1. 將晶圓試片切割成約 2 cm x 2 cm 大小之實驗試片。
2. 壓力變化以調整洩壓閥方式進行。
3. 助焊劑以棉棒沾上。
4. 不考慮升溫曲線之影響，溫度控制器設定在 250℃。
5. 使用 Ar-F, 193 nm, Pulse 準分子雷射，直接打擊試片上之銲錫 凸塊，試片前方裝設氮氣吹嘴(如圖 3-4 所示)，直接將氮氣吹向 試片上之雷射處理區域，以降低該區域氧化程度。
6. 實驗處理完成之試片以 X-ray 檢測設備 (如圖 4-1 所示) 進行凸 塊內部殘留孔洞檢測，檢測方法如下：
a. 由於試片以雷射處理之位置均位於試片之中間列，為求數據公 正，所有試片之取樣點均為試片之中間列，分別於該列之左側、
中間及右側各取 10 顆球進行檢測，如圖 4-2 之紅色圓圈區域。
b. 量測方法：如圖 4-3 所示，以尺規量測錫球與孔洞之直徑比，
例如圖 4-3 上所示之孔洞比例約 25%。圖 4-4 例舉數種尺寸之 孔洞大小範例。
圖 4-1 Shimadzu SMX-160E-II X-ray 檢測儀
圖4-2 凸塊孔洞之檢測區域
圖4-3 錫球孔洞之量測方法
圖4-4 錫球孔洞量測範例
7. 試片以 SEM (如圖 4-5 所示) 檢視錫球凸塊外觀。
圖4-5 SEM設備
4-2 實驗用晶圓試片之製備
晶圓凸塊常用焊料之熔點如表4-1所示，本研究實驗所使用之焊材為 Sn95.5/Ag4.0/Cu0.5 無鉛焊材，此最具主流三相合金之共熔(Eutetic)溫度 在217℃附近，是目前業者公認最佳的兼用無鉛焊料及最可能的通用標 準焊料。其中少量銅份所扮演的角色為：
(1) 可減少焊點中外來銅份的繼續增加。
(2) 可降低焊料的熔點
(3) 可改善沾錫性、加強焊點的耐久潛變性(Creep)以及長期耐熱疲勞 性(Thermal Fatigue)等品質與可靠度，並為美國NEMI 所認同為錫
膏與BGA 球腳之理想組成。
本研究實驗之試片使用8吋矽晶圓製作依標準網印製程製作至第一 次迴銲程序(如圖4-6 綠色框線位置)，再將晶圓切割成約 2cm * 3cm 大 小之試片，如圖4-7所示。且為避免迴銲溫度成為實驗因子之一，於實驗 過程中，儘可能控制迴銲溫度於 250℃。
表4-1 常用之晶圓凸塊焊材熔點
銲錫類型 成份 組成 熔點 Eutectic Sn/Pb 63/37 183℃
Hi-Pb Sn/Pb 5/95 or 10/90 314℃
Sn/Ag 96.5/3.5 221℃
Pb Free
Sn/Ag/Cu 95.5/4/0.5 217℃
圖4-6 Printing 晶圓凸塊製程
圖4-7 實驗所用之試片
本實驗將分別針對真空度對迴銲影響、助焊劑對迴銲影響及以雷射 進行迴銲前處理之可行性進行實驗，並比較其對於凸塊孔洞殘留之影響 程度。
4-3 檢測凸塊孔洞之結果
圖4-8 X-ray 檢測Bump Void系統畫面
分別以X-ray(檢測系統畫面如圖4-8所示)與SEM檢測經進行真空 度、助焊劑及雷射前處理方式實驗之樣本，檢驗結果列舉如下：
1. 實驗開始時，以193 nm/ 16.5KV Pulse頻率為1 Hz進行實驗，結果於 錫球凸塊上方出現火山口(Crater)情形(如圖4-9)所示，此情形在 Soon-Min Hong等人的研究中曾提及[6]，其論述中說明，這是由於 急速冷卻所造成，只要增加雷射電流或脈衝寬度，即可消除此現 象。因此於後續所進行之實驗中提高脈衝寬度至5 Hz，以降低此現 象。
圖4-9 錫球凸塊上方之火山口現象
2. 以不同雷射能量前處理之比較：(760 torr下迴銲)
實驗條件 193 nm/ 16.5KV 2min 193 nm/ 20KV 2min 0-10% 10-20% 20-30% >30% 0-10% 10-20% 20-30% >30%
凸塊孔洞
數量 8 19 2
凸塊表面 檢視
由上結果推論，雷射能量不宜過高，當雷射能量適當時，其前處 理效果極佳，與助焊劑之效果比較毫不遜色，不僅孔洞狀況少且凸塊 球形佳；反之，太高的能量反而使表面溫度過高而加速氧化層之形 成，造成錫球凸塊內氣體無法逸出，且因為氧化層之緣故，造成球表 面無法完全熔融而形成許多凹陷。
3. 不同雷射能量及有無雷射前上合成助焊劑之比較：(760 torr下迴銲)
實驗條件 193 nm/ 16.5KV 2min 193 nm/ 16.5KV 2min + Flux(雷射處理前) 0-10% 10-20% 20-30% >30% 0-10% 10-20% 20-30% >30%
凸塊孔洞
0-10% 10-20% 20-30% >30% 0-10% 10-20% 20-30% >30%
凸塊孔洞
4. 不同雷射能量+雷射 前/後 上助焊劑之比較：(760 torr下迴銲)
實驗條件 193 nm/ 20KV 2min + Flux(雷 射處理前)
193 nm/ 20KV 2min + Flux(雷 射處理後)
0-10% 10-20% 20-30% >30% 0-10% 10-20% 20-30% >30%
凸塊孔洞
數量 11 7 13 4
凸塊表面 檢視
雷射前與雷射後加上助焊劑處理之結果，在外觀上可發現僅可發 現雷射後加上助焊劑處理者有助焊劑殘留痕跡，且迴銲後之孔洞較 多。原因應為雷射前加助焊劑，因使用較高之雷射能量，使得助焊劑 得以被處理，得到較佳的結果；而高能量雷射之速冷硬化現象，使得 迴銲前再上助焊劑處理，亦無法得到應有之處理效果，由圖可看出其 不僅球外觀不佳，且凸塊孔洞殘留狀況嚴重。
5. 有/無 雷射前處理之比較：(760 torr下無助焊劑迴銲)
實驗條件 193 nm/ 16.5KV 2min 無雷射前處理
0-10% 10-20% 20-30% >30% 0-10% 10-20% 20-30% >30%
凸塊孔洞
數量 8 12 6
凸塊表面 檢視
此結果可看出雷射前處理可將氧化層去除，使錫球凸塊內殘留的 氣體及有機分子得以逸出，因此不僅可得到較佳之球形，孔洞數量亦 明顯較少；而無任何前處理之錫球凸塊，因氧化層因不易熔融，使得 迴銲時無法在整顆球熔融時利用表面張力恢復球形，且錫球凸塊內殘 留的氣體及有機分子無法逸出，不僅殘留孔洞多且球形較差，由此可 見雷射前處理之效果。
6. 不同真空度下無雷射及助焊劑前處理之比較：
實驗條件 760 torr 1 torr
0-10% 10-20% 20-30% >30% 0-10% 10-20% 20-30% >30%
凸塊孔洞
0-10% 10-20% 20-30% >30%
凸塊孔洞
中。而0.1 torr 真空度下，由於錫球內部氣體壓力與外界存在壓差，
使得內部氣體得以順利逸出，因此孔洞殘留狀況明顯較少，但外觀因 氧化層仍在及殘留氣體逸出後之空間壓縮，而使得其球形呈現許多凹 陷。
7. 不同真空度下 有/無 助焊劑處理之比較：(使用松脂型助焊劑) 實驗條件 760 torr 760 torr + Flux
0-10% 10-20% 20-30% >30% 0-10% 10-20% 20-30% >30%
凸塊孔洞
數量 12 6 5
凸塊表面 檢視
實驗條件 1 torr 1 torr + Flux
0-10% 10-20% 20-30% >30% 0-10% 10-20% 20-30% >30%
凸塊孔洞
數量 5 1 5 13 1 7 10 3
凸塊表面 檢視
實驗條件 0.1 torr 0.1 torr + Flux
0-10% 10-20% 20-30% >30% 0-10% 10-20% 20-30% >30%
凸塊孔洞
數量 8 10 3
凸塊表面 檢視
助焊劑在一般大氣壓下，可發揮極佳之氧化層處理效果，使錫球 凸塊內殘留的氣體及有機分子得以被帶出，殘留孔洞明顯較少，且錫 球凸塊外觀，因助焊劑之張力提昇功能，而呈現較佳球形。但在真空 條件下，助焊劑之處理能力明顯受到抑制，孔洞殘留反而增多。
8. 直接以248nm 400mJ準分子雷射進行Reflow之情形
由此結果可發現以雷射直接進行迴銲時，雷射功率愈高，其錫球 凸塊高度會愈低[14]，且會造成銲錫噴濺之情形。
4-4 實驗結果歸納
由凸塊檢測結果中，依不同實驗條件彙整數據如表4-2所示。
表4-2 凸塊檢測結果彙整
由表4-2結果及以SEM檢視錫球凸塊外觀之結果歸納如下：
1. 真空度之影響：
在1 torr 真空度下之迴銲，不論是否有使用助焊劑，其結果均為最
差，甚至出現 >30% 之超規格孔洞，推測原因應是採用洩壓閥調整真 空度，為維持 1 torr 真空度，使得大量冷空氣進入腔體中，且由錫球 表面通過，造成錫球表面因急速冷卻硬化，無法熔融，使得內部氣體 無法排出而形成孔洞。
真空狀態下之迴銲，不宜使用助焊劑；一般氣壓下，使用助焊劑之 效果佳。
2. 正常氣壓下使用不同助焊劑之比較：
在760 torr (正常氣壓)下，使用天然助焊劑效果較合成助焊劑為佳，
推測原因應該為沸點差異。天然助焊劑沸點為207℃；而合成助焊劑沸 點為100℃。因此，在250℃迴銲溫度下，天然助焊劑較能產生效果，
有效去除表面氧化層，使內部氣泡逸出。
3. 雷射功率之影響：
使用雷射前處理時，可發現雷射功率16.5KV反而較20KV為佳，推 測可能是雷射功率愈高反而使錫球凸塊表面溫度變高，加速氧化層形 成(如圖4-10所示)，且造成晶片表面的Si 濺鍍至錫球凸塊表面(如圖 4-11所示)，使得錫球凸塊表層在Reflow時無法熔融，造成錫球凸塊內 氣體無法逸出，而形成孔洞。
(a) 193nm 16.5KV 1min (b) 193nm 20KV 1min 圖4-10 使用不同功率準分子雷射處理後之凸塊表面與
EDX 分析氧化程度結果
圖4-11 使用 193nm 20KV 準分子雷射 1min 處理後以 EDX分析之結果
4. 雷射與助焊劑處理效果之比較： 0-10% 10-20% 20-30% >30% 0-10% 10-20% 20-30% >30%
凸塊孔洞 0-10% 10-20% 20-30% >30%
凸塊孔洞
數量 11
凸塊表面 檢視
5. 雷射加助焊劑處理之結果：
雷射與助焊劑若合併使用，不僅不會有雙重功效，反而會消耗雷射 能量在去除助焊劑上，降低了雷射處理效果。
(a) 雷射處理前未塗上助焊劑 (b) 雷射處理前塗上助焊劑
圖4-12 雷射處理前有否塗上助焊劑之 EDX 分析比較