第四章 結果與討論
B. 電子流向上的破壞模式
405.2、 457.6、 720.8、1959.3 小時，電子流方向同圖中箭頭所示，
電子流由銲錫凸塊右下進入往上，初期當電子流由銅導線進入銅墊
由錫銀銲錫接點與金屬墊層為 Cu 5／Ni 3 電遷移實驗中可以 100μm 厚度為30μm，而晶片端之鋁導線寬度為100μm但厚度僅 1.5μm，所以當電流由銅導線進入時，會先散佈至銅墊層，之後往
墊層前端局部逐漸消耗且反應形成介金屬化合物，於其成份組成為
來越大，使得電子流進入銲錫內部的接觸面變小，電流密度大幅上 升，電流集中導致嚴重的焦耳熱產生，錫球上端的鋁導線和銲錫熔 毀使得接點斷路如圖 4-13 。
比較錫銀銲錫接點搭配金屬墊層為Cu 5／Ni 3 和Cu 5兩種不 同的金屬墊層時，在電子流向下的電遷移破壞模式也不相同，如圖 4-14 Cu 5金屬墊層的破壞模式依序為金屬墊層的消耗、介金屬化合 物的形成、孔洞的生成。Cu 5／Ni 3金屬墊層的破壞模式依序為孔 洞的生成、金屬墊層的消耗、介金屬化合物的形成。如圖 4-15 在 達到各階段破壞條件所需的時間比較，Cu 5／Ni 3金屬墊層相較於 Cu 5金屬墊層各階段平均時間差異最少有 2 倍之多，在銲錫接點 斷路時的平均時間差更有 6 倍，主要是因為Cu 5／Ni 3金屬墊層多 了一層鎳層可以讓電子流能再一次被分流減緩電流集中效應，且鎳 原子的擴散速度慢可以減緩反應速度，因此Cu 5／Ni 3金屬墊層的 設計相較於Cu 5金屬墊層，可以增加銲錫接點的life time。
B. 電子流向上的破壞模式
圖 4-16 為在 b2 共晶錫銀銲錫接點在加熱板 140 °C下，通以 0.8 安培的電流，電流方向由基板端往晶片端流動，各個不同階段 時間的電遷移破壞電子顯微鏡影像圖。通電時間分別為未通電、
71.7、107.4、169.6、239.4、316.2 小時電子流方向同圖中箭頭所示，
電子流由銲錫凸塊右下進入之後經過銲錫內部最後從晶片端右邊
墊層形狀完整沒有因為電遷移破壞而被消耗造成破損，主要是因為 鎳層的擴散慢能減緩反應速率。
4-1-3 無鉛銲錫接點熱遷移行為 凸塊在加熱板140℃下，不通以電流，熱時效時間 0、71.7、107.4、
169.6、239.4、316.2 小時之微結構電子顯微鏡影像圖，由於鋁導線為 主要發熱源，所以造成晶片端的溫度大於基板端的溫度；因此在銲錫 接點內部晶片端與基板端之間有溫度梯度的產生。而這 一 溫 度 梯 度
提 供 了 一 個 原 子 移 動 的 趨 動 力，在 初期因為銅金屬墊層的銅原子 和b4 銲錫凸塊在加熱板140℃下不通以電流，熱時效時間0、213.3、
405.2、457.6、720.8、1959.3小時之微結構電子顯微鏡影像圖，由
Cu 5／Ni 3金屬墊層和Cu 5金屬墊層相較下，熱時效時間較
更厚，不同於b1和b4銲錫凸塊 如圖4-20 (b) 銅金屬墊層完全消耗 並形成大量介金屬化合物，並剝離到冷端基板端堆積，最後孔洞的 生成。因此可証明b1和b4銲錫凸塊雖然沒有通以電流經過銲錫內部 但仍有焦耳熱效應產生，造成銲錫接點內部形成相當程度之溫度梯 度，而產生熱遷移效應。
圖 4-1 為 Cu 5／Ni 3 金屬墊層共晶錫銀銲錫接點在通電測試前橫截 面電子顯微鏡影像圖。
圖4-2 Cu 5／Ni 3 金屬墊層試片在 140 ℃下，通入 0.8 A，通電時間 213.3 小時，b3 電阻上升至 1.2 倍時之 SEM 剖面圖。
(a) 為電子流方向由左上往左下的銲錫凸塊，SEM 剖面圖。
(b) 為圖(a) 孔洞生成局部放大SEM剖面圖。
(a)
(b)
e ‐
圖4-3 Cu 5／Ni 3 墊層試片在 140 ℃下，通入 0.8 A，通電時間 405.2 小時，b3 電阻上升至 2 倍時之 SEM 剖面圖。
圖 4-4 Cu 5／Ni 3 金屬墊層試片在 140 ℃下，通入 0.8 A，通電時 間457.6 小時，b3 電阻上升至 3 倍時之 SEM 剖面圖。
e ‐
Cu6Sn5
(Cu,Ni)6Sn5
e
-e
-圖4-5 Cu 5／Ni 3 金屬墊層試片在 140 ℃下，通入 0.8 A，通電時間 720.8 小時，b3 電阻上升至 6 倍時之 SEM 剖面圖。
圖 4-6 Cu 5／Ni 3 金屬墊層試片在 140 ℃下，通入 0.8 A，通電時間 1959.3 小時，b3 銲錫接點斷路之 SEM 剖面圖。
e
-e
-圖4-7 為 Cu 5／Ni 3 金屬墊層試片在 140 ℃下，通入 0.8 A，b2 銲 錫接點不同階段通電時間（a）未通電前（b）213.3 小時（c）405.2 小時(d) 457.6 小時（e）720.8 小時（f）1959.3 小時之 SEM 剖面圖。
圖 4-8 為 Cu 5 金屬墊層錫銀銲錫接點在通電測試前橫截面電子顯微 鏡影像圖。
圖4-9 Cu 5 金屬墊層試片在 140 ℃下，通入 0.8 A，通電時間 71.7 小時，b3 電阻上升至 1.2 倍時之 SEM 剖面圖。
e
-Cu6Sn5
圖4-10 Cu 5 金屬墊層試片在 140 ℃下，通入 0.8 A，通電時間 107.4 小時，b3 電阻上升至 2 倍時之 SEM 剖面圖。
圖4-11 Cu 5 金屬墊層試片在 140 ℃下，通入 0.8 A，通電時間 169.6 小時，b3 電阻上升至 3 倍時之 SEM 剖面圖。
e
-Cu6Sn5
e
-Ni3Sn4
圖4-11 Cu 5 金屬墊層試片在 140 ℃下，通入 0.8 A，通電時間 239.4 小時，b3 電阻上升至 6 倍時之 SEM 剖面圖。
圖4-13 Cu 5 金屬墊層試片在 140 ℃下，通入 0.8 A，通電時間 316.2 小時，b3 銲錫凸塊完全斷路之 SEM 剖面圖。
e
-e
-圖4-14 Cu 5μm 與 Cu 5μm／Ni 3μm 金屬墊層銲錫凸塊破壞模式之
Current stressing time (hrs)
Current stressing time (hrs)
R/ R0=R ratio
Cu5 Cu5/Ni3 Current stressing time vs b3 Rratio
圖4-16 為 Cu 5 金屬墊層試片在 140 ℃下，通入 0.8 A，b2 銲錫接點
圖4-17 為 Cu 5 金屬墊層試片在 140 ℃下，通入 0.8 A，b1 銲錫接點 不同階段熱時效時間（a）未通電前（b）71.7 小時（c）107.4 小時（d）
169.6 小時（e）239.4 小時（f）316.2 小時之 SEM 剖面圖。
(f) (c)
(e)
Stage 0 : 0 hr
Stage 1 : 71.7 hr
Stage 2 : 107.4 hr
Stage 5 : 316.2 hr Stage 4 : 239.4 hr Stage 3 : 169.6 hr
(a)
(b) (d)
圖4-18 為 Cu 5 金屬墊層試片在 140 ℃下，通入 0.8 A，b4 銲錫接點 不同階段熱時效時間（a）未通電前（b）71.7 小時（c）107.4 小時（d）
169.6 小時（e）239.4 小時（f）316.2 小時之 SEM 剖面圖。
Stage 1 : 71.7 hr
Stage 5 : 316.2 hr Stage 4 : 239.4 hr Stage 3 : 169.6 hr
(e) (b)
(c)
Stage 2 : 107.4 hr
(f)
Stage 0 : 0 hr
(d)
(a)
圖4-19 為 Cu 5／Ni 3 金屬墊層試片在 140 ℃下，通入 0.8 A，b1 銲 錫接點不同階段熱時效時間（a）未通電前（b）71.7 小時（c）107.4 小時（d）169.6 小時（e）239.4 小時（f）316.2 小時之 SEM 剖面圖。
圖4-20 為 Cu 5／Ni 3 金屬墊層試片在 140 ℃下，通入 0.8 A，b4 銲 錫接點不同階段熱時效時間（a）未通電前（b）71.7 小時（c）107.4 小時（d）169.6 小時（e）239.4 小時（f）316.2 小時之 SEM 剖面圖。
Stage 3 : 457.6 hr
Stage 4 : 720.8 hr
Stage 5 : 1959.3 hr Stage 0 : 0 hr
Stage 1 : 213.3 hr
Stage 2 : 405.2 hr
(c)
(b) (e)
(f)
(a) (d)
圖4-21 為錫銀銲錫接點搭配 Cu 5 金屬墊層試片
（a）銲錫接點在 150 ℃下，未通以電流，熱時效時間 316.2 小時
（b）銲錫接點在 140 ℃下，鋁導線有電流通過，但銲錫接點未通以 電流，熱時效時間 316.2 小時之 SEM 剖面圖。
e
‐e
‐(b)
(a)
(b)
第五章、結論
凱文結構可以準確針對單顆銲錫凸塊受電遷移破壞的行為進行觀 測，實驗發現銅鎳墊層比銅墊層的銲錫凸塊更抗電遷移，在相同的通電 條件下，Cu 5 金屬墊層銲錫接點的平均破壞時間均小於 Cu 5／Ni 3 銲錫 接點。主要因素是Cu 5／Ni 3 銲錫接點多一層鎳層可以讓電子流能再一 次被分流，減緩電流集中效應，且鎳原子的擴散慢，可以減緩反應速率。
電子流的方向不同導致不同的破壞模式，電子流向下，由鋁導線進入銲 錫處有著電流集中效應使得初期孔洞的生成由此開始，銅鎳墊層主要破 壞為孔洞的生成，金屬墊層完全的消耗，形成大量且不規則的介金屬化 合物，而電子流向上的，反而是以不規則觀的介金屬化合物形成在基板 端以及銲錫內部，主要是因為基板端銅墊層電阻小，截面積大，當電流 由銅導線進入時，會先散佈至銅墊層，之後往上流入銲錫時可以減緩電 流集中效應降低電遷移破壞。