[論文レビュー] Diffusion-controlled growth of phases in metal-tin systems related to microelectronics packaging

Varun A. Baheti|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2018

Electronic Packaging and Soldering Technologies参考文献 53被引用数 7

ひとこと要約

本博士論文は、マイクロエレクトロニクスパッケージングにおけるCu、Ni、Au、Pd、Pt/Sn界面におけるインタメタルリック化合物（IMC）の拡散制御成長およびKirkendall空孔形成を調査している。実験的およびモデル化的手法を用いて、IMC成長がパラボリック成長則に従う拡散制御メカニズムに従うことを示し、基体金属に応じて成長速度および空孔形成傾向に顕著な差が生じることを明らかにした。本研究は、flip-chip ソルダージョイントの信頼性に関する重要な知見を提供する。

ABSTRACT

The electro–mechanical connection between under bump metallization (UBM) and solder in flip–chip bonding is achieved by the formation of brittle intermetallic compounds (IMCs) during the soldering process. These IMCs continue to grow in the solid–state during storage at room temperature and service at an elevated temperature leading to degradation of the contacts. In this thesis, the diffusion–controlled growth mechanism of the phases and the formation of the Kirkendall voids at the interface of UBM (Cu, Ni, Au, Pd, Pt) and Sn (bulk/electroplated) are studied extensively.

研究の動機と目的

• アンダーブマッピングメタル（UBM）とスズ（Sn）界面におけるインタメタルリック化合物（IMC）の拡散制御成長メカニズムを理解すること。
• Cu、Ni、Au、Pd、Pt/Sn系におけるIMC成長速度およびKirkendall空孔形成に影響を与える要因を特定すること。
• 固体状態での加熱および使用条件下におけるIMCの成長速度を定量的に評価し、ソルダージョイントの信頼性への影響を検証すること。
• 電子パッケージングにおけるflip-chip接続部の長期的信頼性を予測するためのメカニズム的基盤を提供すること。

提案手法

• クロスセクション顕微鏡および電子バックストリート回折（EBSD）を用いたUBM/Sn系（Cu、Ni、Au、Pd、Pt）におけるIMC成長の実験的特性評価。
• 時間および温度関数としてのIMC厚さの測定により、成長キネティクスを特定。
• 拡散制御成長をモデル化するためのパラボリック成長則（x² = k·t）の適用、ここでxは厚さ、kは速度定数。
• 高分解能画像法を用いた界面におけるKirkendall空孔形成の分析および拡散フラックスの不均衡との相関。
• 熱力学的およびキネティクス的モデリングを用いて、さまざまなUBM材料間での成長行動の差を説明。
• トレーサー拡散係数および多成分系における相互拡散に基づく理論的予測と実験結果の比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UBM/Sn系におけるインタメタルリック化合物の成長メカニズムとして、拡散制御型か反応制御型か、どちらが支配的か？
• RQ2 スズベースのソルダージョイントにおいて、異なるUBM材料（Cu、Ni、Au、Pd、Pt）のIMC成長速度はどのように変化するか？
• RQ3 固体状態での加熱条件下でKirkendall空孔がどの程度形成され、UBM材料および温度にどのように依存するか？
• RQ4 スズおよびUBM元素のトレーサー拡散係数と観察されたIMC成長速度との相関関係はいかなるものか？
• RQ5 等温加熱条件下において、パラボリック成長則がこれらの系におけるIMC厚さの時間的変化を正確に記述できるか？

主な発見

• すべてのUBM/Sn系において、IMC成長は拡散制御メカニズムに従い、厚さが時間の平方根に比例して増加することから、パラボリック成長則が確認された。
• IMCの成長速度定数（k）はUBM材料に強く依存し、Cu/Snが最も高い成長速度を示し、次いでNi/Sn、Pd/SnおよびPt/Snが最も遅い成長を示した。
• Kirkendall空孔は、フラックス不均衡が顕著な界面、特にCu/SnおよびNi/Sn系で優先的に形成され、核生成は強く温度依存的であった。
• 空孔形成は、スズとUBM金属間の本質的拡散係数の差に相関しており、差が大きいほど顕著な空孔形成が観察された。
• Au/SnおよびPd/Sn系では、相互拡散フラックスが低く、界面相がより安定であるため、空孔形成が最小限に抑えられた。
• 本研究は、さまざまな温度におけるIMC厚さの時間的変化に関する定量的情報を提供し、ソルダージョイント信頼性の予測モデリングを可能にした。