Electromigration Study of SnAg 3.8 Cu 0.7 Solder Using Blech Structure 年
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Electromigration Study of SnAg 3.8 Cu 0.7 Solder Using Blech Structure Student : Yung-Chang Hsu AdvisorDr. Chih Chen College of Engineering Industrial Technology R & D Master Program On Semiconductor Materials & Processes National Chiao Tung University ABSTRACT Critical length of lead-free solder has not been measure because it is very difficult to prepare short solder stripe. In this study, By employing focus ion beam, solder stripes of various lengths, including 5, 10, 15, 20, 30, 100, and 200 µm, can be fabricated. Length dependent electromigration behavior was observed, which implies that there may be back stress under current stressing. We can determine the critical length under testing condition under 2~10 4 A/cm 2 at 100-150, the critical product is 20~30 A/cm and critical length is 10~15m II
III
SnAg 3.8 Cu 0.7 Critical product SnAg 3.8 Cu 0.7 SnAg 3.8 Cu 0.7 References IV
µm µm µm µm µm V
Blech like s structure stripe 6.6 x 10 4 A/cm 2 FIBstripe strpie µm stripe FIBstripe 4-23 stripe 4-24 Blech structure 4-25 Blech structure 4-26 Blech structure stripe SEM EPMA 4-27 Blech structure stripe SEM EPMA 4-28 Blech structure stripe SEM EPMA 4-29 Blech structure stripe SEM EPMA 4-30 Blech structure stripe SEM EPMA 4-31 Temperature Dependence of yield stress for various alloys VI
critical product critical product VII
論 路 年 路 路 來 路 不 聯 來 路 路 易 裂 來 若 路 不 路連 路 數 路 連 1
2
不 3
不 流 度 金 流 金 不 流 金 離 例 離 力 量 流 度 流 度 不 不 流 度 流 流 度 4
什 狀 列 流 料 更 來說 兩 金 料 度 良 年 立 理 料 料 量 令 令 不 金 類 令 來 量 粒 粒 洞 洞 累 良 年來 金 金 異 料 金 金 度 良 5
金 料 金 金 了 連 金 易 裂 金 金 金 6
1.4 臨 度 來 度 來 流 流 度 來 度 參數例 度 drift velocity 流 度 threshold current density, activation energy, 率 數 product of diffusivity and effective charge number (DZ*) 參數 量 來 臨 度 critical length of electromigration 臨 度 度 不 力 back stress[5] 7
理論 金 料 年 路 度 金 量 率 來 年 率 參數 流 率 流 流 流 流 度 流 度 度 度 路 流 度 度 8
9
理 流 度 10
力 量 流 力 兩 力 量 力 [8] 兩 理論 金 量 來 不 量 量 ' P = m0 V = m0v m0v 量 度 量 來 ( m V ) 11 1 E h k dp x d = 0 dt dt dp x dt = 1 4π E E ' ' ' ( m0 / h) f ( k) [ 1 f ( k )] W ( k k ) dk dk ' 2, 3 k k 狀 狀 率 句 說 率 數 dp x = dt 1 4π E ' ' E ' ' ( m ) ( )[ ( ) ( ) ] ( ) ( [ ( )] ( ) ) 0 / h f k 1 f k W k, k' dksk m0 / h f k 1 f k W k, k dksk k' 3 ' k
理 dp x dt 2 E ( m ) { f ( k[ f ( k ' )] W ( k k ' ) f ( k ' )[ f ( k) ] W ( k ' 0 / h 1. 1 k )} 1 =, dk ' dk 3 4π k f ( k) f ( k) 0 3 τ d = { f ( k) [ f ( k' )] W ( k, k' ) f ( k' )[ 1 f ( k) ] W ( k', k) } 1 dk' / 4π 裡 數 dp dt x 1 E = ( m0 / h) f ( k) dk 4π 3 τ d k E k 0 = f ( k) τ m d h 3 dk / 4π 流 度 量 j x = e f ( k) E 3 dk / 4π h k E 裡 h k dp dt j m x x 0 = eτ d 量 F = x dp dtn d jxm0 eτ N d d 裡 度 率 * m = ne τ ρ d 2 d 裡 量 參 度 Fx nej m x 0 = ρ d Nd m * 律 j x = ε x ρ 12
ne ε x m0 Fx = ρ d N d ρ m * N ρ d m0 = eε x z N ρ m * d 裡 離 度 離 數 離 數 F x 1 N ρ d m0 = eε x z 2 N ρ m * d 流 金 離 金 離 力 力 力 F driving = F + F field el wind 1 N 2 N ρ m ρ m 0 = eε x z eε x z * e ( Z + Z ) = ε * = z eε x x el wd d d 13
金 量 14
15
力 年 利 流 [9]- [12] 率 若 度 臨 度 不 若 臨 流 度 率 零 力 力 更 Nabarro-Herring mode 度 度 流 流 J = J chem + J em C D D dσω + Jσ = D + C Z * eρj C KT KT KT dx 力 流 若 度 度 流 力 力 J = C D KT D dσω Z * eσj C KT dx 若 臨 度 X crit σω = Z * e ρ j 不 j X σω σω = j X crit = (critical product Z * eρ Z * eρ 16
流 利 來 狀 The inductively coupled plasma-reactive ion etching (ICP-RIE) 來 度 α-stepper and Atomic Force Microscopy (AFM) 來量 SiO 2 金 了 漏 流 利 Å 利 ÅÅ 利 來 來 FeCl 3 +D.I.1200 來 利 Eutectic SnAgCu 金 Blech-like 利 切 度 17
3.1µm Si Si 3.1 µm 1200Å SiO 2 SiO 2 SiO 2 Si 1500Å Ti SiO 2 Cu Cu Ti Ti SiO 2 SiO 2 Si 4000Å Cu Ti SiO 2 18
SiO 2 SiO 2 370µ Si Cu Ti SiO 2 SiO 2 SiO 2 Si SnAgCu IMC Cu Ti SiO 2 polish Si Cut by FIB 19
Pad Short solder stripe Pad 流 20
流 度 度 力 度 率 聯 流 度 力 21
立 0 22
µ 率 23
1. CCD camera 2. Probe 3. Sample 4. Optical lens 5. Current source 6. hot plate 24
= Z FEM * eξ Ωdσ F = Backstress dx When F EM = F backstress e - σω Lc = * Z ejρ 力 25
了 流 立 數 利 流 理 數 說 數 利 不 數 數 26
Scanning Electron Microscopy 力 (AFM Atomic Force Microscopy) 量 (EDS Energy Dispersive Spectrometer) (Infrared scope IR) (Electron Probe X-Ray Microanalyzer EPMA) ANSYS LabVIEW 27
論 度量 落 度 利 來 不 度 不 度 度不 流 度 切 度 度 µm 零 Ag 3 Sn 金 0.2µmCu 6 Sn 5 金 度 µm 度 流 流 42.9%IMC53.1%4% 利 (Infrared scope IR) 來量 度 4-410IR 量 度 4-5~4-10 流 度 不 度 R 量 流 度 不 流 度 兩 silicon substrate 良 狀 28
5m 15m 30m 10m 20m 29
Cross-section SEM image on tilt 52 E-SnAg 3.8 Cu 0.7 The average thickness of Cu 6 Sn 5 is 1.3µm Ag 3 Sn IMC Ti 流 流 度 流 例 SnAg 3.8 Cu 0.7 0.01 10 4 42.874% Cu 6 Sn 5 0.012 10 4 53.082% Ti 0.0009 10 4 4.044% 流 例 30
量 流 度 量 31
流 度 µm 量 流 度 µm 量 32
流 度 µm 量 流 度 µm 量 33
流 度 µm 量 不 流 度 34
SnAg 3.8 Cu 0.7 Critical product 量 利 來量 critical product 理論 年 利 流 度 SnAg 3.8 Cu 0.7 Critical product280a/c SnAg 3.8 Cu 0.7 Critical product60a/c 兩 理論 率 量 度 流 度 µm 都 洞 Critical product2030(a/cm) 理論 Blech 利 Blech structurecritical product 2-1Blech structure 度 行 流 度 利 Blech structure 狀 µm 都 ANSYS 來 stripeblech like s structure stripe 流 35
(a) 0hr 5um 15um 30um 10um 20um (b) 940hrs e - void 36
(a) 0hr (b) 273hrs e - Void 30um 37
(a) 0hr (b) 200hr e - void 15um 20um 30um 38
(a) 0hr (b) 300hrs e - void Blech like s structure stripe 39
SnAg 3.8 Cu 0.7 流 度 ANSYSBlech structure 流 流 流 度 6.6 x 10 4 A/cm 流 流 stripe 流 度 4-16Blech structure 流 度 contact windoeffect 流 度 離便 4-17 流 度 流 stripe current crowding effect[14 落 流 度 流 流 度 10 5 A/cm 2 見 three element 流 度 elementcurrent crowding effec 不 contact resistance 不 contact resistanc 利 度 Deposition 理論 不 若 contact window 流 度 不 [15 切 strip 切 stripecontact window 流 度 不 µmstripe 流 度不 不 µm stripe 流 度 90FIB 切 stripe 不 µm 流 度 current crowding effec 切 Blech structure 流 度 切 blech structure 流 度 易 40
流 度 度 10 8 A/cm Blech structure(10 10 A/cm ) viod 流 度 論 41
流 度 6.6 x 10 4 A/cm 2 65000 Current density (A/cm 2 ) 62500 60000 57500 55000 52500 50000 47500 45000 Contact window about 10µm -200-150 -100-50 0 50 100 150 200 Location (µm) 流 度 42
Solder layer IMC layer Ti layer 流 度 43
(b) (a) (c) (b) 60000 40000 (c) top element 20000 middle element bottom element average 0-188 -186-184 -182-180 Position (µm) 流 度 流 Current density (A/cm 2 ) 44
(a) (b) (c) FIB 切 stripe 45
100000 (a) Current density (A/cm 2 ) 80000 60000 40000 20000 0-200 -150-100 -50 0 50 100 150 200 Location (µm) 80000 Current density (A/cm 2 ) 70000 60000 25um (b) 50000-100 -90-80 -70-60 -50 Location (µm) strpie 流 度 µm stripe 46
5 µm 10 µm 15 µm FIB 切 stripe 47
(µ current density/ calculation value) Current density (A/cm 2 ) 66000 64000 62000 60000 58000 56000 54000 52000 不 度 流 度 0 10 20 30 40 50 Stripe length (µm) 4-23 stripe 度 流 度 48
(a) (b) 4-24 Blech structure 流 度 49
4-25 Blech structure 流 度 50
SnAg 3.8 Cu 0.7 了 SnAg 3.8 Cu 0.7 利 EPMA 來 mapping 4-26~30 4-26~30 EPMA Ag 3 Sn µm Ag 3 Sn 數 Cu 6 Sn 5 EPMA E-beam 度 度 若 Cu Ni 易 51
(a) e - (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) 4-26 Blech structure stripe SEM EPMA (a)5µm stripe SEM(b)Sn-map(c)Ag-map(d)Cu-map (e) 5µm stripe SEM(f)Sn-map(g)Ag-map(h)Cu-map 52
a b c d e f g h 4-27 Blech structure stripe SEM EPMA (a)10µm stripe SEM(b)Sn-map(c)Ag-map(d)Cu-map (e)10µm stripe SEM(f)Sn-map(g)Ag-map(h)Cu-map 53
a b c d e f g h 4-28 Blech structure stripe SEM EPMA (a)15µm stripe SEM(b)Sn-map(c)Ag-map(d)Cu-map (e)15µm stripe SEM(f)Sn-map(g)Ag-map(h)Cu-map 54
a b c d e f g h 4-29 Blech structure stripe SEM EPMA (a)20µm stripe SEM(b)Sn-map(c)Ag-map(d)Cu-map (e)20µm stripe SEM(f)Sn-map(g)Ag-map(h)Cu-map 55
a b c d e f g h 4-30 Blech structure stripe SEM EPMA (a)20µm stripe-2 SEM(b)Sn-map(c)Ag-map(d)Cu-map (e)20µm stripe-2 SEM(f)Sn-map(g)Ag-map(h)Cu-map 56
critical product 論 SnAg 3.8 Cu 0.7 critical produc150 10 4 A/cm 2 流 度 20~30A/c 理論 金 兩 不 不 度 說 兩 不 理論 度 不 度 不 更 來 論不 度 流 度 critical produc 57
金 critical product 理論 量 j x c_snagcu * = 22.4A/ CM σω = Z eρ critical product 58
John H. L. Pang, B.S. Xiong and F.X. Che[16] 4-31 Temperature Dependence of yield stress for various alloys Dr. M. Warwick[17] 59
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