本研究共分為兩個主要的實驗階段，第一階段通以固定電流 1.0A 作為加速破 壞之條件，當試片 Bump3(電子流向下)電阻上升率分別為 20％、50％、100％及 650％時做為終止條件；第二階段則分別通以 0.8A、1.0A 與 1.2A 之電流，當試 片 Bump3(電子流向下)電阻上升率為 100％時做為終止條件，此兩階段固定加熱 溫度皆為 100℃，其中試片利用可精確量測電阻變化之凱文結構方式佈局，並搭 配穩定提供電流之電源供應器與量測儀器。當試片到達各階段終止條件後，將試 片研磨至銲錫凸塊中心，並藉由光學顯微鏡(Optical Microscopy，OM)及掃描式 電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy，SEM－JEOL 6500)觀察試片截面影 像，以做為觀察覆晶錫銀銲錫於不同階段時期之破壞行為，並搭配能量散佈光譜 儀(Energy Dispersive Spectroscopy，EDX－JEOL 6500)以鑑別特定區域之成份 組成，來分析試片經電遷移後組成之變化。實驗中並利用紅外線顯像技術做為熱
UBM opening 為 110μm，銲錫凸塊高度為 50μm，於基板端銅墊層直徑為 280μm、
厚度為 30μm，銅墊層之上為厚 5μm 之無電鍍鎳，銲錫銲料成分為 96.5Sn3.5Ag 之共晶錫銀，基板採用 FR4 基板。
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本研究中所使用的電源供應器與量測儀器為電流源 Agilent3646a 與資料交換 器(Data switch)Agilent E34970A 配合有二十個獨立頻道的 Agilent E34901A 模 組，藉由上述兩組儀器對序列阜與 GPIB 控制介面通訊協定的支援，以美國國家
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可藉由紅外線熱像儀(infrared microscopy－Quantum Focus Instrument)來收 集表面輻射之溫度資訊，其中儀器之溫度解析度可達 0.1℃，且空間解析度可達
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圖 3-1 共晶錫銀銲錫凸塊之剖面結構圖
圖 3-2 實驗試片之凱文結構接點示意圖，(a)俯視圖，(b)剖面圖
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圖 3-3 實驗試片之凱文結構 3D 剖面圖[14]
圖 3-4 紅外線顯像技術觀察方向示意圖[13]
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％、100％及 650％做為觀察失效模式之終止條件，圖 4-2(a)為定電流(1.0A)下
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℃/㎝之溫度梯度(thermal gradient)，如圖 4-5 所示，受此溫度梯度的影響下，
30 由理論值並以電流密度推算出此 Bump2 所受之臨界溫度梯度(critical thermal gradient)，經由推算後以此階段實驗條件下 Bump2 之臨界溫度梯度為 434℃/㎝；
相較於 Bump2 由紅外線熱像儀的觀察及分析，可估計此凸塊實際所受之溫度梯度 為 1460℃/㎝，如圖 4-8 所示，也就是說 Bump2 實際所受熱遷移的影響較大於電
31 Bump3 電阻上升率關係圖表，由圖 4-11(a)可以發現在較大電流密度下，達到相 同的 Bump3(電子流向下)電阻上升率其通電時間明顯較短。依據此三種通電電流 條件下，為了方便觀察不同電流密度下試片比較，將依電流密度大小排序並分別 以電流未流經之 Bump1、電子流向上之 Bump2 及電子流向下之 Bump3 等三小節做 為討論。而由於 Bump1 與 Bump4 皆為電流未流經之凸塊，估計此兩個凸塊所受之 焦耳熱效應影響程度差異不大，故電流未流經之凸塊僅以 Bump1 做為討論。
32 做紅外線熱像儀的分析與結果比較，依電流大小為 0.8A、1.0A、1.2A 於 Bump1 分別量測出溫度梯度 660℃/㎝、1000℃/㎝、1660℃/cm，說明了 Bump1 之銅原子 仍受熱遷移的影響而形成孔洞，如圖 4-14 所示。再者，此結果亦說明了於較高 下之臨界溫度梯度，0.8A、1.0A、1.2A 之臨界溫度梯度分別為 348℃/㎝、434℃
33 4-13(c)所示，假設消耗殆盡之銅墊層為 5μm、通電時間為 44.9hr、銅的密度d 為 7.3 g/㎝ 3，銅的原子量為 63.5 g/mole，並代入公式(2.10)後，經計算後可 得銅熱遷移之通量為 2.14 x 1014 atom/s*㎝2；相對地，1.2A Bump1 藉由紅外線 熱像儀的觀察，如圖 4-14(e)、(f)所示，其凸塊平均溫度為 129.9℃、溫度梯度
34 通電下將試片直接置於加熱板上做 annealing 之實驗分析，以避免試片因焦耳熱 效應導致之溫度梯度而受熱遷移之影響，其後並觀察試片剖面於銅與介金屬化合 物間是否仍有孔洞之存在。實驗中設定試片之 annealing 加熱溫度為 135℃且終 止時間為 450hr，終止時間之設定乃評估更長於各通電試片之通電時間做為基準，
且 annealing 加熱之溫度條件，為了考慮原通電試片下所受之焦耳熱，乃依據通 電實驗中產生最大焦耳熱之凸塊其平均溫度而設定之，此凸塊藉由紅外線顯像技 術觀察其平均溫度為 135.1℃，如圖 4-20 所示。以 SEM 觀察此條件下 annealing 後之試片，如圖 4-21 所示，其晶片端銅與介金屬化合物間並無明顯孔洞生成，
此結果亦呼應了前述之推論。
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圖 4-1 未通電及未加熱之凸塊 OM 剖面圖，(a)Bump1，(b)Bump2，(c)Bump3，
(d)Bump4
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圖 4-2 於定溫 100℃及定電流 1.0A 下，各試片通電時間與 Bump3 電阻上升 率圖表，(a)表為各試片通電時間對應電阻上升率之關係表，(b)圖為各試 片通電時間與電阻上升率之關係圖
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圖 4-3 於 100℃下通入 1.0A，電流未流經之 Bump1 OM 剖面圖，(a)於 Bump3 電阻上升率與通電時間分別為 20.1%、94.4hr，(b)48.7%、318.6hr，
(c)110.7%、286.4hr，(d)639.8%、382.6hr
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圖 4-4 於 100℃下通入 1.0A，電流未流經之 Bump1 SEM 剖面圖，(a)於 Bump3 電阻上升率與通電時間分別為 20.1%、94.4hr，(b)48.7%、318.6hr，
(c)110.7%、286.4hr，(d)639.8%、382.6hr
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圖 4-5 於 100℃通電電流為 0.5A 下，Bump1 以紅外線顯像技術觀察試片剖 面溫度分佈情形，(a)溫度分佈圖，(b)延圖(a)白線溫度分佈表，量測之平 均溫度與溫度梯度分別為 117.3℃、1000℃/㎝
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圖 4-6 於 100℃下通入 1.0A，電子流向上之 Bump2 OM 剖面圖，(a)於 Bump3 電阻上升率與通電時間分別為 20.1%、94.4hr，(b)48.7%、318.6hr，
(c)110.7%、286.4hr，(d)639.8%、382.6hr
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圖 4-7 於 100℃下通入 1.0A，電子流向上之 Bump2 SEM 剖面圖，(a)於 Bump3 電阻上升率與通電時間分別為 20.1%、94.4hr，(b)48.7%、318.6hr，
(c)110.7%、286.4hr，(d)639.8%、382.6hr
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圖 4-8 於 100℃通電電流為 0.5A 下，Bump2 以紅外線顯像技術觀察試片剖 面溫度分佈情形，(a)溫度分佈圖，(b)延圖(a)白線溫度分佈表，量測之平 均溫度與溫度梯度分別為 120.7℃、1460℃/㎝
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圖 4-9 於 100℃下通入 1.0A，電子流向下之 Bump3 OM 剖面圖，(a)於 Bump3 電阻上升率與通電時間分別為 20.1%、94.4hr，(b)48.7%、318.6hr，
(c)110.7%、286.4hr，(d)639.8%、382.6hr
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圖 4-10 於 100℃下通入 1.0A，電子流向下之 Bump3 SEM 剖面圖，(a)於 Bump3 電阻上升率與通電時間分別為 20.1%、94.4hr，(b)48.7%、318.6hr，
(c)110.7%、286.4hr，(d)639.8%、382.6hr
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圖 4-11 於定溫 100℃及通電電流分別為 0.8A、1.0A、1.2A 下，各試片通 電時間與 Bump3 電阻上升率圖表，(a)表為不同電流下之各試片通電時間對 應電阻上升率之關係表，(b)圖為不同電流下之各試片通電時間對應電阻上 升率關係圖
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圖 4-12 於 100℃不同電流下，電流未流經之 Bump1 OM 剖面圖，(a)通電電 流 0.8A 於 Bump3 電阻上升率 106%、1318hr，(b)通電電流 1.0A 於 Bump3 電 阻上升率 110.7%、286.4hr，(c)通電電流 1.2A 於 Bump3 電阻上升率 100%、
44.9hr
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圖 4-13 於 100℃不同電流下，電流未流經之 Bump1 SEM 剖面圖，(a)通電 電流 0.8A 於 Bump3 電阻上升率 106%、1318hr，(b)通電電流 1.0A 於 Bump3 電阻上升率 110.7%、286.4hr，(c)通電電流 1.2A 於 Bump3 電阻上升率 100%、
44.9hr
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圖 4-14 於 100℃不同通電電流下，Bump1 以紅外線顯像技術觀察試片剖面 溫度分佈情形，(a)通電電流為 0.4A 之溫度分佈圖，(b)延圖(a)白線溫度 分佈表，量測之平均溫度與溫度梯度分別為 110℃、660℃/㎝，(c)通電電 流為 0.5A 之溫度分佈圖，(d)延圖(c)白線溫度分佈表，量測之平均溫度與 溫度梯度分別為 117.3℃、1000℃/㎝，(e)通電電流為 0.6A 之溫度分佈圖，
(f)延圖(e)白線溫度分佈表，量測之平均溫度與溫度梯度分別為 129.9℃、
1660℃/㎝
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圖 4-15 於 100℃不同電流下，電子流向上之 Bump2 OM 剖面圖，(a)通電電 流 0.8A 於 Bump3 電阻上升率 106%、1318hr，(b)通電電流 1.0A 於 Bump3 電 阻上升率 110.7%、286.4hr，(c)通電電流 1.2A 於 Bump3 電阻上升率 100%、
44.9hr
50
圖 4-16 於 100℃不同電流下，電子流向上之 Bump2 SEM 剖面圖，(a)通電 電流 0.8A 於 Bump3 電阻上升率 106%、1318hr，(b)通電電流 1.0A 於 Bump3 電阻上升率 110.7%、286.4hr，(c)通電電流 1.2A 於 Bump3 電阻上升率 100%、
44.9hr
51
圖 4-17 於 100℃不同通電電流下，Bump2 以紅外線顯像技術觀察試片剖面 溫度分佈情形，(a)通電電流為 0.4A 之溫度分佈圖，(b)延圖(a)白線溫度 分佈表，量測之平均溫度與溫度梯度分別為 110.9℃、860℃/㎝，(c)通電 電流為 0.5A 之溫度分佈圖，(d)延圖(c)白線溫度分佈表，量測之平均溫度 與溫度梯度分別為 120.7℃、1460℃/㎝，(e)通電電流為 0.6A 之溫度分佈 圖，(f)延圖(e)白線溫度分佈表，量測之平均溫度與溫度梯度分別為 133.3
℃、2260℃/㎝
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圖 4-18 於 100℃不同電流下，電子流向下之 Bump3 OM 剖面圖，(a)通電電 流 0.8A 於 Bump3 電阻上升率 106%、1318hr，(b)通電電流 1.0A 於 Bump3 電 阻上升率 110.7%、286.4hr，(c)通電電流 1.2A 於 Bump3 電阻上升率 100%、
44.9hr
53
圖 4-19 於 100℃不同電流下，電子流向下之 Bump3 SEM 剖面圖，(a)通電 電流 0.8A 於 Bump3 電阻上升率 106%、1318hr，(b)通電電流 1.0A 於 Bump3 電阻上升率 110.7%、286.4hr，(c)通電電流 1.2A 於 Bump3 電阻上升率 100%、
44.9hr
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圖 4-20 於 100℃通電電流為 0.6A 下，Bump3 以紅外線顯像技術觀察試片剖 面溫度分佈情形，(a)溫度分佈圖，(b)延圖(a)白線溫度分佈表，量測之平 均溫度與溫度梯度分別為 135.1℃、2420℃/㎝
圖 4-21 於 135℃、450hr annealing 試片之 SEM 剖面圖影像
55 向冷端(基板端)的通量大於錫朝向熱端(晶片端)的通量；且試片經 annealing 後 的結果也符合預期，更加說明孔洞形成的主要原因為銅受熱遷移影響所致。
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