fan-Out (WLFO). HDFO mahdollistaa useamman kuin yhden sirun kokoamisen yhteen pakkaukseen ja sirujen yhdistämiseen käytetään enimmäkseen hienoa Cu RDL:ää. Lisäksi HDFO voidaan valmistaa kiekko- ja alustatasolla sovelluksesta riippuen, jolla on parempi skaalautuvuus pakkauskoon suhteen.

HDFO:n Cu RDL on upotettu dielektrisellä kerroksella, kuten polyimidi (PI), ja se siirtää signaalin sirujen välillä tai substraatista sirulle. Kun virta kulkee Cu RDL:n läpi, lämpöä kerääntyy johtimeen joulen lämmityksestä johtuen. Tämä lämmön kerääntyminen voi aiheuttaa suorituskyvyn heikkenemistä. Kun vaadittu virrantiheys ja joulen kuumennuslämpötila nousevat hienossa Cu RDL -rakenteessa, sitä pidetään tärkeänä tekijänä HDFO-pakkauksen suorituskyvyssä.

Koska hienolla Cu RDL:llä pitäisi olla korkea luotettavuussuorituskyky, äskettäin otettiin käyttöön erilaisia ​​RDL:n rakenteita, kuten upotettu jäljitys RDL (ETR) ja epäorgaanisella dielektrillä peitetty Cu trace korkean tiheyden yhteenliittämisen ja luotettavuuden varmistamiseksi [1, 2]. Myös hienon Cu RDL:n luotettavuuden arvioinnista on tehty monia tutkimuksia.

Electromigration (EM) on yksi Cu RDL:n luotettavuuden ja sähköisten ominaisuuksien suorituskyvyn arvioinnista. EM on diffuusioohjattu mekanismi, jossa metalliatomit liikkuvat asteittain johtimessa elektronivirran seurauksena. Tämä metalliatomien massakuljetus johtaa onteloiden muodostumiseen johtimen katodipuolelle ja kumpuamiseen anodipuolelle. Nämä prosessit johtavat sähkön jatkuvuuden katoamiseen. Elektromigraatiokäyttäytymiseen vaikuttavat piirteen koko, jännitystila, elektronien virtaussuunta ja testirakenne, kuten liitoksen metallurgia. Cu RDL EM -testauksessa johtimessa ei ole vain elektronien virtausvoimaa, vaan myös lämpögradienttia, joten EM:n hajoaminen johtuu sähköpotentiaalista ja lämpöenergiasta [3].

EM-testitulosten avulla on mahdollista ennustaa suurin sallittu virrantiheys tai käyttöikä tietyissä kenttäolosuhteissa. Kiihdytetyissä olosuhteissa suoritetuilla EM-testeillä ja EM-koetietoihin perustuvalla ekstrapoloinnilla voidaan arvioida käyttötapauksen nykyiset tai käyttöiän arvot. Laskennassa käytetään laajasti Blackin mallia, jonka James Black julkaisi vuonna 1969. Jotkin tämän mallin tekijät määritetään sovittamalla vikajakaumamalli, kuten Weibull ja lognormaalijakauma. Tässä artikkelissa kuvataan HDFO-paketissa olevan Cu RDL:n EM-karakterisointi ja vikaanalyysitulokset, joiden arvo on ≤ 10 µm, erilaisissa virta- ja lämpötilaolosuhteissa. Lisäksi tarjotaan arvioidun suurimman sallitun virran lisääntynyt suhde käyttölämpötilan ja käyttöiän useissa käyttöolosuhteissa.

Cu RDL -rakenne HDFO-paketissa

HDFO-paketti tehtiin Cu RDL EM -testausta varten. Pakkauksen rungon ja suulakkeen koko olivat vastaavasti 8.5 mm x 8.5 mm ja 5.6 mm x 5.6 mm. HDFO-televisiossa on monikerroksinen RDL-rakenne, jossa on kolme 3 µm paksuista kerrosta ja Ti/Cu siemenkerros jokaista RDL:ää kohti. Myös polyimidia käytettiin dielektrisenä materiaalina, joka ympäröi hienoa Cu RDL:ää. RDL-rakenteen yläpuolella on Cu-pilarin kohouma, muotti ja muotti. Muotin tyyppi on muotin päällä, joka peittää muotin yläpuolen. Cu RDL:n yleinen rakenne on esitetty kuvassa 1.

Kuva 1: Poikkileikkauskuva HDFO-testiajoneuvosta ja sen kolmesta RDL:stä.

Suunniteltiin ja testattiin suora Cu RDL, jonka pituus oli 1000 µm, leveys 2 ja 10 µm. Cu RDL oli alin kerros (RDL3) HDFO:ssa. Neljä BGA-palloa yhdistettiin testattuun Cu RDL:ään virran pakottamista ja jännitteen tunnistamista varten. Kuvassa 2 on kaavamainen esitys testatusta RDL-suunnittelusta.

Kuva 2: Cu RDL -malli sähkömigraatiotestiä varten. "F" ja "S" tarkoittavat vastaavasti virran pakottamista ja jännitteen tunnistamista.

Elektromigraatiotestaus

HDFO-testiajoneuvo pinta-asennettiin testilevyyn sähköliitäntää varten EM-testijärjestelmään ja toista alatäyttöä ei käytetty pinta-asennuksen jälkeen. 10 µm leveä Cu RDL jännitettiin tasavirralla 7.5, 10 ja 12.5 x 10⁵A/cm² ja lämpötila 174, 179, 188 ja 194 °C. 2 µm leveä Cu RDL EM -testi testattiin myös tasavirralla 12.5 x 10⁵A/cm² ja lämpötila 157°C. Testiolosuhteet on esitetty taulukossa 1. Testilämpötilana pidetään lämpötilaa Cu RDL:ssä. Siksi uunin lämpötila asetettiin kompensoimalla Joule-lämmityksen määrää. Joule-lämmityskalibrointi suoritettiin jokaisella jännitysvirralla, koska se riippuu virrantiheyden määrästä.

Joule-lämmityksen kalibrointia varten vastus mitattiin useissa lämpötiloissa matalan ja jännitysvirran olosuhteissa. Pientä virtaa pidetään tilana, joka tuottaa ei-joule-lämpöä. Vastusarvo kasvaa ympäristön lämpötilan noustessa, ja vastuksen muutoskäyttäytymistä matalan virran olosuhteissa käytetään termisen vastuskertoimen (TCR) arvon saamiseksi. Muutamissa lämpötilaolosuhteissa suoritetun resistanssimittauksen jälkeen laskettiin Joulen kuumenemisen määrä käyttämällä TCR:ää ja resistanssieroa matalan ja testivirran tilan välillä. Taulukossa 10 on esitetty kunkin testivirtatilan laskettu Joule-lämmityslämpötila ja lämpötila Cu RDL:ssä, jonka leveys on 2 µm.

Taulukko 1: Hienoviivaiset Cu RDL EM -testiolosuhteet.

Taulukko 2: Joule-lämmityslämpötila ja lämpötila rdl:ssä. Hieno Cu RDL EM -testille suoritettiin neljä testiolosuhdetta.

EM-testiä jatkettiin, kunnes resistanssi nousi 100 % ja kriteeri, jolla määritettiin aika vikaantumiseen (TTF) suurimman sallitun virran laskemiseksi, asetettiin 20 %:n resistanssin kasvuun. Resistanssin prosentuaalisen kasvun kriteerin tiedetään olevan tehokkain, jos kaikki rakenteet osoittavat hyvin samanlaista alkuvastusta. Alkuvastus jännitysolosuhteissa oli 0.7 - 0.8 ohmia 10 µm leveälle Cu RDL:lle, joten arvot näyttivät melko samanlaisilta. EM-testin aikana Cu RDL:n resistanssi mitattiin 4-pistemittaustekniikalla. Testinäytteiden lukumääräksi määritettiin 18-20 mielekästä tilastollista analyysiä varten.

Optisen mikroskoopin lisäksi fokusoitua ionisädettä (FIB) / kenttäemissiopyyhkäisyelektronimikroskooppia (FESEM) käytettiin vikaanalyyseihin, jotta ymmärrettiin hajoaminen sähkömigraatiotestin aikana. Ylhäältä tarkastelun kuva-analyysin lisäksi tietyt alueet poikkileikkattiin gallium- (Ga)-ionijauhatuksella, jotta havaittiin Cu RDL-alueen väheneminen Cu:n hapettumisen ja tyhjien tilojen vaikutuksesta.

Vastustuskyky muuttaa käyttäytymistä

10 µm leveän Cu RDL:n resistanssin kasvukäyttäytyminen EM-testin aikana on esitetty kuvassa 3. Resistanssin kasvutrendi voidaan jakaa kahteen eri moodiin. Alkuvaiheessa vastus kasvoi tasaisesti, mutta saavutettuaan tietyn resistanssin nousun %, resistanssin muutos tapahtui nopeasti. Syynä vastuksen kasvun kahteen vaiheeseen on se, että dominoivasti esiintyvät vikatilat ovat erilaisia ​​jokaisessa vaiheessa.

Erilainen elinikä lämpötilaolosuhteiden mukaan ja aika rikkoutumiseen (TTF) jakauma samoissa testiolosuhteissa on myös esitetty kuvassa 3. Arvioitiin, että syy jakautumiseen TTF:ssä samoissa olosuhteissa johtui kunkin Cu RDL:n erilaisesta raekoosta testiajoneuvojen joukossa. Cu-metalliatomien diffuusioreitit ovat raerajat, materiaalirajapinta ja bulkkimetalli, ja kunkin diffuusioreitin aktivaatioenergiat ovat erilaisia. Koska raeraajan tai materiaalirajapinnan aktivointienergia on pienempi kuin bulkkimetallin, diffuusio raeraajan tai materiaalirajapinnan läpi on hallitsevampaa EM:n aikana. Siksi raekoko on tärkeä tekijä, joka määrittää TTF:n EM-testien aikana [4].

Jos virrantiheys on pienempi 7.5A/cm²Suurin osa näytteistä osoitti pienemmän vastuksen kasvun ja tasaisemman käyrän verrattuna korkeaan virtaan 12.5 A/cm² kuvan 3 (c) mukaisesti. Tulosten perusteella oli odotettavissa, että tällä matalan virran tilalla voisi olla vähemmän vakava vikatila kuin korkean virran tilassa, mutta vikatila ei näyttänyt merkittävästi erilaiselta korkean ja matalan virran tilan välillä. Jatkotutkimuksessa on tarkoitus tehdä epäonnistumisanalyysi resistenssimuutoskäyttäytymisen vaiheista.

Ylimääräinen EM-testaus suoritettiin 2 µm leveällä Cu RDL:llä samoissa virrantiheysolosuhteissa (12.5 × 10⁵A/cm²) kuten 10 µm leveä Cu RDL ja alhaisemmat lämpötilaolosuhteet. Resistanssin nousun piirros EM-testauksen aikana on esitetty kuvassa 4. Tässä tapauksessa resistanssin muutoskäyttäytyminen osoitti vain tasaisesti lisääntynyttä vastusta jopa pitkän testiajan aikana aina 10 Khrs:iin asti, mikä oli erilaista kuin 10 µm leveä Cu RDL -tapaus. Matalan ja korkean lämpötilan olosuhteiden välisen erilaisen vastuksen muutoskäyttäytymisen perusteella epäiltiin, että vikatilat korkeassa ja matalassa lämpötilassa eivät olleet identtisiä. On myös odotettavissa, että 2 µm leveän Cu RDL:n vikatila johtui pääasiassa tasaisesti kasvavasta vastusvaiheesta.

10 µm leveälle Cu RDL:lle yksiköiden lukumäärä, jotka täyttävät 20 %:n ja 100 %:n vastuksen lisäyksen vikakriteerit, on esitetty taulukossa 3. Kaikki testatut yksiköt täyttivät 20 %:n vikakriteerit 8,000 100 tunnissa ja jotkut yksiköt alle 10,000 % vastus lisääntyi, kun testiaika oli 10,000 100 tuntia. Koska vikayksiköiden määrä oli riittävä tilastollisen analyysin tekemiseen, EM-testi keskeytettiin XNUMX XNUMX tunnin kohdalla. Myös EM-data, jossa resistanssi on kasvanut XNUMX %, on suojattu, joten on mahdollista laskea maksimivirtakapasiteetti eri vikakriteerien mukaan.

Kuva 3: Resistanssin kasvu käyttäytyminen 10:n EM-testin aikana-mikronia leveys RDL, 12.5A/cm² virta ja (a) 174 °C:ssa ja (b) 194 °C lämpötilassa ja (c) 7.5 A/cm² ja 188°C.

Kuva 4: Resistanssin kasvukäyttäytyminen 2 µm leveän RDL:n EM-testin aikana. Testiolosuhteet olivat virrantiheys 12.5 A/cm² ja lämpötila 157°C.

Taulukko 3: epäonnistuneiden yksiköiden lukumäärä 10-µm leveys Cu RDL kullekin ehdolle.

Vikatilan analyysi

Hieno Cu RDL EM -testin epäonnistumismekanismin ymmärtämiseksi käytettiin optista mikroskooppia ja FIB/FESEM:iä tarkastelemaan ylä- ja poikkileikkausnäkymää. Kuvassa 5 on esitetty Cu RDL:n 2 µm ja 10 µm leveys testilevylle pinta-asennuksen jälkeen. Paksuus ja leveys sopivat hyvin suunnitteluarvoihin, eikä Cu RDL:ssä ollut poikkeavuuksia, kuten epätasainen pinta, ontelot ja delaminaatio Cu:n ja PI:n välillä. Kuten kuvasta 5 näkyy, vahvistettiin, että raekoko RDL:ssä vaihteli. Koska viat voivat vaikuttaa sähkömigraatiokykyyn, Cu RDL:n laatu tulee tarkistaa ennen EM-testiä.

Kuva 5: FIB/FESEM-kuva Cu RDL:stä pinta-asennuksen jälkeen: (a) 10-µm ja (b) 2-µm leveys.

10 µm leveän Cu RDL:n tapauksessa havaittiin erilaisia ​​vikatiloja, kuten kuvassa 6 on esitetty. Ensinnäkin Cu RDL:n ja passivoitumisen välillä havaittiin delaminaatiota ja Cu-oksidia, mikä johti Cu RDL:n alueen pienenemiseen ja johtui pääasiassa vastus kasvaa. Cu RDL -alueen pieneneminen johti myös nykyiseen ruuhkautumiseen ja korkeampi lämpötila RDL:llä ja EM:n hajoaminen myös kiihtyi. EM-testauksen aikana tyhjiä tiloja syntyi Cu-atomien siirtymisen vuoksi, ja delaminaatio näytti johtuvan tyhjien tilojen kasvusta passivoimisen ja Cu RDL:n välisellä rajapinnalla. Virtaustiheyden eksponenttiarvo heijastaa sitä, mikä ilmiö on vallitsevampi tyhjien ytimien muodostumisen ja kasvun välillä. [5] Mitä tulee Cu-oksidikerrokseen ja diffuusioon PI:hen, Cu-diffuusio näytti kiihtyvän elektronivirran ja/tai lämpögradientin vuoksi, koska RDL2:ssa (ei EM-testattu) Ti/Cu-siemenkerroksessa ei ole oksidikerrosta. toimii estokerroksena kuvan 6 (b) mukaisesti.

Cu RDL2:n ja PI:n välillä havaittiin vain tyhjiä tiloja ja Cu-oksidikerrosta, jotka johtuvat lämpörasituksesta. Toisin sanoen Cu RDL2:ssa havaittua vikatilaa voidaan pitää pitkään korkean lämpötilan säilytyksenä (HTS).

Kuva 6: Optinen mikroskooppi ja FIB/FESEM-kuva 10 µm leveästä Cu RDL:stä 12.5 × 10:n testin jälkeen⁵A/cm2, 174 °C: (a) Cu-oksidia ja delaminaatiota testatussa RDL3:ssa ja (b) ei Cu:n hapettumista Ti/Cu-siemenkerroksessa RDL2:ssa (ei EM-testattu).

Toisin kuin 10 µm leveä Cu RDL, 2 µm leveä Cu RDL ei osoittanut delaminaatiota Cu RDL:n ja PI:n välillä, kuten kuva 7 osoittaa. Vähemmän vaurioituneen 2 µm leveän Cu RDL:n perusteella epäillään, että tyhjiön kasvu Cu RDL:n ja PI:n välisellä rajapinnalla johti 10 um leveässä Cu RDL:ssä näkyvään delaminaatioon. Lisäksi katsottiin, että tämä delaminaatio saattoi olla pääasiallisesti myötävaikuttava tekijä toisessa vaiheessa, jossa vastus lisääntyi äkillisesti. Suunnitelmissa on tehdä tutkimus 2 µm Cu RDL:n sähkömigraatiosta korkeamman virran olosuhteissa, jotta voidaan verrata Blackin yhtälön vikatilan ja parametrien arvoja 10 µm Cu RDL:n sähkömigraatiotuloksiin. Tämän lisätutkimuksen avulla odotetaan myös määrittävän kunkin vastuksen lisäysvaiheen vikatilanne.

Kuva 7: Optinen mikroskooppi ja FIB/FESEM-kuva 2 µm leveästä Cu RDL:stä 12.5 × 10:n testin jälkeen⁵A/cm², 157 °C: (a) Cu-oksidityhjö RDL3:ssa ja (b) eri FIB-jyrsintäakseli Cu RDL3:ssa.

Joule-lämmityssimulaatio

Joulen kuumenemis- ja vikakohtien määrän ennustamiseksi suoritettiin sähkö-terminen simulaatio 10 µm leveälle Cu RDL:lle. Kun lämmön kertymisen määrä on erilainen Cu-jäljessä, vian vakavuus voi olla erilainen sijainnin mukaan, koska EM-vaurio ei johdu vain elektronin virtausvoimasta, vaan myös lämpögradientista. Kuten kuvassa 8 on esitetty, HDFO TV:n ja testilevyn varsinainen testisuunnittelu ja rakenne heijastui simulaatiomalliin ja sovellettiin myös kunkin rakenteen tehollista lämmönjohtavuutta. Taulukko 4 esittää uunin lämpötilaan ja lähdevirtaan perustuvan kokeiden suunnittelun (DOE). Uunin lämpötilaa voidaan pitää ympäristön lämpötilana ja joulen lämmitysmäärän odotetaan vaihtelevan lähdevirran mukaan. Joule-lämmityssimulaatiotulokset on esitetty kuvassa 9. Joulen kuumennusmäärän ero simulaation ja kokeellisen arvon välillä oli 1.3 - 4.2°C, ja näiden kahden arvot olivat lähes samanlaiset. Myös korkeimman paikallisen lämpötilan osoittava paikka oli Cu RDL:n keskiosa, johon metallityynyt on kytketty, mikä vastasi hyvin todellisia vikakohtia EM-testin jälkeen. Yhteenvetona voidaan todeta, että Joule-lämmityssimulaatiotulokset sopivat hyvin todellisiin EM-testituloksiin Joulen kuumennusmäärän ja vikapaikkojen suhteen, mikä auttoi ymmärtämään Cu RDL:n EM-hajoamista ja ennustamaan vikakohtia.

Kuva 8: Joule-lämmityssimulaatiomalli 10 µm leveälle Cu RDL:lle.

Taulukko 4: DOE Joule-lämmityssimulaatiolle.

Kuva 9: ​​Joule-lämmityssimulaatiotulokset: (a) lämpötilakäyrä ja piste, joka näyttää korkeimman lämpötilan 12.5 x 10:n alapuolella⁵A/cm² ja 137 °C. (b) Joule-lämmitysmäärän vertailu kokeen ja simulaation välillä.

Nykyisen kantokyvyn laskenta

Maksimivirran laskemiseen kenttäolosuhteissa käytetään laajasti Blackin yhtälöä, joka liittyy sähkömigraatiotestien epäonnistumiseen kuluvaan aikaan.

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

Missä MTTF on keskimääräinen aika epäonnistumiseen, A on empiirinen vakio, J on virrantiheys, n on virrantiheyden eksponentti, E_a on aktivointienergia (eV), K on Boltzmannin vakio (8.62×10^-5 eV/K) ja T on lämpötila (K). Blackin yhtälön parametrien, kuten A, n ja E, määrittämiseen_a, tilastollinen analyysi on suoritettava ensin. Se on erittäin tärkeä, koska virran kantokyvyn arvioinnissa käytetään ekstrapolointia pienempään vikaprosenttiin tilastollisen analyysin tulosten perusteella. Kaksi tyypillistä menetelmää EM-virhejakauman kuvaamiseen ovat Weibull- ja lognormaalikuvaajat. Lognormaalijakauma on edullinen analysoitaessa metallilinjojen ja läpivientien vikoja, kun taas Weibull-mallia käytetään yleensä, kun testirakenteessa on useita riippumattomia elementtejä, jotka voivat aiheuttaa vian, kuten nysty ja BGA-pallon sähkömigraatio. [6] Koska sovitusmallin valinta voi olla kriittinen arvioitaessa maksimivirtaa käyttötapauksessa, on myös tehty tutkimus sähkömigraatiossa esiintyvästä jakautumamallista [7]. Tässä tutkimuksessa sovitusmalliksi valittiin lognormaalijakauma ja 10 µm leveän Cu RDL:n lognormaalijakauma on esitetty kuvassa 10.

Suurin virrankantokyky laskettiin olettaen, että vikatila on sama tämän testin ja käyttötapauksen välillä, ja Blackin yhtälö pätee sekä kiihdytetyissä testeissä että kenttäolosuhteissa. Maksimivirtakapasiteetti käyttötapauksessa arvioitiin yhtälöllä 2. Tässä tapauksessa vikatiheydeksi oletettiin 0.1 % ja arvo 3.09 saatiin standardin lognormaalijakauman Z-pisteestä.

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

Missä T on käyttötilan lämpötila ja TTF on odotettu käyttöikä käyttötapauksessa. 10 um:n leveydelle Cu RDL:lle Ea ja n määritettiin vastaavasti arvoiksi 0.74 ja 1.88. Yleensä aktivointienergian ja virrantiheyden eksponentin arvot tunnetaan 1:nä ja 2:na. Lisäksi virrantiheyden eksponenttiarvoa 2 ja 1 pidetään yleensä tyhjän ytimenmuodostuksen ohjaamana ja vastaavasti kasvusäädeltynä. Tässä EM-testissä epäonnistumismekanismi näytti olevan sekoitus tyhjien ytimien muodostumista ja kasvua, ja tarkemmin sanottuna tyhjien ytimien muodostuminen näytti olevan hallitsevampi. Jos epäonnistumismekanismi ei ole sama kuin tässä tutkimuksessa johtuen joistakin syistä, kuten ankarista testiolosuhteista tai erilaisesta testirakenteesta, arvioitu arvo voi olla erilainen. Yleensä virrantiheyden eksponentin (n) arvo kasvaa, kun ylikuormitettu tila kiihdyttää EM-heikkenemistä Joule-lämmityksellä.

Taulukko 5 esittää arvioidun suurimman sallitun virran kasvusuhteen verrattuna arvoon kenttäolosuhteissa, joka on 100,000 100 tunnin käyttöikä, 0.1 %:n käyttösuhde ja 10 %:n vikasuhde. Vertailun viitearvo on 125-µm leveys 1°C:ssa, joka on asetettu 125:ksi. Kun käyttölämpötila lasketaan 110°C:sta 1.6°C:een, arvioitua virtakapasiteettia nostettiin 2.4 ja 10 15- ja 2-µm leveys, vastaavasti. Vikakriteerit vaikuttavat suurimman sallitun virran arvoon, joten on tärkeää valita mallille suurin virtakapasiteetti. Kuten yhtälö (XNUMX) osoittaa, maksimivirta kasvaa eksponentiaalisesti – ei verrannollinen käyttölämpötilaan. Kun tätä virranarviointiarvoa käytetään jäljityssuunnittelussa, se tulee ottaa huomioon myös RDL-sulakevirran kanssa, koska lasketun suurimman sallitun virran ja todellisen sulakevirran välillä on ristikko.

Kuva 10: Lognormaalijakauma 10 µm leveän Cu RDL:n vikojen todennäköisyyden piirtämiseen.

Taulukko 5: Suurin sallittu virran (mA) suhde useissa kenttäolosuhteissa. 10-µm leveyden arvo 125 °C:ssa on asetettu 1:ksi.

Päätelmät

Tässä tutkimuksessa raportoitu hienoviivaisen Cu RDL:n sähkömigraatiokäyttäytyminen ja vikatila suuritiheyksisille tuuletuspakkauksille. Cu RDL:n testatut leveydet olivat 2 ja 10 µm, ja sähkömigraatiosta johtuva resistanssin kasvu oli erilainen jokaisessa testiolosuhteissa. 10 µm leveän Cu RDL:n tapauksessa oli kaksi vaihetta, jotka osoittivat erilaista vastusmuutoskäyttäytymistä. Ensimmäisessä vaiheessa resistenssi kasvoi tasaisesti ja tyhjien ytimien muodostumista ja kasvua odotettiin pääasiassa esiintyneenä ilmiönä ensimmäisessä vaiheessa. Toinen vaihe on osa, jossa vastus kasvoi nopeasti. Tämä vaihe näytettiin vain 10 µm leveässä Cu RDL -tapauksessa, joka osoitti delaminaatiota Cu RDL:n ja PI:n välillä erilaista kuin 2 µm leveä RDL, joka testattiin alhaisessa lämpötilassa ja osoitti vain Cu-oksidia ja tyhjiä tiloja. Tästä syystä pääteltiin, että tämä aukkojen kasvusta johtuva delaminaatio on tärkeä tekijä, joka vaikuttaa resistenssin kasvuun toisessa vaiheessa.

Havaittu vikatila sähkömigroinnin jälkeen oli Cu-alueen pieneneminen Cu:n hapettumisen ja onteloiden muodostumisen/kasvun vuoksi. Koska havaittiin myös Cu:n kulkeutuminen PI:hen, se näytti kiihtyvän elektronivirran ja/tai lämpögradientin vuoksi. Koska Cu RDL EM -testissä tulisi ottaa huomioon PI:n lämpöhajoaminen, suoritettiin sähkö-terminen simulaatio heikon sijainnin ennustamiseksi, joka on helposti vaurioitunut, ja tulokset sopivat hyvin todellisiin testituloksiin. Lisäksi simuloinnilla saatu Joule-lämmitysmäärä oli lähes samanlainen kuin todelliset koearvot.

10 µm leveiden Cu RDL EM -tulosten perusteella Blackin yhtälö täydennettiin siten, että maksimivirrankantokyky voidaan laskea. Tilastolliseen analyysiin käytettiin lognormaalijakaumaa. Ea:n laskennallinen arvo ja virrantiheyseksponentit olivat vastaavasti 0.74 ja 1.88. Kenttäolosuhteissa arvioitu maksimivirta voi olla hyödyllinen RDL:n suunnittelussa, mutta on olemassa joitakin huomioita, kuten todellinen sulakevirran arvo sekä Ea:n ja virrantiheyden eksponentin riippuvuus vikatilasta ja testiolosuhteista.

tunnustus

Tätä tutkimusta tuki Amkor Technology Global T&K -keskus. Kirjoittajat haluavat kiittää R&D Process/Material Research -ryhmää korkeatiheyksisen fan-out-television valmistelusta. Kiitos myös T&K-laboratorion kollegoille, jotka tekivät yhteistyötä DUT:n valmistelussa ja vikaanalyysissä.

Viitteet

1. S. Jin, W. Do, J. Jeong, H. Cha, Y. Jeong ja 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, s. 1355-1361, doi: 10.1109/ECTC51906.2022.00218.
2. H. Kudo et al., "Demonstration of high electromigration resistenss of tehostetun alle 2 mikronin Cu-uudelleenjakautumiskerroksen kehittyneelle hienojakoiselle pakkaukselle", 2017 IEEE CPMT Symposium Japan (ICSJ), 2017, s. 5-8, doi : 10.1109/ICSJ.2017.8240055.
3. C.-L. Liang, Y.-S. Lin, C.-L. Kao, D. Tarng et ai., "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, s. 1438-1445 , 2020.
4. M. Rovitto, "Electromigration Reliability Issue in Interconnects for Three-Dimensional Integration Technologies", julkaisematon.
5. M. Hauschildt et ai., "Electromicigration early vika void nucleation and growth phenomena in Cu and Cu(Mn) interconnects", 2013 IEEE International Reliability Physics Symposium (IRPS), Monterey, CA, USA, 2013, s. 2C.1.1- 2C.1.6, doi: 10.1109/IRPS.2013.6531951.
6. JEP154, "Ohje juotosnystyelektromigraation karakterisoimiseksi jatkuvassa virran ja lämpötilan jännityksessä", JEDEC, 2008.
7. A. Basavalingappa, JM Passage, MY Shen ja JR Lloyd, "Electromigration: Lognormal versus Weibull-jakauma", 2017 IEEE International Integrated Reliability Workshop (IIRW), South Lake Tahoe, CA, USA, 2017, s. 1-4, doi: 10.1109/IIRW.2017.8361224.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://semiengineering.com/electromigration-performance-of-fine-line-cu-redistribution-layer-rdl-for-hdfo-packaging/