摘要：总述了当时对微电子封装中焊点的电搬迁现象及其影响要素的研讨现状，剖析了电流密度、温度和合金成分对电搬迁失效进程的影响，以及电搬迁对焊点力学功能、疲惫强度和焊点开裂机制的影响。研讨发现，电搬迁显着下降焊点的力学功能，对微焊点均匀拉伸强度的影响存在尺度效应，显着地下降了微焊点的振荡疲惫寿数，且电搬迁使微焊点的开裂机制由塑性开裂转向脆性开裂。
电子技术的飞速发展，促进电子元件集成度的不断进步，互连焊点直径巨细和焊点间隔随之缩小，然后导致互连焊点中电流的密度不断增大，可达１０-４Ａ ／ ｃｍ２ ，乃至更高 。在高密度的电流效果下，互连焊点中的原子或离子跟着电子搬迁构成焊点内的成分偏析，会出现丘凸和空泛，导致微互连焊点电搬迁失效，严峻影响电子产品的功能和高牢靠性，这是电子元器件微型化、精细化以及互连焊点极小化的效果，已引起业界专家和科研人员的广泛重视。因而，电搬迁失效已成为电子封装工业中的一个关键问题。
电子在导体中长时刻移动，推进金属原子或离子运动的现象，称为电搬迁现象。电子元器件的集成度越来越高，微焊点间的间隔越来越小，构成互连焊点中的电流密度不断增加，导致金属原子的高能态搬迁，在金属互连线中构成空泛、小丘或凸起损坏焊点，如图１ 所示。
有研讨标明，高电流密度下在锡铅（ＳｎＰｂ）焊点多处发生电搬迁现象 。图１为一个典型的倒装芯片互连焊点的结构示意图。
关于互连微焊点而言，因为焊点特别的几许形状，在焊点与导线的接点处发生电流拥堵效应和金属间化合物（ＩＭＣ）生长的极性效应，即金属原子由阴极向阳极分散，溶解了阴极的ＩＭＣ ，导致阴极裂纹和 空 洞 的 出 现，同 时 使 阳 极 的 ＩＭＣ 得 到 生长 。因而，阳极发生原子的堆积，而阴极处裂纹和空泛逐步长大，终究导致焊点开裂失效；而阳极处则因为原子的堆积而构成一些凸丘（如图２所示），终究导致焊点损坏，元件短路失效，缩短了焊点均匀失效时刻。
在高电流密度下，焊点互连线中高速向阳极运动的电子磕碰金属原子，发生动量沟通，尽管金属原子遭到电子风力和静电场力的双向效果，但电子风力起主导效果，因而电搬迁中原子的搬迁是在电子风力效果下的定向搬迁。
Ｔｕ 等研讨标明，在电搬迁进程中铝（Ａｌ ）片越长，阴极的损耗越显着，如图３ 所示。铝片的长度存在一个“临界尺度”，由Ｎａｂａｒｒｏ －Ｈｅｒｒｉｎｇ 蠕变模型的晶体内部平衡空位浓度理论模型可计算，假如空位浓度梯度效应和电搬迁效应在“临界尺度”下处于平衡状况，就不会出现显着的原子搬迁，因而也不会出现电搬迁失效。这说明在高电流密度下导线中一起存在背应力效应和电搬迁效应。
Ｂｒａｎｄｅｎｂｕｒｙ等于１９９８年初次提出电搬迁失效现象，随后电搬迁被作为微电子封装牢靠性问题进行研讨。Ｔｕ等在电搬迁研讨范畴做了很多的研讨发现，焊料合金的低熔点及较高的原子分散率是电子产品在执役时发生电搬迁现象的首要原因。
在微电子封装中，因为微焊点结构特征的影响，电流从导线流动到焊点时，导电途径的横截面面积发生忽然改变，构成电流集合，而电流集合对电搬迁有显着的影响。一般凸点中的均匀电流密度为１０-４Ａ ／ ｃｍ２ ，接触点即电流拥堵区域的电流密度可达１０５Ａ ／ｃｍ２ ，乃至更高。Ｃｈｅｎ等研讨发现，在焊点中发生电搬迁需求一个临界电流密度，当焊点承载的电流密度低于临界电流密度时，电搬迁不会发生；反之，电流密度越大，电搬迁失效越严峻。而临界电流密度的巨细和钎 料、温度有 关。Ｈｓｕ等研讨发现，关于Ｓｎ－ ３.８Ａｇ － ０.７Ｃｕ 钎料，当温度为８０ ℃时，临界电流密度为４.３×１０４Ａ ／ ｃｍ２ ；当温度为 １００ ℃ 时，临界电流密度为３.２×１０４Ａ ／ ｃｍ２ ；而当温度为 １２０ ℃ 时，临界电流密度为１.４×１０４Ａ ／ ｃｍ２ 。此外，电流密度的巨细对阴极处ＩＭＣ的溶解速度也有很大影响。Ｔｕ等研讨发现，增加电流密度会加快阴极处ＩＭＣ的溶解速度，当焊点互连线ｈ，电搬迁就简直悉数溶解了阴 极处的ＩＭＣ。Ｓｈａｏ等研讨发现，电流密度对电搬迁失效机制也会发生影响， Ｓｎ－３.５Ａｇ在不同的电流密度下失效机制也不同 。
文献研讨指出，焊点下的金属化层ＵＢＭ芯片为 ２μ ｍ时，电流拥堵区域出现在钎猜中；而ＵＢＭ 为 １０ μ ｍ 时，电流拥堵出现在 ＵＢＭ 中而不是在钎猜中 。为了防止电流拥堵的出现， Ｔｕ 等提出了 加 厚 ＵＢＭ ，加 宽 钎 料 凸 点 和 高 电 流 密 度区域 。
在电搬迁进程中，空泛、凸起的构成导致了互连线的线性阻值增加，发生焦耳热，当焦耳热越积越多到达１０００～１５００℃ ／ｃｍ 时，就会引发热搬迁。热搬迁的存在对电搬迁有重要影响，当两者搬迁的方向共一起，热搬迁加快电搬迁的进程；当两者搬迁方向相反时，热搬迁减缓电搬迁的进程。文献经过有限元模仿和理论剖析证明了这一点，可是研讨者发现，不论热搬迁独自存在仍是两种搬迁并存，都会出现ＩＭＣ在热端变薄、冷端变厚的现象。当电搬迁的进程中存在热搬迁时，在搬迁驱动力方面，热搬迁会高于电搬迁。因而，在研讨原子搬迁时，考虑温度水平的一起，还要考虑另一重要要素即温度梯度。
在传统的锡铅（ ＳｎＰｂ ）焊点中，Ｓｎ和Ｐｂ原子的搬迁方向受温度的影响十分显着。当温度大于等于１００ ℃时， Ｐｂ原子从阴极迁向阳极，Ｓｎ原子从阳极迁向阴极；室温下，Ｐｂ原子从阳极迁向阴极，Ｓｎ 原子从阴极迁向阳极。此外，温度不一起，分散的主导元素也不同。如传统Ｓｎ －Ｐｂ 钎料，当温度低于１００ ℃时， Ｓｎ分散比 Ｐｂ快；而当温度高于１００℃ 时，Ｐｂ 却比Ｓｎ 分散快。别的，焊点内温度梯度也会对空泛搬迁发生影响。电搬迁中电流拥堵效应发生的很多焦耳热会引起焊点内温度梯度改变，引起空泛搬迁和长大，导致焊点失效。Ｗａｎｇ等研讨了焊点内温度梯度对焊点内空泛的影响，研讨标明，温度梯度会改变空泛邻近的电阻系数和分散系数，使得空泛沿界面处长大，加快电搬迁失效。
Ｌｅｅ 等研讨标明，焊料合金的熔点越低越简单导致电搬迁失效 。传统的 ＳｎＰｂ焊点中，首要的搬迁原子为 Ｓｎ原子和 Ｐｂ原子， Ｓｎ原子和 Ｐｂ原子有异向搬迁倾向，并在两头别离集合着很多的Ｓｎ原子和Ｐｂ原子，如图４所示。
无铅锡银铜（ ＳｎＡｇＣｕ ）焊料和ＳｎＰｂ焊料的电搬迁进程显着不同。在ＳｎＡｇＣｕ焊点中，Ｓｎ原子和Ｃｕ原子为首要的搬迁原子，且Ｓｎ原子和Ｃｕ原子的搬迁方向沿着电子的方向从阴极迁向阳极。不同的焊料 合 金 会 呈 现 不 一 样 的 极 性 效 应，如 锡 锌（Ｓｎ ９ Ｚｎ ）钎料刚好出现出与一般钎料相反的极性效应。Ｗａｎｇ等研讨发现，Ｓｎ９ Ｚｎ在温度为１４０℃，电流密度为４.２６×１０４Ａ ／ ｃｍ２时，电搬迁１６６ｈ后，阴极处的ＩＭＣ比阳极处的ＩＭＣ要厚。一般情况下，焊点中Ｓｎ在阴极的浓度（质量分数，全文同）总是高于在阳极的浓度，但Ｓｎ浓度的增加会导致Ｓｎ的分散速率下降。研讨还发现，Ｓｎ原子的电搬迁方向与Ｓｎ的浓度梯度方向相反。
Ｃｈｅｎ 等实验发现，在钎猜中增加Ｓｂ ，金属间化合物的厚度减小，并且晶粒得到细化，充沛证明了在钎猜中增加Ｓｂ等固溶原子，不只能够按捺ＩＭＣ的生长，并且还进步了焊点的力学功能。相同Ｌｉ等 研讨也标明，钎猜中增加了Ｓｂ后，金属间化合物的生长速率显着下降。Ｃｈｅｎ等发现，向ＳｎＡｇＣｕ钎猜中增加Ｓｂ ，虽能显着进步其力学功能，但 Ｓｂ 的掺杂也下降了无铅焊点反抗电搬迁的特性，故在钎猜中是否增加 Ｓｂ，或增加多少 Ｓｂ，应根据实践情况全面考虑 。
三元合金 ＳｎＡｇＣｕ 是现在最常用的无铅互连焊点资料。Ｓｎ 的化学活性和潮湿性较好，它与宝贵金属元素构成的ＩＭＣ 集合在焊点的界面处，但耗费了ＵＢＭ 层，且ＩＭＣ 易脆，故显着影响了焊点的机械强度。经过对不同电搬迁时刻的试样做拉伸实验，制造资料的拉伸曲线所示，由图可知，电搬迁效应会导致焊点的力学功能下降 。
电搬迁是焦耳热和电流归纳效果下的质量传输进程。杨艳等研讨标明，电搬迁与热时效均导致微焊点均匀拉伸强度显着退化，并且在确认的执役时刻内高密度电流效果引起的均匀拉伸强度下降起伏更大，对微焊点牢靠性的影响更显着。常红等研讨标明，电搬迁使Ｓｎ－３.０Ａｇ－０.５Ｃｕ焊点的剪切强度显着下降，电搬迁３６ｈ使剪切抗力下降了约３０％；而电搬迁４８ｈ后，下降了５０％ ，不只下降速度快，下降起伏也很大。电搬迁对微焊点均匀拉伸强度的影响存在显着的尺度效应。跟着微焊点高度尺度（体积）的不断减小，由电搬迁和热时效导致的微焊点均匀拉伸强度显着削弱 。因而，在焊点细小化进程的焊点设计和制造及牢靠性点评时应予以考虑。
在无电搬迁效果时，微焊点开裂是发生在焊点的钎料部分且呈延性开裂，而阅历过电搬迁极化效应的影响，微焊点终究在钎料与铜导线界面的阴极处开裂出现延性与脆性并存的开裂。经过对不同电搬迁时刻的试样做开裂机制和端面描摹研讨，发现在高电流密度下，微互连焊点的开裂形式是一个由塑性开裂向脆性开裂的进程。
尹立孟等研讨了微焊点在不同电搬迁时刻和电流密度时的振荡疲惫行为及功能。研讨发现，电搬迁严峻影响微焊点的振荡疲惫失效，使振荡疲惫寿数下降，不论是延伸电搬迁时刻，仍是增大电流密度都会加快微焊点由塑性开裂向脆性开裂改变的进程，微焊点的振荡疲惫失效便是振荡疲惫与蠕变一起效果的效果。
电流密度、电搬迁时刻与温度、合金元素等要素，显着影响了电搬迁的失效进程。电搬迁显着下降焊点的力学功能，其对微焊点均匀拉伸强度的影响存在显着的尺度效应，电搬迁使微焊点的振荡疲惫寿数显着下降，且无论是延伸电搬迁时刻仍是增大电流密度，都会加快微焊点由塑性开裂向脆性开裂改变的进程。
现在，大都研讨学者对微电子中的电搬迁问题的研讨，基本上还停留在电搬迁失效机制和电搬迁对微焊点影响的层面上，短少实践的处理微电子封装中凸点电搬迁失效的处理方案，等待研讨学者作进一步研讨。别的，互连焊点的电搬迁失效实践是多种影响要素的叠加或耦合（如在“电－ 热－ 力－ 化学”的归纳效果）构成的，因而今后应该对归纳效果下的电搬迁作更多的研讨和讨论。
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