固体での外部場による物質の微視的運動であるマイグレーションには今まで述べたエレクトロマイグレーションのほかに
ストレスマイグレーションと熱マイグレーションがある。
① 半導体の配線でのストレスマイグレーション
Ａｌｅｒｓ 東芝
半導体では工程での高温処理により冷却後、金属配線に隣接材料との熱膨張率差により大きな引張り応力が残留応力として生じ、
この応力が時間と共に空孔の拡散により緩和される（クリープ）ことでボイド形成から断線に到る現象が応力マイグレーションである。
ソニー
ルネサス
② はんだでの熱マイグレーションの影響
Ａｂｄｕｌｈａｍｉｄ 熱thermoマイグレーションとエレクトロ・マイグレーション
緒言（要旨）
金属導体が電位差を受けると電流がアノードからカソードに流れ、一方電子はカソードからアノードに移動する。
金属導体が高電流密度にさらされるといわゆる電子風が運動量の一部を金属あるいは合金の原子あるいはイオンに移し、
原子あるいはイオンを電子の流れの方向に動かす。その結果導体の劣化が２つの形式でおきる。
アノードでは原子が蓄積し最終的にヒロックが形成され、カソードでは空孔が濃縮しボイドが形成される。
Ｂｌａｃｋは限られた薄膜での平均破壊時間と電流密度の関係を確立した。
Ｂｌｅｃｈは薄膜内での応力勾配が高電流密度でのエレクトロマイグレーションに対向する力となることを明らかにした。
更に薄膜に対し”Ｂｌｅｃｈの臨界長さ”と呼ばれる電気的駆動力による質量拡散が完全に応力勾配と相釣り合う長さ尺度
を提案。
エレクトロマイグレーションの古典的定義は高電流密度の結果による金属でのイオン輸送によって引き起こされた
構造的損傷とされる。
エレクトロマイグレーションは通常低電流密度では顕著ではない。
エレクトロマイグレーションはある種の駆動力下における拡散制御過程での質量輸送である。
ここでの駆動力は移動種の濃度勾配だけが唯一の要素である拡散過程が関係するのより複雑である。
エレクトロマイグレーションに対する電気的駆動力は電子風力と直接的電場力からなる。
電子風力は移動する電子とイオン原子の運動量交換の効果で、電場が導体に印加されたときに価電子の散乱によって起きる。
電流密度が十分高くなるとこの運動量交換効果は顕著になり、エレクトロマイグレーションと呼ばれる感知できる質量輸送となる。
はんだはＣｕやＡｌより低融点（室温でもホモロガス温度の０．５倍以上）であるため拡散的であり、また純金属と
はんだ合金の微細組織は異なるためエレクトロマイグレーションの性質はははんだではＣｕやＡｌとまったく異なる。
はんだ合金（はんだ接合）では拡散種がひとつではないということが問題を複雑にする。
高電流密度でのジュール発熱は非常に局在化する。このため熱勾配が発生し熱マイグレーションをもたらす。
基材／はんだ界面の高熱抵抗と電子パッケージの成分の導電性の違いは顕著な温度勾配を引き起こし、
そのため熱マイグレーションが生じる。
典型的フリップ・チップ部品でのＡｌ配線の断面積ははんだボールより非常に小さく、部品の主要な電気抵抗源となる。
そのため大きなジュール発熱がＡｌ（あるいはＣｕ）配線で発生する。これにより大きな熱勾配がはんだ接合を横切って
維持される。
Ｓｎ－Ｐｂでは１５０℃、１．６ｘ１０４Ａ／ｃｍ２で１０００℃／ｃｍが報告されている。
またＳｎ－ＰｂではＳｎは高温側に移動し、Ｐｂは低温側に移動する。
熱マイグレーションとエレクトロマイグレーションの共存ではもし高温側がカソード側と一致すると熱マイグレーションが
エレクトロマイグレーションを促進する。もし高温側がアノード側だと拮抗する。
実験構成
ＳＡＣ４０５はんだボール、ＳＡＣ３０５プリはんだ
はんだ接合径１４０μｍ、スタンドオフ１００μｍ
基材：裸のＣｕあるいは無電解５μｍＮｉ／０．０５μｍＡｕ
ＵＢＭ：１１０μｍ径、厚み３μｍ、Ｔｉ／Ｎｉ（Ｖ）／Ｃｕ
ダイのＡｌ配線：６５μｍ幅、１．５μｍ厚み、基材のＣｕ配線：６５μｍ幅、１５μｍ厚み
はんだ接合５、６は熱マイグレーションＴＭだけ受ける。（高温Ｓｉダイ側、低温基材側）
はんだ接合４、１０はＴＭとＥＭは反対方向。
はんだ接合７、１１はＴＭとＥＭは同じ方向。
試験前のはんだ接合の微細組織
ＵＢＭ／はんだとＣｕパッド／はんだ界面のＩＭＣはＣｕ６Ｓｎ５。
はんだ接合の温度分布
はんだ接合の電流分布
Ａｌ配線の温度分布と電流分布
はんだ接合のＳｉダイ／ＵＢＭとＣｕパッド／はんだ界面
２．０ｘ１０４Ａ／ｃｍ２、８８７ｈ、破壊は観察されず。
平均ダイの頂点と基材の下部温度は７８℃と６６℃
はんだ接合７が最も厳しい拡散駆動力を受けるがボイド核生成あるいは亀裂はない。
上側のＣｕ６Ｓｎ５は未試験のものに比べ観察されない。
Ｃｕ６Ｓｎ５ ＩＭＣの島がすべてのはんだボールでＣｕパッド／はんだ界面近くに見られる。
Ｃｕ６Ｓｎ５ ＩＭＣの厚みは未試験のものとほぼ同じ。
２．４ｘ１０４Ａ／ｃｍ２、６９３ｈで破壊。
平均高温と低温は１０３℃と９３℃
高温側にＩＭＣは観察されない。
すべてのはんだ接合に亀裂が見られる。
ＴＭとＥＭが同じ方向に作用するはんだ接合７が最も悪い。
すべてのはんだボールで低温側のＩＭＣは未試験のものより厚い。
Ｃｕ６Ｓｎ５の島は前の試験にくらべ観察されない。
２．８ｘ１０４Ａ／ｃｍ２、５６２ｍｉｎで破壊。
平均高温と低温は１３５℃と１２６℃。
高温側の界面はいずれもＩＭＣがない。
低温側は未試験のものよりＩＭＣが厚くなり、いくつかのＩＭＣ島が観察される。
すべての三つの負荷の場合で高温界面でのＣｕ６Ｓｎ５ ＩＭＣの欠如が明白。
下側のＩＭＣ層が厚くなるのが観察でき、Ａｌ配線のエレクトロマイグレーションあるいは溶融による
損傷はない。
結論
はんだ接合の破壊は熱マイグレーションによる。
破壊試料では亀裂とＣｕ６Ｓｎ５の分解が高温界面で観察された。
亀裂と分解は熱勾配駆動力下でのＣｕの低温側への拡散の結果である。
恒温エージングではＣｕ６Ｓｎ５の欠如は観察されないのでＩＭＣのＳｎとＣｕ原子への分解は熱勾配力下で
起きると思われる。
観察結果から熱マイグレーション駆動力はエレクトロマイグレーション力と同じかそれ以上でさえあることを意味する。
Ａｂｄｕｌｈａｍｉｄ Ｐｂフリーはんだの機械的性質への熱マイグレーションの影響
実験構成
はんだ：ＳＡＣ４０５、はんだで２つのＣｕ板（１９ｘ３８ｍｍ、０．８ｍｍｔ）を挟む。
高温側１６０℃、低温側５０℃で温度勾配１０００℃／ｃｍ。
未試験（リフロー上がり）
平均ＩＭＣ厚みは上（高温側）が６．７±０．６μｍ、下（低温側）が４．５±０．４μｍ
低温側界面
高温側界面
ＩＭＣ厚み
熱勾配下での低温側から高温側への硬さの低下は高温側でのＳｎ粒粗化による。
恒温エージングでは硬さ低下は見られないのでＳｎ粒寸法は一様。
熱マイグレーションと恒温実験の２つの大きな微細組織の差は
熱マイグレーションでは高温、低温側ともＣｕ３Ｓｎが欠如。
熱マイグレーションでの高温側（１５５℃）でのＣｕ６Ｓｎ５層の薄化。
薄化は熱勾配下でＣｕ６Ｓｎ５のＣｕとＳｎへの分解でおきる。
熱勾配下では両方とも低温側へ移動するがＣｕがＳｎより速く拡散し、見かけのＣｕの低温側への
Ｓｎの高温側へ移動は拡散速度の差で引き起こされる。
Ｃｕが低温側へ移動し、分解したＳｎと反応し新たに薄いＣｕ６Ｓｎ５層が形成される。
低温側付近ではＣｕが高濃度。
Ｃｈｅｎ エレクトロマイグレーションと熱マイグレーション
電子装置のＡｌとＣｕ相互接続技術ではエレクトロマイグレーションＥＭが最もおおきな信頼性問題であるが、
最近消費者電子製品のパッケージ技術でのフリップ・チップはんだ接合のＥＭがＡｌとＣｕの相互接続に比べより簡単に
破壊しやすいため問題と認識されている。ＡｌとＣｕ相互接続技術ではでは熱マイグレーションＴＭは問題ではないが、
ＥＭ同様にＴＭもフリップ・チップはんだ接続では厳しい信頼性問題であると認識されている。
特にバンプ径の減少に伴いＥＭが重大な問題となる。電流密度に加えフリップ・チップの配置が電流集中に影響しＥＭを促進する。
＜電流集中効果＞
チップ側のＡｌ配線の断面ははんだバンプよりかなり小さく、コンタクトで大きな電流密度変化がおき、
電流集中がおきる。
フリップ・チップはんだ接合のＥＭ損傷はチップ側のカソード・コンタクト近く、電子がバンプに
入る所でおきる。
Ｓｉチップ：０．８μｍＣｕ／０．３２μｍＮｉ（Ｖ）／１μｍＡｌと基材：０．０８－０．２μｍＡｕ／３．８－５μｍＮｉ（Ｖ）／３８μｍＣｕ
はんだ：共晶ＳｎＰｂ、ＳＡＣ４０５、電流密度は３．５ｘ１０３～３．７ｘ１０３
＜Ｓｉチップ側カソード・コンタクトでのボイド形成＞
Ｓｉのカソード・コンタクト（電子の流れがはんだバンプに入る所）でボイドがパンケーキ状に形成。
＜ジュール加熱と温度分布＞
Ａｌ（またはＣｕ）相互接続とはんだ接合の電気的挙動の比較
２つのはんだ接合での温度分布
Ａｌ配線が最高温度となる。
＜はんだバンプでの温度分布＞
＜電力負荷でのＳｎＡｇはんだ接合の熱マイグレーション＞
フリップ・チップ装置に電流が印加されるとＥＭだけでなくジュール加熱も引き起こされる。
ジュール加熱によりＴＭを起こすに十分な温度勾配（～１０００℃）が引き起こされる。
＜ホットスポット温度と熱勾配、ＳｎＡｇ＞
＜ＳｎＰｂの非電力負荷での熱マイグレーション＞ 省略
ＳｎＰｂではＳｎとＰｂの再分配が起き、顕著な組織変化がおきるがＰｂフリーはんだではそれほどはっきりしない。
＜エレクトロマイグレーションと熱マイグレーション駆動力の比較＞
ＥＭとＴＭの駆動力による原子流束は
Ｃ：濃度、Ｄ：原子拡散、Ｚ＊：有効電荷数、ρ：電気抵抗、ｊ：電流密度、Ｑ＊：輸送熱
駆動力は
これらをもとに推定するとはんだ接合では１０４Ａ／ｃｍ－２で１０００℃／ｃｍでＴＭが引き起こされ、
ＡｌやＣｕではＥＭが引き起こされるためには１０５から１０６Ａ／ｃｍ－２以上必要で温度勾配では１００００℃／ｃｍ
以上となり、このためＡｌやＣｕ］ではＴＭは信頼性問題とならない。
＜Ｃｕ ＵＢＭの厚みの電流集中への影響＞
フリップ・チップはんだ接合の配線－バンプ配置特有性のため電流集中がＥＭ故障の主原因である。
電流集中効果を減少させるためにはＣｕ ＵＢＭの厚みを増加させると電流集中ははんだよりＣｕで起きる。
薄いＣｕ、たとえばＡｌ／Ｎｉ（Ｖ）／ＣｕではＣｕは約０．４μｍで電流集中ははんだでおき、はんだのＥＭに影響する。
薄いＵＢＭではすべてのＣｕは消費されＩＭＣを形成する。典型的にはＥＭははんだにボイドを形成し、パンケーキ状
ボイドがコンタクトに沿ってはんだ／ＩＭＣ界面におきる。
5－10μｍ厚みＣｕ ＵＢＭではほとんどの電流集中はＣｕ内でおきる。ボイド形成はバンプへの電子の流れの入り口に
位置する。ボイドは時間とともに大きくなる。
ＥＭでＣｕがはんだに溶解し、Ｃｕ厚みは減少し、５μｍ以下になると破壊が起きる。
ＥＭとＣｕのＩＭＣへの転換の相乗でコンタクトの抵抗が徐々に上昇し破壊に至る。
限られた量のＳｎと多量のＣｕの場合はＣｕ６Ｓｎ５を犠牲にＣｕ３Ｓｎが厚く成長しＫｉｒｋｅｎｄａｌｌボイドを伴う。
Ｋｉｒｋｅｎｄａｌｌボイドは電気的、熱的伝導性に影響し、ジュール加熱と熱放散ははんだ接合の大きな
問題で温度勾配にも影響する。このようにＴＭを伴うＥＭとＫｉｒｋｅｎｄａｌｌボイド形成は電流集中に取って代わり
Ｃｕ柱バンプ使用での大きな信頼性問題となる。
＜ＥＭ下でのＣｕとＮｉの高速溶解＞
ＰｂフリーはんだとＣｕ ＵＢＭではＥＭとＴＭで激しいＩＭＶ形成がおきうる。
特にＣｕ柱あるいはＴＳＶ（Ｓｉ貫通ビア）技術でははんだバンプ高さは２０μｍ程度にもなり、その結果
すべてのはんだバンプは電流負荷で完全にＩＭＣ化し脆性破壊をもたらす。
２０μｍ高さのはんだ接合では２℃の温度差で１０００℃／ｃｍの温度勾配をもたらす。そのため
小さなフリップ・チップはんだ接合ではＴＭが深刻な信頼性問題となる。
＜Ｓｎ粒結晶方位のＥＭとＴＭへの影響＞
特別に高速なＣｕとＮｉの溶解は特殊なＳｎ粒結晶方位に沿っておき得る。
ＣｕとＮｉの高速溶解はｃ軸に沿っての拡散がａ、ｂ軸よりかなり速いことによる。
そのためＳｎ基ＰｂフリーはんだのＥＭとＴＭでＳｎ粒結晶方位は大きな役割を演ずる。
＜はんだバンプでのストレスマイグレーション＞
電流負荷ではんだの応力が存在することが提案されている。
蓄積応力は電流集中効果に関係している。
ＳｎＡｇＣｕの後方応力（バック・ストレス）は共晶ＳｎＰｂより大きいように見え、これは
ＳｎＡｇＣｕはんだの表面酸化物によるだろう。
共晶ＳｎＡｇＣｕのアノードでのウィスカ形成の表面形態
＜ＣｕとＮｉの熱マイグレーション＞
隣のバンプのＥＭ負荷の影響によるＴＭ
ＴＭでＣｕ－Ｓｎ ＩＭＣが低温側（基材）端に移動。
通電していないにもかかわらず上左角近くにはっきりした損傷がある。
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