覆晶銲錫接點在通電下焦耳熱效應及熱遷移之研究

覆晶銲錫接點在通電下焦耳熱效應及熱遷移之研究

Investigation of Joule heating effect and thermomigration

in flip-chip solder joints under current stressing

研 究 生：蕭翔耀 Student：Hsiang-Yao Hsiao

指導教授：陳 智 Advisor：Chih Chen

國 立 交 通 大 學

材料科學與工程學系

博 士 論 文

A Dissertation

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

in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of

Doctor of Philosophy in

Materials Science and Engineering

July 2009

Hsinchu 30050, Taiwan, ROC

覆晶銲錫接點在通電下焦耳熱效應及熱遷移之研究

研究生：蕭翔耀 指導教授：陳智博士

國立交通大學 

材料科學與工程系所 

 

摘要

由於可攜式電子元件越做越小，銲錫接點的尺寸也因此縮小的特別快；也造 成了各個銲錫接點內的電流密度快速增加。隨著電流的增加，造成銲錫接點內嚴 重的焦耳熱效應(Joule heating effect)，接點內的溫度也快速上升。因此，真實的 量測到銲錫接點內之溫度分布是很重要。但因為銲錫接點被矽晶片，高分子填充 物(underfill)和基板所包圍；要直接量測到銲錫接點內的溫度是很困難的。本篇 論文的主要主軸是利用紅外線熱像儀(thermal infrared microscopy)在不同的通電 條件下，直接量測銲錫接點內的溫度分布情形。也因此可以發現銲錫接點內的一 些熱特性，如溫度增加，溫度梯度(thermal gradient)和熱點(hot spot)溫度。我們主 要是利用共晶錫銀(SnAg3.5)銲錫接點來做溫度分布的量測，發現在銲錫接點內 有個熱點的存在；其一是在銲錫接點內部電流密度集中區(current crowding)，另 一個則是在晶片端銲錫接點的邊緣靠近高分子填充物的地方。在通以電流密度 1.06 × 104 A/cm2下，銲錫接點內的平均溫度是 150.5 °C；而兩個熱點的溫度分別 是 161.7 °C 和 167.8 °C。另外，我們亦研究 under-bump-metallization (UBM)厚度 的效應對銲錫接點內溫度分布的影響。由實驗結果可以發現，較薄的 UBM 厚度

會在銲錫接點內產生較高的熱點溫度。

在電遷移(electromigration)的過程中，焦耳熱效應永遠扮演著很重要的角 色。在不同階段的電遷移過程中，空孔(voids)的生成與延伸可能會影響到銲錫接 點內的焦耳熱效應。所以，我們利用凱文結構(Kelvin bump probes)和紅外線熱像 儀來探討在電遷移的過程當中，空孔的生成與延伸和焦耳熱效應的關係。我們觀 察到空孔的生成在銲錫接點內的電阻上升到原來的 1.2 倍時；而當電阻增加時， 空孔也隨之延伸。此外，隨著通電時間的增加造成銲錫接點內的電阻也上升，因 而發現銲錫接點內的溫度也隨之上升。而在通電的後期，銲錫接點因為電組上升 和焦耳熱效應的影響，使得接點內的溫度快速上升。 由於鋁導線在加速電遷移測試的過程中是主要的發熱源，它所造的焦耳熱效 應讓銲錫接點內產生了溫度不均勻的現象；在覆晶封裝銲錫接點內創造了極大的 溫度梯度。因此，我們利用交流電(alternate current)來減去通電時的電遷移效應， 直接觀測銲錫接點內的熱遷移效應(thermomigration)。因為在交流電的驅使下銲 錫接點內不受電遷移效應影響；而且所造成的焦耳熱效應是與通以直流電是相同 的。我們利用共晶錫鉛(eutectic SnPb)和錫銀銲錫接點來研究熱遷移效應，並利 用聚焦式離子束(focus ion beam)在銲錫接點內產生標記點(marker)來直接量測熱 遷移通量(thermomigration flux)。研究發現當共晶錫鉛銲錫接點在 9.7 × 103

A/cm2

電流密度下且加熱溫度為 100 °C 時，可以產生很高的溫度梯度大約 2143 °C/cm。 在熱遷移效應測試的前後，我們使用聚焦離子束來產生標記點，來計算銲錫的熱

遷移速率。我們可以得到銲錫熱遷移通量 3.3×1013 atoms/cm2和鉛的熱傳送值 26.8 kJ/mole。  另外，在無鉛銲錫熱遷移研究方面，本實驗是利用共晶錫銀銲錫接(SnAg3.5) 在加熱板溫度為100 °C時，施加0.57安培的交流電，做熱遷移效應的觀察。在此 電流下可以觀察到銲錫接點內有大約2829 °C/cm的溫度梯度產生。實驗結果發現 在熱遷移的效應下，錫是往銲錫接點內較熱端即晶片端來移動。我們同時量測到 錫的熱遷移通量和熱傳送量(molar heat of transport)分別是5.0×1012

atoms/cm2 和

Investigation of Joule heating effect and

thermomigration in flip-chip solder joints under

current stressing

Student：Hsiang-Yao Hsiao Advisor：Chih Chen

Department of Materials Science and Engineering National Chiao Tung University

 

Abstract

To meet the miniaturization trend of portable devices, the dimensions of the

solder bumps continue to shrink, causing the current density in each solder joint to

increase abruptly. With the increase of applied current, the temperature increased

rapidly due to Joule heating. Therefore, temperature measurement in the solder joint

becomes a important issue. Because the solder joints are completely surrounded by an

IC chip, underfill and a substrate. Thus it is difficult to measure the temperature

distribution around the solder joints. This dissertation focuses on the measurement of

the temperature distribution in the solder bump at various stressing conditions by

thermal infrared microscopy. It can also help us to explore the thermal characteristics

in the solder joint, such as temperature increment, temperature gradient and hot spot

temperature. We used eutectic SnAg3.5 solder joints with typical dimensions to

in the bump. One is located at the region with peak current density, and the other one

is at the bump edge under the current-feeding metallization on the chip side. Under a

current stress of

1.06 × 104

A/cm2, the temperature in the two hot spots are 161.7 °C and 167.8 °C, respectively, which surpass the average bump temperature of 150.5 °C.

In addition, effect of under-bump-metallization (UBM) thickness on the hot

spots is also examined. It indicates that the hot-spot temperature in the solder bump

increases for the solder joints with a thinner UBM.

During electromigration test, Joule heating effect in the solder bump plays an

important role. For this reason, the Joule heating effect at various stages of

electromigration of flip-chip Sn3.5Ag solder joints was investigated under a current of

0.5 Amp at 100 °C. During various stages of electromigration, voids may form and

propagate. Thus Joule heating effect may vary at different void sizes. To verify the

void nucleation and propagation on Joule heating effect during electromigration

process, the solder bump was stressed for different lengths of time and then examined

by Kelvin bump probes and infrared microscopy. We found that voids started to form

at approximately 1.2 times of the initial bump resistance. Then the voids propagated

when the bump resistance increased. In addition, the temperature of the solder joints

temperature of the solder bump increased rapidly due to the dramatic increase in the

bump resistance and local Joule heating effect.

Joule heating in the silicon chip generates a thermal gradient in a flip chip

solder joint. Since Al traces serve as the major source of heat during accelerated

electromigration tests, high current stressing also produces a non-uniform temperature

distribution, creating a large thermal gradient in a flip chip solder joint.

Therefore, we used alternate current (AC) to the joint to decouple the

thermomigration from electromigration effect, since there is no electromigration

effect under the AC stressing. Yet the AC produces the same amount of Joule heating

as the direct current dose. Eutectic SnPb and lead-free solders have been adopted by

the microelectronics industry. To measure the thermomigration rate directly, markers

fabricated by focus ion beam are employed. The thermomigration flux of Pb is

measured to be 3.3×1013 atoms/cm2, when the solder bump was stressed by 0.55 Amp

at 100°C. With the known thermal gradient, the molar heat of transport of Pb can be obtained as 26.8 kJ/mole.

About the thermomigration in lead free solder joint, it is found that Sn atoms

migrated toward the hot end. The thermomigration flux and molar heat of transport

are measured to be 5.0×1012 atoms/cm2 and 1.36 kJ/mole, respectively, when the solder

誌謝

非常感謝陳智老師這四年來的辛勤指導，除了在專業能力上的授與外；在待 人處事方面也教育了我許多事情。老師也給了我很多出國開會的機會，能更深入 了解國外的民情風俗，也透過學術會議的交流讓我的專業能力更上一層樓。接下 來要感謝清華大學奈米工程與微系統所的饒達仁老師對本論文細心指教及所提 供的紅外線熱像儀對本研究有非常多的幫助。也要謝謝高雄日月光部經理賴逸少 博士，台灣大學材料所高振宏老師和本校的謝宗雍老師百忙之中抽空來指導學生 的研究，讓學生的論文能夠更加嚴謹，在此獻上萬分感謝。         在來就是感謝實驗室的學長姐們，實驗室永遠的大哥大超哥，搞笑界的天王 書宏，大掌櫃慶榮，還有用生命在打籃球的鈺庭，以及錫晶鬚的高手程昶；最重 要的就是我的衣食父母、恩公，最挺我也最照顧我的聖翔大帥哥。還有就是青春 美麗永遠的實驗室之花筱芸；和實驗室之寶陽光老宅男詠湟。因為有你們先前的 鋪路才有現在的實驗室。 另外就是對實驗是貢獻最多最厲害的世緯及阿丸(元蔚)，實驗室沒有你們， 也不會有這麼好的一個規模。喜愛跑步的健民，相信你一定可以跟阿甘一樣厲 害。實驗室的電腦和網路專家宗寬，感謝你把實驗室網路管的這麼好。實驗室的 另一枝花佳凌學姊，去美國都是用美金的好嘛。實驗室的未來超級巨星 QQ，實 驗室以後靠你了；還有就是上知飛機下了汽車的龍哥(瑋安)，我有這個榮幸跟你 唱歌嗎?還有就是永遠都跟我一樣羞澀的岱霖；另外就是實驗室＂＂最努力＂＂ 的郭爽爽(建志)。以及綽號來源很不輸胡的菜頭(右峻)，他姓梁不姓蔡歐。還有 就是實驗室的兩朵小花兒；過爽爽的接班人楊咩(若薇)和曉葳。因為有你們讓我 這四年的博士班生活過的很快樂也很充實，真的很感謝你們。 最後要感謝我的家人們:爸爸、媽媽、乾爹、乾媽，老姊、老哥；謝謝你們 在背後支持我，我才能無憂無慮的拿到博士學位，我愛你們。

目錄

摘要 ... I

 

Abstract ... IV

 

誌謝 ... VII

 

目錄 ... VIII

 

圖目錄 ... X

 

第一章 研究動機 ... - 1 -

 

第二章文獻回顧 ... - 4 -

  2-1 覆晶封裝技術簡介 ... ‐ 4 ‐  2-2 無鉛銲錫 ... ‐ 7 ‐  2-3 銲錫接點內的電遷移現象 ... ‐ 8 ‐  2-3-1 電遷移效應理論 ... ‐ 8 ‐ 

2-3-2 焦耳熱效應(Joule Heating Effect) ... ‐ 13 ‐ 

2-3-3 電流集中效應(Current Crowding Effect) ... ‐ 16 ‐ 

2-3-3 銲錫接點內的熱點研究 ... ‐ 18 ‐  2-3-4 無鉛銲錫的電遷移 ... ‐ 20 ‐  2-4 銲錫接點內的熱遷移現象 ... ‐ 21 ‐  2-4-1 熱遷移效應理論 ... ‐ 21 ‐  2-4-2 共晶錫鉛銲錫接點內的熱遷移 ... ‐ 23 ‐  2-4-3 無鉛銲錫接點內的熱遷移效應 ... ‐ 31 ‐ 

第三章 實驗與方法 ... - 33 -

 

3-2 溫度量測 ... ‐ 35 ‐  3-3 以凱文結構來量測銲錫接點電阻 ... ‐ 43 ‐ 

第四章 結果與討論 ... - 46 -

 

4-1 覆晶銲錫接點內的焦耳熱效應 ... - 46 -

  4-1-1 直接量測銲錫接點內的溫度分布 ... ‐ 46 ‐  4-1-2 UBM 厚度對銲錫接點內的溫度分布影響 ... ‐ 54 ‐  4-1-3 電遷移下銲錫接點內不同階段破壞對焦耳熱效應的影響 ... ‐ 62 ‐  4-2 覆晶封裝共晶錫鉛銲錫接點在交流電驅使下的熱遷移效應 ... ‐ 76 ‐  4-2-1 銲錫接點內溫度梯度之研究 ... ‐ 76 ‐  4-2-2 電流密度與溫度梯度的關係 ... ‐ 78 ‐  4-2-3 熱遷移效應之研究 ... ‐ 80 ‐  4-2-4 熱遷移通量和熱傳送值的計算 ... ‐ 82 ‐  4-3 無鉛銲錫接點在交流電的驅使下的熱遷移行為 ... ‐ 84 ‐ 

第五章 結論 ... - 90 -

  5-1 銲錫接點內溫度與溫度梯度之研究： ... ‐ 90 ‐  5-2 覆晶銲錫接點內熱遷移效應之研究： ... ‐ 91 ‐  5-3 電遷移效應下錫銀銲錫接點破壞模式與焦耳熱效應的關係： ... ‐ 92 ‐ 

參考文獻 ... - 93 -

                 

圖目錄

圖一 : 自動對位過程。 ... ‐ 6 ‐  圖二 : 鋁導線通入高電流後，所產生的外型變化橫切面示意圖。在陰極有 空孔生成, 而陽極有突出物產生7 。 ... ‐ 10 ‐  圖三 : 125 ΜM 共晶錫鉛銲錫接點在 150 °C 下通入 6.8 ×103 A/CM2 的電流密度，經過 100 小時後，電遷移破壞銲錫球接點。電子流動方向如箭頭所示12。 ... ‐ 11 ‐  圖四 : (A)通入 0.59 A 電流，以紅外線熱像儀觀測到的溫度分布。(B)通入電流時，銲錫 接點內部溫度分布模擬22 。 ... ‐ 15 ‐  圖五 : 有限元素分析銲錫接點內部電流密度分布示意圖23 。 ... ‐ 17 ‐  圖六 : 模擬結果提出在鋁導線進入銲錫接點交界有熱點存在22 。 ... ‐ 19 ‐  圖七 : 錫鉛接點-A，歷過 16 小時、1.3×10-4 A/CM2電流密度之 SEM 圖1 。 ... ‐ 26 ‐  圖八  :  錫鉛接點-B，歷過 16 小時、1.3×10-4 A/CM2電流密度之 SEM 圖1 。 ... ‐ 27 ‐  圖九 : 在 1.0 安培電流負載下，有限元素分析結果 (A)錫鉛接點內部溫度分佈 (B)錫鉛 接點內垂直溫度分佈1 。 ... ‐ 28 ‐  圖十 : 複合錫鉛銲錫接點在熱遷移效應下的電子顯微鏡影像圖32 。 ... ‐ 29 ‐  圖十一 : 未通過電流之銲錫接點橫截面電子顯微鏡影像圖(A)通電前(B)通電後33 。 ‐ 30  ‐  圖十二 :電流未通過之共晶錫銀銲錫接點橫截面電子顯微鏡影像圖(A)通電前(B)在 150 °C 下通以 0.55 安培之結果36。 ... ‐ 32 ‐ 

圖十三 : 試片結構示意圖(A) 5 ΜM-CU UBM 銲錫接點(B) 5 ΜM-CU/3 ΜM-NI UBM 銲 錫接點。 ... ‐ 34 ‐  圖十四 : 銲錫接點內溫度量測裝置示意圖。 ... ‐ 37 ‐  圖十五 : 紅外線熱像儀結構圖。 ... ‐ 40 ‐  圖十六 : 交流電示意圖。 ... ‐ 42 ‐  圖十七 : (A) 凱文銲錫結構俯視圖(B) 凱文銲錫結構剖面側視圖。 ... ‐ 45 ‐  圖十八 : 共晶錫銀銲錫接點在通以 0.2 安培的電流下溫度分布和溫度曲線圖(B) 水平 分布於銲錫接點內(AH1) (C)垂直分布於銲錫接點內(AV1)。 ... ‐ 48 ‐  圖十九 : 共晶錫銀銲錫接點在通以 0.4 安培的電流下溫度分布和溫度曲線圖 (B) 水平 分布於銲錫接點內(AH2) (C)垂直分布於銲錫接點內(AV2)。 ... ‐ 49 ‐  圖二十 : 共晶錫銀銲錫接點在通以 0.6 安培的電流下溫度分布和溫度曲線圖(B) 水平 分布於銲錫接點內(AH3) (C)垂直分布於銲錫接點內(AV3)。 ... ‐ 50 ‐  圖二十一 : 銲錫接點內熱點 B 示意圖。 ... ‐ 52 ‐  圖二十二 : 模擬銲錫接點內通以 0.6 安培的電性分布圖。 ... ‐ 53 ‐  圖二十三 : 5 ΜM-CUUBM 共晶錫銀銲錫接點在通以 0.2 安培的電流下溫度分布和溫度 曲線圖(B) 水平分布於銲錫接點內(BH4) (C)垂直分布於銲錫接點內(BV4)。 .... ‐ 55 ‐ 

曲線圖(B) 水平分布於銲錫接點內(BH5) (C)垂直分布於銲錫接點內(BV5)。 .... ‐ 56 ‐ 

圖二十五 : 5 ΜM-CUUBM 共晶錫銀銲錫接點在通以 0.6 安培的電流下溫度分布和溫度 曲線圖(B) 水平分布於銲錫接點內(BH6) (C)垂直分布於銲錫接點內(BV6)。 .... ‐ 57 ‐ 

圖二十六 : 5 ΜM-CU 和 5 ΜM-CU/3 ΜM-NI 兩種不同 UBM 銲錫接點內部平均溫度(A) 和熱點溫度(B)的變化趨勢圖。 ... ‐ 59 ‐  圖二十七 : 兩種不同 UBM 銲錫接點內在不同電流驅使下，電流與溫度梯度的關係曲 線。 ... ‐ 61 ‐  圖二十八 : 100 °C 通 0.5 A 電流（A）未通電前（B）100.0 小時（C）544.2 小時（D） 1094.8 小時（E）1351.8 小時（F）1431.0 小時 ... ‐ 64 ‐  圖二十九 : 通電 0 小時下，銲錫接點內溫度分布圖 ... ‐ 66 ‐  圖三十 : 通電 100.0 小時下，銲錫接點內溫度分布圖 ... ‐ 67 ‐  圖三十一 : 通電 1094.2 小時下，銲錫接點內溫度分布圖 ... ‐ 68 ‐  圖三十二 : 通電 1351.8 小時下，銲錫接點內溫度分布圖 ... ‐ 69 ‐  圖三十三 : 通電 1431.0 小時下，銲錫接點內溫度分布圖 ... ‐ 70 ‐  圖三十四 : 通電 0 小時下，銲錫接點內三個不同位置垂直溫度分布圖 ... ‐ 73 ‐  圖三十五 : 電阻上升 1.2 倍時，銲錫接點內靠近空孔和遠離空孔垂直溫度分布圖 . ‐ 74 ‐  圖三十六 : 電阻上升 2.0 倍時，銲錫接點內靠近空孔垂直溫度分布圖 ... ‐ 75 ‐  圖三十七 : (A)銲錫接點在通電前的溫度分布(B)銲錫接點在通以 0.55 安培電流後的溫度 分布(C)沿著(B)虛線的溫度分布曲線 ... ‐ 77 ‐  圖三十八 : 銲錫接點內電流與溫度梯度的關係圖 ... ‐ 79 ‐  圖三十九 : 通電前後銲錫接點的背向散射掃描式電子顯微鏡影像 ... ‐ 81 ‐  圖四十 : 通電前後，含有標記點的銲錫接點掃描式電子顯微鏡影像 ... ‐ 83 ‐  圖四十一 : (A)共晶錫銀銲錫接點在通電前溫度分布圖 (B)通以 0.57 安培交流電之溫度 分布圖 (C)沿著圖(B)虛線之溫度分布圖 ... ‐ 85 ‐  圖四十二 : 共晶錫銀銲錫接點橫截面電子顯微鏡影像圖(A)通電前；(B)通電後 800 小時  ... ‐ 89 ‐ 

第一章 研究動機

由於銲錫接點電遷移效應(electromigration)而造成電子元件的破壞，並有許 多相關的研究證實了電遷移效應現象的存在，所以對電遷移效應的研究更是刻不 容緩。目前大部分的研究都著重在電遷移效應破壞的模式及 mean-time-to-failure (MTTF)的一些研究。然而，伴 隨 著 電子元件功 能 的 大 幅 增 加，尺 寸 相 對 的 減 少 ， 而 所 承 載 的 電 流 也 相 對 的 提 高 ， 再 加 上 電流集中效應(current crowding effect）的影響，所 以 對 於 元 件 所 產 生 的 焦 耳 熱 (Joule heating)

勢 必 會 相 當 的 可 觀 。 因 此 ， 此電熱效應的結合， 在 銲 錫 接 點 通 電 後 的 破 壞 模 式 中，扮 演 很 重 要 的 角 色。銲 錫 接 點 內 因 通 入 高 電 流 所 造 成 的 溫 度 梯 度 (thermal gradient)將 會 很 大 ， 故 銲 錫 接 點 內 的 熱 遷 移 效 應 (thermomigration)不 能 輕 忽 。 在覆晶封裝元件中，因鋁導線長度較長及截面積較小，會具有較大的電阻 值(約數十倍以上)，相對的會具有更大的焦耳熱效應，此效應會使得晶片端會有 比較高的溫升，於是乎在通電時晶片端的銲錫接點溫度較高， 基板端的銲錫溫 度較低， 所以產生一個明顯的溫度梯度，此溫度梯度將隨著外加電流的增加而 增加，而這 一 溫 度 梯 度 提 供 了 一 個 原 子 移 動 的 趨 動 力 ， 進 而 有 淨 原 子 流 通 量 的 產 生 。 由 於 原 子 因 為 熱 遷 移 而 產 生 移 動 ， 所 以 空 孔 (voids) 的 擴 散 主 導 整 個 物 質 輸 送 過 程 ， 空 孔 傾 向 由 低 溫 的 地 方 遷 移 至 高 溫

處 ，相 對 的 ，原 子 會 從 溫 度 高 的 地 方 遷 移 至 溫 度 低 的 地 方 ，因 此 空 孔 就 會 形 成 。 一 旦 空 孔 形 成 後 ， 就 會 嚴 重 影 響 電 流 分 佈 及 熱 效 應 (電 阻 增 加 )； 在 通 電 的 過 程 中 ， 電 流 會 傾 向 在 低 電 阻 的 地 方 聚 集 ， 於 是 會 造 成 電 流 分 佈 不 均 勻 的 現 象 ， 即 電流集中效應產生。 因 為 銲 錫 接 點 內 的 電 流 集 中 效 應，會 造 成 銲 錫 接 點 內 有 嚴 重 熱 點 的 產 生，因 而 加 快 銲 錫 接 點 的 破 壞 ， 使 得 電 子 元 件 的 可 靠 度 降 低 。 因此，如何去量測銲錫接點內的溫度梯度，銲錫接點內的溫度甚至是發現銲 錫接點內的熱點是有必要性的。Ye 等人1_{的研究裡提到，他們對於共晶錫鉛銲錫} 接點施予電流密度 1.3 × 105 A/cm2 (1A) 、持續 16 小時，並在陰極與陽極發現 都有空孔產生，而他們提出的解釋是由於晶片端的溫度明顯高於基板端的溫度， 於是形成一個很明顯的溫度梯度，助長了孔 洞 的產生；在他們的研究裡對此現 象以電腦模擬晶片端與基板端的溫度梯度，令人訝異的是竟然高達 1500 °C/cm！ 如此高的溫度梯度對於電子元件裡可靠度將會是一個相當大衝擊。但是這畢竟還 是電腦模擬的結果，目前尚無法有實際的量測來驗證這些數據。為了要量測到銲 錫接點內實際的操作溫度，本實驗將利用紅外線熱像儀來做分析，紅外線熱像儀 量測主要利用紅外線感測器經紅外光透鏡量測離開待測物表面紅外光波段之輻 射能量值後，經過加熱器溫控隔絕元件受表面環境輻射影響、發射率補償機制， 最後計算處理後得到待測物真實之熱影像(thermogram)。由於紅外線熱像儀有此 特性，所以本研究利用破壞性的橫截面技術將覆晶封裝內的銲錫接點研磨到一

半，並使用紅外線熱像儀直接量測銲錫接點內溫度的變化，進一步觀察銲錫接點 內是否有熱點和溫度梯度的產生。因為我們可以直接量測到銲錫接點內的溫度， 加上交流電可以消除通電時的電遷移效應，因此，我們利用這兩種儀器，可以直 接來研究銲錫接點內的熱遷移效應。

另外，本實驗將會用另一個分析方法- 凱文結構(Kelvin bump probes)來量測

對於銲錫接點在通電過程中，電性的細微變化。早期，凱文結構是用來量測導孔 (via)或是接觸電阻(contact resistance)已經有相當長的一段時間。利用凱文結構 可以用來預測銲錫內部如界面間的細微變化、介金屬化合物(Intermetallic Compound, IMC )的生成、或是內部的微結構遭到破壞，利用這種技術在電遷移 效應產生期間對於整個系統的輕微的電性變化都可以量測出來，而準確值可以達 到毫歐姆的等級。利用凱文結構可以量測一顆銲錫接點的電阻值，而為小到 0.1 毫歐姆也可以量測出來。因此藉由此分析方法，可以輕易並且精確的觀測到銲錫 接點中的細微變化。再利用紅外線熱像儀來量測每一階段的溫度變化，來研究因 電遷移效應銲錫接點內破壞模式與焦耳熱效應的關係。

第二章文獻回顧

由於本研究主要是以破壞模式來做銲錫接點內的電遷移跟熱遷移測試。並直 接觀察銲錫接點內部通電時受到焦耳熱效應的影響所造成的溫度分布情形。所以 本章主要內容會先對覆晶封裝技術做個簡單介紹；慢慢由外而內，介紹銲錫接點 內的電遷移效應。並對因電遷移所產生的電流集中效應跟焦耳熱效應做回顧；最 後在對覆晶封裝銲錫接點最不了解的熱遷移部分做回顧。

2-1 覆晶封裝技術簡介

覆晶封裝(flip chip) 技術起源於 1960 年代，為 IBM 開發出之技術，覆晶封 裝技術是在銲墊(pad)上沉積錫鉛球，然後將晶片翻轉及加熱利用熔融的錫鉛球 與陶瓷機板相結合。目前覆晶接合主要應用於高時脈的中央處理器(CPU,Central Processing Unit)、圖形處理器(GPU,Graphic Processing Unit)及晶片組(Chipset) 等

產品為主。此技術具較高密度的輸入/輸出接點，因為整個晶片的面積都可以被 運用來設計做為接點。除了高密度輸入/輸出接點的優點外，覆晶封裝技術(Flip Chip technology)還有兩個重要的優點，一是所有的接點在一次的迴焊(reflow)同

時完成。另一個優點是自動對位 (self-alignment)，如圖一所示因著熔融銲錫的表 面張力以及銲錫只對 Under Bump Metallurgy(UBM)的金屬層有沾濕能力

(wetting ability)，因此，成百上千個接點可以同時自己完成對位，而使覆晶接合

裝技術方式是未來的潮流。

根據 Semiconductor Industry Association 出版的 1999 National Semiconductor Technology Roadmap2 ，對於高功能的晶片，在 2002 年需要 2380 個 I / O

pads/cm2，而到 2011 年將需要 6844 個 I / O pads/cm2 _{。以 BGA 為主體的覆晶封}

裝是目前唯一能達到此 I / O pads 要求的構裝技術。它發源於 IBM 傳統的 “controlled collapse chip connection” technology，也就是簡稱“C4”的構裝技術3，4_。

IBM 從 1960 年代以來，就已經開始使用此技術將晶片接合到陶瓷基板上。若考 慮 BGA 銲錫球規則排列在 1cm × 1cm 的正方型晶片上，假設它們的間距(pitch) 是 200 μm，也就是銲錫接點的直徑是 100 μm，而且它們的間隔是 100 μm。則我 們可在 1cm 的距離內置入 50 個銲錫接點，也就是在 1cm × 1cm 的正方型晶片上 有 2500 個銲錫接點。依此類推，若我們使用直徑是 50 μm 的銲錫接點，而間距 是 50 μm (pitch 100 μm)，在 1cm × 1cm 的正方型晶片上，則可置入 10000 個銲 錫接點。

圖一 : 自動對位過程。

Solder

 

2-2 無鉛銲錫

含鉛銲錫的使用一直是造成鉛環境污染的一個重要原因之一。因此，美國、 歐洲和日本已開始注重此問題。歐洲議會於 2002 年 10 月通過 RoHS 指(2003.2.13 正式公告)，2006.07.01 開始電子產品全面禁用包括鉛、鎘、汞、六價鉻、溴化耐 燃劑等六種物質；此一指標性規定，已演變成全球性環保要求、也成為資訊電子 產業基本技術門檻。其中電機電子產品錫鉛銲錫使用已有五十年歷史，替代性無 鉛銲錫材料轉換將衍生組裝製程條件、設備、測試方法規範、產品品質與可靠度 等議題重新檢討。對於以製造專業為主的國內電機電子產業「無鉛銲錫」要求勢 將形成莫大衝擊。而日本方面，像是 NEC 於近年表發其今後所有製品無鉛化發 展的具體計畫。該公司在 2003 年 3 月份之前，在日本國內生產的製品全部已達 成無鉛化產品的目標，並計畫在 2005 年 3 月份之前，所有在海外生產的製品也 都達成無鉛化，完全廢棄鉛、水銀、鎘、六價鉻的使用。NEC 於今後，在日本 國內所新設計生產的電腦、通信產品全部都將無鉛化。印刷電路板零件構裝上所 使用銲錫也將適用無鉛焊接，所使用的銲料則以 Sn-Ag-Cu 系和 Sn-Ag 系為主。 無鉛銲錫的使用，將可杜絕此效應。而台灣一直是全球最重要的電子組裝國家之 一，因此為了將來要把電子產品銷售到這些國家，勢必要配合這些國家的政策， 將電子產品無鉛化。

2-3 銲錫接點內的電遷移現象

2-3-1 電遷移效應理論

當銲錫接點的尺寸漸漸縮小，以便容納更多的 I/O 接點時，對其可靠度 (reliability)有甚麼影響呢?首先我們必須考慮的是銲錫接點的”電遷移”。 電遷移是一種由於電場和帶電載子所造成的質量移動5,6,7。此現象通常在微 電子元件中有高電流密度的導線內發生。例如在一條 5 μm 寬，0.2 μm 厚的鋁導 線，在室溫下通入 1 mA 的電流(電流密度為 105 amp/cm2)，則會造成一端有空孔 (void)的生成, 而另一端則有突出物(extrusion)的產生。如圖二所示。嚴重時會造 成電路短路。它是在 1965 年被發現會對半導體產品的可靠度會有威脅。因此， 在過去三十多年中，一直有許多學者在研究此問題，並已經研究出有效的防治之 道，其中之一即在鋁線中加入 2-3%的銅8,9_{，而使電遷移不致於危害到電子元件。} 杜經寧教授在 1992 年曾對於電遷移的動力學(kinetics)作分析，其結果和短 鋁線的實驗數據相吻合10_{。在此分析中，是以下的兩個方程式來描述電遷移:} eE Z kT D C dx d kT D C J_m =− ( / )( σΩ/ )+ ( / ) * (2-1) eE n dx d L J_e =− ₁₂( σΩ/ )+ μ_e (2-2) 其中 C 是濃度，D 是擴散係數(diffusivity), k 是 Boltzmann 常數, T 是溫度，σ 是應力，Ω是原子體積，Z*是有效帶電數，E 是電場，L12是現象學係數 (phenomenological coefficient)，L12=(1/σΩ)(dϕ/dσ)，其中(dϕ/dσ)是塑變位能

(deformation potential)。杜經寧教授也提出一個新的模型，以電流集中效應以及 空孔的觀點來解釋電遷移現象11_。 Brandenburg 等人指出12，在 150 °C 下通入 6.8×103 A/cm2的電流密度，經過 100 小時後，電遷移會破壞銲錫接點(見圖三)，所以當銲錫接點的尺寸漸漸地縮 小時，所通入的電流密度也跟著增加，電遷移對於元件的可靠性將會有很嚴重的 影響。根據 1999 年的 International Technology Roadmap for Semiconductors，(ITRS) 在 2005 年，每個銲錫接點(65 μm opening，150 μm pitch)必須承受 65-95 mA 的電 流，大約相當於 5×102 A/cm2的電流密度。而在 2011 年時，每個銲錫接點必須承 受的電流會增加 2.3 倍，大約相當於 1.1×103 A/cm2的電流密度。因此，銲錫接點 的電遷移研究刻不容緩。

圖二 : 鋁導線通入高電流後，所產生的外型變化橫切面示意圖。在陰極有 空孔生成, 而陽極有突出物產生7_。

圖三 : 125 μm 共晶錫鉛銲錫接點在 150 °C 下通入 6.8 ×103

A/cm2 的電流密度， 經過 100 小時後，電遷移破壞銲錫球接點。電子流動方向如箭頭所示12_。

Silicon Chip

在金屬與積體電路的研究中，杜經寧教授在2003年有系統的介紹電遷移的起 源13_{。金屬部份的電遷移，則是由Paul S. Ho 與Thomas Kwok最先提出研究}14_。

Seith 與Wever 也以定位點（marker）的運動，來量測遷移的位移量。此方式在

測量電遷移上，後來成為標準的方法。H. Wang 與 C. Bruynseraede 等人在2004 年提出，當電子聚集發生於電遷移在銅導線的鑲嵌結構(damascence) 當中，利用 特殊結構加速了電子聚集效應，發現到有孔洞的產生，並藉由有限元素分析法， 看到持續性的原子推動力是如何發生在特定的路徑上，以至於孔洞的生成，而原 子流的發生也受到通電造成的焦耳熱效應溫度梯度影響15_。 對於電遷移通量的計算， Nernst-Einstein 提出表示的關係式： ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛− = = kT Q jD Z kT Ne jD Z kT Ne J ρ * ρ * ₀exp

       

(2-3) 並在其相關研究中推導出Blech 結構在不同的線寬（10, 3, 1 μm）時的飄移 速率分別為16、49、66 nm／h，而活化能為0.73 ± 0.12 eV16,17_。

2-3-2 焦耳熱效應(Joule Heating Effect)

電子流經金屬內部時，因為電子震動導體內部原子促使溫升現象，即稱為焦 耳熱效應。並且，在導體內因電流流動所產生的熱量，稱為焦耳熱。。焦耳熱受 電阻與電流影響，可表示如公式(2-4)。 R V R I IV J 2 2 ₌ = = (2-4) 其中I 代表電流(Ampere)、V 代表電壓(Voltage)、R 代表電阻(Ohm)、J 代 表焦耳熱(J/s-W)，式中以SI公制單位表示。 此外，熱量因相鄰不同元件溫度不平衡而產生熱量傳遞之現象稱為熱傳導 (Heat conduction)，可表示為 dx dT Q=−κ . (2-5) 其中Q 為單位面積與時間內所傳遞之總熱量(W/m. 2)、k 為熱導係數 (W/m-ºC)、 dx dT 為x方向之溫度下降量(ºC)，負號表示高溫往低溫傳遞。最終於特 定溫度下達成熱平衡18,19,20,21_。 Chiu 等人22在2006年的文獻當中指出，銲錫接點在通電作用下，產生的焦 耳熱效應對銲錫溫度的影響。提出利用紅外線顯像技術對通電的覆晶結構，驗證 當熱點存在，由鋁導線進入銲錫處，如 圖四所示，而焦耳熱效應會進一步導致電阻的上升。稱為Temperature Coefficient of Resistance (TCR)。

⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − = 0 1 0 0 1 1 T T R R R TCR (2-6) 其效應的校正可以使得在前段落回顧中，推求Black’s equation 的n與活化能Q 上，有需要溫度校正，讓其中的解更接近銲錫真實的情況。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

圖四 : (a)通入 0.59 A 電流，以紅外線熱像儀觀測到的溫度分布。(b)通入電流 時，銲錫接點內部溫度分布模擬22_。

(a) 

2-3-3 電流集中效應(Current Crowding Effect)

覆晶銲錫接點的結構為銲錫接點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接點小了兩個維度，加上同樣的電流流過，在銲 錫接點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 等人23 的研究中，提及導線與銲錫接點幾何形狀的差異造成銲錫接 點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五所示，並由實驗 的結果證實此現象會造成銲錫接點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，可以提高銲錫接點的抗電遷移能力。

圖五 : 有限元素分析銲錫接點內部電流密度分布示意圖23

。  

2-3-3 銲錫接點內的熱點研究

由於銲錫接點內受到電流集中效應跟焦耳熱效應的影響，讓銲錫接點內有了 熱點的存在。Chiu等人22_{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，如圖六，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23_。 另外，也有許多模擬的結果發現銲錫接點內並沒有熱點的存在。銲錫接點內 的溫度分布是均勻的，接點內的溫差差不到1°C左右。由於銲錫接點內溫度對整 個覆晶封裝的可靠度有非常大的影響。因此，銲錫接點內的熱點存在與否有研究 的必要性。

   

2-3-4 無鉛銲錫的電遷移

隨著環保的意識抬頭，近年來許多人對無鉛銲錫投入研究24,25,26。Yang 等 人27_{利用 Sn3.5Ag1.0Cu 銲錫接點在 125°C 下，通已 2.3×10}4 A/cm2的電流密度； 在不同階段下觀察無鉛銲錫接點的電遷移效應。他們觀察到隨著時間的增加孔 洞的延伸長度也隨之增加；而銲錫接點到了電遷移效應的後期，鋁導線的電遷 移行為大大的影響銲錫接點內的破壞模式。另外，由 Jen 等人28_{，也是利用不} 同 階 段 來 觀 察 無 鉛 銲 錫 接 點 內 受 電 遷 移 效 應 的 破 壞 行 為 。 他 們 是 利 用 Sn3Ag1.5Cu 無鉛銲接點，但在基板端分別使用不同的金屬層 Cu-OSP 和 Cu/Ni/Au，在 150°C 下，施加 1×104 A/cm2的電流密度。他們觀察到在電子流 向下的銲錫接點內，主要的破壞模式是因為在 UBM 和銲錫接點之間孔洞的形 成與佔據；而孔洞的生成原因是因為銲錫接點內在接近晶片端電流集中效應所 造成的。

2-4 銲錫接點內的熱遷移現象

2-4-1 熱遷移效應理論

在一個成分均勻的合金中，我們把它放在一個有溫度差的地方，而合金內的 元素會因為此溫度差而產生擴散。首先發現此現象的是 Ludwig 與 Soret 兩位學 者，他們觀察到鹽類濃度的增加或減少會隨著管內鹽水的冷熱端而有所改變。29,30 而 Soret effect 是發生在試片沒有組成濃度梯度的情況下。 我們描述一個間隙原子間的溫度梯度效應。考慮一個任意間隙原子在三維空 間 z 方向空間的振動，如果跳動頻率可以被寫成下列: (2-7) 方程式中，v是頻率，ΔGm 是間隙原子遷移的活化能。活化能是大的活化 焓(enthalpy)和活化(entropy)的和。如果有溫度梯度存在時，原子的跳動頻率(Γ) 在較熱區比在較冷區域高。因此，隨著原子移動到合金區域的較冷端時，可以觀 察到有擴散通量在溫度梯度下方。 事實上，熱遷移效應在空位機制下，可以隨著溫度梯度的方向發生向上或向 下的質量傳送發生，因此熱遷移驅動力可以寫成以下式子: T T N Q F _⎥∇ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ = * (2-8) 熱遷移的驅動力是類似電熱效應，溫度梯度可以驅動電子，進而驅動原 子。在本質上，電子在高溫區有高能量在分散或是擴散原子界面在原子擴散的 RT G z −Δ m = Γ νexp

) ( x kT D C CMF v C J ∂ ∂ − = >= < = μ (2-9) <v>是飄移速率，M = D/kT 是遷移率，μ是化學位能。 由於熱遷移的產生與溫度差有關，因此，我們考慮溫度梯度，所以驅動力可以寫 成: ) ( * x T T Q kT D C J ∂ ∂ − = (2-10) 此時，Q*定義為熱傳送值(heat of transport)。比較以上兩個式子(2-9)(2-10)，我們 可以發現 Q*與μ有同樣的尺寸。所以熱傳送值的單位是每個原子所含的熱能。 關於熱傳送值，我們可以定義它是正或是負。在 Fe–C 系統中，文獻中發現 C 是往熱端的空隙來移動，因此我們可以得到負的熱傳送值。 在1982 年Roush團隊31_{發現在鉛銦(Pb-In)凸塊合金中，凸塊內部溫度梯度高} 達1,200 °C/cm，並且鉛材料隨著溫度梯度由高溫到低溫質傳。

2-4-2 共晶錫鉛銲錫接點內的熱遷移

銲錫接點內部相關熱遷移效應則根據C. Q. Ru 文獻32_{中得知，封裝體內部的} 薄膜導體結構，常因電流集中效應誘生焦耳熱，造成局部溫度不平衡 (即溫度梯 度) 而形成熱遷移效應。此外，熱遷移效應主宰導體中不穩定質量傳遞現象，其 不穩定傳遞受到高電流密度與溫度梯度兩種參數影響。第一個在銲錫接點內部觀 測到熱遷移是在2003年Hopkins 團隊提出錫鉛接點經歷電流負載1.3 × 104 A/cm2 ，在16小時候，發現銲錫接點因熱遷移效應而加速破壞。文獻中可知其測 試結構由上而下分別為矽晶片、鋁導線、錫鉛接點、銅襯墊、FR4 基板五層。 結構中因鋁導線電阻值最高，依據焦耳熱效應與公式(2-5)可知鋁導線為封裝體主 要發熱源。故此，與鋁導線緊連之矽基板則形成高溫區；反之，遠離鋁導線之FR4 基板則形成低溫區，因此上下兩區域之溫度梯度應造成通電錫鉛接點內部亦形成 相當程度之溫度梯度，而產生熱遷移效應。圖七可發現電流向上的銲錫接點中， 電遷移與熱遷移效應同方向時，錫原子往銅襯墊端(陰極)移動現象較劇烈；反 之，電子流往下的銲錫接點中，則因為兩效應反向而減緩鉛原子往矽晶片(陽極) 移動現象，如圖八。此外，電子流往下的銲錫接點中，如果以電遷移效應主導結 構原子移動，其空缺應該發生於銅襯墊與接點交接區，但是，於圖八中發現空缺 卻發生在矽基材與銲錫接點區域，故此，可以推論空缺位置變異應該是由熱遷移 大於電遷移效應所致。由此可知，封裝體內接點區域確實有熱遷移效應產生現

中亦利用熱電有限元素分析，模擬1.0 A電流負載下，錫鉛接點內部溫度分佈結 果，如圖九，此外，透過該圖計算出溫度梯度約為1,500 °C/cm1_{。不過，該文獻} 仍無法透過實驗予以驗證溫度梯度之正確性，所以，本研究嘗試量測出銲錫接點 內部溫度梯度，可以驗證相關模擬之結果與熱遷移效應量化計算。 另外，由杜經寧教授實驗室也發現了共晶錫鉛銲錫接點內有熱遷移的現象產 生33_{。他們所使用的銲錫接點是一種複合的銲料。基板端是共晶錫鉛的銲料} (37Pb63Sn)而在晶片端占較多組成的是高鉛銲料(97Pb3Sn)。他們所使用的UBM

是Al (~0.3 μm)/Ni(V) (~0.3 μm) /Cu (~0.7 μm).。通電條件是在烘箱加熱150 °C 下，通以1.6 x 104 A/cm2的電流密度，以串連的方式來通電。在5小時的通電時間 後，他們觀察到在沒有電流通過的銲錫接點中可以發現到很明顯的熱遷移現象， 如圖十所示。從圖中可以發現，錫完全往晶片端來移動，累積在晶片端；也是銲 錫接點內較熱的區域。而鉛則是往基板端累積，此時基板端是較冷的區域。會造 成此現象是因為銲錫接點內部產生溫度差的關係；因此，他們也預估了在大約 1000 °C/cm的溫度梯度下，可以在銲錫接點內部觀察到熱遷移的現象。之後，他 們利用一對共晶錫鉛銲錫接點(37Pb63Sn)在100 °C下通以1.6 x 104 A/cm2，經過27 小時20分鐘之後；也是發現未通電的銲錫接點有熱遷移的現象，鉛相完全往基板 端較冷端移動，如圖十一所示。另外，他們計算了鉛原子因為熱遷移所造成的熱 遷移通量和熱傳送質(heat of transport)分別是4.26 x 1014 atoms/cm2sec和- 25.3 kJ/mole34。

有其他文獻也計算出鉛的熱遷移通量和熱傳送值(heat of transport)分別是

4.26 x 1014 atoms/cm2sec和- 22.16 kJ/mole。但他們主要是利用共晶錫鉛銲料

(37Pb63Sn)的三明治結構，放在一個有高低溫差的環境當中。他們觀察到鉛原子

會往合金內較冷的區域來移動35_{。但由於不是真正的覆晶銲錫接點結構；因此，}

   

圖七 : 錫鉛接點-A，歷過 16 小時、1.3×10-4 A/cm2電流密度之 SEM 圖1。                      

 

 

圖九 : 在 1.0 安培電流負載下，有限元素分析結果 (a)錫鉛接點內部溫度分佈 (b) 錫鉛接點內垂直溫度分佈1_。

圖十 : 複合錫鉛銲錫接點在熱遷移效應下的電子顯微鏡影像圖32_。

圖十一 : 未通過電流之銲錫接點橫截面電子顯微鏡影像圖(a)通電前(b)通電後

2-4-3 無鉛銲錫接點內的熱遷移效應

由於無鉛銲錫為目前覆晶封裝發展的重點，但因為無鉛銲料被使用的時間較 晚，因此，無鉛銲錫接點內的熱遷移現象被研究的較少。 Hsiao-Yun Chen等人36用無鉛銲錫接點在150 °C下，通以電流密度9.7x103 A/cm2。他們發現在未通以電流的銲錫接點內，因為UBM處的銅原子受到熱遷移 的影響往銲錫接點內較冷端移動，因此造成接近晶片端的銲錫接點處有空孔的產 生，如圖十二所示。他們也計算出如果銅原子在大於400 °C/cm的溫度梯度下， 銅受熱遷移效應的影響會大於受到電遷移的影響。 另外， Abdulhamid等人37_{是利用SnAgCu銲錫接點在室溫下通以電流，觀察} 到在有無通電的無鉛銲錫接點內，發現到介金屬化合物(Cu6Sn5) 因熱遷移效應 的影響；在較熱端有崩解的情形產生，而在冷端有積聚增厚的現象。因此，介金 屬化合物(Cu6Sn5)是往冷的方向來遷移。

圖十二 :電流未通過之共晶錫銀銲錫接點橫截面電子顯微鏡影像圖(a)通電前(b) 在 150 °C 下通以 0.55 安培之結果36

。  

第三章 實驗與方法

3-1 試片製備

本論文實驗所使用的試片，主要是由米輯科技所提供的共晶錫鉛和共晶錫銀 銲錫接點覆晶封裝試片，試片的結構分別如圖十三。所使用的 UBM（under-bump metallization）種類也是有兩種分別為Ti /Cu /Cu /Ni，厚度為 0.5 μm /0.5 μm /5 μm

/3 μm，和Ti /Cu /Cu，厚度分別為 0.5 μm /0.5 μm /5 μm，其中 Ti 與 0.5 μm 厚

的 Cu 層是利用電子槍蒸鍍而成，5 μm 厚的 Cu 與 3 μm 厚的 Ni 則是電鍍而 成。以黃光顯影的方式定義出開口大小，再用濕式蝕刻法，定出UBM opening 為 110 μm，直徑125 μm，而contact opening 為85 μm。其中鋁導線寬為100μm 厚1.5 μm，銲錫接點間pitch 為1 mm。 銲料則先利用電鍍將銲錫固定在UBM 所在，再以加熱爐加熱到220 °C約1 分鐘。基板的部份，使用FR5 基板，而其接著的銅墊層之上為5 μm 的無電鍍鎳、 1 μm 金，下方銅墊層的直徑為280 μm。

圖十三 : 試片結構示意圖(a) 5 μm-Cu UBM 銲錫接點(b) 5 μm-Cu/3 μm-Ni UBM 銲錫接點。

3-2 溫度量測

欲使用紅外線熱像儀觀察通電時覆晶封裝中不同銲錫接點剩餘量的剖面溫 度分佈過程中，因為紅外線熱像儀本身量測限制，導致無法直接透視晶片內銲錫 接點內剖面，故此，於溫度量測之前，必須進行試片破壞處理以取得銲錫接點內 剖面。過程如下： 1. 將完整的 flip chip 試片做研磨、拋光，研磨到銲錫接點剩餘一半的質量；而 晶片端鋁導線和基板端銅導線的寬度也為原尺寸的一半。 2. 將拋光面垂直朝向紅外線偵測器，如圖十四所示。 3. 將試片通電，分別通以直流電與交流電。 4. 利用紅外線熱像儀量測通電後銲錫接點內部之溫度變化。 其中紅外線熱像儀測溫步驟為下: 1.將待測物元件放置於儀器之加熱器上端。 2.量測待測物所有能量值。 3.假設穿透之輻射量(Qt)可忽略(因為加熱器控制在恆溫下，使該輻射量幾乎不發 生) 。 4.隔絕與抵銷反射之輻射量(Qr) 。 5.計算每點發射率與該發射率矩陣求每點真實溫度。 6.顯示出待測物表面真實溫度之熱影像。

校正步驟(真正量測之前處理)： a.找尋欲量測位置並對焦取得黑白紅外線影像； b.計算每點發射率； c.擷取未施加負載之參考溫度影像(如果量測溫度影像結果與加熱平板溫度相 等，該影像即為基準影像)。 量測過程中，因為儀器屬於高精度與光學之輻射溫度量測系統。 故此，儀器對環境變化相當靈敏，以下幾點須特別注意： 1.試片表面高低起伏(影像有邊緣高溫效應)與擺設平整度(產生溫度誤差)； 2.試片發射率偏低時，需藉由特殊處理提高發射率(例如：噴漆)； 3.實驗人為因素影響，例如：儀器輕微搖晃、環境氣流急遽變化等。

本溫度量測實驗儀器為美國QFI(Quantum Focus Instrument)公司生產之第二 代紅外線熱像儀(Infrascope II)，如圖十五。此外，該儀器屬於被動式紅外線溫度 量測模式，意即元件本身所發射的熱幅射進行溫度量測。儀器大致分為三部份： 量測區、後處理區、控制模組。量測區包含加熱平板、試片載台、紅外線鏡頭(倍 率：1、5、15 倍三種)、反射鏡組、紅外線冷卻腔體、CCD 感測器；後處理區 則透過CCD量測後，將訊號傳輸至電腦進行數值處理，輸出熱影像；控制模組包 含X、Y、Z 三軸機械手臂與手動平臺X-Y 雙軸控制機制。 本儀器有別於一般溫度量測系統，以256 × 256 紅外線陣列CCD 感測模組 形成單一熱影像(Thermomap)，並且可在影像中取得每點(Pixel-By-Pixel)之溫度 值。儀器最大優點為可量測微小尺寸元件熱分佈，例如：電子電路中，熱點(Hot Spot)位置分析、量測焊錫接點通電時剖面與鋁導線溫度分佈等。此外，儀器溫 度量測精確範圍約30至300 °C，精確度可達0.1 °C (加熱平板設定為80 °C 下)， 鏡頭空間解析度可達2.8 微米(倍率為15 倍鏡頭)。 紅外線熱像儀具有以下特點： （1）量測銲錫球受電負載下凸塊剖面與上視表面溫度分布。 （2）量測範圍達 300 °C，精確度最佳可達 0.1 °C，空間解析度最佳達 2.8 微米。 （3）須達熱穩定狀態才可量測。 （4）量測過程之微小震動即可影響輻射量變化並影響量測結果，所以試片在量 測過程中需保持靜止。

( 5 ) IR 可以穿透矽晶片，所以可以透過矽晶片觀察到晶片底下之線路結構與溫

圖十五 : 紅外線熱像儀結構圖。  

交流電（Alternating Current）是指大小和方向都發生週期性變化的電流，因 為週期電流在一個週期內的運行平均值為零，稱為交變電流或簡稱交流電。不同 直流電，其方向都是一樣。通常波形為正弦曲線。交流電可以有效傳輸電力。但 實際上還有應用其他的波形，例如三角形波、正方形波。生活中使用的市電就是 具有正弦波形的交流電。因此電流的大小也會隨時間做規律性的變化，此種電源 如圖十六所示。基於交流電的特性，倘若我們對於銲錫接點施予交流電形式之電 流，是否可以觀察到沒有所謂的電遷移的現象產生?如果這個方法是可行的，那 在施予交流電的過程中，就只有單純熱量的產生，那對於銲錫接點的一些相關特 性是否就有影響呢，這是本實驗接下來想要作深入研究的領域。

3-3 以凱文結構來量測銲錫接點電阻

圖十七為本研究所指之凱文銲錫結構俯視圖，研究中將利用此結構觀測銲錫 受電遷移影響時的變化。結構中共包含四顆銲錫球，此四顆銲錫球由一條3150 μm 長的鋁導線連接四個鋁墊層，並標示為b1到b4 如圖十七(a)，鋁導線厚1.5 μm、 寬100 μm，銲錫接點與銲錫接點的間隔為1 mm，此外如圖十七(a)所示，在FR4 基 板上還有六條銅導線連接到此四顆銲錫球上，並標示為n1 到n6 銅導線厚30 μm、寬100 μm，b1 到b4 依序連接了1、2、2、1 條銅導線，導線的走向分別如 圖十七(a)所示。利用六條銅導線不同的連接方式可以分別量測到b2、b3 的單顆 銲錫電阻與中間的鋁導線電阻，不過在本研究中將著重在b3 的電性觀測。如圖 十七（b）標註箭頭方向所示，在此研究中，由n3 及n4 通入電流，電子流在b2 中 從基板端流向晶片端，在b3 中則相反方向。銲錫b2 的電壓降可以由n1 與n2 量 測得到，而銲錫b3的電壓降則可利用n5及n6 量測得到，利用這樣的量測方式即 可在發生電遷移的同時量測到兩個不同方向的銲錫電阻，因為電流集中效應，在 以往的研究中大多顯示孔洞生成在銲錫球的晶片端，所以在本研究會將大部分的 重心放在b3 的電阻以及微結構變化上。 在銲錫電阻變化的量測部分本研究中使用的電源供應器與量測儀器為電流 源Keithley38

2400與資料交換器（Data switch）Agilent 39E34970A 配合有二十個

大小約在0.5 mV，亦即500 μV；而在破壞產生之初始階段的銲錫電阻變化約為20 μV，故此兩者儀器在本研究所需的量測範圍內可提供足夠的精確度。且上述兩 儀器皆符合通用儀器通訊協定，同時支援序列阜與GPIB 控制介面，配合上適當 的軟體便可利用在遠端對量測做穩定、長期、精確的連續控制，在本研究中即利 用美國國家儀器公司(National Instiuments, NI )40_{所開發的圖形化儀器控制軟體} LabVIEW，作為資料擷取及儀器控制的工具。 利用在前文中所提及的覆晶錫銀銲錫接點試片，在100 °C通入0.5 A的電流， 加熱的方式是將試片平貼於加熱墊表面，並用耐熱膠帶固定，靜置試片直到試片 溫度到達平衡才開始量測，電流流經的迴路與量測的位置則如前所述。利用UBM 半徑為60 μm 為考量，0.5 A的電流，同時量測b3 的銲錫電阻與整個回路上的總 電阻，在b3 銲錫電阻上升到b3 初始電阻的1.2、2.0、5.0、10.0、20.0 倍時停止 通電，取下試片，並分別定義為階段1 ~ 5 與最後破壞階段（Stage 1~Stage 5 and Stage final），此外再定義未通電時的狀態為階段0（Stage 0）。

圖十七 : (a) 凱文銲錫結構俯視圖(b) 凱文銲錫結構剖面側視圖。  

第四章 結果與討論

4-1 覆晶銲錫接點內的焦耳熱效應

4-1-1 直接量測銲錫接點內的溫度分布

我們使用紅外線熱像儀在不同的電流驅使下來直接量測共晶錫銀銲錫接點 內部的溫度。我們可以直接觀察到在通以電流的情況下銲錫接點內部有明顯的溫 度增加，且有觀察到在銲錫接點內部有熱點。圖十八是在通以0.2安培的電流下， 共晶錫銀銲錫接點內部的溫度分布圖；其中溫度的分布區間標示於圖的最下方X 軸方向的位置。電子流是從晶片端鋁導線銲錫接點的左上方進入之後經過銲錫接 點，最後從基板端銅導線的右邊離開。鋁導線的位置亦標示在圖上。因為紅外線 熱像儀擷取影像的時間需要15秒，而擷取影像期間試片會有微小晃動的現象，因 此，圖中在銲錫接點左右兩端邊緣的溫度是不正確的。由溫度分布圖我們可以觀 察到在此電流下，銲錫接點內部的平均溫度是101.0 °C，所以銲錫接點內部所受 到的平均焦耳熱只有1.0 °C。然而，我們仍然可以發現有熱點存在於銲錫接點內 部。銲錫接點內部的平均溫度是取銲錫接點內部中心50 μm × 50 μm的方框內的 平均值。另外，我們定義熱點的溫度是大於銲錫接點內部平均溫度4 °C以上為銲 錫接點內部的熱點。此電流下的銲錫接點內的熱點是位在晶片端電流進入銲錫接 點處，熱點的溫度大約是105.6 °C。我們定義此熱點為熱點A。圖十八(b)(c)是沿 著圖十八(a)的水平線AH 和垂直線₁ AV 的溫度分布取線圖。水平線₁ AH 的位置₁ 是位於介金屬化合物Ni3Sn4的下方，我們可以發現此區域溫度分布均勻，並無溫

度差。但在垂直線AV 的位置就可以發現有大約3.8 °C的溫度差存在。因此，造₁ 成的垂直溫度梯大約是543 °C/cm。我們定義溫度梯度是圖中虛線的兩端溫度 差，除以虛線的長度；虛線長度大約是70 μm。當外加電流增加時，我們可以觀 察到銲錫接點內部的熱點溫度有變明顯的現象。圖十九是銲錫接點在通以0.4安 培時的溫度分布圖。我們可以發現在晶片端電流進入銲錫接點處有很明顯的熱點 存在。此電流下的熱點溫度是124.6 °C，而平均溫度大約是115.0 °C。圖十九(b)(c) 是沿著圖(a)的水平線AH 和垂直線₂ AV 的溫度分布曲線圖。我們可以觀察到當₂ 電流增加時，水平區域和垂直區域的溫度差有增加的趨勢；水平溫差增加到4.6 °C，垂直溫差則上升為9 °C。因此，在銲錫接點內部同時產生了水平跟垂直的溫 度梯度。我們繼續施加電流到0.6安培時，熱點也更加明顯，且因為受到焦耳熱 的影響，熱點的溫度也隨之增加，如圖二十所示。此時，熱點溫度增加到161.7 °C， 平均溫度也提升到度。另外，垂直溫度差也增加到16.7 °C，也因此在銲錫接點內 部產生了大約2392 °C/cm的垂直溫度梯度。如此大的溫度梯度，會造成銲錫接點 內部有熱遷移效應，減少接點的使用壽命減少。在銲錫接點水平區域方面，我們 可以觀察到溫度差上升的幅度非常的小，大約只有1 °C左右。但還是在銲錫接點 內部產生了大約786 °C/cm的水平溫度梯度。

圖十八 : 共晶錫銀銲錫接點在通以 0.2 安培的電流下溫度分布和溫度曲線圖(b) 水平分布於銲錫接點內(AH1) (c)垂直分布於銲錫接點內(AV1)。

   

圖十九 : 共晶錫銀銲錫接點在通以 0.4 安培的電流下溫度分布和溫度曲線圖 (b) 水平分布於銲錫接點內(AH2) (c)垂直分布於銲錫接點內(AV2)。

圖二十 : 共晶錫銀銲錫接點在通以 0.6 安培的電流下溫度分布和溫度曲線圖(b) 水平分布於銲錫接點內(AH3) (c)垂直分布於銲錫接點內(AV3)。

另外，我們可以發現在銲錫接點內部有另一個熱點，它發生在較低的電流密 度區，但此熱點的溫度卻比熱點A的溫度還高；此熱點是位於熱點A的右邊且接 近高分子填充物的區域，此區域我們在此稱做熱點B，如圖二十一所示。我們從 3-D電性模擬結果可以發現，如圖二十二所示。靠近電流集中區域，電流密度是 2.46 × 104 A/cm2是銲錫接點內最大的電流密度；而我們發現熱點B區域的電流密 度是2.17 × 104 A/cm2。 但我們可以觀察到熱點B的溫度高達167.8 °C，比熱點A最大電流密度區的溫 度還高。在銲錫接點內部發現第二個熱點有兩個原因；由於鋁導線是主要的發熱 源，此區域非常接近鋁導線，因此，會產生較高的溫度。另外，因為高分子填充 物在封裝中是一種很難散熱的材料，因此在高分子填充物的區域有較高的溫度大 約是179.2 °C；由於熱點B非常接近此兩個區域，所以我們可以在銲錫接點內觀 察到第二個熱點。

圖二十一 : 銲錫接點內熱點 B 示意圖。  

圖二十二 : 模擬銲錫接點內通以 0.6 安培的電性分布圖。  

4-1-2 UBM 厚度對銲錫接點內的溫度分布影響

另外，我們要觀察不同 UBM 厚度對銲錫接點內部溫度的影響。實驗中，我 們利用共晶錫銀銲錫接點 UBM 為 5 μm 厚度的銅和 UMB 為 3 μm 的鎳和 5 μm 的銅做比較。圖二十三到圖二十五為銲錫接點 UBM 為 5 μm 厚度銅在通以 0.2， 0.4，0.6 安培的溫度分布圖。我們可以發現銲錫接點內部的溫度都比 UMB 為 3 μm 的鎳和 5 μm 的銅的銲錫接點的溫度還要高。電子流是從銲錫接點右上方進入然 後從左下方離開銲錫接點。在通以 0.2 安培的電流下，銲錫接點內平均溫度跟熱 點的溫度是和 107.4 °C。和 UMB 為 3 μm 的鎳和 5 μm 的銅的銲錫接點相比差距 大約 1-2 °C 左右。而所觀察到的水平溫度差和垂直溫度差都和 UMB 為 3 μm 的 鎳和 5 μm 的銅的銲錫接點趨勢相近。當通以 0.4 安培時，焦耳熱效應也增加， 因此，銲錫接點內部的熱點和平均溫度也隨之上升，熱點和平均溫度都增加約 2 °C 左右。另外和 UMB 為 3 μm 鎳和 5μm 銅的銲錫接點比較溫度差距也幾乎不變。 但當電流加大到 0.6 安培時，我們可以觀察到銲錫接點內部的熱點溫度增加到 190 °C 而平均溫度也上升到度。與 UMB 為 3 μm 鎳和 5 μm 銅的銲錫接點的溫度 差異也隨之增大。兩個不同 UBM 的熱點溫度相差大約 30 °C。因此我們可以發 現當電流增加時，由於焦耳熱效應的影響增加，UBM 厚度的效應也隨之增大。 而 UBM 層越薄，所受到的焦耳熱效應會越嚴重；因此會更快的消耗 UBM 層， 造成銲錫接點加速的破壞，讓封裝的可靠度變差。

圖二十三 : 5 μm-CuUBM 共晶錫銀銲錫接點在通以 0.2 安培的電流下溫度分布和 溫度曲線圖(b) 水平分布於銲錫接點內(BH4) (c)垂直分布於銲錫接點內(BV4)。

圖 二十四 : 5 μm-CuUBM 共晶錫銀銲錫接點在通以 0.4 安培的電流下溫度分布 和溫度曲線圖(b) 水平分布於銲錫接點內(BH5) (c)垂直分布於銲錫接點內(BV5)。

圖二十五 : 5 μm-CuUBM 共晶錫銀銲錫接點在通以 0.6 安培的電流下溫度分布和 溫度曲線圖(b) 水平分布於銲錫接點內(BH6) (c)垂直分布於銲錫接點內(BV6)。

圖二十六是隨著電流上升時，兩種不同UBM銲錫接點內部平均溫度和熱點 溫度的變化趨勢圖；施加電流範圍是從0.1安培到0.6安培。我們觀察到曲線是呈 現拋物線的行為，並且與焦耳熱效應有絕對的關係。 P = I2R = j2ρv (4-1) 其中P 為焦耳熱能量、I 為電流值、R 為電阻值、j 為局部電流密度、ρ 為 電阻率、V為材料體積。 在低電流密度時，我們可以從圖中發現，銲錫接點所受到的焦耳熱效應影響 不大，而且UBM厚度效應也不明顯。因此，兩種UBM的銲錫接點平均溫度和熱 點溫度並沒有太大的溫度差。然而，在施加更高的電流時，兩者的溫度差也因此 變明顯了。在通以0.6安培電流時，較薄的UBM銲錫接點的平均溫度跟熱點溫度 分別比較厚的UBM銲錫接點溫度高27 °C和29 °C。因此，結果顯示UBM的厚度 越厚，所受到焦耳熱效應的影響也越小。另外我們也可以觀察到，隨著電流密度 的增加，銲錫接點內部的熱點溫度和平均溫度差也隨之增加，也是因為焦耳熱效 應的影響。因此，銲錫接點在通電的情況下，焦耳熱效應所扮演的角色是非常重 要的。

圖二十六 : 5 μm-Cu 和 5 μm-Cu/3 μm-Ni 兩種不同 UBM 銲錫接點內部平均溫度 (a)和熱點溫度(b)的變化趨勢圖。

因為銲錫接點內部有熱點的存在，造成整個接點內部有溫度差，因此，在銲 錫接點內部我們可以觀察到溫度梯度。圖二十七是銲錫接點在不同電流驅使下， 電流與溫度梯度的關係曲線。由關係圖可以觀察到不論電流高低垂直溫度梯度ㄧ 直大於水平溫度梯度。而垂直溫度梯度會隨著電流的增加也會隨之提高；然而水 平溫度梯度雖然也有增加的趨勢，但是增加幅度並不大，反而有趨於平緩的趨 勢。有可能是因為晶片端有矽晶片幫助散熱，使得銲錫接點水平區域溫差不會太 大。另外在UBM厚度效應方面，我們發現UBM厚度對水平溫度梯度並不會有太 大的影響。因為溫度梯度與溫差和長度有關，由實驗結果發現改變UBM厚度雖 然銲錫接點內部溫度有所不同，但兩者銲錫接點內的溫差並沒有太大的差別，且 亦不會造成銲錫接點高度的差別；因此，水平溫度梯度並沒有太大的差距。但在 垂直溫度方面，薄的UBM還是大於厚的UBM。根據分析，在電遷移的過程當中 若想在銲錫接點內部觀察到熱遷移的現象，必須要在銲錫接點內部產生大於1000 °C/cm的溫度梯度。從圖中我們可以發現水平溫度梯度是低於1000 °C/cm。因此， 還未有論文報導有水平熱遷移效應發生在銲錫接點內。另一方面，垂直溫度梯度 是隨著電流增加而增加，因此有許多有關垂直熱效應的論文發表。 .

圖二十七 : 兩種不同 UBM 銲錫接點內在不同電流驅使下，電流與溫度梯度的 關係曲線。

4-1-3 電遷移下銲錫接點內不同階段破壞對焦耳熱效應的影響

我們想進一步了解在電遷移過程中，銲錫接點內孔洞形成和延伸與焦耳熱效 應的關係。因此，我們把銲錫接點研磨到試片的一半位置，之後利用凱文結構來 量測銲錫接點在通電時的電阻變化情形，並利用紅外線熱像儀來量測每一階段的 溫度分布情形。我們所使用的銲錫接點是含有5 μm銅UBM的共晶錫銀銲錫接 點。圖為銲錫接點在加熱板100 °C下，通以0.5安培的直流電，各個不同階段的電 子顯微鏡影像圖。當電阻上升到原來的1.2倍，3倍，5倍，10倍和20倍時，所需 的時間分別為100.0, 544.2, 1094.8, 1351.8 和 1431.0小時。由實驗結果可以發 現，當通電時間加長，較大的孔洞也隨之形成；並且孔洞會由左邊電子流進入銲 錫接點端慢慢的向銲錫接點的右邊延伸。圖二十八(a)為共晶錫銀銲錫接點在通 電前橫截面電子顯微鏡影像圖。一層薄薄的介金屬化合物在銅UBM與銲錫接點 之間形成。在通電在100小時之後，最初孔洞的形成發生在電流進入端銲錫接點 的左邊，介於介金屬化合物與銲錫接點之間，如圖二十八(b)所示。由結果發現 孔洞最初形成的地方也是嚴重的電流集中區域，熱點發生的地方。當電阻上升到 原來的1.2倍時，孔洞所延伸的長度大約是10.0 μm。圖二十八(c)是銲錫接點在通 電544.2小時之後，銲錫接點的微結構圖。我們可以發現孔洞已經延伸到UBM開 口的中心區域；而孔洞延伸的長度也增加到71.3 μm長。此時的電阻上升到原來 電阻兩倍多，所上升的電阻量是很合理的。在通電1094.8小時之後，我們發現孔 洞從銲錫接點的右邊延伸到左邊；而且慢慢的加深，如圖二十八(d)所示。而孔

洞所延伸的長度也增加到80.0 μm。實驗結果可以發現不只孔洞有橫向延伸的現 象產生，而且銲錫有往內消耗的情形。此時的電阻增加率到達原來電阻的5倍。 當通電時間增加到1351.8和1431.0小時，銲錫接點內的微結構變化可以在圖二十 八(e)和(f)觀察到。我們發現孔洞已經沒有橫向延伸的現象，反而，是往銲錫接 點靠近晶片端裡面和下方延伸。此時的迴路並沒有斷路，只是電阻上升的幅度很 大。

圖二十八 : 100 °C 通 0.5 A 電流（a）未通電前（b）100.0 小時（c）544.2 小 時（d）1094.8 小時（e）1351.8 小時（f）1431.0 小時

為了要觀察銲錫接點在電遷移過程中，接點內受到焦耳熱效應下溫度的分布 情形。因此，我們利用紅外線熱像儀直接來觀測銲錫接點內的溫度分布。紅外線 熱像儀在通以0.5安培，100 °C的加熱板下，量測銲錫接點內的溫度分布。圖二十 九是銲錫接點在電遷移測試之前的溫度分布圖。我們可以觀察到銲錫接點在0.5 安培電流驅使下，在電遷移初期起始的階段；整個銲錫接點內的平均溫度大約是 113.3 °C。此時的平均溫度是取接近銲錫接點內部中心 50 μm × 50 μm 大小的方 塊內的溫度取平均。當電阻上升到原來的20%時，我們可以發現銲錫接點內的平 均溫度並沒有很明顯的增加，雖然有孔洞的生成，但是並沒有提升焦耳熱效應對 銲錫接點的影響。所以上升的溫度是少於1 °C，此時的平均溫度大約是113.9 °C， 如圖三十所示。當銲錫接點內部電阻上升到原始電阻的5倍時，我們可以從圖三 十一觀察到，銲錫接點的平均溫度仍然沒有上升得很明顯。只上升大約1 °C左 右。此階段的平均溫度是114.8 °C。圖三十二是電阻上升到原來的10倍時，整個 銲錫接點內的平均溫度；此時接點內的平均溫度可以上升到3 °C左右，銲錫接點 內的平均溫度變為117.6 °C，焦耳熱效應因電阻的增加而變嚴重；此時由電子顯 微鏡影像圖可以發現，銲錫接點的消耗已經從側向慢慢的往銲錫接點裡面消耗。 而電阻上升到原來的20倍時，我們發現平均溫度已經增加13 °C，從圖三十三可 以明顯的觀察到。而銲錫接點往裡面消耗的情形也越來越嚴重。因此，造成電阻 的急遽上升；所以會產生嚴重的焦耳熱效應，進而使銲錫接點內的平均溫度有很 大幅度的上升，平均溫度為127.6 °C。