度差。但在垂直線AV 的位置就可以發現有大約3.8 °C的溫度差存在。因此，造1 成的垂直溫度梯大約是543 °C/cm。我們定義溫度梯度是圖中虛線的兩端溫度 差，除以虛線的長度；虛線長度大約是70 μm。當外加電流增加時，我們可以觀 察到銲錫接點內部的熱點溫度有變明顯的現象。圖十九是銲錫接點在通以0.4安 培時的溫度分布圖。我們可以發現在晶片端電流進入銲錫接點處有很明顯的熱點 存在。此電流下的熱點溫度是124.6 °C，而平均溫度大約是115.0 °C。圖十九(b)(c) 是沿著圖(a)的水平線AH 和垂直線2 AV 的溫度分布曲線圖。我們可以觀察到當2
圖十八 : 共晶錫銀銲錫接點在通以 0.2 安培的電流下溫度分布和溫度曲線圖(b) 水平分布於銲錫接點內(AH1) (c)垂直分布於銲錫接點內(AV1)。
圖十九 : 共晶錫銀銲錫接點在通以 0.4 安培的電流下溫度分布和溫度曲線圖 (b) 水平分布於銲錫接點內(AH2) (c)垂直分布於銲錫接點內(AV2)。
圖二十 : 共晶錫銀銲錫接點在通以 0.6 安培的電流下溫度分布和溫度曲線圖(b) 水平分布於銲錫接點內(AH3) (c)垂直分布於銲錫接點內(AV3)。
另外，我們可以發現在銲錫接點內部有另一個熱點，它發生在較低的電流密 度區，但此熱點的溫度卻比熱點A的溫度還高；此熱點是位於熱點A的右邊且接 近高分子填充物的區域，此區域我們在此稱做熱點B，如圖二十一所示。我們從
3-D電性模擬結果可以發現，如圖二十二所示。靠近電流集中區域，電流密度是 2.46 × 104 A/cm2是銲錫接點內最大的電流密度；而我們發現熱點B區域的電流密 度是2.17 × 104 A/cm2。
但我們可以觀察到熱點B的溫度高達167.8 °C，比熱點A最大電流密度區的溫
度還高。在銲錫接點內部發現第二個熱點有兩個原因；由於鋁導線是主要的發熱 源，此區域非常接近鋁導線，因此，會產生較高的溫度。另外，因為高分子填充 物在封裝中是一種很難散熱的材料，因此在高分子填充物的區域有較高的溫度大 約是179.2 °C；由於熱點B非常接近此兩個區域，所以我們可以在銲錫接點內觀
察到第二個熱點。
圖二十一 : 銲錫接點內熱點 B 示意圖。
圖二十二 : 模擬銲錫接點內通以 0.6 安培的電性分布圖。
4-1-2 UBM 厚度對銲錫接點內的溫度分布影響
圖二十三 : 5 μm-CuUBM 共晶錫銀銲錫接點在通以 0.2 安培的電流下溫度分布和 溫度曲線圖(b) 水平分布於銲錫接點內(BH4) (c)垂直分布於銲錫接點內(BV4)。
圖 二十四 : 5 μm-CuUBM 共晶錫銀銲錫接點在通以 0.4 安培的電流下溫度分布 和溫度曲線圖(b) 水平分布於銲錫接點內(BH5) (c)垂直分布於銲錫接點內(BV5)。
圖二十五 : 5 μm-CuUBM 共晶錫銀銲錫接點在通以 0.6 安培的電流下溫度分布和 溫度曲線圖(b) 水平分布於銲錫接點內(BH6) (c)垂直分布於銲錫接點內(BV6)。
圖二十六是隨著電流上升時，兩種不同UBM銲錫接點內部平均溫度和熱點 分別比較厚的UBM銲錫接點溫度高27 °C和29 °C。因此，結果顯示UBM的厚度
越厚，所受到焦耳熱效應的影響也越小。另外我們也可以觀察到，隨著電流密度 的增加，銲錫接點內部的熱點溫度和平均溫度差也隨之增加，也是因為焦耳熱效 應的影響。因此，銲錫接點在通電的情況下，焦耳熱效應所扮演的角色是非常重 要的。
圖二十六 : 5 μm-Cu 和 5 μm-Cu/3 μm-Ni 兩種不同 UBM 銲錫接點內部平均溫度 (a)和熱點溫度(b)的變化趨勢圖。
因為銲錫接點內部有熱點的存在，造成整個接點內部有溫度差，因此，在銲
圖二十七 : 兩種不同 UBM 銲錫接點內在不同電流驅使下，電流與溫度梯度的 關係曲線。
4-1-3 電遷移下銲錫接點內不同階段破壞對焦耳熱效應的影響
的時間分別為100.0, 544.2, 1094.8, 1351.8 和 1431.0小時。由實驗結果可以發 現，當通電時間加長，較大的孔洞也隨之形成；並且孔洞會由左邊電子流進入銲洞所延伸的長度也增加到80.0 μm。實驗結果可以發現不只孔洞有橫向延伸的現 象產生，而且銲錫有往內消耗的情形。此時的電阻增加率到達原來電阻的5倍。
當通電時間增加到1351.8和1431.0小時，銲錫接點內的微結構變化可以在圖二十 八(e)和(f)觀察到。我們發現孔洞已經沒有橫向延伸的現象，反而，是往銲錫接 點靠近晶片端裡面和下方延伸。此時的迴路並沒有斷路，只是電阻上升的幅度很 大。
圖二十八 : 100 °C 通 0.5 A 電流（a）未通電前（b）100.0 小時（c）544.2 小 時（d）1094.8 小時（e）1351.8 小時（f）1431.0 小時
為了要觀察銲錫接點在電遷移過程中，接點內受到焦耳熱效應下溫度的分布
圖二十九 : 通電 0 小時下，銲錫接點內溫度分布圖
圖三十 : 通電 100.0 小時下，銲錫接點內溫度分布圖
圖三十一 : 通電 1094.2 小時下，銲錫接點內溫度分布圖
圖三十二 : 通電 1351.8 小時下，銲錫接點內溫度分布圖
圖三十三 : 通電 1431.0 小時下，銲錫接點內溫度分布圖
另外，我們有興趣的是銲錫接點內的熱點會不會因為孔洞的生成與延伸而有
(h)-(i) 所示。因為孔洞的延伸減少了銲錫與UBM的接觸面積，因此電阻也增加 了，伴隨著焦耳熱效應也更嚴重了。所以熱點溫度也因此上升。此時孔洞延伸到 接觸區域最右邊的位置，整個銲錫接點與鋁導線接觸面積只剩1-2 μm；而電流仍
經由此區流向銲錫接點內。因此，我們取此區域的溫度分布，可以觀察到此點的 溫度大約是118.4 °C。所以，在孔洞未生成前，熱點發生在接近電流集中區；電
流流入銲錫接點處。而當孔洞生成時，電流會跨過孔洞再流經銲錫接點內。因此，
我們就觀察到銲錫接點內的熱點有偏移的現象。
圖三十四 : 通電 0 小時下，銲錫接點內三個不同位置垂直溫度分布圖
圖三十五 : 電阻上升 1.2 倍時，銲錫接點內靠近空孔和遠離空孔垂直溫度分布圖
圖三十六 : 電阻上升 2.0 倍時，銲錫接點內靠近空孔垂直溫度分布圖
4-2 覆晶封裝共晶錫鉛銲錫接點在交流電驅使下的熱遷移效應
4-2-1 銲錫接點內溫度梯度之研究
真實的銲錫接點在通以高電流密度下，可以產生高於2000 °C/cm的溫度梯 度。通電之前的銲錫接點內部溫度分布如圖三十七(a)所示。除了銲錫接點左右 兩端的邊緣外，銲錫接點內的溫度分布相當均勻。因為紅外線熱像儀在擷取影像 的時間太長，造成試片的晃動，因此兩端的溫度可能不太準確。
如圖三十七(b)所示，當銲錫接點通以 0.55 安培的電流時，銲錫接點內的溫度 是不均勻上升。因為施以電流，造成銲錫接點內的平均溫度增加約 55.6 °C。因 為在晶片端的鋁導線是主要的焦耳熱效應的來源，所以在接近晶片端的銲錫是比 基板端的銲錫還熱。因此，就在銲錫接點產生了溫度梯度。所以我們定義溫度梯 度是銲錫接點接近晶片端的平均溫度和基板端的平均溫度差除以銲錫接點的高 度。圖三十七(c)是沿著圖三十七(b)虛線的溫度分布，接近晶片端銲錫的平均溫 度高於基板端銲錫的平均溫度約 16 °C。此時可以得到 2143 °C/cm 的溫度梯度。
圖三十七 : (a)銲錫接點在通電前的溫度分布(b)銲錫接點在通以 0.55 安培電流後 的溫度分布(c)沿著(b)虛線的溫度分布曲線
4-2-2 電流密度與溫度梯度的關係
如圖三十八所示，銲錫接點在不同的電流情況下所得到的溫度梯度。當電流 密度增加時，我們發現所量測到銲錫接點內的溫度梯度也跟隨著增加。
當通以0.55安培的電流時，可以產生2143 °C/cm的溫度梯度；我們也將利用 在銲錫接點內有如此大的溫度梯度，來做熱遷移的破壞試驗，測試看在如此大的 溫度梯度下，銲錫接點會產生什麼樣的結果。我們若只是通已0.14安培電流，只 會在銲錫接點內產生大約571 °C/cm的溫度梯度。如果要得到文獻中所推估的產 生熱遷移效應所需的1000 °C/cm的溫度梯度，電流密度大概需要5.3 × 103 A/cm2。
圖三十八 : 銲錫接點內電流與溫度梯度的關係圖
4-2-3 熱遷移效應之研究
圖三十九 : 通電前後銲錫接點的背向散射掃描式電子顯微鏡影像
4-2-4 熱遷移通量和熱傳送值的計算
g/mole)，A是銲錫接點的截面積，t是通電時間。量測到的平均移動距離約3.2 μm。
因此，我們可以計算出熱遷移通量約3.3 × 1013 atoms/cm2。
我們可以得到熱傳送值為26.8 kJ/mole。和Chuang等人的數值36作比較，我們的研 究所得的熱傳送值似乎比較大。他們測試的條件是用錫鉛共晶合金，在80-110 °C 條件下做實驗。他們所得到的熱傳送值為22.16 kJ/mole。
MAt N X JTM = (AΔ )
ρ
圖四十 : 通電前後，含有標記點的銲錫接點掃描式電子顯微鏡影像
4-3 無鉛銲錫接點在交流電的驅使下的熱遷移行為
接下來我們要來探討無鉛銲錫的熱遷移行為，我們同樣是利用交流電來分開 電對銲錫接點的電遷移行為。我們亦將共晶錫銀銲錫接點(SnAg3.5)磨開到中間 的位置，然後利用紅外線熱像儀來量測接點通電前的溫度分布，了解整個銲錫接 點內在通電過程中的溫度梯度。圖四十一(a)為在100 °C加熱板下，未通以電流的 銲錫接點溫度分布圖；在未通電的環境下，銲錫接點內部溫度是非常均勻。當銲 錫接點施以0.57安培的交流電時，銲錫接點內因受到焦耳熱效應的影響，造成整 個銲錫接點內和環境的溫度有上升的趨勢，如圖四十一(b)所示。整個銲錫接點 內的平均溫度因為通以電流的關係，平均溫度增加37.8 °C。而周圍環境高分子填 充物的溫度也因此增加了61.5 °C。由圖四十一(c)可以觀察到，銲錫接點內在晶 片端(A點)到基板端(B點)之間產生大約20 °C的溫度差。銲錫接點內的溫度梯度我 們之前已經定義過了，在此電流密度下的溫度梯度是2829 °C/cm。根據文獻此溫 度梯度足夠在銲錫接點內部產生熱遷移效應。因此，我們使用此電流跟溫度梯度 來做共晶錫銀銲錫接點內的熱遷移研究。
圖四十一 : (a)共晶錫銀銲錫接點在通電前溫度分布圖 (b)通以 0.57 安培交流電 之溫度分布圖 (c)沿著圖(b)虛線之溫度分布圖
為了量測銲錫接點在如此大的溫度梯度下，接點內錫原子因為熱遷移所造成
Lu 報導說，銅和鎳原子在錫內的擴散速率是沿著錫原子c軸的擴散速率比在 C為濃度，DA=Do exp(-Q/kT)是自主擴散的擴散係數，k和N分別是波茲曼常 數和亞弗加厥常數，dT/dx是溫度梯度，T是銲錫接點內的溫度，而Q*是錫的熱 我們把共晶錫銀的密度(7.42 g/cm3)，分子量(118.33 g/mole)，時間800小時以 及標記點的平均移動距離3.8 μm。帶入上式，我們就可以得到錫原子在此條件下 的熱遷移通量大約是5.0 × 1012 atoms/cm2。有了熱遷移通量我們在用文獻上所發