本實驗將利用能夠敏感､精確量測的凱文結構的覆晶共晶錫鉛銲錫試片製 備，用以其觀察抵抗電遷移破壞的情形。
實驗試片製備係為一覆晶共晶錫鉛銲錫，其銲錫凸塊高度為50-um、金屬墊層 (under-bump-metallization)為5-um Cu/3-um Ni。加以170 ℃之溫度下，進行四種時 間，(1) no pre-aging、(2) 20 hrs、(3) 50 hrs、(4) 100 hrs之時效熱處理。
實驗測試方法為在一定加熱溫度、通電電流的條件下，作為加速破壞實驗，
實驗的試片製備，係由米輯科技提供的共晶錫鉛覆晶封裝試片，其銲錫凸塊 結構如圖2-1 –晶片端的鋁導線為120-um寬､1.5-um厚、銲錫UBM (Under Bump Metallization)材料種類為Cu，厚度為 5-um/Ni，厚度為 3-um， UBM opening 為 120-um，銲錫凸塊為直徑120-um，高度 50-um的共晶錫鉛銲錫，凸塊間間距為 之通電時間，亦即定義為failure time。實驗電路示意圖如圖2-5。
之後再依一定方向(圖2-6)將所需觀察的試片剖面研磨､拋光後，利用光學顯微 鏡及掃描式電子顯微鏡作為試片的剖面狀態影像的觀察､紀錄，了解其不同熱時 效處理條件對抵抗電遷移破壞之影響。
實驗電路設計所使用的電源供應器與量測儀器分別為電流源Agilent E3642A 與搭配有二十個獨立頻道Agilent E34901A 模組的資料交換器（Data switch）Agilent
E34970A。藉由上述二組儀器對序列阜與GPIB 控制介面通訊協定的支援，以美國
當其電阻值變化達到設定為初始值的二倍時，即停止加熱､通電等條件，以此觀 察其電遷移破壞時間與不同熱時效條件之關係。
實驗時，將試片置於一150℃的加熱板上，將晶片面緊貼加熱板方式加熱，並 用耐熱膠帶固定，靜置試片直到試片溫度到達平衡才開始如上述方式通電量測。
電路迴路與量測的位置如圖2-5 所示，於圖2-4 中的n3 及n4 通入一定電流 1.0A，量測b3 銲錫凸塊的電阻值變化，當其變化達初始電阻二倍時後，停止通電 及加熱並取下試片。以UBM opening 直徑為 120-um，施以1.0A 之一定電流的數 值推算，其所對應電流密度為1.1x104 A/cm2。
2-2-2 銲錫凸塊破壞模式的觀測
將熱時效與實驗通電破壞後的試片依序沿圖2-6 所示方向，以不同號數的SiC 砂紙(120、600、1200、2500、4000等SiC 砂紙) 依序研磨試片，將試片研磨至銲 錫凸塊中心，同時顯現銲錫凸塊之半剖面及鋁導線，再以1-um、0.3-um、0.05-um 大 小顆粒的Al2O3作研磨拋光，之後再利用掃描式電子顯微鏡（SEM）觀察､紀錄試 片剖面狀態影像。試片研磨銲錫凸塊SEM剖面圖如圖2-7。其中，晶片端的鋁導線 為1.5-um厚、銲錫之上UBM (Under Bump Metallization)材料種類為Cu，厚度為 5-um/Ni，厚度為 3-um，銲錫凸塊為高度50-um的共晶錫鉛銲錫，銲錫之下UBM (Under Bump Metallization)材料種類為Ni，厚度為 3-um /Cu，厚度為 30-um。
2-3 實驗結果
電阻變化率 Rratio定義為 R/R0 ，其中R為銲錫凸塊b3的即時量測電阻，R0為 銲錫凸塊b3的初始量測電阻，銲錫凸塊b3為電子流向下之標示銲錫凸塊。用此一
指標定義可以修正各試片間因初始電阻值的差異，而造成結果判讀上困難之問題。
圖2-8 為不同熱時效處理後之試片，於加熱通電後，錫鉛銲錫電阻變化率為初 始電阻二倍(Rratio= R/R0=2)對時間所作關係圖；
圖2-9 為不同試片電阻上升至初始電阻二倍 (Rratio= R/R0=2)之個別試片加熱 通電時間與不同熱時效處理時間關係圖；
圖2-10 為不同試片電阻上升至初始電阻二倍 (Rratio= R/R0=2)之平均加熱通電 時間與不同熱時效處理時間關係圖；
圖2-11 ~圖2-13為不同熱時效處理後之試片，於加熱通電前的不同倍率之掃描 式電子顯微鏡（SEM）影像。
圖2-14 ~圖2-16為不同熱時效處理後之試片，於加熱通電後，錫鉛銲錫電阻變 化率為初始電阻二倍(Rratio= R/R0=2)時的掃描式電子顯微鏡（SEM）影像。
圖2-1 試片銲錫凸塊結構示意圖
Ni 5µm Ni 3µm Cu 5µm Al trace 1.5µm
SnPb solder bump
Cu 30µm
Bump Height 50 µm 120 µm
300 µm
IMC-Ni
3Sn
4e
-UBM
圖2-2 (a)完整試片俯視圖 (b)凱文結構佈局試片迴路設計圖
圖2-3 凱文結構俯視示意圖
圖2-4 凱文結構剖面示意圖
圖2-5 實驗電路示意圖
圖2-6 試片研磨方冋示意圖
圖2-7 試片研磨後之b3銲錫凸塊SEM剖面圖 Cross section view
n1 n2 n3 n4 n5 n6 b1 b2 b3 b4 t1 t2 t3
FR4
Silicon (Chip side)
Substrate
Al trace-1.5um
UBM- Cu-5um/Ni-3um
SnPb solder bump height-50um
UBM- Ni-5um/Cu-30um
圖2-8 不同熱時效處理後之試片，於加熱通電後，錫鉛銲錫電阻變化率為初始電 阻二倍(Rratio= R/R0=2)對通電時間所作關係圖
Failure time vs b3 Rratio
0
Failure time (hrs) Rratio=R/R0
圖2-9 不同試片電阻上升至初始電阻二倍 (Rratio= R/R0=2)之個別試片加熱通電 時間與不同熱時效處理時間關係圖；
圖2-10 不同試片電阻上升至初始電阻二倍 (Rratio= R/R0=2)之平均加熱通電時間 與不同熱時效處理時間關係圖
Failure time vs pre-aging time
0
Failure time (hrs)
Failure time vs pre-aging time
0
Pre-aging time (hrs)
Failure time (hrs)
圖2-11 錫鉛銲錫不同熱時效處理後之試片，於加熱通電前的掃描式電子顯微鏡
（SEM）×600倍整個銲錫球影像圖。
(a) No pre-aging (b) Pre-aging 20hrs (c) Pre-aging 50hrs (d) Pre-aging 100hrs
No pre-aging Pre-aging 20hrs
Pre-aging 50hrs Pre-aging 100hrs
(a) (b)
(c) (d)
圖2-12 錫鉛銲錫不同熱時效處理後之試片，於加熱通電前的掃描式電子顯微鏡
（SEM）×1500倍銲錫球內影像圖。
(a) No pre-aging (b) Pre-aging 20hrs (c) Pre-aging 50hrs (d) Pre-aging 100hrs
No pre-aging Pre-aging 20hrs
Pre-aging 50hrs Pre-aging 100hrs
(a) (b)
(c) (d)
圖2-13 錫鉛銲錫不同熱時效處理後之試片，於加熱通電前的掃描式電子顯微鏡
（SEM）×3000倍IMC層影像圖。
(a) No pre-aging (b) Pre-aging 20hrs (c) Pre-aging 50hrs (d) Pre-aging 100hrs
No pre-aging Pre-aging 20hrs
Pre-aging 50hrs Pre-aging 100hrs 0.8 µm
2.8 µm 2.4 µm
1.3 µm
(a) (b)
(c) (d)
圖2-14 錫鉛銲錫不同熱時效處理後之試片，於加熱通電後的掃描式電子顯微鏡
（SEM）×600倍整個銲錫球影像圖。
(a) No pre-aging and Rratio=2 after current stressing 68hrs (b) Pre-aging 20hrs and Rratio=2 after current stressing 221hrs (c) Pre-aging 50hrs and Rratio=2 after current stressing 226hrs (d) Pre-aging 100hrs and Rratio=2 after current stressing 334hrs No pre-aging and Rratio=2
after current stressing 68hrs
Pre-aging 20hrs and Rratio=2 after current stressing 221hrs
Pre-aging 50hrs and Rratio=2 after current stressing 226hrs
Pre-aging 100hrs and Rratio=2 after current stressing 334hrs
Sn
圖2-15 錫鉛銲錫不同熱時效處理後之試片，於加熱通電後的掃描式電子顯微鏡
（SEM）×1500倍銲錫球內影像圖。
(a) No pre-aging and Rratio=2 after current stressing 68hrs (b) Pre-aging 20hrs and Rratio=2 after current stressing 221hrs (c) Pre-aging 50hrs and Rratio=2 after current stressing 226hrs (d) Pre-aging 100hrs and Rratio=2 after current stressing 334hrs
Pre-aging 20hrs and Rratio=2 after current stressing 221hrs
Pre-aging 50hrs and Rratio=2 after current stressing 224hrs
Pre-aging 100hrs and Rratio=2 after current stressing 334hrs No pre-aging and Rratio=2
after current stressing 68hrs
(a) (b)
(c) (d)
圖2-16 錫鉛銲錫不同熱時效處理後之試片，於加熱通電後的掃描式電子顯微鏡
（SEM）×3000倍IMC層影像圖。
(a) No pre-aging and Rratio=2 after current stressing 68hrs (b) Pre-aging 20hrs and Rratio=2 after current stressing 221hrs (c) Pre-aging 50hrs and Rratio=2 after current stressing 226hrs (d) Pre-aging 100hrs and Rratio=2 after current stressing 334hrs
Pre-aging 20hrs and Rratio=2 after current stressing 221hrs
Pre-aging 50hrs and Rratio=2 after current stressing 224hrs
Pre-aging 100hrs and Rratio=2 after current stressing 334hrs No pre-aging and Rratio=2
after current stressing 68hrs
(a) (b)
(c) (d)