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面向存储芯片先进封装中微凸块与铜柱互连的电迁移失效机理与寿命预测.docx
资料介绍
面向存储芯片的先进封装中微凸块与铜柱互连的电迁移失效机理与寿命预测
——从电流密度分布到微观结构演化的多尺度分析
引言
在HBM、Chiplet和3D封装中，微凸块（Microbump）和铜柱（Cu Pillar）是实现芯片间垂直互连的关键结构。在HBM4E中，微凸块的间距已缩小至40μm以下，铜柱直径缩小至10μm以下。随着电流密度和工作温度的持续增加，电迁移（Electromigration, EM）已成为微凸块和铜柱互连的主要失效模式。电迁移导致的空洞形成和扩展，不仅增加了互连电阻，还可能导致开路故障。本文系统分析微凸块和铜柱互连的电迁移失效机理，探讨寿命预测模型和可靠性优化方案。
电迁移的物理机制
电迁移的驱动力
电迁移是金属原子在电子风力的作用下沿电子流方向扩散的现象。电迁移的驱动力包括：
1. 电子风力：高速运动的电子与金属原子碰撞，将动量传递给原子，推动原子沿电子流方向迁移。
2. 应力梯度：电迁移导致的原子堆积（阳极）和原子亏空（阴极）产生应力梯度，驱动原子向相反方向扩散。
3. 温度梯度：焦耳热导致的温度梯度驱动原子从高温区域向低温区域扩散（热迁移）。
电迁移的失效过程
微凸块中电迁移的失效过程分为三个阶段：
1. 微观结构演化：在电迁移初期，金属原子沿晶界和界面扩散，在晶界交汇处形成位错和空位聚集。
2. 空洞成核：当空位浓度超过临界值，在阴极界面处形成空洞。空洞的成核位置通常在微凸块与金属层的界面处。
3. 空洞生长与扩展：在电流应力的持续作用下，空洞沿界面扩展，最终导致互连电阻急剧增大或开路。
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