由實驗試片中的加熱通電後之銲錫凸塊b3剖面影像觀察，圖3-1為主要的電阻 變化為初始電阻二倍之原因為電遷移破壞發生。除Cu/Ni UBM消耗溶解､IMC成長､
錫鉛相重新分佈並發生相分離外，更可觀察到孔洞的生成､成長。
利用凱文結構的電性觀測方式，於加熱通電後，觀察電阻變化為初始電阻二 倍之抵抗電遷移破壞時間與熱時效預處理時間之關係。如圖3-2，我們發現，在經 過熱時效處理後之實驗試片，其抵抗電遷移破壞時間，都比未做熱時效處理之實 驗試片來的長。而且熱時效處理時間愈久的試片，其抵抗電遷移破壞時間就愈長。
3-1 熱時效後之試片觀察
對於熱時效處理時間愈久的試片，其抵抗電遷移破壞時間就愈長之現象。由 銲錫凸塊剖面的SEM影像圖觀察發現:
(1) 圖3-3，經170℃，三個pre-aging時間處理後，IMC厚度比較為-
100hrs (2.8um)> 50hrs (2.4um)> 20hrs (1.3um) > no pre-aging(0.8um)…如表3-1
(2) 圖3-4，經170℃，三個pre-aging時間處理後，錫鉛銲錫球之鉛相晶粒大小比較 為:
100hrs(~10um) > 50hrs(~7.5um) > 20hrs(~6um) > no pre-aging(~4.3um)
(3) 表3-2與表3-3為不同熱時效條件之EPMA元素組成分析。圖3-5與圖3-6為各種熱 時效條件之EPMA元素組成分析取樣點示意，其取樣點為經由Cu-5um/Ni-3um UBM到錫鉛銲錫球，每間隔1um取一點EPMA元素組成分析，每一試片共取十六 點。可以觀察到，經170℃及三個不同pre-aging時間處理後，錫鉛銲錫球之UBM層，
由Cu-5um/Ni-3um UBM到錫鉛銲錫球之EPMA元素組成分析發現，原UBM之純Ni 層，也因熱時效處理後變薄。其UBM之純Ni層厚度比較為:
No pre-aging condition (約EPMA的4點的純Ni層，亦即4um的純Ni層)
> All pre-aging condition(約EPMA的2~3點的純Ni層，亦即2~3um的純Ni層)
3-2 加熱通電阻值增加二倍之試片觀察
於150℃，1.0安培的通電條件下，電阻變化為初始電阻二倍之原因為電遷移破 壞發生。由銲錫凸塊剖面的SEM影像圖觀察發現:
(1) 圖3-7，於150℃，1.0安培的通電條件下，錫鉛銲錫球之電阻上升乃因UMB與IMC 被消耗後之孔洞生成。
(2) 圖3-7，於150℃，1.0安培的通電條件下，由於Electromigration之效應造成原錫 鉛銲錫球中之錫與鉛產生相分離。
(3) 圖3-7，於150℃，1.0安培的通電條件下，由於熱時效處理造成IMC層變厚的現 象，於加熱通電後之電遷移破壞，其UBM與IMC層被破壞橫向距離比較為:
100hrs > 50hrs > 20hrs > no pre-aging
3-3 熱時效與抵抗電遷移之討論
由經熱時效處理後之銲錫凸塊剖面觀察，愈長時間之熱時效處理，其IMC厚度 是愈厚。也因此結果而造成抵抗電遷移能力增加。而IMC厚度經熱時效處理後而變 厚的原因為Ni與銲錫球的Sn反應，而型成更厚的Ni3Sn4 IMC層。此較厚的IMC層，
讓銲錫球的位置離開高電流密度區，亦即離開熱點遠一點。並且，因其高阻值之 特性，而減緩電流集中效應，增加抵抗電遷移能力。
另由Cu-5um/Ni-3um UBM到錫鉛銲錫球之EPMA元素組成分析發現，原UBM 之純Ni層，也因熱時效處理後變薄。這表示原UBM中的Ni消耗並和錫鉛銲錫球中 的Sn反應生成更厚的Ni3Sn4 IMC層。此也證明經熱時效處理後，IMC厚度變厚的 原因是，原UBM層中的Ni經熱時效處理後，部分Ni消耗與錫鉛銲錫球中的Sn反應 生成更厚的Ni3Sn4 IMC層。而此此較厚的IMC層，因其高電阻率之特性，而減緩電 流集中效應，增加抵抗電遷移能力。
再由不同熱時效之試片，於加熱通電後，電阻變化為初始電阻二倍之原因為 電遷移破壞發生。其SEM剖面圖之破壞模式觀察，經過較長時間熱時效處理之試 片與未做熱時效之試片比較，UBM與IMC層被破壞的橫向距離，有做過熱時效處 理之試片，其被破壞的距離是較寬的。這可解釋為，因此較厚的IMC層，因其高電 阻率之特性，讓電流於更廣的IMC層分散，而減緩電流集中效應，以增加抵抗電遷 移能力。
170℃ Pre-aging time Chip side IMC thickness 0hr 0.8μm
20hr 1.3μm 50hr 2.4μm 100hr 2.8μm 表 3-1 經不同熱時效處理後之 IMC 厚度
圖3-1 為主要的電阻變化為初始電阻二倍之原因為電遷移破壞發生影像圖。
圖3-2 熱時效處理時間愈久的試片，其抵抗電遷移破壞時間就愈長之關係圖。
Pre-aging 20hrs and R
ratio=2 after current stressing 221hrs
Sn
Ni3Sn4
Pb
Cu
Failure time vs pre-aging time
0
Pre-aging time (hrs)
Failure time (hrs)
圖3-3 經170℃，三個pre-aging時間處理後，IMC厚度比較 (a) No pre-aging，IMC厚度=0.8um
(b) Pre-aging 20hrs，IMC厚度=1.3um (c) Pre-aging 50hrs，IMC厚度=2.4um (d) Pre-aging 100hrs，IMC厚度=2.8um
No pre-aging Pre-aging 20hrs
Pre-aging 50hrs Pre-aging 100hrs 0.8 µm
2.8 µm 2.4 µm
1.3 µm
(a) (b)
(c) (d)
圖3-4 經170℃，三個pre-aging時間處理後，錫鉛銲錫球之鉛相晶粒大小比較 (a) No pre-aging，鉛相晶粒大小~4.3um
(b) Pre-aging 20hrs，鉛相晶粒大小~6um (c) Pre-aging 50hrs，鉛相晶粒大小~7.5um (d) Pre-aging 100hrs，鉛相晶粒大小~10um
No pre-aging Pre-aging 20hrs
Pre-aging 50hrs Pre-aging 100hrs
(a) (b)
(c) (d)
EPMA result (Atomic ratio):
(a) no pre-aging (b) pre-aging 20hrs
No. Sn Ni Pb Cu No. Sn Ni Pb Cu 1 0.7585 6.5548 0.6545 92.0322 1 0.2202 1.7767 0.4108 97.5923 2 0.0758 0.5686 0.1411 99.2144 2 0 0.4099 0.0554 99.5346 3 0.0256 0.3832 0.0291 99.5621 3 0.0328 0.6078 0.0315 99.3279 4 0.0425 0.4983 0.0498 99.4094 4 0.021 0.6614 0.0618 99.2558 5 0.0077 0.66 0.0159 99.3165 5 0.0286 0.8842 0.0143 99.0729 6 0.0372 0.723 0.0289 99.2108 6 0.0459 1.1975 0.0464 98.7102 7 0.0615 0.9159 0 99.0226 7 0.0917 2.0211 0.0122 97.875 8 0.0496 1.1073 0.0496 98.7935 8 0.0663 75.6127 0.0074 24.3136 9 0.0039 1.4825 0.0022 98.5114 9 0.0823 98.9147 0.0456 0.9575 10 0.0816 3.3047 0.0086 96.605 10 0.1278 99.4738 0.0104 0.388 11 0.06 84.6918 0 15.2482 11 9.2612 90.0376 0.065 0.6363 12 0.0616 98.892 0.0033 1.0432 12 61.7952 34.9681 0.6704 2.5663 13 0.0742 99.2188 0.0271 0.6799 13 94.7624 3.4224 0.3443 1.4708 14 0.1141 99.474 0.0119 0.3999 14 96.2058 2.3034 0.3534 1.1374 15 9.3701 90.1418 0.0684 0.4197 15 97.2153 1.4662 0.3209 0.9975 16 59.2018 28.8448 9.4027 2.5506 16 97.1349 1.2229 0.6608 0.9814
表 3-2 不同熱時效條件之 EPMA 元素組成分析
(a) No pre-aging，約 4um 之純 Ni 層 (b) Pre-aging 20hrs，約 3um 之純 Ni 層
SEM picture:
t
圖3-5 經170℃，二個pre-aging時間處理後，UBM層之EPMA分析圖 (a) No pre-aging，約4um之純Ni層
(b) Pre-aging 20hrs，約3um之純Ni層 (a) No pre-aging
(b) Pre-aging 20hrs
EPMA sampling point from Cu/Ni UBM to SnPb solder (every 1um to get 1pt and total 16pts)
1
1
16
EPMA sampling point from Cu/Ni UBM to SnPb solder (every 1um to get 1pt and total 16pts)
16 1
EPMA result (Atomic ratio):
#14(pre-aging 50hrs) #19(pre-aging 100hrs)
No. Sn Ni Pb Cu No. Sn Ni Pb Cu 1 0.2652 2.2179 0.1298 97.3871 1 0.714 2.5619 0.3006 96.4234 2 0.0508 0.4235 0.0023 99.5234 2 0.0204 0.5003 0.0017 99.4776 3 0.0142 0.592 0 99.3938 3 0.0653 0.5174 0.0756 99.3417 4 0.097 0.6632 0.024 99.2158 4 0.0611 0.7536 0.0518 99.1335 5 0.0249 1.0012 0.0379 98.936 5 0.023 0.8411 0 99.136 6 0.0785 1.4203 0.0111 98.4901 6 0.0664 1.1373 0.0261 98.7701 7 0.0795 9.2615 0.0516 90.6074 7 0.089 2.1559 0.0304 97.7248 8 0.1535 98.031 0.0158 1.7996 8 0.0957 75.1822 0.0255 24.6966 9 0.1663 99.0704 0.0196 0.7437 9 0.1585 98.7533 0 1.0882 10 5.771 93.7855 0.0239 0.4195 10 0.2169 99.2153 0 0.5677 11 53.2059 44.1716 0.0841 2.5383 11 28.7685 70.0838 0.0331 1.1146 12 74.3104 21.7836 2.0923 1.8137 12 53.1006 44.2569 0.4847 2.1578 13 85.9416 11.4702 1.2488 1.3394 13 73.0692 22.6088 2.6253 1.6968 14 93.1687 1.5675 4.2978 0.9659 14 23.5147 5.339 69.2856 1.8608 15 64.0688 1.3698 33.3985 1.1629 15 48.9946 2.038 47.2975 1.6699 16 12.8611 1.6586 84.0479 1.4324 16 88.2185 1.1155 9.6635 1.0025
表 3-3 不同熱時效條件之 EPMA 元素組成分析
(a) Pre-aging 50hrs，約 3um 之純 Ni 層(b) Pre-aging 100hrs，約 2um 之純 Ni 層
SEM picture:
圖3-6 經170℃，二個pre-aging時間處理後，IMC層之EPMA分析圖 (a) Pre-aging 50hrs，約3um之純Ni層
(b) Pre-aging 100hrs，約2um之純Ni層 (a) Pre-aging 50hrs
(b) Pre-aging 100hrs 1
16
EPMA sampling point from Cu/Ni UBM to SnPb solder (every 1um to get 1pt and total 16pts)
1
16
EPMA sampling point from Cu/Ni UBM to SnPb solder (every 1um to get 1pt and total 16pts)
圖 3-7 電阻變化為初始電阻二倍之電遷移破壞發生時銲錫凸塊剖面的 SEM 影像圖
(a) No pre-aging and Rratio=2 after current stressing 68hrs (b) Pre-aging 20hrs and Rratio=2 after current stressing 221hrs (c) Pre-aging 50hrs and Rratio=2 after current stressing 226hrs (d) Pre-aging 100hrs and Rratio=2 after current stressing 334hrs No pre-aging and Rratio=2
after current stressing 68hrs Pre-aging 20hrs and Rratio=2 after current stressing 221hrs
Pre-aging 50hrs and Rratio=2 after current stressing 226hrs
Pre-aging 100hrs and Rratio=2 after current stressing 334hrs
Sn
第四章､結論
對於覆晶銲錫銲錫凸塊的電性觀測，凱文結構提供更為敏感精確的量測；利 用凱文結構，可針對銲錫凸塊電遷移不同階段的變化現象，可精準的定義觀察。
無通電之銲錫凸塊，受到不同熱時效時間影響，觀察到UBM中Ni 消耗溶解及 IMC的成長的關係。愈長時間之熱時效處理，其IMC厚度是愈厚。
再將經熱時效處理之試片加熱通電，發現其電阻上升為初始電阻二倍之時 間，就是抵抗電遷移能力，會因熱時效時間愈久，高電阻率之IMC層厚度愈厚，以 減緩電流集中效應，而抵抗電遷移能力會愈強。
故為增加銲錫凸塊之抵抗電遷移能力，若於在元件使用前，可以作一步驟之 時效熱處理，來增加元件的抗電遷移 life time。至於，是否更長之熱時效時間(超 過本實驗之最長熱時效時間100hrs) ，是否會持續增加元件的抗電遷移 life time，
則有待之後進行類似實驗或以模擬建立來做進一步的確認。
第五章､參考文獻
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