行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
子計畫二：以熱時效提升銲點之抗電遷移能力
計畫類別： 整合型計畫 計畫編號： NSC93-2216-E-009-030- 執行期間： 93 年 08 月 01 日至 94 年 07 月 31 日 執行單位： 國立交通大學材料科學與工程學系(所) 計畫主持人： 陳智 計畫參與人員： 邱聖翔、張哲誠、黃章斌 報告類型： 精簡報告 報告附件： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 94 年 9 月 15 日
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行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
■ 成 果 報 告 □期中進度報告以熱時效提升銲點之抗電遷移能力
計畫類別：□
個別型計畫 ■
整合型計畫
計畫編號：NSC93－2216－E－009－030－
執行期間： 93 年 8 月 1 日至 94 年 7 月 31 日
計畫主持人：陳 智
共同主持人：
計畫參與人員： 邱聖翔、張哲誠、黃章斌
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：■精簡報告□完整報告
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
■出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計
畫、列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢
□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開
查詢
執行單位：國立交通大學材料系
中 華 民 國 94 年 8 月 31 日
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覆晶銲點性質變化與電流流動間交互之影響-子計畫二： 以熱時效提升銲點之抗電遷移能力 一、 前言 隨著電子產品越做越小，覆晶封裝中每一個銲錫球需要承受的電流密度就越來 越大，銲錫球容易產生電遷移效應而造成損壞，研究銲錫球抗電遷移的機制變的是 非常重要且迫切的課題。本實驗就是希望以熱時效的方式提高銲點的抗電遷移效應。 二、 研究目的
在覆晶銲錫中，UBM(under bump metallization)會和銲錫球中的錫產生 IMC(Intermetallic compound)產生 Cu6Sn5或是 Ni3Sn4，由於 IMC 是屬於高電阻的物 質，我們推測 IMC 對降低電遷移效應有很大的益處。把封裝好的試片在適當的溫度 熱時效使 UBM 和 Sn 產生較厚的 IMC，並在加熱板上給予適當的測試電流，觀察試片 是否可以藉由熱時效來抗電遷移。 三、 研究方法 使用構裝好的共晶錫鉛 Sn63Pb37 試片，在 1500 C 下做 0 小時到 1000 小時不同時 間的熱時效，熱時效過後的試片放在加熱板上以 1500 C 的溫度做加速電遷移測試，請 參考圖一，薄膜試片通 0.28A 而厚模式片通 0.75A 與 0.8A，藉由電腦得到的通電過 程電阻變化與整個線路的壞掉時間，還有掃描式電子顯微鏡的觀察來驗證我們的論 點，而試片有分薄膜與厚膜的試片，是意圖請見圖二、圖五。 四、 結果與討論 通電測試後，可以發現在薄膜當中，銲錫球的損壞時間會因熱時效時間的增加 而降低，而在厚膜當中，銲錫球的損壞時間會因時效時間的增加而增加，不過也是 要利用適合的電流密度才可以有我們預期的電遷移破壞機制，若是用較大的電流密 度則可能會造成銲錫球在液態下通電，而不是我們希望預見的電遷移效應的破壞機 制，且破壞時間通常都比較短，無法明顯的顯示出較大的差異性，因此選擇適當的 電流密度變成是本實驗重要的一個課題，經由多次的選擇，我們選定 0.75A 作為我
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們測試的電流。就如同預期的效果，幾乎所有壞掉的銲錫球都是在電子流從晶片端 到板子端的那顆球壞掉，而且都是在那球的電子流剛流進來的地方，也就是晶片端 跟銲錫球相交界的那一邊，因為那是產生電流集中最嚴重的區域，請見圖四與圖七。 1.薄膜與熱時效的影響 熱時效 0 小時，我們獲得的數據有 192 小時 55 小時，而隨著時效時間的增加有 著不規律的變化，不過熱時效 100 小時與 200 小時分別是 157 小時與 148 小時壞掉， 因此跟熱時效 0 小時的壞掉時間 192 小時比起來，是沒有比較好的抗電遷移效應， 到了熱時效 300 小時的時候，壞掉時間分別為 12 小時與 33 小時，而到了熱時效 500 小時的時候，只通了 3 小時就壞掉了，詳細的數據見表二，可見銲錫球在熱時效中 產生了很大的變化，我們推測是 UBM 大部分產生 IMC 而消耗掉，界面產生嚴重的 spalling 所造成的結構不穩定，因此在此電流密度的沖刷下馬上產生電流集中效應 產生孔洞而壞掉，圖四顯示熱時效 500 小時在 0.28A 下通電 3 小時就壞掉的銲錫球 試片圖形，產生很大的孔洞造成試片壞掉，就是很好的驗證。 2.厚膜通 0.8A 的數據 熱時效 0 小時的有做出兩個數據一個是 12 小時，一個是 49 小時，熱時效 500 小時的則是有做出 67 小時和 15 小時，仍可以看出來熱時效對銲錫球中產生 IMC 或 是結構上的變化是對抗電遷移有利的，雖然壞掉時間過於短，其中的破壞機制可能 不是我們所預期的電遷移效應，見圖七 OM 圖，晶片端 UBM 和銲錫球產生極嚴重的損 毀，可能是銲錫球應為高溫而溶解，不過仍可以支持我們的論點，也就是熱時效在 厚膜中可以增加壞掉時間，損壞時間請見表二。 3.厚膜通 0.75A 的數據 目前我們做出的實驗數據是沒有熱時效的試片在 385 小時壞掉，不過熱時效 1000 小時的則通電超過 700 小時還沒壞，可見熱時效是確實對銲錫球抗電遷移有很大的 幫助，不過由於我們最近才找到這個比較適合的通電條件，也就是用 0.75A 下去做 測試，所以目前還沒有較完整的數據呈現。 4.厚膜 UBM 試片厚度對時效時間關係
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從表三表四可以看到，隨著時效時間的增加，IMC 厚度也是有增加的現象，表三 顯示晶片端從 0 小時的 1.3μm 到 1000 小時的 3.1μm，表四顯示板子端也從 0 小時 的 1.1μm 到 1000 小時的 2.1μm，這是因為我們給予 1500 C 的環境下，Sn 和厚的 UBM 中的 Ni 產生 Ni3Sn4 的 IMC。 伍、結論 對於薄膜 UBM 覆晶銲錫接點，熱時效並不能提升電遷移的 lifetime. 因為接點界面 的 spalling 造成的劣化，反而使電遷移的破壞提早發生。然而對於厚膜 UBM 覆晶銲 錫接點，熱時效確能提升電遷移的 lifetime。原因應該是熱時效使接點界面 Ni3Sn4 IMC 增厚，而該 IMC 因電阻率較高，能夠減緩銲錫的電流集中效應，使得電遷移壞減緩， 此部分的電腦模擬正在進行中。 六、 附圖與附表 參考銲錫球 電子流 電子流 向下 向上 圖一 通電的方式示意圖
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圖二 薄膜 UBM 試片的試片結構示意圖 圖三 SEM 照片顯示製造完成試片之橫切面 圖四 Aging500 小時後，以 0.28A 通電 3hr 壞掉， 電子流向下
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25 µm
SnPb
Al trace 1.5 µm 300 µm 120 µm Ni 3µm Ni 5 µm Cu 30 µm Cu 5 µm 圖五 厚膜 UBM 試片結構示意圖 圖六 厚膜 UBM 試片 SEM 圖PDFCMD Trial Version
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圖七 厚膜 UBM 試片 Aging500hr 0.8A67 小時損壞試片 OM 圖
aging time fail time
0hr 192hr 55hr 25hr 31hr 100hr 157hr 150hr 15hr 200hr 148hr 300hr 12hr 500hr 3hr 表一 薄膜 UBM 試片通 0.28A 在加熱板 1500 C 下的時效時間與損壞時間
Aging time at 1500C Fail time for 0.8A at 1500C
0hr 50hr 12hr 200hr 12hr 500hr 67hr15hr 1000hr 23hr 38hr 表二 厚膜 UBM 試片熱時效時間對損壞時間在 0.8A1500 C
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Chip-side 0 1 2 3 4 0 500 1000 1500 aging time (hr) IM C th ic kn es s ( um)
3.1
2.4
1.9
1.7
1.5
1.4
1.3
IMC thickness1000
500
200
100
50
25
0
Aging 表三 晶片端 IMC 厚度對時效時間關係 Board-side 0 0.5 1 1.5 2 2.5 0 500 1000 1500 aging time (hr) IM C thic kn es s ( um) 2.1 1.9 1.7 1.5 1.4 1.2 1.1 IMC thickness 1000 500 200 100 50 25 0 Aging 表四 板子端 IMC 厚度對時效時間關係PDFCMD Trial Version
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參加 2005 TMS Annual Conference
國際學術會議心得報告
本次我們有發表兩篇口頭報告 分別是
Effect of Additives on Electroplating of SnAg Solder 以及 Threshold Current Density of Electromigration in Pure Tin Films
TMS會議之性質及其學術地位、重要性：
The Minerals, Metals & Materials Society (TMS)在材料界歷史悠久， 至今即將辦 134 屆的年會。目前有將進一萬名專業會員及學生會員，
可見其在材料界的重要性。此協會所屬的期刊 Journal of Electronic Materials, 也是在
材料界的重要期刊之一，因此，其學術地位相當高。
此TMS 年會會議也是目前在覆晶銲錫方面目前最大且最重要的研討會。
Materials Science & Technology 2004 Conference (MS&T '04) ，是之前的 The TMS Fall
Meeting。因此其覆晶銲錫方面的論文也是很豐富。
這次很特別是 Intel 的 Fay Hua 負責舉辦的 2005 TMS Pb-free
Technology Workshop 。此 workshop 在 TMS 前一天舉行，邀請的演講如下，
Invited Presentations
• "Package Technology Trends and Lead Free Challenges" Presenting by Dr. C. Mike Garner, Director of Materials Technology Operation, Intel Corp., Santa Clara, CA 95054
• "Risks to health and environment related to use of Lead in products in
the EU" Presenting by Dr. Arnold Tukker, TNO Strategy, Technology and Policy,
the Netherlands
• "Mechanical Properties of Pb-Free Solders Overview" Presenting by Professor John W. Morris, Materials Science and Engineering Department, University of California, Berkeley, CA
• "Electromigration in Flip Chip Solder Joints" Presenting by Professor King N. Tu, Materials Science and Engineering Department, University of California, Los Angles, CA
• "A Future for Lead-Free Flip-Chip Technology? Potentials and Pitfalls" Presenting by Dr. Roger A. Quon, IBM electronics, Hopewell Junction, NY
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• "Manufacturing and Reliability of SnAgCu - Issues of "Backward" and
"Forward" Compatibility" Presenting by Dr. Carol Handwerker, NIST,
Gaithersburg MD 20899
• "Near-Ternary SnAgCu Solder Joints; Microstructure, Thermal Fatigue
and Failure Mechanisms"Presenting by Dr. Sung K. Kang, IBM, T.J. Watson
Research Center, Yorktown Heights, NY
• "Sn-Zn based low temperature lead-free solder and current status of
lead-free in Japan" Presenting by Professor Katsuaki Suganuma, Japan Osaka
University, Institute of Scientific & Industrial Research, Mihogaoka 8-1, Ibaraki, Osaka 567-0047 Japan
• "Reaction between Electroless Ni(P) and Sn3.5Ag and Its Effect on
Mechanical Reliability" Presenting Dr. Jin Yu, Dept. of Materials Science and
Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology, Korea
• "Nano Interconnects and Bonding with Nanotube Conductors" Presenting by Professor Sungho Jin, University of California, San Diego, CA
• "Trends and Technical Requirements in Electronic Packaging" Presenting by Dr. Darrel Frear, Freescale Semiconductor, Tempe, AZ
都是在該領域的重要人士, 因此在一天之內就能了解全球在 Pb-free 目前的發展。以 下是所獲的的重要資訊
z Ag concentration in Pb-free solder maybe need to decrease down to 1.5 to 2.5 z Sn whisker growth mechanism is needed in desperate
z EPSD results: grain distribution are random
z During EM, Alternating electrical field to cancel out EM damage
z Thermal migration: when solder bumps are stressed at very high current (1-2A) and at room temp. The measured temp differences are as high as 20-30 degrees, which is about 2000 C/cm.
z In SnPb EM, Partial melting of Sn-rich is observed. z Send Albert samples: Pure Sn and solder sample z Check Matt Sn
z Critical product of solder, different length of solder stripes
z Reverse the current when stressing a period of time to prolong the MTTF z Effect of Sn texture on mechanical or electrical of solder.
z Effect of solder volume on interfacial reactions. z Cross-polarized OM
