銅墊層銲錫凸塊有兩個電流集中點，然而銅鎳墊層的只有一個，而且銲錫 內部最大電流密度銅墊層(29636A/cm2)將近為銅鎳墊層(20555A/cm2)的 1.5 倍，可能的原因在當電流經由鋁導線進入銅墊層時，因銅本身就是低電阻
模擬電流密度分佈過程中並不分電流與電子流，邊界條件設立的意義在
成介金屬化合物，又能阻擋錫原子與基板端的UBM 反應路徑而具有擴散阻
離開了UBM 本來的位置，過程是銅與鎳被電子流不斷的帶離,而留下錫原
置發生在基板端，與電子流向下的結果相反，而且晶片端的UBM 結構依然
等介金屬化合物，其分佈情形沒有規則性，無法明確指出各部份的組成位
層，同時在兩端進行反應，如圖 4-12，左側的無電鍍鎳層完全消耗完，錫 銅原子，然而空位濃度則往反方向移動並聚集形成 kirekendall voids 如圖 4-13 所示。
140℃通了 126.3 小時的電遷移破壞後 SEM 影像，電子流方向由晶片往基版
子被電子流向下帶離，剩下錫原子殘留在晶片端金屬墊層的位置，並沒有
的與無電鍍鎳層進行化學反應，但由於Cu 金屬墊層的銲錫凸塊測試時間較
行比較如圖4-21，圖 4-22 所示為在 100℃下，通入 0.1 安培到 1.2 安培的電
當時所處的環境，因此利用鋁導線電阻與溫度的關係式，我們相信能更真 實的反應電遷移測試下，銲錫凸塊的真實溫度。
圖 4-23 為鋁導線電阻與加熱爐溫度的關係式，利用線性迴歸法找出 0
℃ 時 鋁 導 線 電 阻 值 與 電 阻 係 數 ， 其 對 應 方 程 式 分 別 為 RAl=234.89+0.95TempAl，RAl=226.46+0.875TempAl在銅鎳與銅金屬墊層中。
234.89 與 226.46 分別代表 0℃下各別鋁導線的電阻值，然而一般金屬電阻
表 4-1 為 Cu/Ni 墊層凸塊與 Cu 墊層以此方法修正後的溫度，在 0.9 安
根據Black’s equation，活化能的估算，可以利用平均破壞時間對絕對溫 度與波茲曼常數乘積的倒數作圖，所得到的斜率即為活化能值。因此，將 表4-2 結果帶入計算，銅鎳金屬墊層的銲錫凸塊在沒有經過溫度校正下，所 得到的活化能值為 1.43eV，然而在溫度校正後，活化能值為 1.52eV 如圖 4-24，銅金屬墊層銲錫在沒有經過溫度校正下，所得到的活化能值為 0.7eV，
然而在溫度校正後，活化能值為0.84eV 如圖 4-25，就活化能值的比較各別 只有6.3%與 20%的誤差，但若將此兩活化能反代回 Black’s equation 中來估 算平均破壞時間會造成多大的影響結果？假設在定電流作用下，Black’s
鎳與銅金屬墊層的銲錫凸塊而言，其破壞時間卻高達 16.5 倍與 78 倍的誤 差，在此即顯現活化能的重要性，因為其處在Black’s equation 的自然指數 項。比較奇怪的點在於為何溫度修正後，其活化能值是變大的？原因如下，
在溫度未修正的條件下來(加熱盤溫度)估算，可以得到一活化能，然而實際 上，卻是在更高溫環境下測試，表示其抗電遷移的能力被低估，因此修正 完後也就會提升，是合理的情況。然而，未來的趨勢無可避免的輕、薄、
短、小與高效能化，除了電流不斷提升進而增加焦耳熱能，另一方面，在 銲錫凸塊內部的熱本身就不易散出，加上微小化與高凸塊數的驅使下，散 熱對於晶片內的凸塊來說更是困難，相對的焦耳熱能又再一次會受到加 乘，因此，活化能的估算如果忽略焦耳效應所帶來的熱能，進而無法求得 準確的活化能值，在未來對於元件壽命的估算將會有更大的影響。
圖4-1 銅鎳與銅金屬墊層銲錫凸塊 UBM 附近電流密度分佈
圖 4-2 銅鎳金屬墊層銲錫凸塊內部電流密度分佈
(a) Cu/Ni UBM (b) Cu UBM
(a) Cu/Ni UBM (b) Cu UBM Current
crowding Current
crowding
圖4-3 Cu/Ni 金屬墊層銲錫凸塊製備後未經測試的試片結構與相分佈
圖4-4 在 140℃下通 0.9A 經過 2282 小時，電子流由左上到左下 Pb
Sn Cu Ni
Electroless Ni Ni3Sn4
Pb Sn
e
-IMC Cu pad
圖4-5 在 140℃下通 0.9A 經過 662 小時操作，電子流由左上到左下
圖4-6 在 160℃下通 0.9A 經過 334 小時操作，電子流由左上到左下
e
-e
-Pb Sn IMC
void
Pb Sn IMC void
圖4-7 為圖 4-6 局部放大，孔洞生成機制証明，錫原子回填 IMC 介面
圖4-8 在 140℃下通 0.9A 經過 2282 小時，電子流由右下到右上 IMC
Sn
Pb
Sn
IMC
e
- IMC圖4-9 在 150℃下通 0.9A 經過 662 小時，電子流由右下到右上
圖4-10 在 160℃下通 0.9A 經過 334 小時，電子流由右下到右上
e
-Pb
Sn IMC
Pb
Sn
IMC
IMC IMC
e
- void void圖4-11 為圖 4-9 的局部放大，鎳往外擴散形成孔洞
圖4-12 為圖 4-9 的局部放大，孔洞結構提供錫與銅原子擴散路徑(右側)，
當無電鎳層完全反應，錫原子即進入銅墊層生成大量IMC(左側) Sn
IMC
Cu pad void P-rich Ni layer
Cu6Sn5 Cu3Sn
void
圖4-13 為圖 4-9 的局部放大，基板端銅墊層 IMC 成分組成與 kirekendall voids 的出現
圖4-14 在 140℃下通 0.9A 經過 126 小時，電子流由左上到左下 Cu6Sn5
Cu3Sn
e
-Pb Sn
Cu6Sn5
Sn
(Cu-Ni)6Sn5
圖4-15 為圖 4-14 局部放大，晶片端已剝離的介金屬化合物成分分析
1 圖4-16 在 150℃下通 0.9A 經過 71.3 小時，電子流由左上到左下
Cu6Sn5
Cu3Sn
e
-Pb Sn Cu6Sn5
void Cu
Cu
(Cu-Ni)6Sn5
圖4-17 在 160℃下通 0.9A 經過 65.6 小時，電子流由左上到左下
圖4-18 在 140℃下通 0.9A 經過 126 小時，電子流由右下到右上 Pb
e
-Sn
Cu6Sn5 Cu3Sn void
e
- PbSn
(Cu-Ni)6Sn5
Cu6Sn5 Cu3Sn Cu
Cu
(Cu-Ni)6Sn5
圖4-19 在 150℃下通 0.9A 經過 71.3 小時，電子流由右下到右上
圖4-20 在 160℃下通 0.9A 經過 65.6 小時，電子流由右下到右上
e
- PbSn
(Cu-Ni)6Sn5
Pb
Sn
e
-(Cu-Ni)6Sn5
Cu6Sn5
Cu3Sn Cu6Sn5 Cu3Sn
Cu Cu
圖4-21 紅外線顯像儀量測鋁導線與鋁墊層上在 100℃ 0.9Ａ平均溫度
圖4-22 IR 量測下對應不同電流，鋁墊層與鋁導線上所產生的溫升
圖4-23 銅與銅鎳墊層銲錫凸塊的鋁導線電阻對溫度變化圖
圖 4-24 在銲錫溫度校正與否的標準下對銅鎳金屬墊層銲錫活化能估算的 影響
圖 4-25 在銲錫溫度校正與否的標準下對銅金屬墊層銲錫活化能估算的影
表4-2. 銅鎳(a)與銅墊層(b)銲錫凸塊溫度與破壞時間整理