本章節的重點在於研究通電環境下電遷移及熱遷移對於銲錫內 部介金屬化合物的行為變化。所使用的條件為 150 ℃加熱板環境，並 依序通以 1.6 A、1.5 A、1.3 A、1.2 A 的電流，在電阻上升超過一倍 之後，對介金屬化合物的行為加以分析，其中各區域電流密度模擬圖 見圖 5-3 至圖 5-4。
5-1 介金屬化合物成分變化
在通電前後，介金屬化合物可能會因電流驅動金屬 UBM 或銲墊 與銲錫內部成分反應而造成介金屬化合物成分的變化。因此我們利用 EDS 對通電前後的銲錫橫截面的介金屬化合物元素組成作鑑定及分 析。
5-1.1 通電前介金屬化合物的成分
藉由橫截面研磨加上 X 光能量分析圖譜 (EDS)，我們可以對通 電前的銲錫成分加以鑑定，圖 5-1 及圖 5-2 分別顯示晶片端及基板端 的成分分析結果。經過 EDS 的成分分析，我們判斷於晶片端鎳 UBM 下方的介金屬化合物為一層厚度低於 0.5 µm 的(Ni,Cu)3Sn4及厚度約 2 µm 的 (Cu,Ni)6Sn5，而銅銲墊端為 Cu6Sn5，其中基板端由於是銅墊
層直接由預錫與銲錫經過迴銲完成接合，且鎳在融化的銲錫中溶解度
溫高電流的情形下(電流值大於 1.5 A，加熱板溫度 150 ℃)，由於電流
的破壞情形與上述通電條件類似，同樣是鎳層消耗完畢使晶片端出現
合物則仍為(Cu,Ni)6Sn5。
物出現在相對冷端，也就是遠離電流堆積區域。圖中 TM 1 及 TM 2
Cu6Sn5介金屬化合物仍像上述高電流狀態下的趨勢：也就是出現在遠
造成銲錫融化。而根據 B. B. Alchagirov 發表在 High Temperature 2000 的著作中，錫在 200 ℃到 300 ℃左右的密度約為 7 g/cm3 [49]，而
5-2.2 理論計算與論證 Q*為受熱遷移物質的轉移熱(heat of transfer)，డ்
డ௫ 為溫度梯度，經由
溫度梯度所造成的熱遷移力超過造成原子受電子和原子之間動量轉
熱發熱量為電流平方與電阻之乘積，如式(8)，因此我們採用將銲錫
屬化合物經由 EDS 判別為 Cu6Sn5，鎳含量僅低於 3 %原子百分比，
在 1.2 A 的情形下，經由計算我們使用ට1.2 ܺ 1.2 ܺଶோோ =0.85 A 的
於電流堆積處。但是由理論計算的結果顯示：1.3 A 時電遷移的驅動
密度區移動的結果。在此研究中，由於銅、鎳原子與銲錫主要之錫原
但由於此時 UBM 層的鎳亦參與了介金屬化合物的反應，因此，在電
但由於通以交流電使電子流失去極性效應(polarity effect)無法將銅原 子遷移至銲錫中發生反應，所以 Cu6Sn5 介金屬化合物的體積要比通 直流電的銲錫要少很多。我們採用另一種無鉛銲錫試片：Ti 1k/Ni(V) 3.25k/Cu 薄膜 UBM，錫銅 0.7；預錫同樣為 SnAg3.0Cu0.5，銅基板 的試片，其晶片端也均為 Cu6Sn5，希望藉由銲錫內部較多的銅原子來 加以觀測，同樣以交流電 1.6 A 於 150 ℃下通電 48 小時後，可以發 現：其 Cu6Sn5介金屬化合物確實有向冷端移動的效果出現(圖 5-24)。
證明銅原子在通電下所造成的熱遷移對於銅原子向冷端移動是有影 響的。
圖 5-1 通入不同電流值時，銲錫內部電流密度分布模擬
圖 5-2 不同電流下，銲錫接點及銅導線電流分布模擬
圖 5-3 未通電前晶片端 UBM 下方介金屬化合物成分為 (Cu,Ni)6Sn5
圖 5-4 未通電前基板端介金屬化合物成分為 Cu6Sn5
圖 5-5 銲錫中銅及銀含量對介金屬化合物成分的影響[44]
圖 5-6 240 ℃時，錫銅鎳相圖富錫端，當鎳存在時會降低銅的溶解度 [26]
圖 5-7 施加 1.6 A 電流，加熱板溫度 150 ℃下，通電至電阻上升超過 100 %，於電子流流向基板端之銲錫接點出現極厚的(Cu,Ni)6Sn5介金 屬化合物
圖 5-8 施加 1.3 A 電流，加熱板溫度 150 ℃下，通電至電阻上升超過 100 %，於電子流流向晶片端之銲錫接點出現 Cu6Sn5介金屬化合物聚 集
圖 5-9 施加 1.3 A 電流值，加熱板溫度 120 ℃下，通電至電阻上升約 10 mΩ，於電子流流向晶片端之銲錫接點，由於鎳層消耗，出現鎳含 量較高的 (Cu,Ni)6Sn5介金屬化合物
圖 5-10 施加 1.3 A 電流值，加熱板溫度 140 ℃下，通電至電阻上升 10 mΩ，於電子流流向基板端之銲錫接點殘留鎳層周圍出現 (Ni,Cu)
3Sn4介金屬化合物
圖 5-11 銲錫內部在通電環境下，電遷移及熱遷移驅動力作用方向示 意圖
圖 5-12 施加 1.6 A 電流，加熱板溫度 150 ℃環境，通電至電阻上升 超過 100 %，電子流流向晶片端之 Cu6Sn5介金屬化合物分布
圖 5-13 施加 1.5 A 電流，加熱板溫度 150 ℃環境，通電至電阻上升 100 %，電子流流向晶片端之 Cu6Sn5介金屬化合物分布
圖 5-14 施加 1.3 A 電流，加熱板溫度 150 ℃環境，通電至電阻上升 100 %，電子流流向晶片端之 Cu6Sn5介金屬化合物分布
圖 5-15 施加 1.2 A 電流，加熱板溫度 150 ℃環境，通電至電阻上升 100 %，電子流流向晶片端之 Cu6Sn5介金屬化合物分布
圖 5-16 加熱板溫度為 150 ℃，其中 a) 基板端朝加熱板 b) 晶片端朝 加熱板，通電至電阻上升超過 100 %，電子流流向晶片端之 Cu6Sn5
介金屬化合物分布
圖 5-17 銲錫結構簡化及電遷移、熱遷移作用力方向示意圖
圖 5-18 將銲錫橫截面處理後，通入 1.1 A 之電流以模擬完整接點 1.6 A 的溫度差，a) 橫向溫差為 4 ℃ b) 縱向溫差為 6 ℃
圖 5-19 將銲錫橫截面處理後，通入 0.92 A 之電流以模擬完整接點 1.3 A 的溫度差，a) 橫向溫差為 1℃ b) 縱向溫差為 2 ℃
圖 5-20 將銲錫橫截面處理後，通入 0.85 A 之電流以模擬完整接點 1.2 A 的溫度差，a) 橫向溫差為 0℃ b) 縱向溫差為 0.5 ℃
圖 5-21 加熱板溫度 90 ℃，通入 1.1 A 之溫度差分別為 a) 3 ℃ b) 4 ℃
圖 5-22 加熱板溫度 110 ℃，通入 1.1 A 之溫度差分別為 a) 4 ℃ b) 6 ℃
圖 5-23 通以交流電 1.6 A 之電流值，加熱板溫度為 150 ℃，通電 48 小時後，可發現 Cu6Sn5 介金屬化合物有明顯往冷端、亦即遠離電流 堆積區移動的趨勢
圖 5-24 針對 Ti 1k/Ni(V) 3.25k/Cu 薄膜 UBM，錫銅 0.7 無鉛銲錫通以 交流電 1.6 A 電流，加熱板溫度 150 ℃，通電 48 小時後，可發現 Cu6Sn5
介金屬化合物有明顯往冷端移動的趨勢
表 5-1 晶片端介金屬化合物成分，在銅的溶解度限制及銀含量的範 圍中，可發現於鎳層形成之三元介金屬化合物為(Cu,Ni)6Sn5 [48]
通入電流通入電流通入電流
通入電流(A) 加熱板溫度加熱板溫度加熱板溫度加熱板溫度(℃℃℃℃) 校正後溫度校正後溫度校正後溫度校正後溫度(℃℃℃℃) 溫升溫升溫升溫升 (℃℃℃℃)
1.6 150 203 53
1.5 150 198 48
1.3 150 185 35
1.2 150 171 21
表 5-2 本部份實驗經溫度-電阻關係式校正之後之內部溫度及溫升