4-1試片結構確認與成分分析
在試片進行迴銲測試前，對四種不同結構的試片，分別觀察俯視和側視 的形貌，確認製作出來的結構與預期一致。圖4-1-1 為四種不同試片剛電鍍 完僅在260 oC 迴銲 1 分鐘確保鍍覆效果的側視圖，圖 4-1-2 為俯視圖。
在完成實驗組的前處理後，也同樣觀察俯視和側視的形貌。圖4-1-3 為 銲錫厚度僅有2 μm 的兩種試片，經過 10 分鐘迴銲和熱處理 24 小時全部形 成Cu3Sn 的側視圖與俯視圖。圖 4-1-4 為實驗組試片完成前處理後再鍍上 18 μm 厚銲錫的俯視圖與側視圖。
觀察介金屬化合物與銲錫的界面，可發現事先給予2 μm 銲錫的試片迴 銲10 分鐘即可有效的減少通道的數量，形成扁平圓盤狀的 Cu6Sn5；甚至在 有凸塊結構的試片邊緣，因為該處銲錫較薄而先消耗完，Cu6Sn5開始凝聚 形成連續的層狀結構，僅剩凸塊中央還保有少許的通道，如圖4-1-3(a)、(b) 所示。其在接上18 μm 厚銲錫迴銲後，再次觀察介金屬化合物與銲錫界面，
如圖4-1-4(a)~(d)所示，可看到 Cu6Sn5仍呈現扁平狀而非扇貝狀，有異於沒 有任何前處理的試片，如圖4-1-1(b)。
當2 μm 銲錫的試片熱處理 24 小時後，銲錫全數轉為層狀連續的 Cu3Sn，
如圖4-1-3(e)、(f)所示，已經沒有觀察到任何通道的存在。其在之後接上 18
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μm 厚銲錫迴銲，再次觀察介金屬化合物與銲錫界面，可以看到密合良好的 Cu3Sn 界面，推測其抑止銅原子進入銲錫內反應的效果將更好，如圖 4-1-4(e)、
(f)所示。
所有的試片皆以EDS 分析出各相的成分。
圖4
圖4
圖4
圖4
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4-2不同迴銲時間下介金屬化合物的成長
為了解前一節所述不同結構的試片在迴銲測試下的冶金反應，將試片放 入260 oC 烘箱中進行 0、5、10、15 和 20 分鐘的迴銲。圖 4-2-1 是 20 μm SnAg2.3 銲錫在20 μm 銅凸塊上的試片各迴銲時間下的側視圖，做為對照組該試片 並未做任何的前置處理，扇貝狀的介金屬化合物Cu6Sn5在銲錫與銅界面生 成，並隨迴銲時間成長。
首先取同樣有銅凸塊結構的試片做比較，圖4-2-2 是 2 μm SnAg2.3 銲錫 在5 μm 銅凸塊上的試片先進行迴銲 10 分鐘減少通道的處理，再接上 18 μm 厚銲錫，各迴銲時間下的側視圖。在前10 分鐘的迴銲測試中，錫銅界面處 扁平圓盤狀的Cu6Sn5仍可保持在相對密合的狀態，迴銲 10 分鐘後其厚度的 增長比對照組明顯的少了1 μm，Cu6Sn5成長較慢，可從FIB 影像中清楚觀 察到Cu6Sn5的確維持在圓盤狀態，異於對照組中的扇貝狀，如圖 4-2-3 所 示。然而在迴銲15 分鐘後，扁平圓盤狀的 Cu6Sn5受到界面能的影響趨向回 復到液態時較低能量、相對穩定的扇貝狀，成長開始加速，自此無抑止介 金屬化合物成長的效果。將所有介金屬化合物的厚度整理成表4-1，並且用 介金屬化合物之厚度變化對時間做圖，如圖4-2-4 所示，經過前置熱處理的 試片，其介金屬化合物的成長確實在迴銲初期有抑止的效果。
接著比較Cu6Sn5與 Cu3Sn 對介金屬化合物成長抑止的效果。
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圖4-2-5 是 20 μm 純錫在 10 μm 銅膜上的試片各迴銲時間下的側視圖，
做為對照組該試片並未做任何的前置熱處理，扇貝狀的介金屬化合物
Cu6Sn5在銲錫與銅界面生成，並隨迴銲時間成長，成長模式與圖4-2-1 一樣。
圖4-2-6 是 2 μm 純錫在 10 μm 銅膜上的試片先進行迴銲 10 分鐘減少通 道的處理，再接上18 μm 厚銲錫，各迴銲時間下的側視圖。事先的迴銲處 理同樣可在銲錫界面處形成扁平圓盤狀的Cu6Sn5，並在之後的迴銲測試中 保持在相對密合的狀態，讓Cu6Sn5成長較慢。
圖4-2-7 是 2 μm 純錫在 10 μm 銅膜上的試片先進行熱處理 24 小時形成 層狀Cu3Sn 的處理，再接上 18 μm 厚銲錫，各迴銲時間下的側視圖。層狀 Cu3Sn 比 Cu6Sn5有更好的密合效果，在前5 分鐘迴銲測試中，錫銅界面的 Cu6Sn5幾乎完全不生長，維持和初始狀態一樣的層狀 Cu3Sn。然而在迴銲測 試10 分鐘以後，開始局部出現體積異常巨大的扇貝狀 Cu6Sn5，但位於Cu3Sn 下方的銅墊層並沒有明顯的消耗，推測局部形成Cu6Sn5的原因是因為在液 態下Cu6Sn5較 Cu3Sn 穩定，Cu3Sn 逐步分解重新形成 Cu6Sn5。利用表 4-1 的厚度資料，將三種銅膜結構的試片，用介金屬化合物之厚度變化對時間 做圖，得圖4-2-8，可發現層狀 Cu3Sn 抑止介金屬化合物的成長，有著兩倍 於扁平圓盤狀Cu6Sn5的效果。
圖4 SEM
4-2-1 20 M 側視圖
0 μm SnAg
：(a) 0 分鐘
g2.3 銲錫 鐘，(b) 5 分
35
錫在20 μm 分鐘，(c)
m 銅凸塊上 10 分鐘，
上的試片，
(d) 15 分
，各迴銲時 分鐘及(e) 2
時間下的 20 分鐘。
圖4
圖4
圖44-2-5 20 圖：(a) 0
0 μm 純錫 0 分鐘，(b
錫在20 μm b) 5 分鐘
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m 銅膜上的
，(c) 10 分
的試片，各 分鐘，(d)
各迴銲時 15 分鐘及
時間下的S 及(e) 20 分
EM 側視 分鐘。
圖4
圖4
圖44-2-8 銅銅膜結構試試片，介金
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金屬化合物物之厚度變變化對時間間變化之之關係圖。
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表4-1 所有試片介金屬化合物的平均厚度整理。
具銅凸塊結構
總迴銲時間(分鐘) 2 μm 前置熱處理 10 分鐘試片(μm) 無前置熱處理試片(μm) 4 2.16 ± 0.06 2.93 ± 0.10
9 2.62 ± 0.08 2.95 ± 0.12 14 3.37 ± 0.14 3.11 ± 0.09 19 4.22 ± 0.05 3.58 ± 0.07 24 5.08 ± 0.12 5.03 ± 0.12
具銅膜結構
總迴銲時間(分鐘) 2 μm 前置熱處理 10 分鐘試片(μm) 2 μm 前置熱處理 24 小時試片(μm)
4 2.08 ± 0.10 4.10 ± 0.26 9 2.13 ± 0.10 4.13 ± 0.26 14 2.62 ± 0.15 4.49 ± 0.25 19 3.74 ± 0.13 4.67 ± 0.33 24 4.07 ± 0.17 5.12 ± 0.51
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4-3不同迴銲時間下介金屬化合物的晶界長度
本研究中利用俯視圖來觀察各類試片之介金屬化合物Cu6Sn5在迴銲測 試下的表面形貌，並且計算Cu6Sn5晶粒間的晶界長度。
圖4-3-1 為 20 μm SnAg2.3 銲錫在 20 μm 銅凸塊上的試片，各迴銲時間 下的俯視圖。Cu6Sn5隨迴銲時間熟化成長，並呈現扇貝狀。另外，Cu6Sn5 彼此間的晶界也隨著熟化的過程逐漸減少。
圖4-3-2 為 2 μm SnAg2.3 銲錫在 5 μm 銅凸塊上的試片，先進行迴銲 10 分鐘減少通道的處理，再接上18 μm 厚銲錫，各迴銲時間下的俯視圖。Cu6Sn5 不同於圖4-3-1 中的扇貝狀，而是扁平的圓盤狀。Cu6Sn5之間的晶界從迴銲 測試開始時就遠低於未做任何前置處理的試片，這是因為在前置熱處理時 Cu6Sn5已經先熟化，大晶粒吃小晶粒而大幅減少晶界數量。
我們將銲錫凸塊上所有的Cu6Sn5晶界之週長，如圖 4-3-3 所示，全數統 計出來，加總後除以二再扣掉凸塊圓周長就是Cu6Sn5通道的總長度，整理 成表4-2。再以總長度對迴銲測試時間做出關係圖，如圖 4-3-4 所示。由此 關係圖可知，經過前置熱處理的試片其通道一直維持在相對低的數量，直 到迴銲時間拉長到10 分鐘以後，未前置熱處理的試片其 Cu6Sn5通道長度才 逐漸接近有前置熱處理的試片。
因為Cu6Sn5成長所需的 Cu 原子主要的擴散途徑為 Cu6Sn5之間的通道
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[7]，減少其通道數意味著可成功抑止介金屬化合物的成長。
圖4 SEM
4-3-1 20 M 俯視圖
0 μm SnAg
：(a) 0 分鐘
g2.3 銲錫 鐘，(b) 5 分
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錫在20 μm 分鐘，(c)
m 銅凸塊上 10 分鐘，
上的試片，
(d) 15 分
，各迴銲時 分鐘及(e) 2
時間下的 20 分鐘。
圖4
圖4
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表4-2 Cu6Sn5通道的總長度整理。
迴銲測試時間(分鐘) 無前置熱處理試片(μm) 2 μm 前置熱處理試片(μm)
0 4400.21 1841.08
5 3370.10 1873.69
10 2166.08 1402.25
15 1835.06 1277.41
20 1659.74 1176.52
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4-4不同擴散阻擋層的介金屬化合物成長速率常數
本節中將4-2 中得到的所有介金屬化合物厚度，根據 3-4 中所述的方法 求得成長速率常數。
首先比較有無前置熱處理，形成擴散阻擋層的速率常數變化。
圖4-4-1 為對照組試片，20 μm SnAg2.3 銲錫在 20 μm 銅凸塊上，經迴 銲測試0~10 分鐘，將其介金屬化合物厚度變化取自然對數，再對時間的對 數值做圖，並求得斜率等於0.34，即為成長時間指數 n 值。考慮到實驗組 中，在迴銲測試10 分鐘後已經無抑止效果，因此只採取前 10 分鐘的迴銲 測試結果做圖。Tu 等人曾提出，介金屬化合物成長的機制在初期為熟化 (Ripening)控制，成長時間指數 n 值為 0.33[45]，本研究中的數值也相當接 近。圖4-4-2 為實驗組試片，2 μm SnAg2.3 銲錫在 5 μm 銅凸塊上，經迴銲 測試0~10 分鐘，將其介金屬化合物厚度變化取自然對數，再對時間的對數 值做圖，同樣也可得到 n 值為 0.04。接著將得到的 n 值代回 3-4 的式子(3)，
可求得反應速率常數 k。
實驗組與對照組的成長速率 k，計算後分別為 3.12 10 與 5.40 10 。由此可看出，以Cu6Sn5做為擴散阻擋層的試片，介 金屬化合物在迴銲測試中的成長速率確實比沒有阻擋層的對照組試片慢上 許多。
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接著比較Cu6Sn5 與 Cu3Sn 做為擴散阻擋層的效果。
圖4-4-3 為 2 μm 純錫在 10 μm 銅膜上的試片，先進行前置熱處理形成 Cu6Sn5做為擴散阻擋層，再接上 18 μm 厚銲錫，經迴銲測試 0~10 分鐘，將 其介金屬化合物厚度變化取自然對數，再對時間的對數值做圖，並求得成 長時間指數 n 值等於 0.19。圖 4-4-4 為 2 μm 純錫在 10 μm 銅膜上的試片，
先進行前置熱處理形成Cu3Sn 做為擴散阻擋層，再接上 18 μm 厚銲錫，經 迴銲測試0~10 分鐘，將其介金屬化合物厚度變化取自然對數，再對時間的 對數值做圖，同樣也可得到 n 值為 0.06。
Cu6Sn5做為擴散阻擋層與Cu3Sn 做為擴散阻擋層的成長速率 k，計算後 分別為 9.48 10 與 4.38 10 。由此可看出，以 Cu3Sn 做為擴散阻擋層的試片，介金屬化合物在迴銲測試中的成長速率確實 比Cu6Sn5做為阻擋層的對照組試片慢上許多。另外，由於純錫與銅的反應 速率比錫銀銲錫與銅反應速率來的快，因此在凸塊結構的試片得到的n 值
與k 值皆與薄膜結構的試片不同。
圖4
圖4
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