2-1 電遷移理論
電遷移造成的破壞，第一次被發現是在 20 世紀中，在積體電路 的導線中觀察到，此後便有許多相關研究投入電遷移的領域。
西元1994年Skaupy 提出電子風（Electron Wind）的觀念，來量化 電遷移所造成的質量傳送。對於電遷移相關議題的研究現況，K. N. Tu 於2003年發表於JAP[5]的論文中，有一完整的探討，包括積體電路中 導線以及銲錫內部的電遷移。金屬部份的電遷移，是由Paul S. Ho 與 Thomas Kwok[6]首先提出研究。Seith 與Wever 也以定位點的運動，
來量測質量遷移的位移量。此電遷移觀測的方式，也成為日後的標準 不同的線寬（10, 3, 1μm）下的飄移速率分別為16、49、66 nm／h，
而活化能則是0.73 ± 0.12 eV [7，8]。
在Kuo Ning Chiang, Chien Chen Lee 等人發表在APL（2006）的 著作[9]提出，當無鉛銲錫經過通電後可以發現有在陰極有明顯的孔 洞生成與介金屬化合物聚集。如圖2-1實驗提出影響實際使用的破壞 過程，不僅僅在於銲錫接點，同時也可能發生在鋁或是銅導線處；同 時對於電遷移的活化能計算，以 Black’s Equation：
1nexp(Q )
測的結果算得介面能為150 mJ／m2。當溫度高於 400 °K 其δDi0 會 從Arrhenius 的關係式快速的上升，到接近晶界擴散在多晶鉛與錫鉛 合金的狀況，如圖2-2(b)。
2-2.2 通電造成的相分離
Jong-Kai Lin, Jin-Wook Jang 等人[11]，對無電鍍鎳UBM 的共晶 錫鉛覆晶接點測試中觀察到通電後發生相分離的現象。同時也發現到
發生所謂的電流集中效應。
在Everett C. C.等人的研究中[12]提及導線與銲錫凸塊幾何形狀的 差異造成銲錫凸塊內部的電流集中情形，銲錫內部電流密度分布分析
焦耳熱效應是James Prescott Joule於1841年所發現的[13]，當一個 帶電量q的粒子通過一電位差為V的電場時會受到電場的加速，運動
點的電流大於1 A時，則所產生的焦耳熱效應便不能夠忽略。
在高於絕對零度時，原子會在其晶格平衡位置上不斷的振動。隨 著溫度上升，其震動的振幅也越大，因此電子在通過金屬導體時的阻 礙也越大，而電子所受的阻力將會反應在電阻上，即所謂的 TCR 效 應(Temperature Coefficient of Resistance effect)。
TCR= 1 0
Everett C. C. Yeh,等人[15]研究顯示，Al/Ni(V)/Cu 所構成的薄膜 UBM結構，總厚度為1μm，在125℃下通以2.25 × 104 A/cm2 的電流 密度，在電遷移可靠度測試中，同時記錄電位的變化，發現當孔洞生 成在UBM 與銲錫凸塊的介面處時，電位有些微的變化，當孔洞延著
此介面生長與橫越整個接觸面積時，電位會快速上升，並且發現到， J.Mater. Res. 18（2003）[17]與J. Electron. Mater. 34（2005）[18]的研 究顯示出不同於過去文獻中的破壞機制。研究中發現利用5 μm厚的銅 墊層與銲錫做接合時，在100 ℃、2×104A／cm2的測試條件下，電遷 移會造成銅墊層的快速消耗，最後銲錫延著銅墊層的方向回填，使銅 導線亦反應形成斷路，促使覆晶錫鉛銲錫接點的可靠度大幅下降，圖 2-7 為該研究中觀察銅墊層消耗的情形。
C. Y. Liu, Lin Ke, Y. C. Chuang與S. J. Wang等人在JAP, Vol. 100
50 μm時，電流集中效應發生的位置已由墊層與銲錫的接面，轉到銅 墊層的內部，銅抵抗電遷移的能力比銲錫高兩個維度，因此可以降低 電遷移對銲錫凸塊的破壞。對照實驗可以看到類似的結果，50 μm的 破壞模式為銅墊層的快速溶解，及大量的介金屬化合物生成，此兩種 材料都比銲錫抗電遷移，有較長的平均壽命(MTTF)；而10 與 20 μm 的破壞主要是由電遷移造成。
2-5 熱遷移效應的影響
在H.Y. Hsiao 與 Chih Chen 等人發表在 APL 2009 的研究[23]指 出。藉由銲錫接點在施以交流電的情況下對無鉛錫銀銲錫做即時的觀 察。由於施加的是交流電，因此可以摒除電遷移的作用，單純對熱遷 移的效應進行討論，從實驗的結果可以看到，在晶片端(即熱端)可以 觀察到錫原子聚集所造成的隆起，得到的結論為銲錫接點中錫原子在 熱遷移作用下會往熱端移動。
圖 2-1 上圖為無鉛銲錫內部電流密度分布模擬。下圖為無鉛銲錫經 過 1431 小時通電，電流密度為 1.68 × 104 A/cm2之 SEM 影像，孔洞 生成於電子流由導線進入銲錫處[9]。
(a) (b)
圖 2-2 錫原子及鉛原子在共晶銲錫內在不同溫度下的擴散行為[10]。
圖 2-3 有限元素分析銲錫接點內部電流密度示意圖[12]。
(a)
圖 2-4 (a) 銲錫接點內部橫截面上的溫度分佈情形，可以看到在接 近鋁導線入口處有一熱點存在。(b) 當施加 0.59 安培時，使用 IR 量測到的鋁導線溫度分佈[14]。
圖 2-5(a)-(c) 孔洞生成與成長在125 ℃施加電流密度2.25 × 104 A/cm2 之不同階段SEM影像。(d)：(a)-(c)對應到電位與時間關係圖[15]。
圖 2-6 (a) 鬆餅狀孔洞生成在 IMC 與銲錫介面。(b) 對孔洞生成所建 立的數學模型[16]。
圖 2-7 銅墊層快速反應示意圖[17，18]。
(a)
(b)
(c)
圖2-8 (a) 5 μm 厚銅墊層施加2.25 × 104 A/cm2 的破壞情形。(b) 10 μm 厚銅墊層施加3 × 104A/cm2 於100 ℃，100 小時後其破壞情形。(c) 50 μm 厚銅墊層施加6.75 × 104A/cm2 於100 ℃，100 小時後其破壞情形 [21，22]。