ประสิทธิภาพการย้ายด้วยไฟฟ้าของ Fine-Line Cu Redistribution Layer (RDL) สำหรับบรรจุภัณฑ์ HDFO

แนวโน้มการลดขนาดของอุปกรณ์ทำให้เกิดความต้องการอย่างต่อเนื่องในการเพิ่มอินพุต/เอาท์พุต (I/O) และความหนาแน่นของวงจร และความต้องการเหล่านี้สนับสนุนการพัฒนาแพ็คเกจ High-Density Fan-Out (HDFO) พร้อมชั้นการกระจายทองแดงละเอียด (Cu) (RDL) สำหรับแอปพลิเคชันมือถือและเครือข่ายที่มีประสิทธิภาพสูง HDFO เป็นโซลูชันที่เกิดขึ้นใหม่เนื่องจากกฎการออกแบบเชิงรุกสามารถนำไปใช้กับ HDFO ได้ เมื่อเปรียบเทียบกับแพ็คเกจประเภทอื่น เช่น Wafer Level Fan-Out (WLFO) HDFO ช่วยให้สามารถประกอบชิปได้มากกว่าหนึ่งตัวในแพ็คเกจเดียว และส่วนใหญ่จะใช้ Cu RDL ที่ดีเพื่อเชื่อมต่อชิปเข้าด้วยกัน นอกจากนี้ HDFO สามารถสร้างในระดับเวเฟอร์และซับสเตรตได้ ขึ้นอยู่กับการใช้งาน ซึ่งมีความสามารถในการปรับขนาดได้ดีกว่าในแง่ของขนาดบรรจุภัณฑ์

Cu RDL ใน HDFO ถูกฝังอยู่กับชั้นอิเล็กทริก เช่น โพลีอิไมด์ (PI) และถ่ายโอนสัญญาณระหว่างชิปหรือจากซับสเตรตไปยังชิป เมื่อกระแสไหลผ่าน Cu RDL ความร้อนจะถูกสะสมในตัวนำเนื่องจากการสร้างความร้อนแบบจูล การสะสมความร้อนนี้อาจทำให้ประสิทธิภาพลดลง เนื่องจากความหนาแน่นกระแสที่ต้องการและอุณหภูมิความร้อนของจูลเพิ่มขึ้นในโครงสร้าง Cu RDL ที่ละเอียด จึงถือเป็นปัจจัยสำคัญต่อประสิทธิภาพของบรรจุภัณฑ์ HDFO

เนื่องจาก Cu RDL ละเอียดควรมีประสิทธิภาพความน่าเชื่อถือสูง โครงสร้างต่างๆ ของ RDL จึงถูกนำมาใช้เมื่อเร็วๆ นี้ เช่น RDL แบบฝังตัว (ETR) และ Cu Trac ที่หุ้มด้วยอิเล็กทริกอนินทรีย์เพื่อการเชื่อมต่อโครงข่ายที่มีความหนาแน่นสูงและประสิทธิภาพความน่าเชื่อถือ [1, 2] มีการศึกษาจำนวนมากเกี่ยวกับการประเมินประสิทธิภาพความน่าเชื่อถือ Cu RDL ที่ดีเช่นกัน

การโยกย้ายด้วยไฟฟ้า (EM) เป็นหนึ่งในรายการในการประเมินความน่าเชื่อถือและประสิทธิภาพคุณลักษณะทางไฟฟ้าของ Cu RDL EM เป็นกลไกที่ควบคุมการแพร่กระจายโดยการเคลื่อนที่ทีละน้อยของอะตอมของโลหะในตัวนำอันเป็นผลมาจากการไหลของอิเล็กตรอน การเคลื่อนย้ายมวลอะตอมของโลหะนี้นำไปสู่การก่อตัวของช่องว่างที่ด้านแคโทดและเนินเขาที่ด้านขั้วบวกของตัวนำ กระบวนการเหล่านี้ส่งผลให้สูญเสียความต่อเนื่องทางไฟฟ้า พฤติกรรมการย้ายถิ่นด้วยไฟฟ้าได้รับผลกระทบจากขนาดคุณลักษณะ สภาวะความเค้น ทิศทางการไหลของอิเล็กตรอน และโครงสร้างการทดสอบ เช่น ข้อต่อโลหะวิทยา ในกรณีของการทดสอบ Cu RDL EM ไม่เพียงแต่มีแรงไหลของอิเล็กตรอนเท่านั้น แต่ยังมีการไล่ระดับความร้อนในตัวนำด้วย ดังนั้นการย่อยสลาย EM จึงมีสาเหตุมาจากศักย์ไฟฟ้าและพลังงานความร้อน [3]

การใช้ผลการทดสอบ EM ทำให้สามารถคาดการณ์ความหนาแน่นกระแสสูงสุดที่อนุญาตหรืออายุการใช้งานในสภาพสนามเฉพาะได้ การทดสอบ EM ดำเนินการภายใต้สภาวะเร่งด่วนและการประมาณค่าตามข้อมูลการทดลอง EM สามารถใช้เพื่อประมาณค่าปัจจุบันหรืออายุการใช้งานของกรณีการใช้งานได้ สำหรับการคำนวณ แบบจำลองของแบล็กซึ่งตีพิมพ์โดยเจมส์ แบล็กในปี 1969 ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลาย ปัจจัยบางอย่างในแบบจำลองนี้ถูกกำหนดโดยการปรับแบบจำลองการกระจายความล้มเหลว เช่น การแจกแจงแบบ Weibull และ Lognormal ในบทความนี้ จะอธิบายลักษณะเฉพาะของ EM และผลการวิเคราะห์ความล้มเหลวของ Cu RDL ที่มี ≤ 10 µm ในแพ็คเกจ HDFO ภายใต้สภาวะกระแสและอุณหภูมิต่างๆ นอกจากนี้ ยังมีอัตราส่วนที่เพิ่มขึ้นของกระแสไฟฟ้าสูงสุดที่อนุญาตโดยประมาณภายใต้สภาวะการใช้งานต่างๆ ของอุณหภูมิการทำงานและอายุการใช้งานอีกด้วย

โครงสร้าง Cu RDL ในแพ็คเกจ HDFO

แพ็คเกจ HDFO ถูกสร้างขึ้นสำหรับการทดสอบ Cu RDL EM ขนาดตัวบรรจุภัณฑ์และแม่พิมพ์คือ 8.5 มม. x 8.5 มม. และ 5.6 มม. x 5.6 มม. ตามลำดับ HDFO TV มีโครงสร้าง RDL หลายชั้นซึ่งมีความหนา 3 µm สามชั้น และชั้นเมล็ด Ti/Cu สำหรับแต่ละ RDL นอกจากนี้ โพลิอิไมด์ยังถูกใช้เป็นวัสดุไดอิเล็กทริกรอบๆ Cu RDL ละเอียดอีกด้วย เหนือโครงสร้าง RDL มีเสา Cu ชน ดาย และเชื้อรา ประเภทของแม่พิมพ์อยู่เหนือแม่พิมพ์ซึ่งครอบด้านบนของแม่พิมพ์ โครงสร้าง Cu RDL โดยรวมแสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 1: ภาพตัดขวางของรถทดสอบ HDFO พร้อมด้วย RDL สามตัว

Cu RDL แบบตรงที่มีความยาว 1000 µm, ความกว้าง 2 และ 10 µm ได้รับการออกแบบและทดสอบ Cu RDL เป็นชั้นล่างสุด (RDL3) ใน HDFO ลูกบอลกริดอาเรย์ (BGA) สี่ลูกเชื่อมต่อกับ Cu RDL ที่ทดสอบแล้วสำหรับการบังคับกระแสและการตรวจจับแรงดันไฟฟ้า รูปที่ 2 แสดงภาพประกอบแผนผังของการออกแบบ RDL ที่ทดสอบแล้ว

รูปที่ 2: การออกแบบ Cu RDL สำหรับการทดสอบการโยกย้ายด้วยไฟฟ้า 'F' และ 'S' หมายถึงแรงกระแสและการตรวจจับแรงดันไฟฟ้าตามลำดับ

การทดสอบการโยกย้ายด้วยไฟฟ้า

รถทดสอบ HDFO ได้รับการติดตั้งบนพื้นผิวบนกระดานทดสอบสำหรับการเชื่อมต่อทางไฟฟ้ากับระบบทดสอบ EM และไม่ได้มีการใช้การเติมด้านล่างครั้งที่สองหลังจากการติดตั้งบนพื้นผิว Cu RDL ความกว้าง 10 µm ถูกเน้นภายใต้กระแสตรงที่ 7.5, 10 และ 12.5 x 10⁵A/ซม.² และอุณหภูมิ 174, 179, 188 และ 194°C. การทดสอบ Cu RDL EM ความกว้าง 2 µm ได้รับการทดสอบภายใต้กระแสตรง 12.5 x 10⁵A/ซม.² และอุณหภูมิ 157°C สภาวะการทดสอบแสดงไว้ในตารางที่ 1 อุณหภูมิทดสอบถือเป็นอุณหภูมิที่ Cu RDL ดังนั้นอุณหภูมิเตาอบจึงถูกตั้งค่าโดยการชดเชยปริมาณความร้อนของจูล การสอบเทียบการให้ความร้อนแบบจูลดำเนินการที่กระแสความเค้นแต่ละกระแส เนื่องจากขึ้นอยู่กับปริมาณความหนาแน่นกระแส

สำหรับการสอบเทียบการให้ความร้อนแบบจูล ความต้านทานจะถูกวัดที่อุณหภูมิหลายอุณหภูมิภายใต้สภาวะกระแสต่ำและกระแสความเค้น กระแสไฟฟ้าต่ำถือเป็นสภาวะที่สร้างความร้อนแบบไม่ใช่จูล ค่าความต้านทานจะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิโดยรอบเพิ่มขึ้น และใช้พฤติกรรมการเปลี่ยนแปลงความต้านทานที่สภาวะกระแสต่ำเพื่อให้ได้ค่าสัมประสิทธิ์ความร้อนของความต้านทาน (TCR) หลังจากการวัดความต้านทานที่อุณหภูมิไม่กี่สภาวะ ปริมาณการให้ความร้อนของจูลจะถูกคำนวณโดยใช้ TCR และความแตกต่างของความต้านทานระหว่างสภาวะต่ำและสภาวะกระแสทดสอบ อุณหภูมิการให้ความร้อนจูลที่คำนวณได้ของแต่ละสภาวะกระแสไฟทดสอบและอุณหภูมิที่ Cu RDL ที่ความกว้าง 10 µm แสดงไว้ในตารางที่ 2

ตารางที่ 1: เงื่อนไขการทดสอบ Cu RDL EM แบบละเอียด

ตารางที่ 2: อุณหภูมิความร้อนจูลและอุณหภูมิที่ rdl มีการดำเนินการทดสอบสี่เงื่อนไขสำหรับการทดสอบ Cu RDL EM ที่ดี

การทดสอบ EM ดำเนินต่อไปจนกระทั่งความต้านทานเพิ่มขึ้น 100% และเกณฑ์ในกำหนดเวลาที่จะเกิดความล้มเหลว (TTF) สำหรับการคำนวณกระแสไฟฟ้าสูงสุดที่อนุญาตถูกตั้งไว้ที่ความต้านทานเพิ่มขึ้น 20% เป็นที่ทราบกันว่าเกณฑ์เปอร์เซ็นต์การเพิ่มขึ้นของความต้านทานจะมีประสิทธิภาพมากที่สุดหากโครงสร้างทั้งหมดแสดงความต้านทานเริ่มต้นที่คล้ายกันมาก ความต้านทานเริ่มต้นภายใต้สภาวะความเค้นคือ 0.7 ถึง 0.8 โอห์มสำหรับ Cu RDL ความกว้าง 10 µm ดังนั้นค่าจึงดูค่อนข้างคล้ายกัน ในระหว่างการทดสอบ EM ความต้านทานของ Cu RDL ถูกวัดโดยใช้เทคนิคการวัดแบบ 4 จุด จำนวนตัวอย่างทดสอบถูกกำหนดให้เป็น 18 ถึง 20 สำหรับการวิเคราะห์ทางสถิติที่มีนัยสำคัญ

นอกจากกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงแล้ว ลำแสงไอออนโฟกัส (FIB)/กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดแบบส่องกราด (FESEM) ยังถูกนำมาใช้ในการวิเคราะห์ความล้มเหลวเพื่อทำความเข้าใจการย่อยสลายในระหว่างการทดสอบการย้ายถิ่นด้วยไฟฟ้า นอกเหนือจากการวิเคราะห์ภาพมุมมองด้านบนแล้ว พื้นที่เฉพาะยังถูกตัดขวางด้วยการกัดไอออนของแกลเลียม (Ga) เพื่อสังเกตการลดลงของพื้นที่ Cu RDL โดยการออกซิเดชันของ Cu และช่องว่าง

พฤติกรรมการเปลี่ยนแปลงความต้านทาน

พฤติกรรมการเพิ่มความต้านทานของ Cu RDL ความกว้าง 10 µm ในระหว่างการทดสอบ EM แสดงในรูปที่ 3 แนวโน้มการเพิ่มความต้านทานสามารถแบ่งออกเป็นสองโหมดที่แตกต่างกัน ในระยะแรก ความต้านทานเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง แต่หลังจากถึง % ความต้านทานเพิ่มขึ้น ความต้านทานก็เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว สาเหตุที่ทำให้ความต้านทานเพิ่มขึ้นสองขั้นก็คือโหมดความล้มเหลวที่เกิดขึ้นส่วนใหญ่มีความแตกต่างกันในแต่ละขั้นตอน

อายุการใช้งานที่แตกต่างกันตามสภาพอุณหภูมิและการกระจายเวลาถึงความล้มเหลว (TTF) ภายใต้เงื่อนไขการทดสอบเดียวกันนั้นระบุไว้ในรูปที่ 3 อีกด้วย คาดว่าสาเหตุของการกระจายใน TTF ภายใต้เงื่อนไขเดียวกันนั้นเกิดจากขนาดเกรนที่แตกต่างกันของ Cu RDL แต่ละตัว ในบรรดารถทดสอบ เส้นทางการแพร่กระจายสำหรับอะตอมของโลหะ Cu คือขอบเขตของเกรน ส่วนต่อประสานของวัสดุ และโลหะจำนวนมาก และพลังงานกระตุ้นการทำงานของเส้นทางการแพร่กระจายแต่ละเส้นทางจะแตกต่างกัน เนื่องจากพลังงานกระตุ้นของขอบเขตเกรนหรือส่วนต่อประสานวัสดุต่ำกว่าของโลหะเทกอง การแพร่กระจายผ่านขอบเขตเกรนหรือส่วนต่อประสานวัสดุจึงมีความโดดเด่นมากกว่าในช่วง EM ดังนั้นขนาดเกรนจึงเป็นปัจจัยสำคัญในการกำหนด TTF ในระหว่างการทดสอบ EM [4]

ในกรณีที่ความหนาแน่นกระแสต่ำกว่า 7.5A/cm²ตัวอย่างส่วนใหญ่มีความต้านทานเพิ่มขึ้นและเส้นโค้งที่นุ่มนวลกว่าเมื่อเทียบกับกระแสสูงที่ 12.5A/cm² ดังแสดงในรูปที่ 3 (ค) จากผลลัพธ์ที่ได้ คาดว่าสภาวะกระแสไฟต่ำนี้อาจมีโหมดความล้มเหลวที่รุนแรงน้อยกว่าสภาวะกระแสไฟสูง แต่โหมดความล้มเหลวไม่ได้ดูแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญระหว่างสภาวะกระแสสูงและกระแสไฟต่ำ ในการศึกษาเพิ่มเติม มีการวางแผนที่จะทำการวิเคราะห์ความล้มเหลวโดยคำนึงถึงขั้นตอนของพฤติกรรมการเปลี่ยนแปลงแนวต้าน

ทำการทดสอบ EM เพิ่มเติมด้วย Cu RDL ความกว้าง 2 µm ภายใต้สภาวะความหนาแน่นกระแสเดียวกัน (12.5×10⁵A/ซม.²) เป็น Cu RDL ความกว้าง 10 µm และสภาวะอุณหภูมิที่ต่ำกว่า แผนภาพของความต้านทานที่เพิ่มขึ้นในระหว่างการทดสอบ EM แสดงไว้ในรูปที่ 4 ในกรณีนี้ พฤติกรรมการเปลี่ยนแปลงความต้านทานแสดงให้เห็นเพียงความต้านทานที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องแม้ในระยะเวลาการทดสอบที่ยาวนานถึง 10 Khrs ซึ่งแตกต่างจากกรณี Cu RDL ความกว้าง 10 µm จากพฤติกรรมการเปลี่ยนแปลงความต้านทานที่แตกต่างกันระหว่างสภาวะอุณหภูมิต่ำและสูง สงสัยว่าโหมดความล้มเหลวที่อุณหภูมิสูงและต่ำไม่เหมือนกัน นอกจากนี้ คาดว่าโหมดความล้มเหลวของ Cu RDL ความกว้าง 2 µm ส่วนใหญ่เกิดขึ้นเนื่องจากระดับความต้านทานที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง

สำหรับ Cu RDL ความกว้าง 10 µm จำนวนหน่วยที่ตรงตามเกณฑ์ความล้มเหลว 20% และความต้านทานที่เพิ่มขึ้น 100% แสดงไว้ในตารางที่ 3 หน่วยที่ทดสอบทั้งหมดเป็นไปตามเกณฑ์ความล้มเหลว 20% ภายใน 8,000 ชั่วโมง และบางหน่วยแสดงต่ำกว่า 100 % ความต้านทานเพิ่มขึ้นเมื่อเวลาทดสอบคือ 10,000 ชม. เนื่องจากจำนวนหน่วยความล้มเหลวเพียงพอสำหรับการวิเคราะห์ทางสถิติ การทดสอบ EM จึงหยุดลงที่ 10,000 ชั่วโมง นอกจากนี้ ข้อมูล EM ที่ความต้านทานเพิ่มขึ้น 100% ยังได้รับการรักษาความปลอดภัย จึงสามารถคำนวณความจุกระแสไฟฟ้าสูงสุดได้ ขึ้นอยู่กับเกณฑ์ความล้มเหลวต่างๆ

รูปที่ 3: พฤติกรรมเพิ่มความต้านทานระหว่างการทดสอบ EM เท่ากับ 10-ไมครอน ความกว้าง RDL, 12.5A/ซม² กระแสไฟและ (a) ที่ 174°C และ (b) อุณหภูมิ 194°C และ (c) 7.5A/cm² และ 188°C

รูปที่ 4: พฤติกรรมการเพิ่มความต้านทานระหว่างการทดสอบ EM ของ RDL ความกว้าง 2 µm สภาวะการทดสอบคือความหนาแน่นกระแส 12.5A/cm² และอุณหภูมิ 157°C

ตารางที่ 3: จำนวนหน่วยที่ล้มเหลว 10-µความกว้าง ม. Cu RDL สำหรับแต่ละเงื่อนไข

การวิเคราะห์โหมดความล้มเหลว

เพื่อให้เข้าใจถึงกลไกความล้มเหลวของการทดสอบ Cu RDL EM แบบละเอียด จึงมีการใช้กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงและ FIB/FESEM เพื่อสังเกตมุมมองด้านบนและภาพตัดขวาง รูปที่ 5 แสดงความกว้าง 2 µm และ 10 µm ของ Cu RDL หลังจากติดตั้งบนพื้นผิวบนกระดานทดสอบ ความหนาและความกว้างเข้ากันได้ดีกับค่าการออกแบบ และไม่มีความผิดปกติ เช่น พื้นผิวไม่เรียบ ช่องว่าง และการแยกชั้นระหว่าง Cu และ PI ที่ Cu RDL ดังแสดงในรูปที่ 5 ได้รับการยืนยันแล้วว่าขนาดเกรนใน RDL แปรผัน เนื่องจากข้อบกพร่องอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพของการย้ายด้วยไฟฟ้า จึงควรตรวจสอบคุณภาพของ Cu RDL ก่อนการทดสอบ EM

รูปที่ 5: ภาพ FIB/FESEM ของ Cu RDL หลังการติดตั้งบนพื้นผิว: (a) 10 µm และ (b) ความกว้าง 2 µm

ในกรณีของ Cu RDL ความกว้าง 10 µm จะพบโหมดความล้มเหลวต่างๆ ดังที่แสดงในรูปที่ 6 ขั้นแรก การแยกชั้นและ Cu ออกไซด์ถูกสังเกตระหว่าง Cu RDL และทู่ ซึ่งนำไปสู่การลดพื้นที่ Cu RDL และสาเหตุหลักมาจาก ความต้านทานเพิ่มขึ้น การลดลงของพื้นที่ Cu RDL ยังส่งผลให้เกิดการแออัดในปัจจุบัน และอุณหภูมิที่สูงขึ้นของการย่อยสลาย RDL และ EM ก็เร่งตัวเช่นกัน ในระหว่างการทดสอบ EM ช่องว่างถูกสร้างขึ้นเนื่องจากการอพยพของอะตอม Cu และการแยกส่วนดูเหมือนจะเป็นผลมาจากการเติบโตของช่องว่างตามแนวรอยต่อระหว่างทู่และ Cu RDL ค่าเลขชี้กำลังความหนาแน่นในปัจจุบันสะท้อนให้เห็นว่าปรากฏการณ์ใดมีความโดดเด่นมากกว่าระหว่างนิวเคลียสโมฆะและการเติบโต [5] เกี่ยวกับชั้น Cu ออกไซด์และการแพร่กระจายเข้าสู่ PI การแพร่กระจายของ Cu ดูเหมือนจะถูกเร่งเนื่องจากการไหลของอิเล็กตรอนหรือ/และการไล่ระดับความร้อน เนื่องจากที่ RDL2 (ไม่ได้ทดสอบ EM) ไม่มีชั้นออกไซด์บนชั้นเมล็ด Ti/Cu ถึง ทำหน้าที่เป็นชั้นกั้นดังแสดงในรูปที่ 6 (b)

ระหว่าง Cu RDL2 และ PI มีเพียงช่องว่างและชั้น Cu ออกไซด์เท่านั้นที่ถูกสังเกต ซึ่งเกิดจากความเครียดจากความร้อน กล่าวอีกนัยหนึ่ง โหมดความล้มเหลวที่ตรวจพบที่ Cu RDL2 ถือได้ว่าเป็นหนึ่งในการจัดเก็บที่อุณหภูมิสูง (HTS) เป็นเวลานาน

รูปที่ 6: กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงและภาพ FIB/FESEM ของ Cu RDL ความกว้าง 10 µm หลังการทดสอบที่ 12.5×10⁵A/cm2, 174°C: (a) Cu ออกไซด์และการแยกชั้นที่ RDL3 ที่ทดสอบ และ (b) ไม่มีการเกิดออกซิเดชันของ Cu บนชั้นเมล็ด Ti/Cu ที่ RDL2 (ไม่ใช่การทดสอบ EM)

ต่างจาก Cu RDL ความกว้าง 10 µm ตรงที่ Cu RDL ความกว้าง 2 µm ไม่ได้แสดงการแยกส่วนระหว่าง Cu RDL และ PI ดังรูปที่ 7 แสดง จาก Cu RDL ที่มีความกว้าง 2 µm ที่เสียหายน้อยกว่า เป็นที่สงสัยว่าการเติบโตของช่องว่างตามส่วนต่อประสานระหว่าง Cu RDL และ PI ส่งผลให้เกิดการแยกส่วนที่แสดงใน Cu RDL ความกว้าง 10 µm นอกจากนี้ ยังพิจารณาว่าการแยกส่วนนี้อาจเป็นปัจจัยหลักที่ทำให้ระยะที่สองแสดงการต้านทานเพิ่มขึ้นอย่างกะทันหัน มีการวางแผนที่จะดำเนินการศึกษาการย้ายถิ่นด้วยไฟฟ้า Cu RDL ขนาด 2 µm ภายใต้สภาวะกระแสไฟที่สูงกว่า เพื่อเปรียบเทียบโหมดความล้มเหลวและค่าพารามิเตอร์ในสมการของ Black กับผลลัพธ์การย้ายถิ่นด้วยไฟฟ้า Cu RDL 10 µm นอกจากนี้ คาดว่าจะกำหนดโหมดความล้มเหลวของขั้นตอนการเพิ่มความต้านทานแต่ละขั้นผ่านการศึกษาเพิ่มเติมนี้

รูปที่ 7: กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงและภาพ FIB/FESEM ของ Cu RDL ความกว้าง 2 µm หลังการทดสอบที่ 12.5×10⁵A/ซม.², 157°C: (a) Cu ออกไซด์เป็นโมฆะที่ RDL3 และ (b) แกนการกัด FIB ที่แตกต่างกันบน Cu RDL3

การจำลองการให้ความร้อนแบบจูล

เพื่อทำนายปริมาณตำแหน่งการให้ความร้อนและความล้มเหลวของจูล ได้ทำการจำลองความร้อน-ไฟฟ้าสำหรับ Cu RDL ความกว้าง 10 µm เมื่อปริมาณความร้อนที่สะสมแตกต่างกันในร่องรอย Cu ความรุนแรงของความล้มเหลวอาจแตกต่างกันไปตามตำแหน่ง เนื่องจากความเสียหายของ EM ไม่เพียงเกิดจากแรงไหลของอิเล็กตรอนเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการไล่ระดับความร้อนด้วย ดังที่แสดงในรูปที่ 8 การออกแบบและโครงสร้างของการทดสอบจริงของ HDFO TV และแผงทดสอบได้สะท้อนให้เห็นในแบบจำลอง และใช้การนำความร้อนที่มีประสิทธิผลของแต่ละโครงสร้างด้วย ตารางที่ 4 แสดงการออกแบบการทดลอง (DOE) โดยพิจารณาจากอุณหภูมิเตาอบและกระแสไฟฟ้าในแหล่งจ่าย อุณหภูมิเตาอบถือได้ว่าเป็นอุณหภูมิโดยรอบ และปริมาณความร้อนของจูลคาดว่าจะแปรผันตามกระแสไฟที่จ่าย ผลการจำลองการให้ความร้อนแบบจูลระบุไว้ในรูปที่ 9 ความแตกต่างของปริมาณการให้ความร้อนแบบจูลระหว่างค่าการจำลองและค่าการทดลองคือ 1.3 ถึง 4.2°C และค่าทั้งสองเกือบจะใกล้เคียงกัน นอกจากนี้ ตำแหน่งที่แสดงอุณหภูมิท้องถิ่นสูงสุดคือจุดกึ่งกลางของ Cu RDL ที่แผ่นโลหะเชื่อมต่อกัน ซึ่งเข้ากันได้ดีกับตำแหน่งที่เกิดความล้มเหลวจริงหลังการทดสอบ EM โดยสรุป ผลลัพธ์การจำลองการให้ความร้อนแบบจูลนั้นเข้ากันได้ดีกับผลการทดสอบ EM จริงในแง่ของปริมาณการให้ความร้อนของจูลและตำแหน่งที่ล้มเหลว ซึ่งเป็นประโยชน์ในการทำความเข้าใจการย่อยสลาย EM ของ Cu RDL และคาดการณ์ตำแหน่งที่ล้มเหลว

รูปที่ 8: แบบจำลองการให้ความร้อนแบบจูลสำหรับ Cu RDL ความกว้าง 10 µm

ตารางที่ 4: DOE สำหรับการจำลองการให้ความร้อนแบบจูล

รูปที่ 9: ผลการจำลองการให้ความร้อนแบบจูล: (a) โครงร่างอุณหภูมิและจุดที่แสดงอุณหภูมิสูงสุดภายใต้ 12.5 x 10⁵A/ซม.² และ 137°C (b) การเปรียบเทียบปริมาณความร้อนของจูลระหว่างการทดลองและการจำลอง

การคำนวณความสามารถในการรองรับปัจจุบัน

สำหรับการคำนวณกระแสสูงสุดในสภาพสนาม มีการใช้สมการของแบล็กซึ่งเกี่ยวข้องกับเวลาที่เกิดความล้มเหลวในการทดสอบการย้ายถิ่นฐานด้วยไฟฟ้าอย่างกว้างขวาง

MTTF = เอเจ^-n ประสบการณ์ (Ea/Kt) (1)

โดยที่ MTTF คือเวลาเฉลี่ยที่เกิดความล้มเหลว A คือค่าคงที่เชิงประจักษ์ J คือความหนาแน่นกระแส n คือเลขชี้กำลังความหนาแน่นกระแส E_a คือพลังงานกระตุ้น (eV) K คือค่าคงที่ของ Boltzmann (8.62×10^-5 eV/K) และ T คืออุณหภูมิ (K) เพื่อกำหนดพารามิเตอร์ของสมการของแบล็ก เช่น A, n และ E_aควรทำการวิเคราะห์ทางสถิติก่อน เป็นสิ่งสำคัญมาก เนื่องจากการคาดการณ์เปอร์เซ็นต์ความล้มเหลวที่ต่ำกว่าโดยอิงจากผลการวิเคราะห์ทางสถิตินั้นใช้ในการประมาณค่าความสามารถในการรองรับกระแสไฟฟ้า วิธีทั่วไปสองวิธีในการอธิบายการกระจายความล้มเหลวของ EM คือแผน Weibull และแผนล็อกปกติ ควรใช้การกระจายแบบล็อกนอร์มัลเมื่อวิเคราะห์ความล้มเหลวของไลน์โลหะและจุดผ่าน ในขณะที่แบบจำลอง Weibull มักจะใช้เมื่อโครงสร้างการทดสอบมีองค์ประกอบอิสระจำนวนมาก ซึ่งอาจทำให้เกิดความล้มเหลว เช่น การกระแทกและการย้ายด้วยไฟฟ้าของลูกบอล BGA [6] เนื่องจากการเลือกแบบจำลองข้อต่ออาจมีความสำคัญเมื่อประมาณค่ากระแสไฟฟ้าสูงสุดในกรณีการใช้งาน การศึกษาเกี่ยวกับแบบจำลองการกระจายในการโยกย้ายด้วยไฟฟ้าจึงได้ดำเนินการด้วย [7] ในการศึกษานี้ การกระจายแบบล็อกนอร์มัลถูกเลือกเป็นแบบจำลองที่เหมาะสม และแผนภูมิการกระจายแบบล็อกนอร์มัลของ Cu RDL ความกว้าง 10 ไมโครเมตรถูกแสดงไว้ในรูปที่ 10

ความสามารถในการรองรับกระแสไฟฟ้าสูงสุดคำนวณภายใต้สมมติฐานที่ว่าโหมดความล้มเหลวจะเท่ากันระหว่างการทดสอบนี้และกรณีการใช้งาน และสมการของ Black ใช้ได้กับทั้งการทดสอบแบบเร่งและในสภาวะภาคสนาม ความจุกระแสไฟสูงสุดในกรณีการใช้งานประมาณโดยใช้สมการที่ 2 ในกรณีนี้ อัตราความล้มเหลวจะถือว่าอยู่ที่ 0.1% และค่า 3.09 มาจากคะแนน Z ของการแจกแจงแบบล็อกนอร์มอลมาตรฐาน

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

โดยที่ T คืออุณหภูมิของสภาพการใช้งาน และ TTF คืออายุการใช้งานที่คาดหวังในกรณีการใช้งาน สำหรับ Cu RDL ความกว้าง 10 ไมโครเมตร Ea และ n ถูกกำหนดให้เป็น 0.74 และ 1.88 ตามลำดับ โดยทั่วไป ค่าของพลังงานกระตุ้นและเลขชี้กำลังความหนาแน่นกระแสเรียกว่า 1 และ 2 ตามลำดับ นอกจากนี้ค่าเลขชี้กำลังความหนาแน่นกระแสที่ 2 และ 1 โดยทั่วไปจะถือว่าควบคุมด้วยนิวเคลียสเป็นโมฆะและควบคุมการเติบโตตามลำดับ ในการทดสอบ EM นี้ กลไกความล้มเหลวดูเหมือนจะเป็นการผสมผสานระหว่างนิวเคลียสของโมฆะและการเจริญเติบโต และโดยเฉพาะอย่างยิ่ง นิวเคลียสของโมฆะดูเหมือนจะมีความโดดเด่นมากกว่า หากกลไกความล้มเหลวไม่เหมือนกับการศึกษาครั้งนี้เนื่องจากสาเหตุบางประการ เช่น สภาวะการทดสอบที่รุนแรงหรือโครงสร้างการทดสอบที่แตกต่างกัน ค่าที่ประมาณไว้อาจแตกต่างกัน โดยปกติ ค่าเลขชี้กำลังความหนาแน่นกระแส (n) จะเพิ่มขึ้นเมื่อสภาวะที่มีความเครียดมากเกินไปเร่งการสลายตัวของ EM ด้วยการให้ความร้อนแบบจูล

ตารางที่ 5 แสดงอัตราส่วนการเพิ่มขึ้นของกระแสไฟฟ้าสูงสุดที่อนุญาตโดยประมาณ เมื่อเปรียบเทียบกับค่าภายใต้สภาวะภาคสนามซึ่งมีอายุการใช้งาน 100,000 ชั่วโมง รอบการทำงาน 100% และอัตราความล้มเหลว 0.1% ค่าอ้างอิงสำหรับการเปรียบเทียบคือความกว้าง 10 µm ที่ 125°C ซึ่งตั้งค่าเป็น 1 เมื่ออุณหภูมิในการทำงานลดลงจาก 125°C เป็น 110°C ความจุกระแสไฟโดยประมาณจะเพิ่มขึ้น 1.6 และ 2.4 สำหรับ 10- และ ความกว้าง 15 µm ตามลำดับ เกณฑ์ความล้มเหลวส่งผลต่อค่ากระแสสูงสุดที่อนุญาต ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญในการเลือกความจุกระแสสูงสุดสำหรับการออกแบบ ตามสมการ (2) ที่ระบุ กระแสสูงสุดจะเพิ่มขึ้นแบบเอกซ์โปเนนเชียล ซึ่งไม่แปรผันกับอุณหภูมิในการทำงาน เมื่อใช้ค่าประมาณปัจจุบันนี้สำหรับการออกแบบการติดตาม ควรพิจารณาด้วยกระแสหลอมรวม RDL เนื่องจากมีจุดตัดระหว่างกระแสสูงสุดที่อนุญาตที่คำนวณได้กับกระแสหลอมรวมจริง

รูปที่ 10: การกระจายแบบ Lognormal สำหรับการวางแผนความน่าจะเป็นของความล้มเหลวของ Cu RDL ความกว้าง 10 µm

ตารางที่ 5: อัตราส่วนกระแสสูงสุดที่อนุญาต (mA) ที่สภาวะสนามต่างๆ ค่าความกว้าง 10 µm ที่ 125°C ตั้งเป็น 1

สรุป

การศึกษานี้รายงานพฤติกรรมการย้ายถิ่นด้วยไฟฟ้าและโหมดความล้มเหลวของ Cu RDL แบบละเอียดสำหรับแพ็คเกจการกระจายออกที่มีความหนาแน่นสูง ความกว้างที่ทดสอบของ Cu RDL คือ 2 และ 10 µm และความต้านทานเพิ่มขึ้นเนื่องจากการย่อยสลายด้วยการย้ายด้วยไฟฟ้าจะแตกต่างกันในแต่ละสภาวะการทดสอบ ในกรณีของ Cu RDL ความกว้าง 10 µm มีสองขั้นตอนที่แสดงพฤติกรรมการเปลี่ยนแปลงความต้านทานที่แตกต่างกัน ในขั้นตอนแรก ความต้านทานเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง และคาดว่าจะเกิดนิวเคลียสและการเติบโตเป็นโมฆะ เนื่องจากปรากฏการณ์ส่วนใหญ่เกิดขึ้นในระยะแรก ขั้นตอนที่สองคือส่วนที่ความต้านทานเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ขั้นตอนนี้แสดงเฉพาะในกรณี Cu RDL ความกว้าง 10 µm ซึ่งแสดงการแยกส่วนระหว่าง Cu RDL และ PI แตกต่างจาก RDL ความกว้าง 2 µm ที่ทดสอบด้วยอุณหภูมิต่ำ และแสดงเฉพาะ Cu ออกไซด์และช่องว่าง ดังนั้นจึงสรุปได้ว่าการหลุดร่อนนี้เนื่องจากการเติบโตของโมฆะเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อการเพิ่มความต้านทานในขั้นตอนที่สอง

โหมดความล้มเหลวที่สังเกตได้หลังจากการย้ายด้วยไฟฟ้าคือการลดพื้นที่ Cu เนื่องจากการเกิดออกซิเดชันของ Cu และการสร้าง/การเติบโตของช่องว่าง เนื่องจากมีการสังเกตการย้ายถิ่นของ Cu ไปยัง PI ดูเหมือนว่ามันจะถูกเร่งเนื่องจากการไหลของอิเล็กตรอนหรือ/และการไล่ระดับความร้อน เนื่องจากควรพิจารณาการเสื่อมสลายเนื่องจากความร้อนของ PI ในการทดสอบ Cu RDL EM จึงมีการจำลองไฟฟ้า-ความร้อนเพื่อคาดการณ์ตำแหน่งที่อ่อนแอซึ่งเสียหายได้ง่าย และผลลัพธ์ก็สอดคล้องกับผลการทดสอบจริงเป็นอย่างดี นอกจากนี้ ปริมาณความร้อนของจูลที่ได้จากการจำลองยังเกือบจะใกล้เคียงกับค่าการทดลองจริงอีกด้วย

จากผลลัพธ์ Cu RDL EM ความกว้าง 10 µm สมการของ Black เสร็จสมบูรณ์ เพื่อให้สามารถคำนวณความสามารถในการรองรับกระแสไฟฟ้าสูงสุดได้ การแจกแจงแบบล็อกนอร์มัลใช้สำหรับการวิเคราะห์ทางสถิติโดยมีค่าที่คำนวณได้ของ Ea และเลขชี้กำลังความหนาแน่นกระแสเท่ากับ 0.74 และ 1.88 ตามลำดับ กระแสสูงสุดที่ประมาณไว้ภายใต้เงื่อนไขภาคสนามอาจเป็นประโยชน์ในการออกแบบ RDL แต่มีข้อควรพิจารณาบางประการ เช่น ค่ากระแสหลอมรวมจริง และการขึ้นต่อกันของ Ea และเลขชี้กำลังความหนาแน่นกระแสในโหมดความล้มเหลวและเงื่อนไขการทดสอบ

การรับทราบ

งานวิจัยนี้ได้รับการสนับสนุนจากศูนย์ R&D ระดับโลกของ Amkor Technology ผู้เขียนขอขอบคุณทีมวิจัยกระบวนการ R&D/วัสดุสำหรับการเตรียมการกระจายสัญญาณโทรทัศน์ที่มีความหนาแน่นสูง นอกจากนี้ ขอขอบคุณเพื่อนร่วมงานของห้องปฏิบัติการ R&D ที่ให้ความร่วมมือในการเตรียม DUT และการวิเคราะห์ความล้มเหลว

อ้างอิง

1. S. Jin, W. Do, J. Jeong, H. Cha, Y. Jeong และ J. Khim, “บรรจุภัณฑ์เทคโนโลยี Fan-out แบบบูรณาการเวเฟอร์ซิลิคอน (S-SWIFT) ของซับสเตรตพร้อม Fine Pitch Embedded Trace RDL” 2022 IEEE 72nd การประชุมด้านชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์และเทคโนโลยี (ECTC) 2022 หน้า 1355-1361 ดอย: 10.1109/ECTC51906.2022.00218
2. เอช. คุโดะ และคณะ “การสาธิตความต้านทานการโยกย้ายด้วยไฟฟ้าสูงของชั้นการกระจาย Cu ระดับต่ำกว่า 2 ไมครอนที่ได้รับการปรับปรุงสำหรับบรรจุภัณฑ์ที่มีระยะพิทช์ละเอียดขั้นสูง” 2017 IEEE CPMT Symposium Japan (ICSJ), 2017, หน้า 5-8, ดอย : 10.1109/ICSJ.2017.8240055.
3. ซี.-แอล. เหลียง, ย.-ส. ลิน ซี.-แอล. Kao, D. Tarng et al., “ความน่าเชื่อถือในการย้ายด้วยไฟฟ้าของบรรจุภัณฑ์แบบ Fan-out ความหนาแน่นสูงขั้นสูงพร้อม Fine-pitch 2μm/2μm L/S Cu Redistribution Line,” ธุรกรรม IEEE เกี่ยวกับส่วนประกอบบรรจุภัณฑ์และเทคโนโลยีการผลิต, หน้า 1438-1445 , 2020.
4. M. Rovitto, “ปัญหาความน่าเชื่อถือของการโยกย้ายด้วยไฟฟ้าในการเชื่อมต่อระหว่างกันสำหรับเทคโนโลยีบูรณาการสามมิติ” ไม่ได้เผยแพร่
5. M. Hauschildt และคณะ “การอพยพด้วยไฟฟ้าในช่วงต้นความล้มเหลวทำให้เกิดนิวเคลียสเป็นโมฆะและปรากฏการณ์การเจริญเติบโตในการเชื่อมต่อระหว่างกันของ Cu และ Cu(Mn)” 2013 IEEE International Reliability Physics Symposium (IRPS), Monterey, CA, USA, 2013, หน้า 2C.1.1- 2C.1.6, ดอย: 10.1109/IRPS.2013.6531951.
6. JEP154, “แนวทางสำหรับการกำหนดลักษณะการโยกย้ายด้วยไฟฟ้าแบบบัดกรีชนกันภายใต้ความเครียดกระแสคงที่และอุณหภูมิ,” JEDEC, 2008
7. A. Basavalingappa, JM Passage, MY Shen และ JR Lloyd, “Electromigration: Lognormal เทียบกับ Weibull distribution,” 2017 IEEE International Integrated Reliability Workshop (IIRW), South Lake Tahoe, CA, USA, 2017, หน้า 1-4, ดอย: 10.1109/IIRW.2017.8361224.

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai เพิ่มพลังให้กับตัวเอง เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตไอสตรีม. Web3 อัจฉริยะ ขยายความรู้ เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตESG. คาร์บอน, คลีนเทค, พลังงาน, สิ่งแวดล้อม แสงอาทิตย์, การจัดการของเสีย. เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตสุขภาพ เทคโนโลยีชีวภาพและข่าวกรองการทดลองทางคลินิก เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://semiengineering.com/electromigration-performance-of-fine-line-cu-redistribution-layer-rdl-for-hdfo-packaging/