一、问题的引出

电子迁移长期以来用于研究半导体配线缺陷的形成机理及对策。伴随着半导体配线的微细化，流过配线的电流值显著上升。今天VLSI中的Al或Cu线宽为0．1μm、厚0．2μm的截面上，即使只通过1mA的电流，其电流密度也高达106A／cm2。面对如此大的电流密度，只要温度稍有变化，也将很容易导致电子迁移现象发生。另一方面，对焊点来说现在其接续部分已经比较小了，例如，其细间距已可达到200μm的直径。然而，这还远非极限。随着现代化工艺进程的进一步推进，半导体的微细化接续点数势必会继续增加，这就意味着，焊接的接续面积必然还将继续变小。特别是在倒装片技术中，100μm的直径流过的峰值电流约0．2A，到2011年该尺寸已进一步缩小到50μm，对上述同样的峰值电流来说，其电流密度便高达10＾4A／cm2。由此，便可预见将来钎料的电子迁移现象必然会成为影响焊点可靠性的一个大问题。

二、钎料的电子迁移

电子迁移的驱动力是“电子风”，图1说明了其涌现的过程。？

图1 强电子流推进原子的扩散（灰色的原子由“电子风”引入的空穴扩散）

在很强的电子流的场合下，电子风相当于原子风。按其形成原理对其进行仿真分析。在这里把在电场E中的有效电荷Z※作为驱动原子运动的动力Fem，这样就得到下式：Fem ＝Z※Ee （1）式中 e——电子的电荷；E——电场强度，对金属来说，在电场里流过电流时，其电场强度可表示为电流值j和电抗值ρ的乘积，即Fem ＝Z※eρj （2）Z※——和“散乱断面积”相关的变量，当电子获得一定程度的能量移动时，就可以求得原子的通量（单位时间通过单位面积的原子数，原子／cm2·s），有Jem＝C（D／kT）Fem＝C（D／kT） Z※eρj＝nμeEe （3）式中，C为单位体积当量的原子密度；n为单位体积当量的电子密度；（D／kT）为原子的移动度；μe为电子的移动度；D为玻尔兹曼常数（是温度函数）；T为绝对温度。此时库仑力因为很小故予以忽略。

由式（3）可以预测某时间段会发生怎样的原子移动。原子移动的本质是晶格中的空穴。这些空穴的聚集便形成空隙，空隙的成长所引起的破断就可用上式来预测。对LSI的Al或Cu配线场合，电子迁移成为问题的电流密度为10＾5～10＾6A／cm2，而对钎料来说，更低的电流密度10＾3～10＾4A／cm2便能产生。即使二者的配线大小等级有差异，但不久也会成为问题的，这是必须要考虑的。像上式所表示的，电子迁移要影响原子的扩散速度。作为在Sn中扩散快的原子如Cu、Ag、Ni等，实际上这些原子的扩散速度是异常快的，它不溶入Sn的结晶格子，只在晶格间移动。由于Sn的间隙间的多结晶构造，故Ni等是在Sn的间隙间的缝中扩散的。由于只有β－Sn具有不同的方向性结晶（不同的结晶方位其特性上有较大的差异），所以Ni的扩散率随结晶方位的不同也存在着差异。

这一性质，恐怕对微细接续部分也会产生影响。总之作为微细的钎料球，球自身几乎也有多个结晶，所以其电子迁移的效果也是不同的。

三、电子迁移对接合界面的影响

电子迁移不是单独发生的，它同时受热、温度梯度及应力场等的激活而对扩散产生影响。因此，在考虑复杂的组装形态时，必须充分研究上述的各种因素的影响。

首先，介绍简单的界面情况，如图2示出了Sn－Ag－Sn构成的接续界面的电子迁移的情况。

图2 在Sn－Ag－Sn接合界面的电流流过场合时的界面组织的变化（140℃，500A／cm2的条件下15天后）

电子从左向右流动，使左侧的界面金属间化合物层变厚，反过来在右侧的变薄。像这样在＋极侧和－极侧化合物的生长的差异，是因热扩散和电子迁移扩散的和或差的不同所导致的，在左侧由于热造成的化合物生长的方向和由电子迁移扩散驱进的化合物生长的方向一致，因而化合物生长得厚，而在右侧二者是相反的，因而生长的厚度薄。

另外，还应考虑气流方面的影响。例如，由再流焊接形成的反应层，受电子迁移的影响大，如图3所示表示了Sn3．8Ag0．7Cu钎料球焊点的二相对电极界面的金属间化合物的状况。在此场合，－极侧的电极界面的化合物消失，而＋极侧则变厚了。在Sn系焊接的界面，也表现了电子迁移的影响。比较SnNi、SnCu等的界面化合物的生长，前者Ni和Sn的扩散具有双方性，而后者则是以Cu的扩散为主。

图3 Sn3．8Ag0．7Cu的钎料球接续部的界面组织及电子迁移分布（4×104A／cm2，l50℃、35min后的组织）

在特定的条件下，由温度引起的扩散也有可能成为主要形式，如图4所示。两个Cu电极和SnPb共晶钎料接续，把温度变化和流过的电流场合Sn组成的变化比较，在室温Sn向＋极侧扩散，而在150℃时Pb也向＋极侧扩散。此时，温度的影响成为主角。

图4 Sn37Pb钎料接续部的Sn的浓度

四、电子迁移对倒装片接续的影响

电子迁移之所以成为问题，是随着高集成化和细间距化的进展，对倒装片接续情况，由于发热形成的温升影响显得愈严重，从而造成焊点断裂。此时，倒装片的接合部具有特异的接续形状。计算一个球在接续部分流入电流的状况，如图5所示。

图5 倒装片钎料球在接续部表现的电流密度分布

前面已介绍，倒装片流入的平均电流值大致为10＾4A／cm2。由此可知，缺陷的形成集中在电流密度高的部分。这里作为化合物的生长的例子，如图6所示。Cu配线电流密度高的左侧部分几乎消失，而其化合物的生长却很显著。

图6 Pb3Sn的倒装片接续部生成的电子迁移 （2．55×10＾4A／cm2，155℃）

倒装片接续部空隙的形成如图7所示。由于电流密度高的部分Sn扩散在晶格中形成空穴，这些空隙的成长首先在球的一侧开始，然后沿着电极界面向横的方向进行扩展，如图8所示。这时电流的流动路线也跟着转移，电流全集中在右侧流过。就时间来说，在37h之前空洞的发生不是非常明显的。然而在其之后空隙便急速发展，仅数小时便可波及接续面的全部。

图7 SnPb接续部在125℃时空隙的生长（2．25×104A／cm2）（a）37h，（b）38h，（c）43h

图8 倒装片电子扩散时空隙的生长机理