ביצועי אלקטרומיגרציה של שכבת חלוקה מחדש של קו עדין (RDL) עבור אריזות HDFO

ביצועי אלקטרומיגרציה של שכבת חלוקה מחדש של קו עדין (RDL) עבור אריזות HDFO

חותמת זמן: 18 בינואר 2024 3:05
צומת המקור: 3069608

מגמת הקטנת ההתקנים גורמת לדרישות מתמשכות של הגדלת קלט/פלט (I/O) וצפיפות המעגל, וצרכים אלה מעודדים פיתוח של חבילת High-Density Fan-Out (HDFO) עם שכבת פיזור מחדש של נחושת עדינה (Cu). (RDL). עבור יישומי נייד ורשת עם ביצועים גבוהים, HDFO הוא פתרון מתפתח מכיוון שניתן להחיל כללי עיצוב אגרסיביים על HDFO בהשוואה לסוגי החבילות האחרים כגון Wafer Level Fan-Out (WLFO). HDFO מאפשר הרכבה של יותר משבב אחד באריזה אחת ובעיקר Cu RDL משובח משמש לחיבור השבבים. בנוסף, ניתן לייצר HDFO ברמת רקיק ומצע בהתאם ליישום, בעל יכולת מדרגיות טובה יותר מבחינת גודל האריזה.

ה-Cu RDL ב-HDFO מוטבע בשכבה דיאלקטרית כמו פוליאמיד (PI) ומעביר את האות בין שבבים או מהמצע לשבב. כאשר זרם זורם דרך Cu RDL, חום מצטבר במוליך עקב יצירת חימום ג'ול. הצטברות חום זו עלולה לגרום לפגיעה בביצועים. מכיוון שצפיפות הזרם הנדרשת וטמפרטורת החימום של ג'ול עולה במבנה Cu RDL העדין, היא נחשבת לגורם חשוב בביצועי אריזת HDFO.

מאחר ש-RDL Cu משובח אמור להיות בעל ביצועי אמינות גבוהים, מבנים שונים של RDL הוצגו לאחרונה, כגון RDL (ETR) ו-Cu trace מכוסה בדיאלקטרי אנאורגני עבור חיבור הדדיות בצפיפות גבוהה וביצועי אמינות [1, 2]. מחקרים רבים בנוגע להערכת ביצועי אמינות Cu RDL עדינים נערכו גם כן.

אלקטרומיגרציה (EM) היא אחד הפריטים להערכת האמינות של Cu RDL וביצועי המאפיינים החשמליים. EM הוא מנגנון מבוקר דיפוזיה על ידי תנועה הדרגתית של אטומי המתכת במוליך כתוצאה מזרימת אלקטרונים. הובלה המונית זו של אטומי מתכת מובילה להיווצרות חללים בצד הקתודה וגבעה בצד האנודה של המוליך. תהליכים אלו מביאים לאובדן המשכיות החשמלית. התנהגות אלקטרומיגרציה מושפעת מגודל התכונה, מצב הלחץ, כיוון זרימת האלקטרונים ומבנה הבדיקה כגון מטלורגיית מפרקים. במקרה של בדיקת Cu RDL EM, קיים לא רק כוח זרימת אלקטרונים אלא גם שיפוע תרמי במוליך, כך שפירוק EM מיוחס לפוטנציאל חשמלי ולאנרגיה תרמית [3].

באמצעות תוצאות בדיקת EM, ניתן לחזות את צפיפות הזרם המקסימלית או משך החיים המותרים בתנאי שטח ספציפיים. ניתן להשתמש בבדיקות EM המבוצעות בתנאים מואצים ובאקסטרפולציה המבוססת על נתוני הניסוי של EM כדי להעריך את הערכים הנוכחיים או לכל החיים של מקרה שימוש. לצורך החישוב, נעשה שימוש נרחב במודל של בלאק, שפורסם על ידי ג'יימס בלאק ב-1969. כמה גורמים במודל זה נקבעים על ידי התאמת מודל התפלגות הכשל כגון Weibull והתפלגות לוגנורמלית. במאמר זה, מתוארים אפיון EM ותוצאות ניתוח כשל של Cu RDL עם ≤ 10 מיקרומטר בחבילת HDFO בתנאי זרם וטמפרטורה שונים. בנוסף, היחס המוגבר של זרם מרבי משוער המותר במגוון תנאי השימוש של טמפרטורת הפעלה ואורך חיים מסופק.

מבנה Cu RDL בחבילת HDFO

נוצרה חבילת HDFO לבדיקת Cu RDL EM. גוף האריזה וגודל התבנית היו 8.5 מ"מ על 8.5 מ"מ ו-5.6 מ"מ על 5.6 מ"מ, בהתאמה. לטלוויזיית HDFO יש מבנה RDL רב שכבתי בעל שלוש שכבות בעובי 3-מיקרומטר ושכבת זרעים Ti/Cu עבור כל RDL. כמו כן, פוליאמיד יושם כחומר דיאלקטרי המקיף Cu RDL עדין. מעל מבנה ה-RDL יש גבשושיות של עמוד Cu, תבנית ועובש. סוג התבנית הוא מעל עובש המכסה את הצד העליון של התבנית. מבנה Cu RDL הכולל מוצג באיור 1.

איור 1: תצוגת חתך של רכב מבחן HDFO עם שלושת ה-RDL שלו.

תוכנן ונבדק דגם Cu RDL ישר עם אורך של 1000 מיקרומטר, רוחב של 2 ו-10 מיקרון. ה-Cu RDL הייתה השכבה התחתונה ביותר (RDL3) ב-HDFO. ארבעה כדורי מערך רשת כדוריים (BGA) חוברו ל- Cu RDL שנבדק עבור כפיית זרם וחישת מתח. איור 2 מציג המחשה סכמטית של עיצוב RDL שנבדק.

איור 2: עיצוב Cu RDL לבדיקת אלקטרומיגרציה. 'F' ו-'S' מתכוונים לאלץ זרם ולחישת מתח, בהתאמה.

בדיקת אלקטרומיגרציה

רכב הבדיקה HDFO הותקן על גבי לוח הבדיקה לצורך חיבור חשמלי עם מערכת הבדיקה EM והמילוי השני לא הוחל לאחר הרכבה על פני השטח. ה-Cu RDL ברוחב 10 מיקרומטר נלחץ תחת זרם ישר של 7.5, 10 ו-12.5 x 105A/cm2 וטמפרטורה של 174, 179, 188 ו-194 מעלות צלזיוס. בדיקת Cu RDL EM ברוחב של 2 מיקרומטר נבדקה גם תחת זרם ישר 12.5 x 105A/cm2 וטמפרטורה של 157 מעלות צלזיוס. תנאי הבדיקה מצוינים בטבלה 1. טמפרטורת הבדיקה נחשבת לטמפרטורה ב- Cu RDL. לכן, טמפרטורת התנור נקבעה על ידי פיצוי על כמות החימום של ג'ול. כיול חימום ג'ול בוצע בכל זרם מתח מכיוון שהוא תלוי בכמות צפיפות הזרם.

עבור כיול של חימום ג'ול, ההתנגדות נמדדה במספר טמפרטורות בתנאי זרם נמוך ומתח. הזרם הנמוך נחשב למצב שיוצר חימום שאינו ג'ול. ערך ההתנגדות גדל ככל שטמפרטורת הסביבה עולה והתנהגות שינוי ההתנגדות בתנאי זרם נמוך משמשת להשגת ערך מקדם ההתנגדות התרמי (TCR). לאחר מדידת ההתנגדות בכמה תנאי טמפרטורה, כמות החימום של ג'ול חושבה באמצעות TCR והפרש ההתנגדות בין מצב זרם נמוך לבדיקה. טמפרטורת חימום הג'ול המחושבת של כל מצב זרם בדיקה והטמפרטורה ב- Cu RDL ברוחב של 10 מיקרומטר מצוינים בטבלה 2.

טבלה 1: תנאי בדיקת Cu RDL EM עם קו דק.

טבלה 2: טמפרטורת חימום ג'ול וטמפרטורה ב-rdl. ארבעה תנאי בדיקה נערכו עבור בדיקת Cu RDL EM בסדר.

בדיקת ה-EM נמשכה עד שההתנגדות עלתה ב-100% והקריטריון לקביעת זמן הכשל (TTF) לחישוב הזרם המרבי המותר נקבע לעלייה של 20% בהתנגדות. הקריטריון של אחוז עלייה בהתנגדות ידוע כיעיל ביותר אם כל המבנים מראים התנגדות ראשונית דומה מאוד. ההתנגדות הראשונית בתנאי הלחץ הייתה 0.7 עד 0.8 אוהם עבור Cu RDL ברוחב 10-מיקרומטר, כך שהערכים נראו די דומים זה לזה. במהלך מבחן ה-EM, ההתנגדות של Cu RDL נמדדה בטכניקת מדידה של 4 נקודות. מספר דגימות הבדיקה נקבע כ-18 עד 20 לניתוח סטטיסטי משמעותי.

בנוסף למיקרוסקופ אופטי, קרן יונים ממוקדת (FIB) / מיקרוסקופ אלקטרונים סריקת פליטת שדה (FESEM) שימשה לניתוח כשל כדי להבין את השפלה במהלך בדיקת האלקטרומיגרציה. בנוסף לניתוח תמונה במבט עליון, אזורים ספציפיים נחתכו על ידי כרסום יון גליום (Ga) כדי לצפות בהפחתה של שטח Cu RDL על ידי חמצון Cu וחללים.

התנגדות משנה התנהגות

התנהגות הגברת ההתנגדות של Cu RDL ברוחב 10-מיקרומטר במהלך בדיקת EM מוצגת באיור 3. ניתן לחלק את מגמת עליית ההתנגדות לשני מצבים שונים. בשלב המוקדם ההתנגדות עלתה בהתמדה, אך לאחר שהגיעה ל-% עליית התנגדות מסוימת, השינוי בהתנגדות התרחש במהירות. הסיבה לשני שלבי הגדלת ההתנגדות היא שמצבי הכשל המתרחשים באופן דומיננטי שונים בכל שלב.

התפלגות משך החיים השונה לפי מצב טמפרטורה והתפלגות זמן עד כשל (TTF) באותם תנאי בדיקה מצוינים גם באיור 3. ההערכה הייתה שהסיבה להתפלגות ב-TTF באותם תנאים נבעה מגודל גרגר שונה של כל Cu RDL בין רכבי המבחן. נתיבי הדיפוזיה של אטומי מתכת Cu הם גבולות גרגר, ממשק חומר ומתכת בתפזורת, ואנרגיות ההפעלה של כל נתיב דיפוזיה שונות. מכיוון שאנרגיית ההפעלה של גבול התבואה או ממשק החומר נמוכה מזו של המתכת בתפזורת, הדיפוזיה דרך גבול התבואה או ממשק החומר דומיננטית יותר במהלך EM. לכן, גודל הגרגירים הוא גורם חשוב שקובע את ה-TTF במהלך בדיקות EM [4].

במקרה של צפיפות זרם נמוכה יותר של 7.5A/cm2, רוב הדגימות הראו עליית התנגדות נמוכה יותר ועקומה חלקה יותר בהשוואה לזרם הגבוה 12.5A/cm2 כפי שמוצג באיור 3 (ג). בהתבסס על התוצאות, היה צפוי שמצב זרם נמוך זה עלול להיות בעל מצב כשל פחות חמור ממצב הזרם הגבוה, אך מצב הכשל לא נראה שונה באופן משמעותי בין תנאי הזרם הגבוה והנמוך. במחקר נוסף, מתוכנן לבצע ניתוח כישלון ביחס לשלבים של התנהגות שינוי התנגדות.

בדיקות EM נוספות נערכו עם Cu RDL ברוחב 2-מיקרומטר באותו מצב של צפיפות זרם (12.5×105A/cm2) כ-10-מיקרומטר רוחב Cu RDL ותנאי טמפרטורה נמוכים יותר. התוות של עליית ההתנגדות במהלך בדיקת EM מוצגת באיור 4. במקרה זה, התנהגות שינוי ההתנגדות הראתה רק התנגדות מוגברת בהתמדה אפילו בזמן הבדיקה הארוך עד 10 Khrs, שהיה שונה ממקרה Cu RDL ברוחב 10-µm. בהתבסס על התנהגות שונה של שינוי התנגדות בין תנאי טמפרטורה נמוכה לגבוהה, עלה חשד שמצבי הכשל בטמפרטורה גבוהה ונמוכה אינם זהים. כמו כן, צפוי שמצב הכשל של Cu RDL ברוחב 2-מיקרומטר התרחש בעיקר עקב שלב ההתנגדות הגובר בהתמדה.

עבור Cu RDL ברוחב 10 מיקרומטר, מספר היחידות העומדות בקריטריוני הכשל של 20% ו-100% עליית התנגדות מוצגים בטבלה 3. כל היחידות שנבדקו עמדו בקריטריוני הכשל של 20% תוך 8,000 שעות וחלק מהיחידות הוצגו מתחת ל-100 % עלייה בהתנגדות כאשר זמן הבדיקה היה 10,000 שעות. מאחר שמספר יחידות הכשל הספיק לביצוע ניתוח סטטיסטי, בדיקת ה-EM הופסקה לאחר 10,000 שעות. כמו כן, נתוני ה-EM שבהם ההתנגדות גדלה ב-100% מאובטחים כך שניתן לחשב את קיבולת הזרם המקסימלית בהתאם לקריטריוני הכשל השונים.

איור 3: התנהגות מגבירה התנגדות במהלך מבחן EM של 10-μm רוחב RDL, 12.5A/cm2 זרם ו-(א) ב-174°C ו-(ב) טמפרטורה של 194°C ו-(ג) 7.5A/cm2 ו-188 מעלות צלזיוס.

איור 4: התנהגות הגברת התנגדות במהלך בדיקת EM של RDL ברוחב 2-מיקרומטר. תנאי הבדיקה היו צפיפות זרם של 12.5A/cm2 וטמפרטורה של 157 מעלות צלזיוס.

טבלה 3: מספר היחידות שנכשלו של 10-µמ' רוחב Cu RDL עבור כל תנאי.

ניתוח מצב כשל

כדי להבין את מנגנון הכשל של מבחן Cu RDL EM בסדר, נעשה שימוש במיקרוסקופ אופטי ו-FIB/FESEM כדי לצפות בתצוגה העליונה ובחתך הרוחב. איור 5 מציג את רוחב 2-מיקרומטר ו-10-מיקרומטר של Cu RDL לאחר הרכבה משטח על לוח הבדיקה. העובי והרוחב הותאמו היטב לערכי התכנון ולא היו חריגות כמו משטח לא אחיד, חללים ודלמינציה בין Cu ו-PI ב- Cu RDL. כפי שמוצג באיור 5, אושר שגודל הגרגירים ב- RDL השתנה. מכיוון שהפגמים יכולים להשפיע על ביצועי ההגירה האלקטרוניים, יש לבדוק את איכות ה- Cu RDL לפני בדיקת EM.

איור 5: תמונת FIB/FESEM של Cu RDL לאחר הרכבה על פני השטח: (א) 10-מיקרומטר ו-(ב) רוחב של 2-מיקרומטר.

במקרה של Cu RDL ברוחב 10 מיקרומטר, נצפו מצבי כשל שונים כפי שהוצג באיור 6. ראשית, נצפו דלמינציה ותחמוצת Cu בין Cu RDL לפסיבציה, מה שהוביל להפחתה של שטח Cu RDL ומיוחס בעיקר ל- Cu RDL. עליית ההתנגדות. הפחתת שטח Cu RDL הובילה גם לצפיפות הנוכחית ולטמפרטורה גבוהה יותר ב-RDL ו-EM הואצה גם היא. במהלך בדיקת EM, החללים נוצרו עקב הגירה של אטומי Cu ונראה היה שהדלמינציה נובעת מצמיחת החללים לאורך הממשק בין הפסיבציה ל- Cu RDL. ערך מעריך הצפיפות הנוכחי משקף איזו תופעה דומיננטית יותר בין גרעין חלל לצמיחה. [5] בנוגע לשכבת תחמוצת Cu ודיפוזיה ל-PI, נראה היה שהדיפוזיה של Cu מואצת עקב זרימת אלקטרונים או/ו שיפוע תרמי מכיוון שב-RDL2 (לא נבדק EM), אין שכבת תחמוצת בשכבת הזרע Ti/Cu כדי לפעול כשכבת מחסום כפי שמוצג באיור 6 (ב).

בין Cu RDL2 ל-PI, נצפו רק חללים ושכבת תחמוצת Cu, הנובעים ממתח תרמי. במילים אחרות, מצב הכשל שנצפה ב- Cu RDL2 יכול להיחשב כמצב של אחסון בטמפרטורה גבוהה (HTS) למשך זמן רב.

איור 6: מיקרוסקופ אופטי ותמונת FIB/FESEM של Cu RDL ברוחב 10-מיקרומטר לאחר בדיקה ב-12.5×105A/cm2, 174°C: (א) תחמוצת Cu ודילמינציה ב-RDL3 שנבדק ו-(ב) ללא חמצון Cu בשכבת הזרע Ti/Cu ב-RDL2 (לא נבדקה EM).

בניגוד ל-Cu RDL ברוחב 10 מיקרומטר, ה-Cu RDL ברוחב 2-מיקרומטר לא הראה את הדלמינציה בין Cu RDL ל-PI, כפי שמראה איור 7. מ-Cu RDL ברוחב של 2-מיקרומטר הפגוע פחות, יש חשד שגידול הריק לאורך הממשק בין Cu RDL ו-PI הביא לדה למינציה המוצגת ב-Cu RDL ברוחב 10-מיקרומטר. בנוסף, נחשב כי דלמינציה זו יכולה להיות גורם תורם בעיקר לשלב השני שמראה עלייה פתאומית בהתנגדות. מתוכנן לערוך מחקר עבור אלקטרומגרציה של 2-µm Cu RDL בתנאי הזרם הגבוה יותר לצורך השוואה של מצב הכשל וערכי הפרמטרים במשוואה של בלאק עם תוצאות אלקטרו-הגירה של 10-µm Cu RDL. כמו כן, צפוי לקבוע את מצב הכשל של כל שלב הגדלת התנגדות באמצעות מחקר נוסף זה.

איור 7: מיקרוסקופ אופטי ותמונת FIB/FESEM של Cu RDL ברוחב 2-מיקרומטר לאחר בדיקה ב-12.5×105A/cm2, 157°C: (א) ריק תחמוצת Cu ב-RDL3 ו-(ב) ציר כרסום FIB שונה על Cu RDL3.

הדמיית חימום ג'ול

כדי לחזות את כמות מיקומי החימום והכשל של ג'ול, בוצעה הדמיה חשמלית-תרמית עבור Cu RDL ברוחב 10 מיקרומטר. כאשר כמות הצטברות החום שונה ב- Cu trace, חומרת הכשל עשויה להיות שונה לפי מיקום מכיוון שהנזק EM נובע לא רק מכוח זרימת אלקטרונים אלא גם משיפוע תרמי. כפי שהוצג באיור 8, עיצוב הבדיקה והמבנה בפועל של טלוויזיית HDFO ולוח הבדיקה באו לידי ביטוי במודל סימולציה, וגם המוליכות התרמית האפקטיבית של כל מבנה יושמה. טבלה 4 מציגה עיצוב של ניסויים (DOE) המבוסס על טמפרטורת התנור וזרם המקור. ניתן להתייחס לטמפרטורת התנור כטמפרטורת הסביבה וכמות החימום של הג'ול צפויה להשתנות עם זרם המקור. תוצאות הדמיית חימום ג'ול מצוינות באיור 9. ההבדל בין כמות החימום של ג'ול בין הערך הניסיוני היה 1.3 עד 4.2 מעלות צלזיוס, והערכים של השניים היו כמעט דומים. כמו כן, המיקום שהראה את הטמפרטורה המקומית הגבוהה ביותר היה אמצע ה- Cu RDL שבו מחוברות רפידות המתכת, אשר תואם היטב את מיקומי הכשל בפועל לאחר בדיקת EM. לסיכום, תוצאות סימולציית החימום של ג'ול הותאמו היטב לתוצאות בדיקת EM בפועל מבחינת כמות חימום ג'ול ומיקומי כשל, מה שהיה מועיל כדי להבין את השפלת ה-EM של Cu RDL ולחזות את מיקומי הכשל.

איור 8: מודל הדמיית חימום ג'ול עבור Cu RDL ברוחב 10 מיקרומטר.

טבלה 4: DOE עבור הדמיית חימום ג'ול.

איור 9: תוצאות הדמיית חימום ג'ול: (א) קו מתאר הטמפרטורה והנקודה המציגה את הטמפרטורה הגבוהה ביותר מתחת ל-12.5 x 105A/cm2 ו-137 מעלות צלזיוס. (ב) השוואת כמות החימום בג'ול בין ניסוי לסימולציה.

חישוב כושר נשיאה נוכחי

לחישוב הזרם המקסימלי בתנאי שדה, נעשה שימוש נרחב במשוואה של בלאק, שקשורה לזמן לכשל בבדיקות אלקטרומיגרציה.

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

כאשר MTTF הוא הזמן הממוצע עד לכישלון, A הוא הקבוע האמפירי, J הוא צפיפות הזרם, n הוא מעריך צפיפות הזרם, Ea היא אנרגיית ההפעלה (eV), K הוא הקבוע של בולצמן (8.62×10-5 eV/K) ו-T היא הטמפרטורה (K). לקביעת הפרמטר של המשוואה של שחור כגון A, n ו-Ea, יש לבצע תחילה ניתוח סטטיסטי. זה חשוב מאוד מכיוון שהאקסטרפולציה לאחוז כשל נמוך יותר בהתבסס על תוצאות הניתוח הסטטיסטי משמש להערכת כושר הנשיאה הנוכחי. שתי שיטות טיפוסיות לתיאור התפלגות כשל EM הן Weibull ו-lognormal plots. ההתפלגות הלוגנורמלית מועדפת כאשר מנתחים את הכשל של קו מתכת ו-vias, בעוד שמודל Weibull משמש בדרך כלל כאשר למבנה הבדיקה יש אלמנטים עצמאיים רבים שיכולים לגרום לכשל כגון גבשושית והגירת כדור BGA. [6] מכיוון שהבחירה במודל המתאים עשויה להיות קריטית בהערכת הזרם המקסימלי במקרה שימוש, בוצע גם מחקר לגבי מודל ההפצה באלקטרומיגרציה [7]. במחקר זה, התפלגות לוגנורמלית נבחרה כמודל מתאים ותרשים ההתפלגות הלוגנורמלית של 10-מיקרומטר Cu RDL ברוחב מוצג באיור 10.

כושר נשיאת הזרם המקסימלי חושב בהנחה שמצב הכשל זהה בין בדיקה זו למקרה השימוש, והמשוואה של בלאק תקפה הן עבור בדיקה מואצת והן עבור תנאי שטח. קיבולת הזרם המקסימלית במקרה שימוש נאמדה באמצעות משוואה 2. במקרה זה, שיעור הכשל הונח כ-0.1% והערך של 3.09 הגיע מציון Z של התפלגות לוגנורמלית סטנדרטית.

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

כאשר T הוא טמפרטורת מצב השימוש ו-TTF הוא משך החיים הצפוי במקרה השימוש. עבור 10-מיקרומטר רוחב Cu RDL, Ea ו-n נקבעו כ-0.74 ו-1.88, בהתאמה. באופן כללי, ערכי אנרגיית ההפעלה וצפיפות הזרם ידועים כ-1 ו-2, בהתאמה. בנוסף, ערך מעריך הצפיפות הנוכחי של 2 ו-1 נחשבים בדרך כלל כנשלטים על גרעין ריק וכמבוקרי צמיחה, בהתאמה. במבחן EM זה, נראה כי מנגנון הכשל היה שילוב של גרעין חלל וגדילה, וליתר דיוק, נראה כי גרעין החלל היה דומיננטי יותר. אם מנגנון הכשל אינו זהה למחקר זה בגלל כמה סיבות כמו מצב בדיקה חמור או מבנה בדיקה שונה, הערך המשוער יכול להיות שונה. בדרך כלל, ערך המעריך של צפיפות הזרם (n) גדל כאשר מצב המתח יתר מאיץ את השפלת EM עם חימום ג'ול.

טבלה 5 מציגה את יחס העלייה של זרם מרבי משוער בהשוואה לערך בתנאי השדה שהוא אורך חיים של 100,000 שעות, 100% מחזור עבודה ושיעור כשל של 0.1%. ערך הייחוס להשוואה הוא 10-מיקרומטר רוחב ב-125°C, המוגדר כ-1. כאשר טמפרטורת ההפעלה יורדת מ-125°C ל-110°C, קיבולת הזרם המשוערת הוגדלה ב-1.6 ו-2.4 עבור 10- ו- 15-מיקרומטר רוחב, בהתאמה. קריטריוני הכשל משפיעים על ערך הזרם המרבי המותר, לכן חשוב לבחור את קיבולת הזרם המקסימלית עבור תכנון. כפי שמשוואה (2) ציינה, הזרם המרבי גדל באופן אקספוננציאלי - לא פרופורציונלי לטמפרטורת הפעולה. כאשר ערך הערכת זרם זה משמש לתכנון עקבות, יש לשקול אותו גם עם זרם היתוך RDL מכיוון שקיימת נקודת הצלבה בין זרם היתוך המרבי המחושב לבין זרם היתוך בפועל.

איור 10: התפלגות לוגנורמלית לשרטוט הסתברות כישלון של Cu RDL ברוחב 10-מיקרומטר.

טבלה 5: יחס הזרם המקסימלי המותר (mA) במספר תנאי שדה. הערך של רוחב 10-מיקרומטר ב-125°C מוגדר כ-1.

מסקנות

במחקר זה דווח על התנהגות האלקטרו-הגירה ומצב הכשל של Cu RDL עם קו דק לחבילת מניפה בצפיפות גבוהה. הרוחב הנבדק של Cu RDL היה 2 ו-10 מיקרומטר, ועליית ההתנגדות עקב השפלה על ידי אלקטרומגרציה הייתה שונה עבור כל מצב בדיקה. במקרה של Cu RDL ברוחב 10 מיקרומטר, היו שני שלבים שהראו התנגדויות שונות לשינוי התנהגות. בשלב הראשון, ההתנגדות עלתה בהתמדה וצפויה גרעין וגדילה ריק, שכן התופעה התרחשה בעיקר בשלב הראשון. השלב השני הוא קטע שבו ההתנגדות גדלה במהירות. שלב זה הוצג רק במקרה של Cu RDL ברוחב 10 מיקרומטר, שהראה דלמינציה בין Cu RDL ל-PI שונה מה-RDL ברוחב 2 מיקרומטר שנבדק עם טמפרטורה נמוכה והראה רק תחמוצת Cu וחללים. לכן, הגיע למסקנה שדלמינציה זו עקב גידול חללים היא גורם מרכזי המשפיע על עליית ההתנגדות בשלב השני.

מצב הכשל שנצפה לאחר ההגירה האלקטרונית היה הפחתת שטח Cu עקב חמצון Cu ויצירת/צמיחה של חללים. מכיוון שגם נדידת Cu לתוך PI נצפתה, נראה היה שהיא מואצת עקב זרימת אלקטרונים או/ו שיפוע תרמי. מכיוון שיש לשקול ירידה תרמית של PI במבחן Cu RDL EM, בוצעה סימולציה חשמלית-תרמית כדי לחזות את המיקום החלש שנפגע בקלות והתוצאות הותאמו היטב לתוצאות הבדיקה בפועל. בנוסף, כמות החימום של ג'ול שהתקבלה בסימולציה הייתה כמעט דומה לערכי הניסוי בפועל.

בהתבסס על תוצאות Cu RDL EM ברוחב של 10 מיקרומטר, המשוואה של Black הושלמה כך שניתן לחשב את יכולת נשיאת הזרם המקסימלית. התפלגות הלוגנורמלית שימשה לניתוח סטטיסטי עם הערך המחושב של Ea ומערכי צפיפות הזרם היו 0.74 ו-1.88, בהתאמה. הזרם המקסימלי המוערך בתנאי שדה יכול להיות שימושי לתכנון ה-RDL, אך ישנם כמה שיקולים כגון ערך זרם היתוך בפועל והתלות של Ea ומעריך צפיפות הזרם במצב כשל ותנאי בדיקה.

הכרה

מחקר זה נתמך על ידי מרכז המחקר והפיתוח העולמי של Amkor Technology. המחברים רוצים להודות לצוות מחקר ופיתוח תהליכי/מחקר חומרים על הכנת טלוויזיה עם מאוורר בצפיפות גבוהה. כמו כן, תודה לעמיתים של מעבדת המו"פ ששיתפו פעולה בהכנה ל-DUT וניתוח כשלים.

הפניות

  1. S. Jin, W. Do, J. Jeong, H. Cha, Y. Jeong ו-J. Khim, "Substrate Silicon Wafer Integrated Fan-out Technology (S-SWIFT) Packaging with Fine Pitch Embedded Trace RDL," 2022 IEEE 72nd כנס רכיבים וטכנולוגיה אלקטרוניים (ECTC), 2022, עמ' 1355-1361, דואי: 10.1109/ECTC51906.2022.00218.
  2. H. Kudo וחב', "הדגמה של התנגדות אלקטרומגרציה גבוהה של שכבת חלוקה מחדש בקנה מידה של תת-2 מיקרון משופרת לאריזה מתקדמת בגובה דק", 2017 IEEE CPMT Symposium Japan (ICSJ), 2017, pp. 5-8, doi : 10.1109/ICSJ.2017.8240055.
  3. C.-L. ליאנג, י.-ס. לין, C.-L. Kao, D. Tarng וחב', "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, עמודים 1438-1445 , 2020.
  4. M. Rovitto, "בעיית אמינות אלקטרומיגרציה בקשרים בין טכנולוגיות אינטגרציה תלת מימדיות", לא פורסם.
  5. M. Hauschildt וחב', "Electromigration early failure void nucleation and growth phenomens in Cu and Cu(Mn) interconnects", 2013 IEEE International Reliability Physics Symposium (IRPS), מונטריי, קליפורניה, ארה"ב, 2013, עמ' 2C.1.1- 2C.1.6, דואי: 10.1109/IRPS.2013.6531951.
  6. JEP154, "קו מנחה לאפיון אלקטרומיגרציה של בליטות הלחמה תחת מתח זרם וטמפרטורה קבועים", JEDEC, 2008.
  7. A. Basavalingappa, JM Passage, MY Shen ו-JR Lloyd, "Electromigration: Lognormal versus Weibull distribution," 2017 IEEE International Integrated Reliability Workshop (IIRW), South Lake Tahoe, CA, USA, 2017, pp. 1-4, doi: 10.1109/IIRW.2017.8361224.

בול זמן:

עוד מ הנדסה למחצה