第二章 文獻回顧
2.1 三維整合封裝技術(3D IC Packaging Technology)
三維封裝技術在很早之前就被提出來，因為相較於傳統的二維封裝技術，三 維封裝有著許多有著許多突破性的優勢，Ladani [3]針對三維封裝整理出了以下 的好處：1.在相同體積下有更高密度的接點數。2.可以整合異質元件於單一封裝 上。3.利用垂直連結取代二維冗長的連結以提升效能。4.系統整合帶來並行處理 的效果。5.低功率消耗。6.降低成本。而現今在半導體製造端，利用三維整合概 念所採取的技術為系統單晶片(System on Chip, SOC)，所謂的系統單晶片，概念 上是將電子系統高度整合在一個晶片上，是故一個晶片就等於一個系統，這樣的 做法，展現了將許多異質電路整合成一個晶片，並可以達到效能提升的作用。另 外，在半導體封裝端，是採取系統級封裝(System in Package, SIP)的方式，利用 引腳連結各層元件，來整合不同類型的元件以及電路晶片於一個封裝體中，此種
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圖 2.1.1 系統單晶片(SoC)、系統級封裝(SiP)、直通矽穿孔(TSV)三種技術的 示意圖[7]。
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2.2 銲錫的體積效應
由於直通矽穿孔技術已經是三維封裝發展的趨勢，此技術可以大幅減短連結 的距離並提供極小的連結點。連結點的減縮從錫球陣列封裝(Ball Grid Array, BGA)錫球直徑 250μm 間距 500μm，到微凸塊銲錫錫球直徑 30μm 間距 60μm，
接點的流變示意圖如圖 2.2.1 所示。因為銲錫的體積變小了，在接點處的微結構 及反應就變得十分重要，Choi 等人[8]在直徑 889μm 的銅球上，分冸鍍上 5μm、
10μm、40μm 厚的錫並在 250℃下做反應，經過 10 分鐘的反應，發現錫 10μm 厚 所生成介金屬化合物(Inter Metallic Compounds, IMCs)的厚度是錫 40μm 厚的 3 倍，因為體積較小的錫可以在較短的時間達到銅濃度的飽和，導致介金屬化合物 有較快的生長速度。Huebner 等人[9]也提到體積小銲錫內部的銅含量易到達飽和，
因此會加速介金屬化合物的形成，而針對銲錫的體積縮減，認為會產生兩點重要 的現象：1.在銲錫與基板間介金屬化合物的成長變得很重要。2.相對於銲錫的體 積，介金屬化合物的體積變得更為顯著。而 Islam 等人[10]使用 Sn3.5Ag0.5Cu 銲 錫針對不同銲錫體積與銅墊層做了研究，發現銲錫內介金屬化合物的帄均厚度，
在銲錫體積較小的比在銲錫體積較大的來得厚，所以認為銲錫與銅電層的接觸表 面積對銲錫體積的比越大，其介金屬化合物的形成速率越快。然而，Salam 等人 [11]在研究不同體積的 Sn-Ag-Cu 銲錫與銅在 120℃下的熱時效(Thermo Aging)反 應，發現到增加銲錫的體積，對於介金屬化合物生長的速率並無顯著的影響。
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圖 2.2.1 接點幾何結構的演變圖[9]。
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2.3 錫鉛銲錫與以錫為基底的無鉛銲錫
錫鉛銲錫很早就被採用當作接點的材料，因為在銲錫內部添加鉛有許多的好 處，Tu[12]在 Solder Joint Technology 一書中提到，在一般共晶錫鉛與銅墊層的反 應中，銲錫內部的鉛，並不會參與錫與銅的反應，此外，添加鉛到銲錫內部可以 from Electrical and Electronic Equipment, WEEE)發布了在 2008 年一月後，禁止所 有電子產品含鉛的指令，而日本雖然沒有相關的法令禁止，但是各大公司早在 同的晶體結構，一個為β 錫，為體心正方晶體(Body-centered Tetragonal, BCT)，
在室溫下是穩定相，另一個為α 錫，為鑽石立方晶體(Diamond Cubic)，在 13℃以下為熱力學穩定相，所以在低溫下，錫會因為相轉換而產生錫瘟(Tin Pest)，由金屬變成灰色的粉末。由於 β 錫是一個非等向性的結構，錫的熱膨
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脹也是非等向性，當受到熱應力時，會導致晶界產生裂縫，這個現象在多晶 的錫中也很明顯。此外，純錫很容易有錫晶鬚的生長，錫晶鬚雖然不會對錫 的銲接及覆蓋產生影響，但卻會造成電路的短路。
2. 錫鋅(Sn-Zn)系統：共晶錫鋅的成分為 Sn-9w.t%Zn，其熔點為 198℃，相對於 其他無鉛銲錫，為最接近共晶錫鉛的熔點，不過在共晶錫鉛銲錫中，鉛不與 銅反應，但是在共晶錫鋅銲錫裡，錫與鋅都會與銅反應，產生介金屬化合物。
3. 錫銅(Sn-Cu)系統：共晶錫銅的成分為 Sn-0.7w.t%Cu，其熔點為 227℃，雖然 還有銅的成分，不過此合金的錫含量非常高，因此很容易生成錫晶鬚或是發 生α 錫的相轉換。
4. 錫鉍(Sn-Bi)系統：共晶錫鉍的成分為 42Sn-58Bi，其熔點為 139℃，有研究 發現在徐冷的時候在共晶錫鉍接點會有裂縫，由於徐冷會產生較大的晶粒， 樹枝球狀(Dendritic Globules)錫的形成，讓 Ag3Sn 均勻的散布在銲錫中。
6. 錫銦(Sn-In)系統：由於熔點較低，錫銦銲錫被用來做為表面接著技術(Surface Mount Technology, SMT)的應用，共晶錫銀的成分為 Sn-49.1In，其熔點為 117℃，而在表面接著技術的應用上，最常用的成分為 Sn-48In。
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然而，Tu[12]在 Solder Joint Technology 一書中提到，由於錫是體心正方的晶體結 構，所以它的機械及電性是非等向性，此外，原子在錫的 c 軸有較快的擴散速度，
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圖 2.4.1 經過深度蝕刻後的片狀 Ag3Sn 形貌[15]。
圖 2.4.2 片狀 Ag3Sn 生成在高應力處導致接點產生裂縫[15]。
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