4-1 試片結構與成分確認
在高溫儲存與迴銲測試開始之前，我們先將未經過測試的試片磨 開，發現銲錫有兩種形狀，一種是銲錫兩邊凹陷的形狀，一種是我們 原先設計的方形結構。我們一開始還沒辦法很準確的控制微凸塊的高 度，因此在高度上很容易會有誤差，所以才會有凹陷與方型兩種形狀 出現。而試片除了會有這兩種形狀差別以外，鍍的銲錫厚度也有所不 同，所以我們必須要估計試片的體積。利用 image J 量測這兩批試片接 合後剩餘銲錫厚度，由圖4-1-1、圖 4-1-2 得知，迴銲測試的兩批試片 厚度分別為4.0μm 與 6.2μm。而高溫儲存測試使用的試片與迴銲測試 銲錫厚度4.0μm 的試片是同一批試片，所以銲錫量是一樣的，只是迴 銲測試的試片因為一開始無法準確控制銲錫高度，造成同樣一批試 片，在高度上有所差異。所以我們確定迴銲測試與高溫儲存測試的試 片結構，得到的結構示意圖如圖4-1-3、圖 4-1-4、圖 4-1-5 所示。
最後我們必須要確定銲錫的成分，利用銲錫厚度6.2μm 的成球試 片，平面磨開後作EPMA 的定量分析，其磨開的照片如圖 4-1-6 所示，
而銲錫的成分分析結果如表4-1-1 所示，得到銲錫成球後成分應該為 Sn2.4Ag。若將試片接合後的 Ni3Sn4厚度扣掉成球後的Ni3Sn4厚度，得
到接合後Ni3Sn4增加量 6.38×10-10 g，推算接合後銲錫成分將會由 Sn2.4Ag 變為 Sn2.5Ag，讓我們確定試片在接合完成後成分符合我們所 要的Sn2.5Ag。由以上結果得知在迴銲測試中使用到的銲錫厚度為 4.0μm 與 6.2μm，高溫儲存測試的銲錫厚度則為 4.0μm，而銲錫成分皆 為Sn2.5Ag。
4-2 迴銲測試之 IMC 觀察與量測
在迴銲實驗中，我們使用錫2.5 銀銲錫厚度為 4.0 與 6.2μm 的試片 進行260℃迴銲測試。首先我們先觀察銲錫厚度 4.0μm 的試片，迴銲時 間分別為0、1、5、10、30 分鐘，磨開後的橫截面 SEI 照片如圖 4-2-1~
圖4-2-5。由圖 4-2-1 我們可以觀察到試片在迴銲測試之前基板端的針 狀結構非常明顯，相較於基板端的不同，晶片端的IMC 針狀結構較不 顯著，這樣的針狀結構在文獻中尚未發現過，在這個部份我們還需要 再深入研究才能給予解釋。另外，我們也可以觀察到基板端的 IMC 厚 度明顯大於晶片端的IMC 厚度。在迴銲時間 1、5、10 分鐘後，發現 晶片端與基板端IMC 形貌還是偏向於針狀結構，如圖 4-2-2、圖 4-2-3、
圖4-2-4 所示，而上下 IMC 厚度皆隨著迴銲時間增加而增加，而基板 端的 IMC 厚度還是比晶片端的厚度來的厚。在迴銲三十分鐘的 SEI 照 片，圖4-2-5 中我們發現幾乎所有銲錫都反應成 IMC，然而上下的 Ni
層卻依然保持完整。利用 EDS 對 IMC 進行成份分析，如圖 4-2-6 為迴
然略大於晶片端IMC 的厚度。隨著迴銲時間增加，上下 IMC 形貌仍然
邊界長度與晶片端Ni 層與 Ni3Sn4的邊界後，我們就可以得到不同迴銲 2.97、3.46、3.87、4.35、5.51μm，若將總 Ni3Sn4厚度對迴銲時間作圖 可以得到圖4-2-36。由圖 4-2-35、圖 4-2-36 可以看到 Ni3Sn4的厚度都
中的(ht-h0)，其迴銲 1、5、10 分鐘晶片端的增加量分別為 0.27、0.55、 在這個時候Ni3Sn4的成長行為是一拋物線動力學(parabolic kinetics)，
Ni 與 Sn 的反應主要是由體擴散(volume diffusion)為主要擴散[27]。
我們求n 值來推測 Ni3Sn4的成長動力學，將不同迴銲時間量測到的兩 端Ni3Sn4厚度扣掉迴銲前兩端的 Ni3Sn4厚度後，迴銲1、5、10 分鐘得 到晶片端的Ni3Sn4增加量 0.12、0.4、0.61μm 對迴銲時間各取作圖，如 圖4-2-41 所示，得到直線斜率為 0.74；而基板端 Ni3Sn4增加量0.1、0.39、
0.57μm 對迴銲時間各取對數作圖，如圖 4-2- 42 所示，得到的直線斜率 為0.77。而迴銲 1、5、10、20、40、90 分鐘的 Ni3Sn4總厚度增加量分 別為0.22、0.79、1.18、1.93、2.93、3.88μm，再將 Ni3Sn4總厚度的增 加量取對數對迴銲時間取對數作圖，發現圖4-2-43 中的直線斜率為 0.65，其值不同於銲錫厚度 3.53μm 的試片量測到的 0.49。
4-3 高溫儲存測試之 IMC 觀察與量測
在高溫儲存測試中我們的測試條件為150℃下熱時效 0、40、200、
1000 小時，觀察試片磨開橫截面的影像，如圖 4-3-1~圖 4-3-4。從圖 4-3-1 中可以看到晶片端與基板端的 IMC 形貌皆為針狀結構。到了熱時 效40 小時上下 IMC 的形貌變得較為圓滑，且明顯增厚，如圖 4-3-2 所 示，直到熱時效200 小時晶片端與基板端的 IMC 形貌變得較為平整，
如圖4-3-3 所示。最後到了 1000 小時，兩端 IMC 幾乎是平整的，且增 厚許多，如圖4-3-4 所示。利用 EDS 對 IMC 作成分分析，在還沒有進 行高溫儲存測試之前我們得知銲錫中的IMC 成分分析中 Cu 的濃度低
於5 at %所以一樣把 IMC 視為 Ni3Sn4，如圖4-3-5 所示。在熱時效 40
1.16、1.63μm；而基板端 Ni3Sn4厚度分別為1.71、2.02、2.28、3.12μm，
將不同熱時效時間對晶片端與基板端Ni3Sn4厚度各別作圖，得到圖 4-3-13，發現兩端的 Ni3Sn4都是隨著熱時效時間增加呈拋物線成長。而 熱時效0、40、200、1000 小時的 Ni3Sn4總厚度為2.62、3.07、3.44、
4.75μm，一樣將量測到的 Ni3Sn4總厚度對不同熱時效時間作圖，得到
高溫儲存測試前的IMC平均厚度、k是成長速率常數、t是迴銲或熱時效 根號作圖，得到圖4-4-5、圖4-4-6、圖4-4-7。晶片端與基板端的Ni3Sn4 成長速率常數分別為4.0×10-10 cm2/min、3.61×10-10 cm2/min，兩端的IMC
得到晶片端與基板端IMC成長速率常數分別為8.82×10-14 cm2/min、
3.23×10-13 cm2/min，明顯看出兩端的成長速率差非常多，其原因還必須 要 再 深 入 研 究 。 而 銲 錫 中Ni3Sn4總 厚 度 的 成 長 速 率 常 數 則 為 7.48×10-13 cm2/min。而在150℃高溫儲存測試下得到的Ni3Sn4成長速率 常數與Z. Chen等人在JEM,2004[29]和C. P. Huang等人在JMR,2005[30]發 表的結果相近。從上面的結果得知260℃迴銲測試下Ni3Sn4的成長速率
5、10、30 分鐘 Ni 總消耗厚度分別為 0.78、0.91、1.02、1.15、1.45μm，
將迴銲時間對Ni 總消耗厚度作圖，如圖 4-4-12 所示，進一步的將 Ni 消耗厚度變化對迴銲時間的開根號作圖得到圖4-4-13，得知 Ni 的消耗 速率常數為1.44×10-10 cm2/min；銲錫厚度 6.2μm 的試片在迴銲 0、1、5、
10、20、40、90 分鐘 Ni 總消耗厚度分別為 0.50、0.56、0.71、0.82、
1.01、1.27、1.52μm，將 Ni 消耗厚度對迴和時間作圖得到圖 4-4-14，
同樣的將Ni 消耗厚度變化對迴銲時間的開根號作圖，如圖 4-4-15 所 示，得到Ni 的消耗速率常數為 1.21×10-10 cm2/min；最後在高溫儲存測 試0、40、200、1000 小時的 Ni 消耗厚度分別為 0.69、0.81、0.91、1.25μm，
並且對熱時效時間作圖，如圖4-4-16 所示，進一步的將 Ni 的消耗厚度 改變對熱時效時間開根號作圖，如圖4-4-17 所示，可以得到 Ni 的消耗 速率常數為5.4×10-14 cm2/min，得到的 Ni 消耗速率常數與 C. P. Huang 等人在JMR, 2005[30]發表的結果相近，表示在高溫儲存情況下銲錫微凸 塊與一般傳統覆晶封裝接點的Ni 消耗速率是相似的。而迴銲測試的 Ni3Sn4成長速率與Ni 消耗速率大於高溫儲存測試四個 order 左右。
4-5 迴銲測試之片狀 Ag3Sn 的發現與出現機率
如4-2 中所提到，在銲錫厚度 4.0μm 的試片中我們發現不論是在 未迴銲測試之試片還是迴銲測試之後的試片皆有片狀(plate-like)Ag3Sn 出現的機會。我們觀察不同迴銲時間，片狀Ag3Sn 在銲錫中出現的機 率，而我們在此觀察中定義片狀Ag3Sn 為任一方向大於 2μm 的 Ag3Sn，
其不同迴銲時間出現之機率如下：
有片狀Ag3Sn 的銲錫數／觀察銲錫總數×100 %＝片狀 Ag3Sn 出現機率 迴銲0 分鐘：5/74＝6.8 %
迴銲1 分鐘：5/68＝7.4 %
迴銲5 分鐘：6/77＝7.8 % 以得到迴銲1、5、10、30 分鐘對應的銲錫成分分別為 Sn2.8Ag、
Sn3.2Ag、Sn3.8Ag、Sn6.5Ag，如圖 4-5-2 所示，可以看出在迴銲 10 錫厚度為 6.2μm、銲錫成分為 Sn2.5Ag。首先我們先計算出銲錫的質量 為1.91×10-8 g，而在 Sn2.5Ag 中 Ag 有 4.76×10-10 g，然後算出消耗掉
若將量測到的Ni3Sn4厚度反推計算，我們可以得到迴銲 1、5、10、20、
40、90 分鐘對應的銲錫成分分別為 Sn2.6Ag、Sn2.7Ag、Sn2.8Ag、
Sn3.0Ag、Sn3.3Ag、Sn3.7Ag，如圖 4-5-3 所示，確實在迴銲 90 分鐘之 後，銲錫中Ag 濃度超過 3.5 wt %，也開始有機會觀察到片狀的 Ag3Sn 生成。
而在高溫儲存測試中，我們只在熱時效 1000 小時的條件下發現片 狀的Ag3Sn，觀察 55 顆銲錫微凸塊發現 19 顆微凸塊有出現片狀的 Ag3Sn，其片狀 Ag3Sn 的出現機率為 34.5 %。一樣是使用 4-1 章節中得 到的銲錫厚度4.0μm、銲錫成分為 Sn2.5Ag 的條件下去計算，得到銲錫 的質量為8.16×10-9 g，而在 Sn2.5Ag 中 Ag 有 2.04×10-10 g，然後算出消 耗掉2.33×10-9 g 的 Sn 會使銲錫從 Sn2.5Ag 變為 Sn3.5Ag，最後利用消 耗掉的Sn 去計算生成 1.45μm 的 Ni3Sn4會使Sn2.5Ag 變為 Sn3.5Ag。
將在4-3 章節中得到的熱時效 0、40、200、1000 小時的 Ni3Sn4總厚度 增加量0.45、0.82、2.13μm 反推計算銲錫對應之成分分別為 Sn2.7Ag、
Sn3.0Ag、Sn4.3Ag，將得到的銲錫成分對不同熱時效時間作圖，如圖 4-5-4 所示，在熱時效 1000 小時銲錫中 Ag 的濃度高達 4.3 wt %，所以 在熱時效1000 小時開始會有很大的機會看到片狀的 Ag3Sn 是符合這項 結果的。
4-6 片狀 Ag3Sn 在錫 2.5 銀微凸塊中形成的臨界體積
從4-5 的章節中我們發現，同樣是在 260℃迴銲 10 分鐘條件下，
在銲錫厚度4.0μm 的試片中已經可以大幅的看到片狀的 Ag3Sn 出現，
但是在銲錫厚度6.2μm 的試片中則沒有發現片狀 Ag3Sn，因此我們嘗 試計算出當銲錫微凸塊為Sn2.5Ag、直徑 18μm，在 260℃迴銲下迴銲 10 分鐘，出現片狀 Ag3Sn 的臨界厚度。我們利用公式(iv)
Vs=As×Hs、As 為銲錫圓盤面積 9×9×π、Hs 為銲錫厚度；Vi=Ai×Hi、
Ai 為 Ni3Sn4的底部圓面積9×9×π、Hi 為 Ni3Sn4的厚度，即為(kt)0.5、k
而我們將上述的參數代入，並以公式(v)作圖，得到圖 4-6-1，可以看到 在260℃迴銲 10 分鐘 Sn2.5Ag 直徑 18μm 的情況下，厚度 4.0μm 的銲 錫已低於臨界厚度4.38μm，表示銲錫成分已經超過 Sn3.5Ag，因此可 以有很大的機率可以觀察到片狀Ag3Sn 而厚度 6.2μm 的銲錫高於臨界
的試片，隨著迴銲時間增加銲錫中Ag 濃度上升較緩慢，到了迴銲 21 分鐘銲錫中Ag 的濃度才超過 3.5 wt %。而觀察圖 4-6-4 中的曲線，可 以得知在高溫儲存測試下厚度4.0μm 的銲錫，Ag 的濃度也是隨著熱時 效時間增加而提升，在420 小時後銲錫中 Ag 濃度已達到 3.5 wt %。
圖4-1-1 銲錫厚度 4.0μm，迴銲測試前 SEI 橫截面影像
圖4-1-2 銲錫厚度 6.2μm，迴銲測試前 SEI 橫截面影像
圖 4-1-3 銲錫厚度 4.0μm，進行 260℃迴銲測試試片示意圖
圖4-1-4 銲錫厚度 6.2μm，進行 260℃迴銲測試試片示意圖
圖 4-1-6 基板端接合前銲錫微凸塊的平面 BEI 影像
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表4-1-1 未接合銲錫 EPMA 定量分析 No. Sn Ag Cu Ni
表4-1-1 未接合銲錫 EPMA 定量分析 No. Sn Ag Cu Ni