1-1 電子構裝之功能和層次
電子構裝主要的功能有四，分別是電能傳送（Power Distribution）、訊號 傳送（Signal Distribution）、熱的散失（Heat Dissipation）與保護支持（Protection and Support）。
電子構裝又可依與積體電路的遠近，分成幾種不同的層次如圖 1-1 所示：
第一層次的構裝（First Level Packaging），又稱為晶元層次的構裝（Chip Level Packaging），為積體電路晶片與構裝結構組合形成模組（Electronic Module）
的製程，其第一層次的構裝包涵了晶片黏著（Die Attach）、連線（Interconnect）
與密封（Sealing）等製程。第二層次的構裝（Second Level Packaging），則是 指將經第一層次構裝與其它的電子元件組合於電路板上，形成電路卡或電路 板；在第二層次構裝中，最常見的考量是印刷電路板的製作及模組元件與電 路板的組裝技術，如插件式技術（Pin Through Hole, PTH）與表面黏著技術
（Surface Mount Technology, SMT）。第三層次構裝（Third Level Packaging）
與第四層次構裝（Fourth Level Packaging），是指將電路板與電路卡組合，形 成次系統與系統的製程。
電子構裝第一層次的構裝（Chip Level Packaging）中，晶片與基板間的電 路導通方式主要可分為：打線接合（Wire Bonding, WB）、捲帶式自動接合（Tape Automatic Bonding, TAB）與覆晶接合（Flip Chip Bonding, FC）如圖 1-2 所示，
分別簡述如下：
捲帶式自動接合技術首先於 1960 年代由 通用電子（General Electric, GE）提 出。捲帶式自動接合製程，即是將晶片與在高分子捲帶上的金屬電路相連接。 Collapse Chip Connect, C4）技術而成。其技術乃於晶粒之銲墊上生成銲錫凸 塊（Solder Bump），並於基板上生成與晶粒銲錫凸塊相對應之接點，接著將翻 轉之晶粒對準基板上之接點將所有銲點接合，其流程如圖 1-3 所示，其優點具 有最佳構裝效益（Packing Efficiency）、最短連線長度、最佳電氣特性、最高
輸出/入接點密度且能縮小 IC 尺寸，增加可靠度，已被看好為未來極具潛力之
(1)黏著層（Adhesion Layer）：所採用之金屬膜為和銲墊金屬高密貼的材料，
常用的黏著層材料為鉭（Ta）、鉻（Cr）、和鈦（Ti）系列金屬
(2)擴散阻障層（Barrier Layer）：其功能是用來阻擋銲墊金屬與銲錫合金之間 的相互擴散，因為銲錫合金中的錫與一般所用的銅（Cu）或鋁（Al）金屬 易形成脆性的介金屬化合物（Intermetallic Compound, IMC），而導致銲錫 凸塊之破壞，降低機械強度。目前較常用的擴散阻障層的材料包括鎳（Ni）、
銅（Cu）、鉬（Mo）、鉑（Pt）、鎢（W）等金屬，或是鈦鎢（TiW）合 金等合金層、氮化鈦和碳化鈦等化合物。
(3)潤濕層或抗氧化層（Welting / Protective Layer）：其目的是在於防止擴散阻
1-3 銲錫和金屬層反應之性質
Ni3Sn4 之結晶型態有針狀(Needle-type)和厚實狀(Chunky-type)兩種型態如圖 1-8 所示，和迴銲（Reflow）時間長短有關。5
鉛銲料和 TiW/Cu 金屬層反應，形成單層的介金屬化合物 Cu3Sn，因為錫的含 飽和濃度增加，使介金屬化合物也跟著快速成長。SnAgCu 銲錫和 Al/Ni(V)/Cu 經 20 次迴銲會產生剝離（Spalling）現象，不同於 SnPb 銲錫和 Al/Ni(V)/Cu 反應，如圖 1-11 所示，9且在 SnAgCu 銲料和 Cu/Ni/Au 金屬層反應，經過高
命的評估模式，從加速因子及其結果，估算出產品壽命週期，同時由測試結 及部位上。測試方法包括高溫儲存試驗（High Temperature Storage Test）、溫 度循環試驗（Temperature Cycling）、熱衝擊試驗（Thermal Shock）及恆溫恆 溼試驗（Temperature / Humidity Test），簡述如下：
（1）高溫儲存試驗：
（2）溫度循環試驗：
1-5 研究動機
有關銲錫和金屬層 Ni、Cu、Ni(P)、Ni(V)和 Cr/Cu 之介面冶金反應已有相 當之文獻報導，10-15在高溫儲存測試，其測試方式為在未加電壓狀態下進行
合物之性質屬硬而碎，因此當破裂在界面時，會發生脆性破裂，文獻上指出，
可能發生界面脆性破裂之可能有下列數種，
(1) SnPb銲錫和Cu/Ni/Au反應，經過高溫儲存試驗和溫度循環試驗在界面之 Ni3Sn4上形成一層(Au,Ni)Sn4，形成兩層結構之介金屬化合物，會產生金 脆，如圖1-15所示，6而在無鉛銲料和Cu/Ni/Au反應並不會在界面之Ni3Sn4
上形成一層(Au,Ni)Sn4產生金脆，如圖1-12所示，此現象之差異是由於共晶 銲錫和無鉛銲料和鎳層之表面能不同所造成。5
(2) 銲 錫 和 Ni(P)/Cu 反 應 ， 如 迴 銲 溫 度 較 高 ， 造 成 Ni(P) 從 非 晶 質 轉 變 成晶質的Ni3P，形成裂縫（Crack），造成破裂面為Ni3P之脆性破裂，如圖
1-16所示，且當P含量愈高，其造成之影響愈大。20
(3)SnPb銲錫和Cu反應，經高溫儲存試驗，在介面形成Cu3Sn介金屬化合物，
時效後在Cu3Sn形成Kirkendall Void，造成界面接合強度下降，其破裂發生 在Cu和Cu3Sn之界面，如圖1-17所示。21
(4)無鉛銲料之Ag含量愈高，在界面形成長針狀結構之Ag3Sn，產生應力集
內部，具有Orowan的散佈強化(Dispersion Strengthening)。23
錫鉛銲錫和無鉛銲料在高溫儲存測試時，剪力強度會下降24-31，在排除界 面脆性破裂時，其造成原因為銲錫內之晶粒粗化或介金屬化合物產生粗化現 象，其驅動力為析出顆粒之表面積下降，可由於Lifshitz-Slezov-Wagner（LSW）
理論說明，證明在粗化過程，由於析出顆粒之距離增加，造成剪力下降。32-35
表 1-1 反應常見的介金屬化合物 Impurity elements IMCs
Al -- systems Liquidus temp.
℃
Solidus temp.
℃
Sn-Pb-Ag 189 177 36%Pb；2%Ag Sn-Ag-Cu 225 225 4％Ag；0.5％Cu
Sn-Pb 183 183 37%Pb
表 1-3、AES 之可靠度測試項目
MTBF ＝＞Mean Time between Failure
平均故障間隔時間MTTF ＝＞Mean Time to Failure
平均故障時間表 1-4、純錫和合金銲錫之剪力強度
alloy Shear strength at
1mm/min(MPa)
Stress to rupture In 1000hr (MPa)
Fatigue strength In1000cycles (MPa)
temperature temperature temperature
Room
圖 1-1、電子封裝技術中的四個層次
圖 1-2、晶片封裝中三種不同的電導通方式(a)打線接合、(b)捲帶式自動接合、
(c)覆晶接合
(a)
(b)
(c)
圖 1-3、C4 製程之流程圖
圖 1-4、銲錫凸塊之基本結構
圖 1-5、SnPb 銲錫和 Cr/Cu/Au 金屬層反應，200℃迴銲 10 分鐘，造成 Cu6Sn5
剝離現象
圖 1-6、SnPb 銲錫和 Al/Ni(V)/Cu 金屬層反應，200℃迴銲 10 分鐘，不會造成 Cu6Sn5剝離現象
圖 1-7、SnPb 銲錫和 Cu/Ni/Au 金屬層反應，經高溫儲存 160℃、500 小時，形 成 Ni3Sn4和(Au,Ni)Sn4兩層結構之介金屬化合物
圖 1-8、共晶錫鉛和無電鍍鎳迴銲反應時間改變與無電鍍鎳介面產生再結晶反 應(a)塊狀與針狀 Ni3Sn4的橫截面 SEM 圖、(b)層狀 Ni3P 的橫截面 SEM 圖
圖 1-9、高鉛銲錫和共晶銲錫之複合銲錫結構
圖 1-10、97Pb/3Sn 和 TiW/Cu 迴銲後在界面形成 Cu3Sn 之介金屬化合物
圖 1-11、SnAgCu 銲料和 Al/Ni(V)/Cu 金屬層經不同迴銲次數之 SEM 圖(a) 一次迴銲(b)五次迴銲(c)十次迴銲(d)二十次迴銲
圖 1-12、、SnAgCu 銲錫和 Ni/Au 金屬層迴銲之 SEM 圖(a)界面經高溫儲存 150
℃時效 200 小時之 SEM 圖、(b)銲錫內部經高溫儲存 150℃、2000 小時之 SEM
圖 1-13、SnAgCu 銲錫在 260℃經兩次迴銲和 Cu 反應，界面形成長針狀之 Ag3Sn
圖 1-14、(a)為共晶錫鉛凸塊在厚膜為銅的基材上經過 200℃迴焊 2 次的 SEM 圖、(b)額外再於 170℃下固態時效 500 小時，在時效前 Cu6Sn5為貝殼狀，時 效後變成層狀會形成 Cu6Sn5和 Cu3Sn 兩層結構、(c)為圖(a)之放大圖、(d)為圖 (b)之放大圖
圖 1-15、SnPb 銲錫和 Cu/Ni/Au 反應經高溫儲存 160℃時效 500 小時，3-D 破 裂面之形態，脆性破裂發生在(Au,Ni)Sn4/Ni3Sn4之介面
圖 1-16、SnPbAg 銲錫和 Ni(17 at％P)經潤溼反應 240℃120 分鐘 (a)在界面之 Ni3P，形成一裂縫(crack)、(b)破裂面為 Ni3P 之脆性破裂面
圖 1-17、SnPb 銲錫經高溫儲存，界面反應及破裂面(a)150℃時效 3 天，在界 面之 Cu3Sn 形成 Kirkendall Void、(b)125℃時效 40 天，其破裂面有 Kirkendall Void 的存在