結果與討論

圖 5-9~5-10 皆為銅導線銲線接合分別由電子顯微鏡(SEM)與光學顯微鏡 (OM)拍攝，採用銅導線進行銲線接合中，受到銅球體衝擊擠壓造成銲墊 (Al-Pad)推擠現象發生。將實驗後所得材料機械性質代入數值模擬中結果發現 同樣發生銲墊被推擠現象，圖5-11。

圖5-9.銲墊造成推擠現象(SEM)

圖5-10.銲墊造成推擠現象(OM)[42]

圖5-11.數值模擬後銲墊造成推擠現象

研究中三種銲針移動機制，圖 5-7(I)(II)(III)，在銲線接合完成後呈現等效 應力分布圖(von Mises Stresss)。

銅導線受到 25℃與溫度 125℃和 200℃之退火處理，其材料組織結構變化 造成機械性質的改變，圖 5-14 以銲針機制型態-I，接觸速度固定之下，不同 退火程度的球體(FAB)受到銲針的衝擊擠壓至銲墊上，則造成銲墊被推擠情 形，研究中以圖5-13 取銲墊隆起量最高的元素節點

線材已退火處理的機械性質代入模擬發現，常溫 25℃的銅線直接上打線 機(Wire Bonding)進行銲接接時，銲墊被推擠最高超出 1µm 以上，銲墊本身高 度 1µm，圖 5-14，雖然被推擠的銲墊並無完全被推開，但是應力集中也可能 造成 Passivation 層以下結構受損。經退火後的線材造成推擠現象明顯下降，

被推擠高度約 0.8µm 以下，研究中認為是受到衝擊過程中材料強度係數、應 變硬化指數之間的影響，它們的特性反應在降伏強度與極限拉伸強度之間的 斜率。原來使用的金導線，當受到衝擊之時金無法承受降伏應力，應力持續 一但過了降伏應力則材料快速變形，並且達到極限拉伸強度，因此球體鍵結 於銲墊不會發生推擠現象。現今降低成本銅導線的採用，其受到衝擊之時雖 然降伏強度比金低，但是它的極限拉伸強度高，造成降伏強度與極限拉伸強 度之間斜率高，直接影響到強度係數與應變硬化指數高，因此銅導線受到衝 擊之時應力持續增加，並通過降伏點開始塑性變形之時，應力每持續則降伏 強度的能力也增加，下一個時間點降伏強度能力比上一個時間點降伏強度能 力更高，如此的原因銅導線抵抗塑性便能力高，雖然圖 4-70 銲墊(Al-Pad)的 強度係數與應變硬化指數和銅導線相近，但是降伏強度與極線拉伸強度能力 低，而造成銲墊無法承受並且導致推擠大變形。若這項証明是合理，可將銅 線連銅線與線軸進入烘箱加溫進行退火處理，充加氮氣防止氧化與氫氣進行 還原，必須注意是線軸的材質會與銅線產生擴散，明顯影響性質，因此線軸

材料選擇必需考量。因此在圖 5-14 可看出退火處理 200℃的性質如：降伏強 度、極限拉伸強度、強度係數與應變硬化指等性質下降，有助於降低銲墊的 推擠量。

研究中以退火溫度 200℃的線材持續探討，接觸速度(C/V)的改變圖 5-15，發現(C/V)=1mil/ms 造成銲墊推擠量最少，也就是說衝擊速度越快有助 於降低銲墊的推擠量0.74µm。圖 5-16，將接觸速度固定改變超音波振幅分別 為0.5µm、1.0µm 和 1.5µm，振幅時間固定 0.15ms 固定下壓 5µm 位移，發現 振幅越大銲墊被推擠量越少。

將三種銲針機制的型態進行比較，圖 5-17，發現第二種型態的銲接方式 大幅提升問題的解決，從接觸到鍵結(Bonding)完成一直持續超音波震盪，有 助於降低銲墊推擠量，其產生隆起量0.5µm。圖 5-18 型態-II 的銲針機制，更 改不同持續超音波的時間，並無改善。

銅球鍵結於銲墊之時造成推擠現象是必然的，研究中的目的是降低銲墊 推擠量，銲墊的高度1µm 若不降低推擠量則衝擊過程之時造成銲墊完全磨損 直至鈍化層(Passivation layer)，嚴重至鈍化層以下的結構體產裂紋，因此探討 降低銲墊推擠量。

圖5-12(I).銲針機制型態-I，等效應力圖(von Mises Stress)(MPa)

圖5-12(II) .銲針機制型態-II，等效應力圖(von Mises Stress)(MPa)

圖5-12(III) .銲針機制型態-III，等效應力圖(von Mises Stress)(MPa)

圖5-13.銲墊推擠元素節點-最高隆起的元素節點

圖5-14.銲接機制型態-I，在不同退火溫度球體材料特性造成銲墊推擠量

圖5-15.銲接機制型態-I 在不同接觸速度(C/V)造成銲墊推擠量

圖5-16. 銲接機制型態-I 在不同超音波振幅造成銲墊推擠量

圖5-17.銲接機制 I.II.III.的三種型態造成銲墊推擠量

圖5-18. 銲接機制型態-II，在不同超音波持續時間造成銲墊推擠量

第六章、結論

銅導線的取代目的是為了降低成本之考量，由於銅導線的性質直接影響 銲接過程，而過程中因銅導線強度造成銲墊推擠，嚴重至發生鈍化層以下晶 片結構造成破裂電性失效。本研究目的是降低銅導線強度之探討。本研究過 程分兩部份進行：ㄧ、與應變率相關(Strain rate dependent)的材料性質實驗，

二、運用ANSYS/LS-DYNA 商用套裝有限元素軟體數值模擬分析。研究過程 中採用兩種不同方式來達到機械性質強度降低，方法為：一、一次電子燒球 (Primary Electronic Flame Off)與二次電子燒球(Secondary Electronic Flame Off) 狀態下性質比較，並且使用微小硬度與奈米硬度證明性質變化；另一方法，

試片退火處理與常溫之下的兩種狀態試片，實驗與比較。經電子燒球後的熱 影響區晶粒組織改變其機械性質跟著改變，影響低弧銲線接合製程。實驗所 得材料性質代入數值模擬中模擬與分析之，以下幾點結論：

1. 材料經退火溫度後性質有明顯下降趨勢，二次燒球的性質比一次燒球 低，而承受應力的能力皆下降例如：楊氏係數、降伏強度、極限抗拉強 度、硬化指數及強度係數，而材料的延展性增加趨勢，對於材料組織軟 化提升。

2. 真實銅線銲接過程中銲針接觸速度(C/V)約ε^• =10⁻² ~10⁻¹S⁻¹。在拉伸與拉 球試驗中與應變率有關ε^• =60⁻²S⁻¹ 與ε^• =10⁻⁴S⁻¹，材料受到高應變率負載 其強度升高，例如降伏強度、極限抗拉強度、硬化指數、強度係數以及 延展性。

3. 圖 4-32，微小硬度試驗其壓痕 Hv 反應出ㄧ次燒球後的熱影響區的長度 (Heat Affect Zone，HAZ)約 500µm。而二次燒球後的熱影響區(Heat Affect Zone，HAZ)範圍約 650µm。此熱影響的範圍代表最嚴重範圍。經微小硬

度 試 驗 證 明 熱 影 區 範 圍 硬 度 Hv 低 ( 軟 ) ， Hall-Petch 方 程 式 式 中 (UTS)分別 217.1MPa、213.3MPa 和 198.6MPa。二次燒球熱影響區的性質 雖然下降約 10%，對於低弧銲線製程中的銲線迴路之時球頸上方的強度

7. 金(Au)從降伏強度到極限拉伸強度，由於應變硬化值接近 0 幾乎是完全塑 性，因此很快到達極限拉伸強度，立即頸縮。銅(Cu)從降伏強度到極限拉 伸強度過程中，銅(Cu)降伏強度比金(Au)低，但是銅(Cu)的應變硬化與金 (Au)相差約 6 倍之多，即使過了降伏強度它的應力越大抵擋塑性變形能力 越高。另一個常數為強度係數與應變和應變硬化之間關係反應在應力 上。實驗中應變硬化能力高強度係數能力也提升，但是材料性質中抵抗 降伏強度能力低，強度係數也會受到影響。當電子燒球過後銅球經衝擊 (Impact)撞至銲墊上，它有塑性變形時抵擋塑性變形能力，因此容易造成 銲墊被推擠的原因之ㄧ。因此發現二次燒球有助降低應變硬化。

8. 因此從銅導線銲線接合數值模擬中，認為是受到衝擊過程中降伏強度與 極限拉伸強度之間的影響，它們的特性反應在強度係數與應變-硬化指 數，因此銲墊無法承受應力很快就被推擠開來。因此在圖 5-14 可看出退 火處理200℃的性質如：降伏強度、極限拉伸強度、強度係數與應變硬化 指等性質下降，有助於降低銲墊的推擠量。

9. 而數值模擬中發現越高接觸速度(C/V)與超音波振福越大有助於降低銲墊 推擠量。三種型態的銲針機制，發現型態-II 大幅提升問題的解決，從接 觸到鍵結(Bonding)完成一直持續超音波震盪，有助於降低銲墊推擠量，

其產生隆起量 0.5µm，但是進一步探討將超音波持續加長時間，固定振 幅，發現並無降低銲墊推擠量。銅球鍵結於銲墊之時造成推擠現象是必 然的，銲墊的高度 1µm 則衝擊過程之時造成銲墊推擠容易磨損直至鈍化 層(Passivation layer)，嚴重至鈍化層以下的結構體產裂紋，因此探討降低 銲墊推擠量。

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