4-1 試片加速測試後外觀分析結果
實 驗 試 片 經 由 通 電40V 後 放 置 於 85 ° C85%RH 的 環 境 中 ， 進 行 Temperature & Humidity Storage Test(THST)分別於經過96Hrs、168Hrs、
336Hrs、504hrs後，以工具顯微鏡觀察其晶片表面狀況，由圖4-1晶片與封膠
軟性捲帶基板的Coefficient of Thermal Expansion(CTE)約為16ppm/°C，環氧 樹脂的CTE約為70~80ppm/°C，金凸塊的CTE約為14.2ppm/°C，晶片本身的 CTE約為3ppm/°C，因而使得環氧樹脂與晶片表面產生分層(Delimination)的 現象。如圖4-3 環氧樹脂與晶片表面分層過程示意圖。
當可靠度測試進行至1008Hrs後，發現於污染物附近的金凸塊與金凸塊中 間，經由工具顯微鏡可以隱約看到好像有一層物質產生於晶片的保護層上，如 圖4-4 所示。
圖4-1 (a) Before HTST 之工具顯微鏡照片
(b)HTST 168hrs後晶片與封膠樹脂分層圖 (c) HTST 336hrs後晶片與封膠樹脂分層圖 (d)HTST 168hrs後晶片與封膠樹脂分層圖
Before HTST
168h
336h
504h (a)
(b)
(c)
(d)
圖4-2 COF電腦模擬應力分佈圖 [12]
圖4-3 環氧樹脂與晶片表面分層過程示意圖
C.T.E 70~80ppm/C
Particle C.T.E 70~80ppm/C
Polyimide Film
圖4-4 1008Hrs後金凸塊間表面異常圖
4-2 Mini-probe和I-V characteristic curve 量測分析結果
Sample Pin Type 阻值
P-P 18.46M
使用半導體參數量測儀HP4155，以給定電壓測電流的方式，量測金離子 遷移實驗樣品之I-V curve是否有異常，將第一顆sample分別從P-P、S-S、
N-N、P-S、P-N量測I-V curve，從圖4-5(a)中可看到P-P正向電壓在給定1.5V 時，達到鉗制電流9.9991mA；負向電壓在給定-1.5V時，達到鉗制電流-10mA。
圖4-5(b) 中可看到金離子遷移的S-S腳位正向電壓在給定1.5V時，達到鉗制電 流9.9990mA;負向電壓在給定-1.5V時，達到鉗制電流-10mA。從圖4-5(d)中可 以看到圖4-5(a)與(b)的重疊後，發現正常腳位與有金離子遷移的腳位兩條曲線 幾乎重疊，差別很微小。而比對故意以碳粉造成short fail的腳位N-N，可從圖 4-5(c)看到正向電壓在給定1.4V时，達到鉗制電流9.9990mA；負向電壓在給 定-1.4V時，達到鉗制電流-10mA。將圖4-5(a)與(c)重疊後，可以發現正常腳 位與故意制造Fail的腳位有明顯的差異，故意制造Fail的腳位給定電壓只要 1.4V即可達到相同的鉗制電流，同時其Fail腳位的曲線较正常腳位Pass pin的 曲線坡度陡。
從HP4155的量測結果來看，同樣無法以I-V curve量測方式來做為監控或 確認金離子遷移失效模式發生與否的依據。
(a)
(b)
(c)
圖4-5 金離子遷移實驗樣品之HP4155分析結果 (a)P-P (b)S-S (c)N-N (d)P-S (e)P-N
(d)
(e)
4-3 試片的微結構分析
將經由加高壓40V且經可靠度測試1008hrs後，發現有異常的樣品經由正 面研磨至約5um的厚度後，經由工具顯微鏡可明確觀察到位於金凸塊與金凸塊 中間，確實有一層類似於金屬的物質，如圖4-6(a)中紅色箭號所示的異常位 置，同時以4-6(b)紅色虛線該異常位置做為Transmission Electron Microscopy (TEM)取樣試片的位置，TEM取樣後的試片如圖4-7所示。
從圖4-8中可以看到確實在金凸塊#A與#B之間的Epoxy Resin和晶片保護 層間發生分層(Delimination)現象。位於此分層上有薄薄的深黑色和深灰色物 質的東西連接著Gold Bump#A 和Gold Bump#B，且靠近Gold Bump#A的分 層間隙較大，其中以深灰色的物質居多，伴隨著少部份的深黑色物質，如圖 Oxygen(Atomic 42.65%)、Silicon(Atomic 28.4%)、Chlorine(Atomic 3.86%)、
Calcium(Atomic 16.18%) 和Copper(Atomic 8.92%)，其中Oxygen、Silicon、
Copper佔總Atomic 79.97%應為該晶片本身所自帶之元素，另外發現的 Chlorine和Calcium佔總Atomic 20.03%，則應該是從實驗樣品中所製造的 Particle，因吸溼再加上高溫的環境中逐漸地解離出來的元素，完整地分散於 整個分層間。另外，分層間深黑色物質則為金原子，如圖4-13(b)中所示。金 原子的分佈狀況，則是由Gold Bump#A中逐漸地往Gold Bump#B中累積增 加，此種現象可從圖4-13中得知。
圖4-6 (a)異常樣品研磨至5um厚度後金凸塊間表面物質狀況 (b)正面研磨後TEM取樣位置圖
Abnormal Point
Au Bump Au Bump
(a)
Cut Point
(b)
圖4-8 實驗樣品金離子遷移SEM image
Au Bump (#B) Au Bump
(#A)
Delimination
Epoxy Resin
Chip
1um
圖4-9 金離子遷移靠近Gold bump#A分層位置放大圖
~250nm
1um
1um
圖4-10 金離子遷移靠近Gold bump#B分層位置放大圖
~115nm
#B
圖4-11 (a)金凸塊邊緣放大SEM 30K image(b)金凸塊EDS分析圖
(a)
(b)
圖4-12 (a)分層放大SEM 30K image(b)分層中深灰色物質EDS分析圖
(a)
(b)
圖4-13 (a)分層放大SEM 30K image(b)分層中深黑色物質EDS分析圖
(a)
(b)
圖4-14 金離子遷移之金原子移動示意圖
Gold Bump#A Gold Gold Bump#B
1um
4-4 金離子遷移造成產品失效機制之探討
彙總4-1至4-3的觀察分析，金離子遷移發生而造成產品失效的機制可歸納 為以下幾個因素:
(1) 位於晶片金凸塊附近具有Cl離子的Particle。
(2) 因各材料層之間的熱脹冷縮不一造成封膠層與晶片表面的分層。
(3) 產品於正常的使用環境中吸收一定的溼氣，且於高溫的環境下，
Particle中的Cl離子開始游離於分層間。
(4) 產品走向Fine Pitch，金凸塊間的間距從45um朝著25um和20um前進 使得金凸塊間高電場的持續作用，更趨明顯。
(5) 當金凸塊的金離子受Cl離子及高電場的影响而持續地解離出來往另 一端的金凸塊方向移動，當金離子一接觸到另一端的金凸塊時，則立 即產生Short的現象。
其中含Cl離子的Particle與溼氣的殘留為發生金離子遷移的主要關鍵因 素，其可能發生的機制過程表示如下: 如圖4-15所示。
AuCl x → Au + + xCl −
Silicon
DC Power Supply
(a)
DC Power Supply
Ca+
(b)
Cl-Cl-
圖4-15 金離子遷移失效機制發生過程示意圖
(a) 金凸塊間有含Cl離子之Particle且在溼氣及溫度的影响下 出現分層
(b) Cl離子解離至整個分層
(c) Cl離子使Gold Bump#A的金離子產生解離現象後金離子 持續地往Gold Bump#B移動至接觸到Gold Bump#B則產 生Short失效現象
Anode Ca+ Au+ Cathode
Au+
DC Power Supply Polyimide Film