量測厚膜銅/鎳與銅金屬墊層的共晶錫鉛接點之電遷移活化能

國

立

交

通

大

學

材料科學與工程所

碩士論文

量測厚膜銅/鎳與銅金屬墊層的共晶錫鉛接點之電遷

移活化能

Measurement of electromigration activation energy of eutectic SnPb

flip-chip solder joints with Cu/Ni and Cu thick-film

Under-bump-metallization

研究生：江宗憲

指導教授：陳智 教授

量測厚膜銅/鎳與銅金屬墊層的共晶錫鉛接點之電遷移活化能

Measurement of electromigration activation energy of eutectic SnPb flip-chip

solder joints with Cu/Ni and Cu thick-film Under-bump-metallization

研 究 生：江宗憲 Student：Tsung-Hsien Chiang 指導教授：陳 智 Advisor：Chih Chen 國 立 交 通 大 學 材 料 科 學 與 工 程 學 系 碩 士 論 文 A Thesis

Submitted to Department of Materials Science and Engineering National Chiao Tung University

in partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of

Master in

Materials Science and Engineering June 2008

Hsinchu, Taiwan, Republic of China

量測厚膜銅/鎳與銅金屬墊層的共晶錫鉛接點之電遷移活化能 學生：江宗憲 指導教授：陳智 國立交通大學材料科學與工程學系（研究所）碩士班 摘 要 在元件無可避免的輕、薄、短、小化後，電遷移對於元件可靠度的影響 已經是非常嚴重的議題，因此元件壽命變的難以估計，準確的計算活化能 值就顯得其重要性。本研究設計並製造凱文結構來研究銅鎳墊層與銅墊層 於共晶錫鉛銲錫接著下，其電遷移活化能的大小，在量測上，利用凱文結 構來觀測銲錫凸塊在電遷移下電阻變化情形，並定義電遷移破壞準當其阻 值上升至初始的1.2 倍。然而大部分的研究都定義當整個迴路開路時，為其 破壞標準。測試條件為分別在140℃、150℃、160℃的加熱盤上施以 0.9 安 培，不同金屬墊層所造成的破壞機制將各別被討論，同時在銲錫凸塊中因 焦耳熱效應所造成的溫升，將利用凱文結構與鋁導線電阻溫度係數來量 測，此方式提供了一個比較好且方便的方法來探討銲錫凸塊電遷移測試下 的焦耳熱效應。銅鎳與銅墊層在共晶錫鉛銲錫接著下，其量測到的電遷移 活化能分別為1.52 與 0.84 電子伏特。

Measurement of electromigration activation energy of eutectic SnPb flip-chip solder joints with Cu/Ni and Cu thick-film Under-Bump-Metallization

Student：Tsung-Hsien Chiang Advisor：Dr. Chih Chen

Department of Materials Science and Engineering National Chiao Tung University

Abstract

Activation energy of electromigration is investigated in eutectic SnPb flip-chip solder joints with thick under-bump-metallizations (UBMs) of 5-μm Cu/3-μm Ni and 5-μm Cu. We fabricate the Kelvin probes to monitor the bump resistance during the current stressing, and define the electromigration failure as the bump resistance increase reaches 20% of its initial value. Most of the previous studies defined the failure of the electromigration when the stressing circuit was open. The current stressings were done on a hotplate with temperatures at 160oC, 150oC, and 140oC, and the applied current was 0.9 A. The failure mechanisms of different UBM structures are examined. The joule heating of the solder joints during electromigration test was measured by using Kelvin probes and aluminum Temperature coefficient resistivity effect. This approach provides a better way of studying joule heating due to electromigration test in flip chip solder joints. The activation energy was measured to be 1.52 and 0.84 eV for the eutectic SnPb solder joints with the Cu/Ni and Cu UBMs, respectively.

誌

謝

首先我要感謝我的指導教授 陳智博士，回憶起當初找陳教授當指導 教授時，老師跟我說的一句話＂我們實驗室很歡迎來自不同背景的學生， 因為看事情的角度會不一樣＂，這一句話穩定了當我選擇從機械背景進入 材料領域以來所有的不安感，這兩年來在老師的指導下，使我在學問上獲 益匪淺，而老師於研究上的嚴謹，以及做人處事的態度對我更是影響深刻， 無形中，感染自己也要成為同樣的人，做任何事都抱持著對的態度以應對， 在此我要對陳智老師至上我最高的謝意。在學生生涯的最後階段，感謝 高 振宏教授、 陳信文教授、 謝宗雍教授以及日月光副理 賴逸少博士撥空參 與我的口試並給予論文上的指導及協助，使本論文能更加完整，並且點醒 我，不管做任何研究或事情，即使忙的再怎麼焦頭爛耳時，也不能忘記所 做的事的本質與價值所在。 我很慶幸的進到C C lab 而認識了大家，承蒙大家的照顧而使我更加 的成長茁壯:沒有大包學長帶著我從零做起，不厭其煩的教導我實驗的方法 以及模擬的技巧；沒有小芸學姊 SEM 上的大力協助，並且成為我研究上的 不可或缺的諮詢對象；沒有翔耀學長在 IR 量測上的鼎力相助，實驗無法得 以順利進行，沒有你們此論文無法完成，真心的謝謝你們。而與我同甘共 苦的旻峰與明慧，謝謝你們，苦悶時，可以互吐口水，互相打氣。另外我 還要感謝帶給我許多歡樂的小山、健民、誠風以及宗寬學長，大家聚在一 起的嘴炮與搞笑，我不會忘記。隱藏人物聖翔學長更不可以忘記你，帶領 我融入實驗室，你是實驗室的大家長，凝聚大家的向心力，所以我們才會 感情那麼好。最後，祝福實驗室的大家，不管是學弟妹(QQ、龍哥…)、學 長姊們(程昶、珮君、永煌…)，希望你們未來都能一切順利。 在這論文的終點，我要將此獻給我的媽媽、奶奶以及姐姐跟女朋友

kiwi，你們是我背後著實的原動力，謝謝你們無私的付出，造就了我個人 的小成就，接下來，我會更加的努力來回報你們的付出，並讓我成為你們 未來的支柱吧！！

摘要……….I Abstract………..II 誌謝………...III 目錄………V 表目錄………...VII 圖目錄………VIII 第一章 緒論...1 1-1 電子封裝簡介與研究動機...1 第二章 文獻回顧 ...8 2-1 電遷移理論...8 2-2 銲錫凸塊的電遷移行為...10 2-2.1 錫與鉛在電遷移下的擴散行為...12 2-2.2 電流集中效應...13 2-2.3 焦耳熱效應與TCR 效應 ...13 2-3 電遷移造成銲錫凸塊破壞的機制...15 2-3.1 電遷移下造成不對稱的UBM 消耗 ...15 2-3.2 電遷移下造成孔洞的生成...15 2-4 減緩電遷移現象的應變與討論...16 2-4.1 UBM 種類的變換 ...16 2-4.2 UBM 厚度的改變 ...17 2-5 平均破壞時間...17 2-6 活化能的量測...18 第三章 試片結構與實驗方法及步驟 ...29 3-1 試片製備...29 3-2 實驗方法與步驟...30 3-2.1 電遷移的加速測試...30 3-2.2 以凱文結構各別量測銲錫凸塊與鋁導線電阻...30 3-2.3 以鋁導線的TCR effect 校正銲錫球的溫度 ...31 3-2.4 試片破壞模式的觀察...32 3-3 模擬銲錫凸塊內部電流密度分佈...32 第四章 結果與討論 ...37 4-1 模擬銲錫凸塊電流密度分佈...37 4-2 破壞模式分析...39 4-2.1 Cu/Ni 金屬墊層破壞模式...39 4-2.2 Cu 墊層的破壞模式 ...44 4-3 銲錫凸塊溫度的校正...47 4-4 活化能的量測...50 第五章 結論...66

第六章 未來工作...67 參考文獻...68

表目錄

表4-1. TCR 校正後，Cu/Ni 與 Cu 墊層銲錫凸塊溫升表...64 表4-2. 銅鎳(a)與銅墊層(b)銲錫凸塊溫度與破壞時間整理...65

圖目錄

圖1-1 封裝層級示意圖...5 圖1-2 封裝技術的發整與趨勢...6 圖1-3 C4 製程流程圖 ...6 圖1-4 Kelvin structure 在半導體電性量測示意圖...7 圖2-1 電遷移在鋁線上的效應。[5] ...20 圖2-2 鋁原子受靜電力與電子風力之晶格位能變化示意圖。...20 圖2-3 利用 Arrhenius 關係式 RT Q e D D = 0 − 作圖。[9]...21 圖2-4 (a)為試片示意圖(b)為 V 形溝槽橫截面示意圖。[10] ...21 圖2-5 (a)於施加電流密度 2.8 × 104 A/cm2，經過8 天後觀察到陽極巨大隆起，且 Pb 於 陽極形成帶狀分佈。(b)通電 8 天後，將表面拋去 10μm 後，利用 SEM 觀察發現陰極存 在大孔洞。(c)常溫下，施加電流密度 5.7 × 104 A/cm2，經過12 天後的影像。[10] ...22 圖2-6 有限元素分析銲錫內部電流密度分布示意圖。[11] ...23 圖2-7 (a)模擬結果提出在鋁導線進入銲錫交界有熱點存在(b)以紅外線顯像儀量測因焦 耳熱效應產生溫升，並驗證熱點存在。[13] ...24 圖2-8 銅墊層快速反應示意圖。[16] ...25 圖2-9 (a)-(d) 孔洞生成與成長在 125℃施加電流密度 2.25 × 104 A/cm2之連續過程。(d) 電 遷移下，銲錫凸塊相對電位與時間關係圖。[11] ...26 圖2-10 (a) 鬆餅狀孔洞生成於 IMC 與銲錫球界面(b) 模擬孔洞生成之數學模型。[17]27 圖2-11 (a) 5 μm 厚銅墊層施加 2.25 × 104 A/cm2的破壞情形。 (b) 10 μm 厚銅墊層施加 3 × 104 A/cm2於100 ℃，100 小時後其破壞情形。 (c) 50 μm 厚銅墊層施加 6.75 × 104 A/cm2於100 ℃，100 小時後其破壞情形。[19]...28 圖3-1 銅鎳金屬墊層銲錫凸塊結構圖...34 圖3-2 銅金屬墊層銲錫凸塊結構圖...34 圖3-3 凱文結構俯視圖...35 圖3-4 凱文結構剖面側視圖...35 圖3-5 銲錫電阻組曲線圖...36 圖3-6 鋁導線電組與溫度關係式...36 圖4-1 銅鎳與銅金屬墊層銲錫凸塊 UBM 附近電流密度分佈...52 圖4-2 銅鎳金屬墊層銲錫凸塊內部電流密度分佈...52 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 ...53 圖4-4 在 140℃下通 0.9A 經過 2282 小時，電子流由左上到左下...53 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...54 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...54 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...55 ...55

圖4-8 在 140℃下通 0.9A 經過 2282 小時，電子流由右下到右上...55 圖4-9 在 150℃下通 0.9A 經過 662 小時，電子流由右下到右上...56 圖4-10 在 160℃下通 0.9A 經過 334 小時，電子流由右下到右上...56 圖4-11 為圖 4-9 的局部放大，鎳往外擴散形成孔洞...57 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)...57

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 ...58 圖4-14 在 140℃下通 0.9A 經過 126 小時，電子流由左上到左下...58 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 ...59 圖4-16 在 150℃下通 0.9A 經過 71.3 小時，電子流由左上到左下...59 圖4-17 在 160℃下通 0.9A 經過 65.6 小時，電子流由左上到左下...60 圖4-18 在 140℃下通 0.9A 經過 126 小時，電子流由右下到右上...60 圖4-19 在 150℃下通 0.9A 經過 71.3 小時，電子流由右下到右上...61 圖4-20 在 160℃下通 0.9A 經過 65.6 小時，電子流由右下到右上...61 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 ...62 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...62 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...63 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...63 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響...64

第一章 緒論

1-1 電子封裝簡介與研究動機

自從第一個積體電路被Jack Kilby和Robert Noyce在1958年發明後，積體

電路在二十世紀徹底改變人們的生活。由於積體電路的發展至今依然遵循 著摩爾定律，即每十八個月電路的複雜度會增加一倍，因此矽晶片上被放 進越來越多的電路。當晶片上的電路密度增加時，相對應的晶片上效能和 所承載的電流密度也會增加，然而晶片並不能獨立運作，必須藉由I/O系統 與元件內的其他晶片互相傳遞訊號與溝通，又因為積體電路晶片和它上面 的嵌入式的電路系統是很容易脆裂的，必需要封裝來保護和承載晶片，因 此若沒有電子封裝保護的積體電路，是沒有應用價值的。 電子封裝主要目的有四：訊號的傳輸；電源的供應；散熱的功能；晶片 的保護。封裝技術大抵上可分為三種不同的層級，如圖1-1所示[1]：第一層 級是將IC晶片黏著於封裝機板上並完成其中的電路連線與密封保護之製程 (Chip to Module)；第二層級是將第一層次封裝完成的元件組合於印刷電路 板上的製程(Module to PCB)；第三層級則把數個電路板組合於主機板上 (PCB to mother board)。本研究著眼在第一層級的封裝。 在積體電路發展過程中，內導線的連接方式為了迎合電子產品逐漸的微 小化、高效能化、與多功能化，各個時期發展出獨特的封裝技術(如圖1-2)，

SMT(Surface Mounting Technology)。此時，最具代表與發展性的封裝方式

為覆晶式(flip-chip)封裝(如圖1-3），此技術最早來自IBM於1960s所發展的

C4(Controlled Collapse Chip Connection)製程[2]，最大的突破點，應用面積

陣列(Area Array )的概念，將晶片上的銲墊置於晶片中央，再利用銲墊上形 成 的 金 屬 凸 塊 與 基 板 相 連 ， 而 非 以 往wire bonding的 周 列 式 連 接 技 術 (Peripheral Array)，能大幅增加接點數目，由於是利用錫球面朝下之技術， 訊號傳輸路徑較短，減少訊號失真，而裸露的矽晶片背提供了良好的散熱 路徑與效率，有效解決電子產品微小化、高效能化所帶來的衝擊，如散熱、 I/O數的快速增加以及較好的電性效能需求等問題。然而，技術發展過程， 必定會衍生新的問題點，隨之所遇到的可靠度問題大致可分為三類，分別 為金屬層(under-bump metallization)冶金反應、熱機械應力，最後是電遷移 破壞，也是本文的研究主軸，以往只需利用薄膜Al/Ni(V)/Cu即可讓共晶錫 鉛凸塊的通電操作下順暢，然而環保意識抬頭，對於覆晶封裝帶來了新的 革新。 近年來，隨著對環境保護的重視，以及重金屬元素(鉛)對人體有危害的 因素，世界各國對於電子產業的無鉛化已明文立法要求：歐盟於西元 2006 年7 月起實施，「限用有害物質指令」(RoHS)[3]法案，限定了鉛在大部分電 子產品的使用；日本[4]提出一個時程，在西元 2005 之後完全禁止國內電子

無鉛的組裝計畫，預期在2004 年達到完全無鉛的目標，這些法案內容大致 上如下：在電子產品的製造過程中，不得添加鉛，使得將來數入的電器電 子產品，不得含有鉛、鎘、汞、六價鉻與溴化耐燃劑等物質。這些法令的 通過，對於覆晶銲錫封裝引入了無鉛銲錫凸塊，在電遷移的影響與金屬層 的冶金反應有了新的衝擊，產生許多新的問題點值得去研究，除了環境與 人為健康的考量外，無鉛銲錫的使用可以避免含鉛銲錫中的可能含少量的 Pb210同位素，它會衰退成 Pb206，而轉變成Bi 與發射出α粒子，這些例子在 經過矽元件時，會產生電子電洞對，有可能影響到MOS 元件的電容，而造

成”soft error failure”。

然而，對於業界而言，他們在乎的是如何準確預測一個元件的使用壽

命，J. R. Black於1969年提出的生命週期法方程式mean time to failure

（MTTF）可以用來描述電遷移的行為[5]，其中活化能的高低代表著抗電 遷移的能力，也可用來估算元件的生命週期，然而只有一些研究專注在計 算活化能，這些研究得到的值卻又不十分準確，因為大多定義當整個迴路 達開路的破壞準則，主要因為其量測結構多為雛菊花環結構(Daisy chain)， 無法感測到銲錫凸塊因微結構變化產生電阻的微小變化，只能針對整個迴 路的電阻變化來觀察，然而導致迴路開路原因並非一定由銲錫凸塊破壞所 引起，可能為其他的因素如鋁導線燒掉..等，畢竟銲錫凸塊不一定為整個 迴路中最弱的點，錯估了銲錫凸塊的破壞時間，則活化能的估算就不代表

著銲錫凸塊單純因電遷移造成破壞的能量；另外一點在於無法準確的修正 電遷移測試下銲錫凸塊的溫度，也會造成活化能值估算上的誤差。然而活 化能對於元件壽命的估算會有很大的影響，因其處在Black’s equation中的自 然指數項，即便活化能的估算有一點點的誤差，但對於平均破壞時間的估 算卻會有很大的差易可能達到數倍甚至數十倍，活化能也就喪失其重要性。 本研究就是要利用凱文銲錫結構(Kelvin structures)，如圖1-4所示，研究 銲錫受電遷移影響而產生的破壞。而在過去利用凱文結構在積體電路上做 電遷移觀測的相關研究可回溯到70年代，在Al stripe上利用凱文結構做詳細 的電性分析，該結構可針對欲量測的指令範圍做電性的觀測，且可避除接 點電阻對電性量測的影響。在此我們就是要利用其選擇性量測的優點，量 測單一顆銲錫凸塊因電遷移造成的初期破壞並以此破壞標準的時間來估算 其活化能，然而銲錫凸塊的溫度修正，也是選擇性量測特點的應用，量測 鋁導線在電遷移下的電阻變化，利用鋁導線的TCR效應轉換成其溫度來修 正，細部過程將於後續進一步介紹。

圖 1-2 封裝技術的發整與趨勢

第二章 文獻回顧

2-1 電遷移理論

電遷移是一種熱電混合效應促使質量的移動，這種質量移動的現象是藉 由電場與帶電載子對於離子原子的交互作用，然而對於金屬材料而言，質 量傳遞的方向與電子流方向相同，電遷移的現象可以藉由一短的導線在高 電流密度下的反應結果來說明。圖2-1 為鋁導線的電遷移情形，這是一典型 的 Blech 結構[6]，電遷移會導致在陽極端出現凸起或隆起物，在陰極端會 生成孔洞。 電遷移的驅動力主要是由電子風力與電場靜電力所組成，所謂電子風力 是指對於一材料施加電流作用下，電流中的電子不斷的與離子原子碰撞發 生動量轉移產生驅動力[7]。所以，電子流對於擴散的原子來說，是扮演著 一個牽引力(friction force)的腳色。另一個作用力：電場靜電力，即是單純 的離子原子受到電場的作用所產生的驅動力。其中電子風力與電子流方向 同向，且與靜電力反向，電子風力的驅動力大於電場靜電力，然而即便具 有兩種驅動力，電遷移現象也不一定會發生，必須具備有處在位能阱頂端 的原子存在，即高溫環境，電遷移才可能發生見圖2-2，其乃名符其實的熱 電混合效應。 接下來從數學的觀點來介紹其驅動力，前面已詳述電遷移的驅動力分為 兩部份，分別為電子風力與電場靜電力，兩作用力皆存在固體原子的擴散

行為，而固體裡原子的擴散通量可以寫成如下式:[6]

∑

+

∂

∂

−

=

i i i

F

CM

X

C

D

J

_(2.1) 第一項為化學式能梯度，第二項為外在力場梯度的總和，對於純金屬而言， 原子間沒有化學式能梯度的存在，所以第一項為零，然而第二項即是接下 來我們要討論的，電子風力與電場靜電力對於原子的交互作用力，將其簡 化可以寫成如下式：[6] wd el i i i

F

F

F

CM

=

+

∑

(2.2) 比較這兩種作用力的大小，我們可以知道電子風力的影響遠大於電場靜電 力，所以原子才會被從陰極端推往陽極端，除此之外，電子風力還可以改 寫成如下式: [7]

e

EZ

F

_wd

=

*

_(2.3) E 表示電場，Z*表示有效價數，Z*是一個參數表示他們受到電遷移的作用， 因此有效價數會隨著不同金屬原子而有不同的值。接下來將方程式 2.1 與 2.3 合併：[6] wd

CMF

J

=

_(2.4) M 表示原子的遷移率，C 代表原子的濃度。引入 Nernst-Einstein 方程式，電 子遷移率改寫成:

KT

D

M

=

_(2.5)

D 表示擴散係數，K 表示波茲曼常數，T 表示絕對溫度。結合方程式(2.3)， (2.4) 和(2.5)，我們可以得到電遷移最後的通量方程式:

eE

Z

KT

D

C

CMF

J

_em

=

_wd

=

*

_(2.6)

2-2 銲錫凸塊的電遷移行為

C4 製程早在 1960 年左右就由 IBM 所提出，最大的突破點在於晶片上 以面積陣列的方式增加 I/O 數目，以應付高效能的電子元件與增加凸塊數 目。然而在隨後的30 年裡，還是以金屬導線的電遷移為主要的研究對象，

以Paul S. Ho 與 Thomas Kwok[8]等人最具代表性。直到 1990 年的晚期，高

效能與高功率化的需求，覆晶封裝的方式開始被廣納採用，其電遷移現象 也才開始被討論，這領域以 Tu K. N.最具代表性。 現今，覆晶封裝已經被廣泛應用在高效能電子產品的封裝，目前銲錫球 的直徑大約是 100μm，所承載著約 0.2Ａ的電流，在不久的將來，I/O 凸塊 數不斷的增加與微小化，以及承載的電流會上升甚至加倍，必須往下個世 代 50μm 發展，屆時電流密度將達 104A/cm2，意味著電遷移將會是個很嚴 重的可靠度議題，當電流密度達到這個值，雖然此電流密度比鋁及銅內連 接線時代的電流密度低兩個維度，但的銲錫凸塊的確也會發生電遷移藉且 藉由晶格擴散方式，一般的解釋為銲錫凸塊熔點較低或是擴散速度較快， 然而最主要的原因可以從critical product [9]來看如下式：

ρ

ε

e

Z

Y

x

j

Δ

=

Δ

_*

Ω

_(2.7) Y 表示為楊氏係數，ρ表示電阻率，Ω表示原子體積，Δx 為 0.2%的彈性應 變，Δx 表示為會發生電遷移的臨界長度。利用此方程式可以藉由假設在一 已知的臨界長度條件下，反求得此臨界長度發生電遷移行為時，所需要的 電流密度值，結果顯示銲錫凸塊發生電遷移現象所需的電流密度小於鋁與 銅內連接線兩個維度，表示不用如鋁銅內連接導線那麼高的電流密度作用 下，銲錫凸塊也會有電遷移現象發生，此也為電遷移會發生在 104A/cm2的 電流密度的主因。 覆晶封裝的電遷移是一個很複雜的問題來自於其複雜的結構，在電流進 入銲錫凸塊介面，電子必須轉90 度，而且電子的行進面積從導線進入銲錫 凸塊突然增加有 100 倍之多，由於電子流路徑與可通行的截面積的改變， 使的此區域的電流聚集的現象很明顯，然而，在電流進入端附近，局部的 電流密度比較高，加上電流集中效應的影響，電流密度值比平均電流密度 高了將近一個維度，而造成了局部的溫度比較高，加速電遷移的破壞。因 此，為什麼覆晶封裝的電遷移議題需要被仔細考慮，因為電流集中效應造 成局部電流密度較高，焦耳熱效應造成局部溫度較高，兩效應的加乘，造 成此位置的原子電遷移的發生機率，為整個銲錫凸塊最高的點，並且造成 銲錫凸塊有許多不同的破壞模式如孔洞的生成與成長、不對稱的UBM 消耗 與溶解，將於後續進一步討論。

2-2.1 錫與鉛在電遷移下的擴散行為

D. Gupta 等人[10]研究不同溫度下錫與鉛的擴散現象，此研究係利用

210_{Pb 與} 113_{Sn 放射性同位素作為共晶鉛錫試片為追蹤子，實驗結果顯示，在}

120℃以上，鉛原子的擴散速率比錫快，而在 120℃以下，錫原子則擴散的

比鉛快如圖2-3 (a)。在溫度低於 400K 下，作 Arrhenius 的關係圖推出此時

的Pb tracer 與 Sn tracer 活化能分別是 84.8kJ／mol 與 77kJ／mol，同時其 δ 0

i D 分別為7×10-10 m3／s 與 7×10-12 m3／s。而界面能從量測擴散的結果算得為 150mJ／m2。當溫度超過 400K 其 δDi 會從Arrhenius 的關係式快速的上升， 到接近晶界擴散在多晶鉛與錫鉛合金的狀況如圖2-3 (b)。 Huynh 於2001年利用微影製程於單晶的矽晶圓上蝕刻出一V 形溝槽， 如圖2-4(a) [11]，溝槽的寬度為100μm，然後在兩端放上銅線當做電極使 用，最後利用毛細管現象將熔融的eutectic SnPb 銲料填滿溝槽後，再將表 面拋平如圖2-4 (b)。分別在150℃通以電流密度為2.8 ×104 A/cm2與室溫下通 以近兩倍的電流密度，在各別通電8天與12天後，在150℃下於陽極端形成 大的隆起（lump），而陰極端有巨大孔洞生成如圖2-5(a)與(b)，在室溫下的 電遷移現象比較不明顯如圖2-5(c)，而鉛與錫的分布情形重新以能量散佈光 譜儀來分析。在150℃陽極端的隆起處有95%的重量百分比為鉛，而室溫下 陽極端百分之92%的重量百分比為錫，這些現象說明了鉛在150℃下為主要 擴散載子，反之室溫下為錫，此結果與上述文獻相符合。

2-2.2 電流集中效應

覆晶銲錫凸塊的結構為銲錫球連接到晶片端內連接線與基板端的導 線，因為在內連接線的剖面面積比銲錫凸塊小了兩個維度，加上同樣的電 流流經，在銲錫球與內連接線接面會有很大的電流密度改變，這樣的改變 造就了電流集中效應。另一方面，電遷移的作用機制是利用電子與原子間 的碰撞所產生出來的效應，然而電子的行進路線會選擇最短或受最小阻礙 的路徑來行走。若路徑為曲線(假設整個路徑為同材質)，則因為最內側的路 徑電阻較小，所以通過的電子數量較多，於是在彎角的地方也會出現電流 聚集的情形。 在Everett C. C.等人的研究中[12]，提及導線與銲錫凸塊幾何形狀的差異 造成銲錫凸塊內部的電流集中情形，銲錫內部電流密度分布分析結果如圖 2-6 所示，並由實驗的結果證實此現象會造成銲錫凸塊中電流集中處有孔洞 生成，且使銲錫在電遷移可靠度測試的結果不如預期，結果推得如在設計 中引入可減緩電流集中效應的方法，可以提高銲錫凸塊的電遷移測試可靠 度。

2-2.3 焦耳熱效應與 TCR 效應

焦耳熱效應於1841年James Prescott Joule所發現的[13]，當一個帶電粒子

子發生碰撞都會造成一些能量損失而轉移成離子原子的動能或是震動能再 以熱能的方式表現出來進而導致溫度上升。實驗結果發現，金屬線在通電 下所產生的熱能正比於電阻與電流二次方的乘積，引入歐姆定律V=IR，則 焦耳熱能(電功率)可以表示為

R

V

IR

P

2 2

₌

=

_(2-8) 金屬原子，在高於絕對零度下，原子會在其晶格平衡位置上不斷的振 動，當溫度上升時，其震動的振幅也越大，因此電子在通過金屬導體時的 阻礙也越大，而電子所受的阻撓將直接反應在電阻上，也稱為 TCR 效應

(Temperature Coefficient of Resistance effect)。

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

=

0 1 0 0 1

1

T

T

R

R

R

TCR

_(2-9) S.H. Chiu等人 [14]由模擬結果提出由鋁導線進入銲錫交界處有熱點存 在，並利用紅外線顯像技術量測焦耳熱效應造成的溫升，發現主要發熱源 的確來自於鋁導線，並且驗證熱點的存在，如圖2-7，此乃為目前最直接可 以量測到銲錫球在電遷移測試下的溫度，然而焦耳熱效應將進一步造成電 阻上升。

2-3 電遷移造成銲錫凸塊破壞的機制

2-3.1 電遷移下造成不對稱的 UBM 消耗

在Y.C. Hu 等人[15]的研究中，在晶片端採用 14μm 厚的銅 UBM 與銅導 線及銲錫凸塊接合，在100℃下通以電流密度為 2.5 × 104 A/cm2，因在導線 與銲錫凸塊的介面處為電流集中效應區，此效應造成銅墊層快速的溶解， 不只有UBM 結構的銅層發生溶解，連部份的銅導線也都消耗掉，而銲錫就 沿著銅墊層回填到介金屬化合物層與鋁導線，促使銲錫凸塊加速破壞如圖 2-8 所示，因為被銲錫取代的銅線比原本未消耗前的銅線不具抗電遷移能 力，況且導線處的電流密度更高，所以會破壞更快。

2-3.2 電遷移下造成孔洞的生成

Everett C. C. Yeh,等人[12]的研究顯示，Al/Ni(V)/Cu 所構成的薄膜 UBM

結構，總厚度為1μm，在 125℃通以 2.25 × 104 A/cm2的電流密度，在電遷 移可靠度測試中，同時記錄電位的變化，發現當孔洞生成在UBM 與銲錫凸 塊的介面處時，電位有些微的變化，當孔洞延著此介面生長與橫越整個接 觸面積時，電位會瞬間的上升，並且發現到，孔洞生成的凝核時期，需要 比較多的時間，一旦孔洞生成，即快速的生長而導致迴路開路如圖2-9。 在 K. N. Tu 等人[16]的研究中，當 95.5Sn–4.0Ag–0.5Cu 銲錫球搭配 Al/Ni(V)/Cu 所構成的薄膜 UBM 如圖 2-10，在 146℃電流密度為 3.67×103

A/cm2的測試下，電阻上升15%後觀測到鬆餅狀的孔洞生成在介金屬化合物 與銲錫凸塊的界面處，經過 6 小時候孔洞橫越了整個界面，並提出數學模 型以解釋孔洞在界面成長的情形，利用此模型可以推算出，在不同的測試 條件下孔洞的生長速率及其對應的孔洞大小，最後經由實驗結果來驗證， 發現數學理論值與實驗結果十分吻合。

2-4 減緩電遷移現象的應變與討論

在覆晶銲錫凸塊電遷移可靠度測試中，主要破壞因子為電流集中效應造 成孔洞生成與 UBM 的溶解，在此可以藉由更換其他類型的材料或更改結 構的設計，藉此來減緩電流集中效應提高銲錫凸塊的可靠度。

2-4.1 UBM 種類的變換

T. L. Shao 等人[17]利用模擬的方法，針對不同材質與結構的 UBM，去 探討銲錫凸塊的電流密度分佈情形，研究中定義crowding ratio 為最大電流

密度除以UBM 處的平均電流密度並藉由 crowding ratio 的大小來推估抗電

遷移的能力，文中提出當五種不同結構的晶片端 UBM，分別為薄膜：Ti /

Cr-Cu / Cu、Al / Ni（V） / Cu，厚膜：Cu、Ni、Cu / Ni。crowding ratio 大

小分別是Ti / Cr-Cu / Cu > Al / Ni（V）/ Cu > Cu > Ni > Cu/Ni。實驗結果發

現crowding ratio 值越大，其破壞時間也就越短，與模擬結果相吻合。最後

2-4.2 UBM 厚度的改變

Jae-Woong Nah,等人[18,19]研究一個具有抵抗電流集中效應引起電遷移 破壞的結構，研究中採用厚為 5μm、10μm、50μm 的銅墊層接在 20μm 銲 錫凸塊上進行電遷移測試如圖 2-11，再搭配數值模擬方法去探討銲錫凸塊 的電流密度分佈情形，模擬結果顯示銲錫凸塊內部的電流密度分佈隨著銅 墊成的厚度越厚越均勻，達到50μm 厚的銅墊層時，電流集中效應已由銲錫 凸塊和銅墊層的介面與轉移到厚銅金屬墊層的內部，此轉移增加了銲錫凸 塊抗電遷移的能力，因銅金屬墊層本身就比銲錫凸塊更抗電遷移，在實驗 方面也證實同樣的結果，其破壞模式為銅墊層的快速溶解，與大量介金屬 化合物的生成，但此兩種結構皆比在銲錫凸塊更抗電遷移，且銅墊層越厚 有越長的 MTTF，然而 5μm 和 10μm 的破壞模式都一樣，到了銅墊層厚度 超過10μm 時，其主要破壞並非因電遷移效應所造成，反而伴是隨著熱遷移 現象取代電流集中效應而影響可靠度。

2-5 平均破壞時間

業界一般採用的生命週期法(MTTF)來表示一個元件的壽命。此為 Black 在1969 年時[6]所提出，文中研究鋁內連接線的電遷移破壞行為，並依據鋁 內連接線孔洞的產生率的條件下推得的MTTF，公式如下：

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

=

KT

Q

j

A

MTTF

_n

exp

_(2-10)

Ａ為常數，Q 為活化能，K 為波茲曼常數，n 為 2。然而，W. J. Choi,等人[20] 提出對於覆晶銲錫的 MTTF 需要考慮到嚴重的電流集中效應及焦耳熱效應 而修正如下式:

( )

(

)

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

Δ

+

=

T

T

K

Q

cj

A

MTTF

n

exp

(2-11) C 為電流集中效應因子，ΔT 為因焦耳熱造成的溫升。在 MTTF 的方程式 中，重要的兩個參數幾何因子 n 與活化能，分別在定溫下，搭配三個不同 電流密度;與定電流密度下，搭配三個不同溫度的測試條件，分別求得。過 程中，電流集中因子與焦耳熱效應的校正，對於 Q 與 n 的估算能更加的準 確，沒有這些校正，對於破壞時間的預測會有很大的誤差，因為此兩項分 別處在次方項與自然指數項中。

2-6 活化能的量測

W. J. Choi 等人[20]探討薄膜 Al/Ni(V)/Cu 的共晶錫鉛與錫銀銅凸塊在電 遷移測試下的平均破壞時間，測試條件在100℃到 140℃的加熱盤上通以電 流密度為1.9 到 2.75 x104 A/cm2，並藉由觀測電位變化來定義破壞標準，當 電位突然上升時即為破壞，其破壞方式主要在陰極端生成孔洞，並往界面 成長以及UBM 的溶解，另一方面，利用數值模擬的方式驗證破壞區域為電 流集中效應區。最後利用Black’s equation 去計算活化能，其溫度的校正利 用in-situ 的測試模式，在試片鍍上各種不同熔點的臘，觀測電遷移測試下，

試片鍍上哪兩種臘的狀態處於熔化與不熔化的交界，則可以此溫度來修正 銲錫凸塊的真實溫度，其估算出的共晶錫鉛與錫銀銅的活化能值分別為 0.5eV 與 0.8eV。 Paul S. Ho 等人[21]探討 18μm 的銅與 2μm 的電鍍鎳為晶片端金屬墊層 與Sn-3.5Ag 銲錫接著在電遷移下的行為，利用惠司同電橋量測銲錫球的電 位變化情形，定義兩種破壞標準，分別為電位第一次突然的上升；與整個 電路開路時，並利用熱電偶與數值模擬的方法來修正電遷移測試下銲錫凸 塊的真實溫度，而當電壓第一次劇升與電路開路時所求得的活化能分別為

圖2-1 電遷移在鋁線上的效應。[5]

圖2-3 利用 Arrhenius 關係式 RT Q e D D= 0 − 作圖。[9] 圖2-4 (a)為試片示意圖(b)為 V 形溝槽橫截面示意圖。[10]

(a) (b)

圖2-5 (a)於施加電流密度 2.8 × 104 A/cm2，經過8 天後觀察到陽極巨大隆

起，且Pb 於陽極形成帶狀分佈。(b)通電 8 天後，將表面拋去 10μm 後，

利用SEM 觀察發現陰極存在大孔洞。(c)常溫下，施加電流密度 5.7 × 104

圖2-7 (a)模擬結果提出在鋁導線進入銲錫交界有熱點存在(b)以紅外線顯像

儀量測因焦耳熱效應產生溫升，並驗證熱點存在。[13]

(a)

圖2-9 (a)-(d) 孔洞生成與成長在 125℃施加電流密度 2.25 × 104 A/cm2之連

圖2-10 (a) 鬆餅狀孔洞生成於 IMC 與銲錫球界面(b) 模擬孔洞生成之數學

圖2-11 (a) 5 μm 厚銅墊層施加 2.25 × 104 A/cm2的破壞情形。 (b) 10 μm 厚 銅墊層施加3 × 104 A/cm2於 100 ℃，100 小時後其破壞情形。 (c) 50 μm 厚

第三章 試片結構與實驗方法及步驟

本章節一開始先介紹此研究所使用的試片結構與加速電遷移的測試條 件，並介紹如何使用凱文結構來量測與監控銲錫凸塊電阻的變化，最後再 說明如何以鋁導線的TCR effect 來修正銲錫凸塊電遷移測試下的溫度。

3-1 試片製備

實驗的試片是由米輯科技（現飛信半導體股份有限公司）所提供錫鉛覆 晶封裝試片，實驗會用到的試片有兩種，分別為以Cu/Ni 與 Cu 為金屬墊層 的共晶錫鉛凸塊。

試片結構

研 究 用 的 試 片 結 構 如 圖 3-1 ， 線 路 設 計 如 圖 3-3 ， under bump metallization(UBM)的結構為 Ti / Cu / Cu / Ni，厚度分別為 0.5μm / 0.5μm / 5μm / 3μm，其中 Ti / Cu 層是以濺鍍方式鍍在晶片端上，再以 0.1μm 的 Cu 作為種子層，以電鍍的方式分別鍍上5μm Cu 和 3μm Ni 層。UBM opening 則以黃光微影定義其開口大小，然後用濕式蝕刻法，去除不要的區域，而

UBM opening 為 110 μm，直徑 125 μm，contact opening 為 85 μm。上層鋁 導線的寬度為100μm，厚度為 1.5μm，錫球凸塊的 pitch 為 1mm。基板部分 為FR5 基板，而基板上的金屬層分別為 30μm Cu pad 和 5μm Ni(p)由下而 上。在Cu pad 與 Ni(P)層間有 1 μm 的 Au 作為潤濕層。Cu pad opening 為

115μm，所使用的凸塊材質為共晶錫鉛銲錫，先將銲錫球以電鍍方式固定在 UBM 上，再以加熱爐加熱到 220℃約 1 分鐘。銲錫球高度為 70μm，最大球 徑為130μm，以上為 Cu/Ni 墊層的銲錫凸塊試片，Cu 墊層的銲錫凸塊試片 唯一的不同處在於只有5μm 的 UBM 如圖 3-2。

3-2 實驗方法與步驟

本研究整體上Black’s equation 為中心主軸，針對兩種試片：銅鎳與銅 金屬墊層的銲錫凸塊，找出其活化能。

3-2.1 電遷移的加速測試

為了求得 Black’s equation 中的活化能Ｑ值，必須針對定電流密度下不 同溫度去做加速測試。首先將先前提到的試片，放置到加熱盤上，並以耐 熱膠將試片平坦的固定好，不可黏著到晶片而影響其散熱效果，靜置試片 待其溫度與環境溫度（加熱盤）達到平衡後，再施以電流進行測試。測試 條件為分別在140、150、160℃下，通以 0.9A 的電流，通電迴路如圖（3-3）。

利用UBM opening 半徑為 60μｍ為考量，0.9A 的所對應電流密度為 7957.7 A/cm2。

3-2.2 以凱文結構各別量測銲錫凸塊與鋁導線電阻

圖3-2 為凱文結構的平面視圖，圖 3-4 為試片的剖面視圖，有四顆銲錫

鋁導線(尺寸於 3-1-1)連接到銲錫球上端的鋁墊層並將其串連一起，基板端 則有六條銅線分別連接至各個銲錫球下，銅導線厚30μm，寬 100μm，依序 標示為n1 到 n6，銲錫球由 b1 到 b4 分別連接了 1、2、2、1 銅導線。將試 片通以電流，電子流由 n3 往上通過 b2，然後經過鋁導線，往下通過 b3， 最後經由n4 離開。在通電的同時，量測 n1 和 n2 的電壓降，可以知道當時 b2 的電阻變化情形，相對的量測 n5 和 n6 與 n1 和 n6 的電壓降，可以各別 得到b3 與鋁導線的電阻變化，如此的量測方式，可以在電遷移發生的過程 中，即時偵測單顆銲錫球的電性變化，根據先前的研究結果，電遷移破壞 多發生在晶片端（電子流方向由晶片往基板端)，因此本實驗著重在 b3 與鋁 導線電性的量測，鋁導線的電阻量測用來做銲錫溫度的校正，然後破壞標 準當 b3 電阻上升至初始值的 1.2 倍時，即被定義為電遷移破壞，其電阻曲 線如圖(3-5)。

3-2.3 以鋁導線的 TCR effect 校正銲錫球的溫度

我們採用鋁導線TCR effect 來量測鋁導線的溫度。首先，因為凱文結構 的特性，可以單獨量測到測試條件下鋁導線的電阻值，因此我們將試片先 置於加熱爐中，通以0.2 安培的電流，加熱爐的溫度由攝氏 50 度，以 25 度 為區間，逐次加熱到攝氏 175 度，量測鋁導線的電阻隨著溫度的變化而變 化，將量測到的結果，把鋁導線電阻對加熱爐溫度作圖，利用線性迴歸找

出其方程式如圖(3-5)。為了避免所量測出 TCR 關係式受到焦耳熱效應的影 響，我們採用0.2 安培的電流，並用紅外線顯像儀來確認，其焦耳熱效應， 不到攝氏1℃。然而，將實際電遷移測試下的鋁導線電阻帶入此 TCR 關係 式，就可以得知鋁導線的溫度及通電下銲錫球的真實溫度。

3-2.4 試片破壞模式的觀察

將在不同測試條件下，且已達我們所定義的電遷移破壞條件的試片進行 破壞模式的分析，首先將試片依序以不同號數的SiC 砂紙由 120、600、1200、 2500、4000 做研磨，側向研磨至接近銲錫球的中間點，再依續以 1μm、 0.3μm、0.05μm 氧化鋁粉進行拋光，將拋光好的試片濺鍍上一層 Pt 膜，除 了可以防止試片氧化外，還可以增加SEM 觀測時的導電性。在破壞剖面如 圖 3-8 的觀察會利用到光學顯微鏡(OM)、JEOL 6500 掃描式電子顯微鏡 (SEM)，而在鑑定試片特定區域或相的組成則會利用 X 光能量分佈圖譜 (EDS)。

3-3 模擬銲錫凸塊內部電流密度分佈

為了幫助了解在電遷移測試下，破壞情形的發生，研究中建立三維的數 值分析模型藉由電流密度的分佈來與破壞模式的連結及進一步的分析。本 研究所採用的分析軟體為ANSYS，其分析流程分為三個階段，分別為前處 理(模型建立，材料參數設定與網格化)、求解(邊界條件與求解)、後處理(模

擬結果呈現與分析)。在模型建立前，需要經由金相得到試片截面的實際尺

圖3-1 銅鎳金屬墊層銲錫凸塊結構圖 圖 3-2 銅金屬墊層銲錫凸塊結構圖 Cu 30μm Electroless Ni 5μm 70 um Al 140μm 120 μm 1.5μm e-SnPb 110 μm Ni3Sn41μm Cu6Sn51μm Cu 5μm Cu 30μm Electroless Ni 5μm 70 um Ni3Sn41μm Al 140μm Cu 5μm Ni 3μm 110 μm 1.5μm e-SnPb 120 μm

圖3-3 凱文結構俯視圖 圖3-4 凱文結構剖面側視圖

Hot Plate

FR4

b1

b2

b3

b4

n1

n2

n3

n4

n5

n6

Al trace

圖 3-5 銲錫電阻組曲線圖

第四章 結果與討論

此章節大致上分為四部份,首先藉由三維數值分析法模擬其電流密度分 佈來預期破壞發生位置，接下來探討Cu/Ni 墊層與 Cu 墊層於共晶錫鉛凸塊 的電遷移行為，及說明如何校正銲錫凸塊溫度，最後計算其各別活化能。

4-1 模擬銲錫凸塊電流密度分佈

電遷移的破壞模式與銲錫凸塊內部的電流密度分佈有很大相關性，電遷 移的最佳詮釋為熱與電性的加成反應，而且電性會產生熱量。因此可以藉 由了解電流在銲錫凸塊內部的行為而幫助了解電遷移對銲錫凸塊造成的影 響。

Cu/Ni 與 Cu 墊層電流密度分佈

圖4-1 為模擬銲錫球在 160℃，通以 0.9 安培的電流電流密度分佈情形。 電流由左上角進入，左下角離開，配合實際實驗上的電流路線。因為一般 破壞模式大都發生在 UBM 與鋁導線的介面以及介金屬化合物和銲錫凸塊 的介面，因此我們將著重在此兩介面的分析。為了觀測鋁導線與 UBM 介 面，所以把鋁導線部份拿掉來做比較，使得 UBM 的電流密度分佈趨勢較 明顯不會受到鋁導線的電流密度影響。由模擬結果顯示，兩種UBM 結構在 電流進入端都有明顯的電流集中，然而最大電流密度差異不到1% 。圖 4-2 為銲錫凸塊內部的電流密度分佈，兩者即有明顯的差異，在電流進入端，

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 率的良導體，所以當電流沿銅墊層水平行走比垂直進入銲錫凸塊遇到的電 阻低，因此電流會先盡量在銅墊層內部分流再往下進入銲錫凸塊，然而銅 鎳墊層凸塊多了一層鎳墊層，讓電流在進入銲錫凸塊前能夠再度被分流， 因此銅墊層銲錫凸塊內部的最大電流密度會比銅鎳墊層的高；至於銅墊層 在銲錫凸塊前端為何會有第二個電流集中點，可能的解釋是當電流在銅墊 層內部散開時，電流進入銅墊層的位置，往前與往後流的分散能力不同， 端看兩端可行走的距離而言，當電流往前走時，可以分流的長度很短，在 沒有其他導電路徑可以走時，強迫往下流進入銲錫凸塊而形成另外一個電 流集中區。 初期的破壞位置預期可能發生在此兩介面的電流進入端，在鋁導線可能 發 生 UBM 溶 解 及 UBM 界 面 生 成 大 量 介 金 屬 化 合 物 其 成 份 組 成 為 (Cu,Ni)6Sn5，或許進一步形成孔洞；在介金屬化合物與銲錫凸塊介面，可能 發生的破壞為孔洞的生成。至於後續破壞的情形，則需另外建立初期破壞 模型來預測電流下一步的走向。另外一個可能發生破壞的地方從圖4-1 可看 出，在靠近基板端Cu 墊層的銲錫凸塊內部仍然有個小電流密度集中區，但 整體來說，兩墊層的銲錫凸塊其電流密度分佈趨勢相似。

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 告知多少電流從此處往零電位走，端看以哪個角度來看電流或電子流，但 電流密度分佈幾乎完全一樣。

4-2 破壞模式分析

一般研究發現，破壞最先且最主要發生在電子流向下的銲錫凸塊，因 此，當電子流向下的銲錫凸塊其電阻值上升至起始的 20%後，我們定義其 為電遷移破壞，但其實在電子流向下的銲錫凸塊有著 20%電阻上升的同 時，Cu/Ni 金屬墊層的試片，電子流向上的銲錫凸塊也有破壞的發生，其電 阻上升介於7%～30%區間，因此本研究把電子流向上的銲錫凸塊也將一併 納入討論。

4-2.1 Cu/Ni 金屬墊層破壞模式

A. 電子流向下的破壞模式 圖4-3 與圖 4-4，分別為未破壞前，與在 140℃下通了 2289.7 小時的電 遷移破壞後SEM 影像，比較兩張圖可以發現到，銲錫內部的相重新分布， 從均質變成上下兩相分佈，因為電子流由晶片端往基板端流動，而且在140 ℃的測試溫度下，鉛原子為主要的擴散載子，所以鉛原子被電子流推到基 板端，然而錫原子則被鉛原子反推回晶片端，並且各自在兩端積聚，形成 相分離。因為鉛原子聚集在基板端，且鉛原子與基板端的UBM 結構無法形

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 障層的功用，因此基板端的介金屬化合物當反應阻障層形成時，即緩慢生 長，也就不會再明顯變厚，而此層經EDX 成分分析其組成為(Ni,Cu)3Sn4。 相反的，錫原子聚集在晶片端，進而加速了錫與晶片端的UBM 反應速 率，另一方面，從模擬結果也顯示，在電流進入端有顯著的電流集中效應 發生，更加速電鍍銅與電鍍鎳墊層的消耗，當局部的鎳層完全消耗殆盡， 使得晶片端的介金屬化合物組成由Ni3Sn4固溶了Cu 原子轉變成(Ni,Cu)3Sn4

介金屬化合物在靠近鎳UBM 處，然而在靠近銅 UBM 處則為(Ni,Cu)6Sn5。

圖4-5 與圖 4-6 分別為在 150℃與 160℃下通了 662.1 小時與 334.3 小時 的電遷移破壞後影像，電子流方向由基板端往晶片端，這兩個條件下與在 140℃電遷移測試結果，有相似的破壞情形，相分離的現象一樣分明，在電 子流進入端的UBM 位置產生大量的介金屬化合物(Ni,Cu)6Sn5;介金屬化合 物明顯左側比較右側的厚，唯一的不同點在於左上角的電子流進入端處， 有孔洞的形成，而且溫度越高，孔洞破壞情形越大也越明顯，這是在140 ℃測試下所看不到的，然而造成這之間的差別，我們的推論如下，此三組 測試條件的差異在於溫度的不同，一般來說，溫度越高，擴散的速度越快， 也就是說UBM 的反應速度更快，消耗的也更快。因此，當電子流進入端處 的UBM 局部完全消耗並反應形成介金屬化合物時，此介面的接著性很差， 加上電流集中效應的加成下，UBM 處的介金屬化合物已經剝離(spalling)並

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 子，然而從模擬結果可以明顯發現，在UBM 端的電流密度分佈本來就比銲 錫凸塊內部高，此時佔據UBM 端位置的是錫原子，本身就比介金屬化合物 不抗電遷移，加上此位置比在銲錫凸塊內部承受更高電流密度作用下，於 是孔洞開始由此處形成，此機制可以從圖4-7 找到最好的証明,EDX 成分分 析發現大量的錫原子存在孔洞生成的附近。然而140℃的測試環境下沒有孔 洞生成，歸因於其UBM 的溶解速率比較慢還來不及形成孔洞。 B. 電子流向上的破壞模式 在電子流向上的銲錫凸塊，其主要破壞並非在晶片端，反而是以不規則 的介金屬化合物形成在基板端造成電阻上升，因為模擬電子流向上與向下 的電流密度分佈結果幾乎沒有差異，因此電子流向上的電流密度分佈就由 先前電子流向下的結果來看，從圖 4-1 的結果顯示,在靠近晶片端依然會有 電流集中效應，理論上破壞最嚴重的地方應該是此處，為何卻發生在電流 密度較低處的基板端，以下將說明。 圖 4-8、圖 4-9 與圖 4-10 分別為在 140℃、150℃、160℃下通以電流方 向由基板端往晶片端流動的電遷移破壞影像，相分離的現象在電子流向上 的銲錫凸塊同樣發生，不同的地方為兩相的分佈情形是相反的，然而僅僅 兩相分佈情形與電子流向下的相反造就了不同的破壞模式，主要的破壞位

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 完整，並不會像電子流向下的銲錫凸塊，發生局部位置的 UBM 完全的消 耗，形成大量且不規則的介金屬化合物，甚至孔洞的生成，反而是以一層 狀且厚度均勻的介金屬化合物存在基板端金屬墊層與銲錫凸塊的界面，且 其厚度隨著測試溫度的升高而變厚，此與擴散速度是溫度的函數有關，而 經過 EDX 的成分分析，此層介金屬化合物的組成為(Ni,Cu)3Sn4，雖然晶片 端的鎳UBM 的厚度與初始狀態相比的確變薄許多，但都依然完整並未因消 耗而造成局部缺角或破損，因此，介金屬化合物中的銅原子應該是來自於 基板端的銅墊層，順著電子流向晶片端擴散。當然也有可能來自於晶片端 銅UBM 濃度差造成銅原子由上往下擴散，但此時的電子流由基板往晶片端 流動，且電遷移的作用力比擴散的驅使力來的大，所以比較傾向前者。然 而為何晶片端的UBM 結構依然完整，主要因為鉛原子受到電子流的驅動往 晶片端移動與累積而形成一擴散阻障層，阻擋錫原子與減緩其進入鎳UBM 層進行化學反應。這也就是為什麼晶片端不是主要的破壞區域，即便電流 集中效應依然存在，因為從電子流向下的破壞模式來看，必須當UBM 溶解 後而進一步形成孔洞達到破壞，所以優先的破壞機制是需要充分的錫原子 與鎳或銅墊層發生化學反應。 基板端的破壞情形主要是介金屬化合物的生成，而且介金屬化合物的組

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 置，相分離發生時，在基板端聚集的為錫原子，初期階段基板端的無電鍍 鎳墊層就有大量的錫原子源與其發生化學反應形成 Ni3Sn4 的介金屬化合 物，加上電子流由下往上流，鎳原子不斷被帶出，反應更劇烈。當無電鍍 鎳墊層持續消耗時，其中的磷原子不會參予反應而不斷累積在介金屬化合 物與無電鍍鎳層的界面，一旦鎳與殘留的磷原子百分比達到 75%比 25% 時，無電鍍鎳層內部即再結晶形成Ni3P 層，到後來無電鍍鎳層會參雜不連 續的Ni3P 結晶層，然而，柱狀結構的 Ni3P 層提供一較快的路徑，幫助鎳原 子順著電子流的方向，透過 Ni3P 層的晶界，從無電鍍鎳層往 Ni3P/ Ni3Sn4 界面擴散出去而消耗，這些鎳原子不斷往外擴散的結果就是導致空孔通量 往反方向擴散，在Ni3P 層中累積與成核形成孔洞如圖 4-11 所示，圖中會看 到黑色一條條的線即為孔洞，這孔洞就是鎳原子不斷往外擴散的證據。 當無電鍍鎳層持續消耗下，無電鍍鎳層局部完全溶解，基板端的銅原子 藉著電遷移的驅使力進入銲錫內部與錫原子反應形成介金屬化合物，當銅 原子不斷的往外擴散後，會像無電鍍鎳層一樣，產生孔洞在無電鍍鎳與銅 金屬墊層交界如圖4-11 與 4-12 所示。相對的錫原子也可能進入基板端與銅 原子反應，雖然電子流方向由下而上，但鉛是此系統內的主要擴散載子， 所以當鉛被往上推的同時，錫原子其實是被往下推的；一旦無電鍍鎳層完 全反應，銅原子將被電子流帶往銲錫內部而錫原子也可能會回填到銅墊

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 原子即進入銅墊層，開始產生 Cu6Sn5介金屬化合物，隨著電遷移測試時間 的加長而變厚，然而因為基板端有著厚銅金屬墊層，並且從相圖與熱力學 可知當有足夠的銅反應源時，會生成 Cu3Sn 相，Cu3Sn 比 Cu6Sn5的介金屬 化合物相更趨於穩定，因此慢慢的Cu6Sn5轉換成Cu3Sn，Cu3Sn 並且慢慢變 厚，在轉變過程會釋放出三個錫原子，這三個錫原子會吸引九個銅原子形 成 Cu3Sn 穩定相，而反應源是由受電遷移驅使由銅墊層往 Cu3Sn 層移動的 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。 圖4-9 與 4-10 顯示在基板端電子流進入銲錫凸塊的交界發現有孔洞的存 在，回顧先前模擬的結果，此交界處也有小的電流集中的現象發生，若沒 有模擬銲錫凸塊電流密度分佈的輔助，或許會單純認為這可能由界面反應 所造成的破壞，或者人為因素造成，而忽略了電流集中效應在此的作用。

4-2.2 Cu 墊層的破壞模式

A. 電子流向下的破壞模式 Cu 墊層的銲錫凸塊破壞模式其實與 Cu/Ni 墊層的很相似，因為從其電 流密度分部的趨勢來看很相像，UBM 的差異所造成的影響可能在於反應速 率的快慢，因此差異性可能反應在達到破壞條件所需的時間。圖4-14 為在

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 端，從圖中發現依然有相分離的現象存在，但並非兩相分明的分佈，主要 可能由於測試的時間很短，並沒有足夠的時間使其擴散達到兩相分明。鉛 原子在此系統中依然是主要的擴散載子並且聚集在基板端，而錫原子則聚 集在晶片端。Cu 與 Cu/Ni 金屬墊層的銲錫凸塊有著類似的破壞機制，如此 的相分佈，會在晶片端加速Cu 墊層的消耗，在電流進入端由於電流集中效 應使得局部溫生較高，銅墊層的消耗更顯著，當局部完全消耗反應成介金 屬化合物，其成份組成為 Cu6Sn5，在電遷移持續作用下，介金屬化合物順 著電子流的方向被往下帶而剝離(spalling)如圖 4-15，因為此時介金屬化合 物與鋁導線的接著性並不好，此為晶片端主要的破壞模式。當鉛原子聚集 在基板端形成一擴散阻障層，阻斷了錫原子與基板端金屬墊層的反應路 徑，因此，基板端的介金屬層只有稍微的變厚，而且以層狀分布，整個基 板端的界面是穩定的。 圖4-16 與圖 4-17 分別為在 150℃與 160℃下通了 71.3 小時與 65.6 小時 的電遷移破壞後影像，電子流方向由晶片往基板端，其破壞模式與140℃的 結果相似，整體情況也與銅鎳UBM 的結果雷同，在較高的測試溫度下（150 ℃與160℃）則有孔洞開始在電子流進入端形成。然而孔洞的生成機制，可 以藉由三張圖比較發現，在150℃與 160℃下，孔洞生成處的界面並沒有介 金屬化合物的存在，對照140℃下的結果，只有介金屬層的剝離，銅與鎳原

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 孔洞產生，因此我們可以推估，在150℃與 160℃下，因更高溫的測試下， 電子流進入端的Cu 墊層消耗更快而形成介金屬化合物，且因為界面接著性 差，在很快的時間內介金屬化合物受電子流的作用被往下帶而剝離，因界 面接著性差，此時，剩下錫原子殘留在晶片端金屬墊層的位置，由模擬電 流密度分佈結果可知，錫原子在此受到的電遷移作用力比在銲錫凸塊內部 大，作用力驅使銲錫原子與空位進行交換反應，在銲錫不斷被電遷移下， 空位不斷往鋁導線界面移動且沉積而形成孔洞，此即為孔洞的生成機制。 B. 電子流向上的破壞模式 Cu 金屬墊層的銲錫凸塊在電子流向上的破壞情形並沒有 Cu/Ni 金屬墊 層如此嚴重，可能原因的一部份是反應時間與Cu/Ni 墊層的銲錫凸塊比起 來短太多，而從電性量測的結果發現電阻幾乎都沒有上升，與金相所看到 的結果也相符合，有些電阻值甚至都是下降的趨勢，可能的原因在沒有其 他破壞的產生下持續受到退火處理，使其下降。圖4-18 到 4-20 分別為在 140℃、150℃與 160℃下通以電子流方向向上的電遷移破壞影像，其相分布 情形與電子流向下的情況相反(富鉛與富錫相和大量介金屬化合物的生成位 置)，鉛原子也趨向會在晶片端形成一阻障層，所以晶片端微結構並沒有什 麼變化。基板端的介面情形與Cu/Ni 金屬墊層相似，有充足的錫原子不斷

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 短，加上無電鍍鎳層的反應速率慢，基板端的電流密度也較晶片端小，因 此Cu 金屬墊層的基板端並沒有什麼破壞。在 140℃，因測試時間比其他的 稍微長，因此無電鍍鎳層的厚度變的比較薄，但也沒有發生局部無電鍍鎳 層的完全消耗並在銲錫內部與基板端銅墊層形成大量介金屬化合物的產 生。

4-3 銲錫凸塊溫度的校正

長久以來，銲錫凸塊在電遷移測試下的溫度量測一直是個很大的遺憾， 原因在銲錫凸塊整個被包覆起來，上端接晶片下端接著基板，中間還以高 分子膠填充，以及許多導線充斥著，無法直接量測到銲錫凸塊的溫度，大 多以熱電偶量測晶片端的溫度來近似之，或是利用三維的數值分析軟體來 模擬電遷移下銲錫凸塊的溫度分布。到目前為止，最直接能量測到銲錫凸 塊的溫度是S.H. Chiu 等人利用紅外線顯像儀觀測電遷移下鋁導線與金屬墊 層的溫度分佈(俯視圖)[13]，且從模擬結果發現在電流進入鋁導線與銲錫凸 塊的交界有一熱點的產生，並利用紅外線顯像儀證明熱點的存在。因此， 我們想了解，在我們的試片結構下，是否有熱點產生以及其溫度分佈會是 如何？所以同樣的，我們用紅外線顯像儀去觀測鋁導線與鋁墊層的溫度分 佈，並且抓取兩端鋁墊層上方的平均溫度與鋁線上三點位置的平均溫度進

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 流時，因焦耳熱效應所產生的溫升整理。隨著通過的電流越大，溫升也越 高，而鋁導線的平均溫度與鋁墊層的平均溫度開始有了落差，但是即使所 通過的電流值達到 1.2 安培，兩者的溫度差也僅僅只有 1.8℃的差異，而在 我們電遷移測試條件下的 0.9 安培，鋁墊層與鋁導線的溫差更是在 1℃以 內，因此，我們可以說鋁導線的溫度在0.9 安培測試下已經近似於鋁墊層的 溫度，且此結構下並沒有明顯的熱點產生。 另一方面，銲錫凸塊在晶片端結構是由金屬墊層與銲錫球相接，在金屬 墊層部分更是高熱導係數的金屬，所以導熱能力很好，使得銲錫凸塊與金 屬墊層的溫度也會達到相近，因此，鋁墊層的溫度也可近似於銲錫凸塊的 溫度，意味著鋁導線的溫度近似於銲錫凸塊的溫度。然而，為何不以此量 測結果來當作銲錫凸塊的溫度，其主要考量因素如下，紅外線顯像儀的背 景溫度只到攝氏 100 度，實際測試溫度則在攝氏 140 到 160 度，因此所量 測到的溫度會忽略因 TCR 效應所造成溫升變化，只能得到相對溫升的大 小，而無法得到準確的絕對溫度值，加上量測過程也會受到相臨物體間輻 射傳遞與訊號在大氣衰減的影響。 本研究中，因為凱文結構的量測方式，可單獨且同時量測到鋁導線的電 阻，將此加上鋁導線的TCR 效應，藉由偵測鋁導線的電阻來轉換成電遷移 下銲錫凸塊的溫度。對金屬而言，電阻是溫度的函數，可以很敏銳的顯示

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 與溫度的關係式可以近似如下：

[

1

₀

(

₀

)

]

0

T

T

R

R

=

+

α

−

_(4.1) R 為溫度 T 的電阻值；R0為 T0的電阻值；T 即為某溫度下；α0為溫度 T0 時的電阻率，將其進一步展開如下： 0 0 0 0

R

T

R

T

R

R

=

+

α

−

α

_(4.2) 當T0＝0℃時，R0αT0＝0，再將其改寫如下:

T

R

R

=

₀

+

α

'

_，其中

α

' R

=

₀

α

_(4.3) R 為溫度 T 的電阻值；R0為 0℃的電阻值；T 即為某溫度下；α0為 0℃時 的電阻係數，此方程式等同於經由線性迴歸下所近似的方程式，因此只把 所量測到的鋁導線電阻，帶入線性回歸下的方程式，即可知道銲錫凸塊在 電遷移測試下的真實溫度。但是，此方程式有其適用條件，當在任一溫度 下與所量測 TCR 效應的試片有相近的電阻的試片，代表著其在 0℃下是等 電阻的，此溫度修正才正確。

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 培的電流作用下，焦耳熱效應產生的溫升將近16℃與 21℃上下，此方法能 夠更真實的呈現銲錫凸塊在電遷移下的溫升，至於為何銅墊層的溫升會比 銅鎳墊層的溫升還要高大約5℃，主要原因來自於矽晶片厚度的不同，矽晶 片是良好的散熱體，不同厚度下散熱的能力也不同，銅鎳墊層的矽晶片厚 度為750μm 而銅的為 250μm，因此造成兩者溫升的不同。

4-4 活化能的量測

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 equation 經由簡化如下式： ) exp( KT Q MTTF ∝

_(4-4) 假設在 100℃下施以 0.9A 的電流，將先前得到的活化能代入，對於銅

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

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

- Pb Sn (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

- Pb Sn (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4-23 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