晶圓級凸塊迴銲製程技術之改進研究

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(1)國立高雄大學電機工程系碩士班（先進電子構裝組）碩士論文. 晶圓級凸塊迴銲製程技術之改進研究 The Study of the Enhancement for Wafer Level Solder Bump Reflow Process. 研究生：張殷昇撰指導教授：施明昌博士中華民國九十六年六月.

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(3) 晶圓級凸塊迴銲製程技術之改進研究指導教授：施明昌博士國立高雄大學電機工程系. 學生：張殷昇國立高雄大學電機工程系碩士班(先進電子構裝組). 摘要覆晶封裝中之晶片與載板間連接點，一般稱為凸塊或隆點，係在晶片上利用蒸鍍、網印銲錫或電鍍方式製作。而在覆晶銲接過程中，凸塊下層金屬（UBM）與凸塊界面間的粘結性、元素擴散障礙效果、潤濕能力及所導致的介金屬化合物（IMC）結構，都是影響長期可靠度測試的重要因素。除此之外，凸塊本身的影響性亦不容忽視，其中又以銲錫凸塊內殘留孔洞之影響最大，它常造成連接點電阻過大或溫度循環時連接點斷裂之問題，而此問題最常發生於以網印銲錫法所製作之銲錫凸塊中。本研究針對無鉛焊料之凸塊製作，以三種不同表面處理技術 -- 真空、助焊劑及雷射，以改良凸塊迴銲製程參數，使達到凸塊殘留孔洞縮小或消失之目的，使後製程的覆晶封裝之良率及可靠度得以提升。並進一步達成無助焊劑迴銲之目的。. 關鍵字：覆晶封裝、凸塊孔洞、凸塊迴銲、晶圓凸塊、迴銲參數、無助焊劑. I.

(4) The Study of the Enhancement for Wafer Level Solder Bump Reflow Process Advisor(s): Dr. MING-CHANG SHIH Institute of Electrical Engineering National University of Kaohsiung Student: YIN-SHENG CHANG Institute of Electrical Engineering National University of Kaohsiung ABSTRACT A “Bump” is a connector between Chip and Substrate in Flip Chip Assembly process. It usually is produced by Evaporating, Solder Paste Printing or Solder Plating process. In Flip Chip Bonding process, there were four important factors between the Bump and UBM (Under Bump Metallurgy) - adhesive strength, diffusion barrier effectiveness, wetting ability and IMC (Intermatllic Compounds) structure after bonding. They will influence the long term reliability result. Otherwise, we can’t ignore the defect of the Bump self. The Bump Void is the major problem of the Bump defects. It will cause excess joint resistance or crack during thermal cycle. And it usually be found in printing bumping process. This research focuses on applying three surface handling processes for the lead free bump reflow – vacuum, flux and laser. We hope that this process can decrease or clear the bump void in order to upgrade the assembly yield and reduce reliability test fail rate. Even we can achieve the Bump Reflow process without flux using.. Keywords: Flip Chip Assembly, Bump Void, Bump Reflow, Bump, Reflow Parameter, No Flux. II.

(5) 誌. 謝. 感謝恩師施明昌教授兩年來的指導，使學生在專業知識及待人處世方面都獲益良多。其次，論文定稿期間，亦承蒙施教授、藍文厚博士及高雄師範大學李孟恩博士對論文內容多方匡正，使本論文更趨完整，在此一併感謝。另外，林意玲小姐、王世昌學長、江秉儒同學、李東育同學在實驗過程中的訓練、指導與協助，在此表達我由衷的謝意。對於年近四十的我來說，能有此進修機會，實在難得；在家庭、事業與學業間取得共贏並不容易。多虧老師們的悉心指導、同學們的協助、公司長官們的體諒及家人的支持，使得兩年的研究生涯得以順利完成。透過與日月光不同部門的同學們在課堂上的討論與平時的互動，豐富了在半導體封裝領域的知識，獲益良多。最後，我要感謝父母的栽培，感謝我的家人，內人日慧如及小寶貝雅婷感謝你們一路上的支持與付出，才有現在的我。今日僅以此小小的成果獻給我最愛的家人們。祝大家一切順心、健康殷昇於高大. III.

(6) 目錄中文摘要 …………………………………………………………………. I ABSTRACT ………………………………………………………………. II 誌謝 ……………………………………………………………………… III 目錄 ……………………………………………………………………… IV 圖目錄 …………………………………………………………………. VI 表目錄 …………………………………………………………………… IX. 第一章緒論 1-1 前言 ……………………………………………………...………. 1 1-2 研究動機與目的 ………………………………………………… 5 第二章 IC 封裝技術介紹 2-1 IC 封裝之演進 …………………………………………………… 8 2-2 無鉛焊料之發展 ………………………………………………. 18 2-3 覆晶技術之必要性 …………………………………………… 22 2-4 晶圓凸塊製程介紹 …………………………………………… 28 2-5 覆晶封裝製程介紹……………………………………………… 35 2-5-1 覆晶銲接製程介紹 ……………………………………… 36. IV.

(7) 第三章表面處理技術對晶圓凸塊迴銲後孔洞殘留之探討 3-1 真空度對孔洞殘留影響之研究 ……………………………… 38 3-1-1 真空度的定義與應用 …………………………………… 38 3-1-2 真空元件介紹 …………………………………………… 41 3-1-3 實驗所用之真空設備與條件 …………………………… 49 3-2 助焊劑對迴銲影響之研究 …………………………………… 50 3-2-1 助焊劑概要 ……………………………………………… 50 3-2-2 實驗所用之助焊劑 ……………………………………… 52 3-3 以雷射進行迴銲前處理之研究 ……………………………… 54 第四章實驗結果與討論 4-1 實驗流程與檢驗方法 ………………………………………… 57 4-2 實驗用晶圓試片之製備 ……………………………………… 60 4-3 檢測凸塊孔洞之結果 ………………………………………… 62 4-4 實驗結果歸納 ………………………………………………… 71 第五章結論與未來展望 ……………………………………………… 76 參考文獻 ……………………………………………………………… 78. V.

(8) 圖目錄圖1-1 MOORE'S LAW ………………………………………………… 1 圖1-2 矽晶圓加工尺寸發展趨勢 ……………………………………… 3 圖1-3 銅導線與鋁導線之比較 ………………………………………… 3 圖1-4 X-ray下之晶圓凸塊內部殘留孔洞情形 ………………………… 6 圖1-5 凸塊內部孔洞在覆晶接合後於溫度循環後接腳斷裂情形 …… 7 圖2-1 高引腳數構裝技術之發展趨勢 ……………………………… 9 圖2-2 高引腳數構裝技術之發展趨勢 ……………………………… 10 圖2-3 高I/O 密度IC 構裝技術發展趨勢 …………………………… 13 圖2-4 IC封裝主要類型之演進 ………………………………………… 17 圖2-5 IC封裝趨勢示意圖 ……………………………………………… 17 圖2-6 C4 製程示意圖 ………………………………………………… 23 圖2-7 Flip Chip 焊點自我校正功能示意圖 ………………………… 23 圖2-8 覆晶封裝與打線封裝之線路比較 ……………………………… 24 圖2-9 輕薄短小之電子構裝需求趨勢 ………………………………… 25 圖2-10 各種IC封裝尺寸比較示意圖 ………………………………… 27 圖2-11 晶圓凸塊之基本構造 ………………………………………… 31 圖2-12 真空蒸鍍錫球製程示意圖 …………………………………… 32 VI.

(9) 圖2-13 網板印刷示意圖 ……………………………………………… 33 圖2-14 網版印刷銲錫凸塊製程示意圖 ……………………………… 34 圖2-15 電鍍製作錫球接點示意圖 …………………………………… 35 圖2-16 覆晶封裝製程 ………………………………………………… 36 圖2-17 覆晶銲接製程 ………………………………………………… 37 圖3-1 實驗用真空迴銲腔體裝置 …………………………………… 49 圖3-2 松香中最常見的二種松脂酸 …………………………………… 52 圖3-3 Lambda-Physik (Models LPX-200 MSC) 準分子雷射系統 …… 56 圖3-4 準分子雷射系統表面處理平台 ………………………………… 56 圖4-1 Shimadzu SMX-160E-II X-ray檢測儀 ………………………… 58 圖4-2 凸塊孔洞之檢測區域 …………………………………………… 58 圖4-3 錫球孔洞之量測方法 …………………………………………… 59 圖4-4 錫球孔洞量測範例 ……………………………………………… 59 圖4-5 SEM設備 ………………………………………………………… 60 圖4-6 Printing晶圓凸塊製程 ………………………………………… 61 圖4-7 實驗所用之試片 ………………………………………………… 62 圖4-8 X-ray 檢測Bump Void系統畫面 ……………………………… 62 圖4-9 錫球凸塊上方之火山口現象 …………………………………… 63. VII.

(10) 圖4-10 使用不同功率準分子雷射處理後之凸塊表面與EDX分析氧化程度結果…………………………………………………………… 73 圖4-11 使用193nm 20KV準分子雷射處理後以EDX分析之結果 …… 73 圖4-12 雷射處理前有否塗上助焊劑之EDX分析比較 ……………… 75 圖5-1 加裝雷射前處理設備之迴銲機構示意圖 ……………………… 77. VIII.

(11) 表目錄表2-1 IC封裝的功能 …………………………………………………….. 8 表2-2 無鉛錫球常添加的合金元素 ………………………………….. 20 表2-3 近年來研發的無鉛錫球合金系統 …………………………….. 20 表2-4 各種封裝類型之尺寸及端子數 ……………………………….. 26 表2-5 常見UBM材料的種類與應用特性 …………………………….. 30 表3-1 真空區域範圍 ………………………………………………….. 39 表3-2 真空技術的應用 ……………………………………………….. 40 表3-3 真空幫浦種類 …………………………………………………… 42 表3-4 常用真空計之功能和運作 …………………………………….. 44 表3-5 阿爾發100T2物質安全資料表 ………………………………….. 53 表3-6 NR310B VOC Free No-clean Flux 成份與特性 ………………. 54 表4-1 常用之晶圓凸塊焊材熔點 …………………………………….. 61 表4-2 凸塊檢測結果彙整 …………………………………………….. 71 表 4-3 以準分子雷射前處理經迴銲後之凸塊孔洞殘留與表面狀況 … 74. IX.

(12) 第一章緒論 1-1 前言從美國電話電報公司(AT&T)貝爾實驗室(Bell Labs)發明全世界第一個電晶體以來，半導體技術開啟了人類前所未有的科技文明。歷經半個世紀以來的快速發展，半導體已將人類的科技與生活推向一個前所未有的文明。半導體元件技術的發展，由技術層面來看正由次微米(Sub-micro meter) 邁向奈米 (Nano meter) 、從鋁導線邁向銅導線、由周邊打線 (Peripheral Wire bonding)邁向陣列覆晶(Area Array Flip Chip)、從8 吋晶圓邁向12 吋晶圓，整個IC 晶片的積集度仍依照Moore’s law 的預測持續增加中，如圖1-1 所示。. 圖1-1 MOORE'S LAW[1] 1.

(13) 再由系統應用層面觀之，從龐然大物的大型電腦，到個人電腦、筆記型電腦一直到結合通訊手機與無線上網功能的掌上型個人手機電腦，無一不是朝向輕薄短小的趨勢發展。消費市場對於3C 電子產品的高功能、多樣化、高整合性、外觀精美、尺寸小巧以及價格低的要求是永無止境的。消費者對於電子產品的期待，是及時的影像傳輸、瞬息萬變的視訊服務、無遠弗屆的資訊接收與傳遞，以及如影隨行的個人行動傳訊需求，而更重要的是低廉的價格。半個世紀以來，半導體元件技術已經相當成功地將數以千萬計的電晶體整合在單晶片上，所以對於相同製程的電晶體整合，目前所追求的是更高速、更高積集度以及更低成本的半導體製造技術。這也是目前半導體製造技術朝向奈米、銅導線、陣列覆晶、12吋晶圓等嶄新的製造技術領域發展的原因。近年來由於半導體晶圓製作技術進步非常快速，製程能力從微米製程、次微米製程至目前已經進入奈米級之線寬製程技術。而晶圓加工之面積也不斷加大，從四吋晶圓、六吋晶圓、八吋晶圓、乃至於十二吋晶圓，如圖1-2 所示。新世代晶圓製造技術的發展趨勢，除了往更微細的奈米製程發展外，另一個重要的趨勢則是以銅導線取代鋁導線的製程。銅導線相較於傳統所採用的鋁導線，其電阻值較低，導電性較佳，尤其是當線寬尺寸降至.13 微米，銅導線由於其導電性佳，因此可以減少製. 2.

(14) 程步驟的複雜度，而能更有效獲得元件之良率以及降低成本；另外，驅動銅導線IC 所需的功率較鋁導線低30％，此外，由於銅導線配合low-k 材料的訊號延遲大約是鋁導線與氧化矽材料的1/2，使得訊號傳輸速度可以提高，如圖1-3 所示。因此銅製程晶圓的相關技術及量產化，遂成為各大廠競相開發的主要方向之一。. Source: Intel. 圖1-2 矽晶圓加工尺寸發展趨勢. Source: Chip Sale. 圖1-3 銅導線與鋁導線之比較. 3.

(15) 在進入二十一世紀後，半導體技術的發展不論從成本或從技術層面的角度來看，電子產品的功能提升，將不再只單靠從IC 功能的提升即可獲得。因為由於IC 製程技術的不斷開發提升，IC 的功能也越來越強，另外，晶片上同時要具有數位與類比混成線路、更多的I/O數目、 RF 與微波頻段應用等的需求，這些需求所造成之訊號不良、切換雜訊 (Switching Noise)、串訊(Cross talk)等問題，將會隨著系統的複雜度提高而越來越嚴重。同時，由於各種晶片在功能上不但記憶容量加大，且運算速度也快速提升；配合晶片的高速化、大面積化與高功率化的發展趨勢下，新世代半導體構裝方式也要因應此一發展趨勢快速演變。因此，電子構裝將在整合半導體IC 元件功能的角色上，扮演愈來愈重要之角色。電子構裝將不再只是當保護IC 或將電子訊號傳遞至下一個構裝層次的角色而已，在未來，它將在決定高功能IC 的功能與成本的考量上有更吃重的角色。因為可以透過高密度構裝技術，使得電子構裝在更小的空間內，配置更多的訊號傳輸連結。另外，因應銅導線製程晶圓的相關技術的發展，在構裝方面也積極尋求更好的技術來搭配，而以銲錫凸塊和覆晶接合技術來連接基板或導線架的積體電路構裝方式，更可以充分發揮銅製程產品的高傳輸速度的特性，已經成為構裝產業看好的未來主流構裝技術之一。在矽晶圓上長銲錫合金凸塊的覆晶構. 4.

(16) 裝技術不但可以廣泛應用在各項先進電子產品上，例如訴求輕薄短小的無線通訊產品，及訴求高容量、高速率功能的記憶體與邏輯控制模組等，亦使得電子產品在效能發展上得以不斷提升，且因在矽晶圓上長銲錫合金凸塊的覆晶構裝技術是屬於晶圓級的構裝技術，當矽晶片設計變得更小時，可以使得每片晶圓可製成晶片數目巨幅增加，還可大幅降低構裝的成本。銅製程晶圓凸塊技術對未來高速IC 元件的構裝將有革命性的影響，它將促使高速CPU晶片時代提早來臨，對於目前最熱門的高速記憶體IC，如RAMBUS DRAM, SRAM，將造成全面性傳輸速度的提升，對未來高功率及高頻無線通訊IC 晶片亦將有深遠的影響。. 1-2 研究動機與目的晶圓級封裝技術之前製程為Wafer Bumping，此製程在晶圓上進行焊點凸塊(Bump)製備程序，並藉凸塊達成與基板銲接之目的。形成凸塊的方法主要有電鍍法、化學鍍法、釘頭凸塊形成法、範本印製焊料法及熱注射焊料法等。本論文研究之樣本乃採用範本印製焊料法所製，此法最為普遍被使用，美中不足的是在微小凸塊中容易殘留孔洞(Void)，如圖 1-4。一般的銲錫凸塊孔洞會造成接腳電阻過大或溫度循環時接腳斷裂，如圖1-5，造成此失敗之原因有二:. 5.

(17) 1. 迴銲時升溫率太快或預熱時間太短 – 可改變迴銲溫度參數解決 2. 晶片進料時凸塊已有孔洞存在 – 尚未完全解決, 目前封裝業界之允收規格為 < 30% (凸塊直徑與孔洞直徑比) 本論文以第2項失敗因素之解決為研究方向，希望能藉由凸塊迴銲之參數變化(包含以雷射進行凸塊表面處理取代助焊劑之使用)，以達成殘留孔洞縮小或消失之目的，使後製程之覆晶封裝之良率及可靠度得以提升。. 圖1-4 X-ray下之晶圓凸塊內部殘留孔洞情形. 6.

(18) 圖1-5 凸塊內部孔洞在覆晶接合後於溫度循環後接腳斷裂情形. 7.

(19) 第二章 IC 封裝技術介紹 2-1 IC封裝之演進所謂的積體電路（IC）封裝是指將各種封裝材料如塑膠、陶瓷覆蓋於IC裸晶片外部，以保護IC晶片，使其便於承載在印刷電路板上，並達到訊號傳遞、提供電源及散熱的功能，如表2-1所示：表2-1 IC封裝的功能功能具體的作用保證的性能 1.晶片電氣特的透過封裝技術的進步，滿足不斷發展的功能性保持功能高性能、小型化、高頻化等要求 2.晶片保護功能保護晶片表面以及連接引腳等，使其免受外力損害及外部環境的影響可靠性 3.應力緩和功能由於熱等外部環境的變化或者晶片自發熱等都會產生應力，封裝可緩解應力，防止損壞發生 4.尺寸調整配合由晶片的微小引腳間距，調整到構裝基功能板的尺寸間距，便於構裝連接 5.規格通用功能封裝的尺寸、形狀，端子數量、間距、通用性長度都有標準規格，既便於加工又便於與構裝基板相結合，生產線及設備都具有通用性 3C 電子產品在高速度、多功能、多樣化及輕薄短小的市場需求趨勢的推動下，微電子元件不僅I/O 接腳數目越來越多，而且構裝厚度要求也越來越薄，面積也越來越小。在這樣的市場需求驅使下，整個構裝技術發展趨勢的演變大體上可區分為三個階段。第一個階段的構裝技術. 8.

(20) 演變可說是由構裝元件組裝方式的改變，即是由引腳插入型(Pin Through Hole, PTH)的組裝方式轉變為表面黏著型(Surface Mount Technology, SMT)的組裝方式。第二階段的演變則是構裝元件本身I/O引腳的排列方式的改變，其主要的改變是從兩邊接腳到四邊接腳，然後再發展到面矩陣排列的方式。第三階段的演進則是構裝本體的構裝方式的改變，亦即從晶片以外的封膠部分逐漸減少到構裝體本身的尺寸近似於晶片大小，如圖2-1 所示。. Source: OKI. 圖2-1 高引腳數構裝技術之發展趨勢. 9.

(21) 就第一階段的構裝技術演進來說，自從1964 年Fairchild 公司發明了 DIP 插入式的IC 元件後，緊接著SIP、ZIP、PGA等型式的構裝元件也相繼地被開發出來，此類插入型元件由於受到電路板上插入孔尺寸的限制，使得構裝體無法做的更小，連帶使得I/O 引腳數目的增加也受到限制而影響到整個構裝密度。在此之後，由於表面黏著構裝技術的開發，電子元件構裝技術就開始直追印刷電路板的技術。此一時期的元件構裝尺寸不但越來越小，同時構裝密度也越來越高。整個電子元件構裝技術發展歷程，就小型化的演變來看，從SOP、SOJ 一直演變到TSOP，以及由QFP、LQFP 演變到TQFP 等。近幾年，這些周邊引腳的電子元件，在高I/O 數目引腳化的驅動下，引腳的間距也朝向更小間距方向邁進，如圖2-2 所示。. Source : NEC. 圖2-2 高引腳數構裝技術之發展趨勢. 10.

(22) 就第二階段的構裝技術發展的演進來看，由於周邊排列的I/O 接腳相鄰的間距已經縮減到會使電路板在黏著過程中，頻頻發生良率不高的問題困擾。因此，在發展下去雖然接腳數目可以再增加，但相對的構裝成本卻相當的高且良率無法提升。所以，BGA 構裝技術就因應而生，構裝體本身的I/O 引腳由周邊排列的方式改變為面矩陣方式排列。此種改變使得構裝的間距由0.5mm 擴大為1.0mm 到1.5mm，大大的提高了構裝的良率，也使得I/O 接腳數目大幅增加，且傳統IC封裝使用導線架作為IC導通線路與支撐IC的載具，接腳位於導線架的兩邊或是四周，然而因IC週邊空間有限，當腳數增多時(超過300腳位)，傳統QFP等封裝即受到限制，反之IC載板因具備(1) 多接腳化(2)縮小封裝產品的面積(3)改善電性及散熱性(4)高密度化，使得IC載板於封裝領域中的應用愈來愈廣泛。所謂IC載板主要作用在於替晶片與電路板間的不同線路提供過度，為晶片提供保護、支撐、散熱的通道，並形成標準安裝尺寸，其產業週期跟隨封裝產業，但技術則近似PCB。第三階段構裝技術發展的演變，在構裝元件的I/O 數目日漸增加的趨勢下，構裝體本身的尺寸勢必隨之增加。然而，在尺寸越來越大的情況下，也伴隨而來不少構裝及可靠度的問題。例如，當元件的體積過大. 11.

(23) 時，便有可能導致BGA基板的錫球溫度分佈不均勻而出現空銲的現象。此外，基板內的多種材料也可能因為彼此之間的熱膨脹係數不同，而在加熱的過程中發生熱變形的翹曲(Warpage)現象。此種現象，最有效的解決方法就是儘可能把晶片以外的膠體部份縮小，當構裝體的體積接近於晶片大小時，即所謂的晶片尺寸構裝(Chip Scale Package, CSP)也就因應而生。同樣的，為了儘可能達到尺寸縮小的目的，晶片與基板(或導線架) 之間的連線方式也有了新的改變演進，亦即發展出以銲錫凸塊作為連通方式的覆晶接合技術(Flip Chip, FC)來改良打線接合的連線方式。因此，為了讓構裝體能達到輕薄短小的目標，結合多種構裝技術的構裝體，如內部使用覆晶接合方式的BGA構裝方式，目前已經有許多的商業化產品，未來Flip Chip-CSP 構裝方式將會成為一個必然的趨勢。因此，除了在第二級的構裝方式，其接腳方式已逐漸由分佈在四周(Peripheral) 的方式轉變為平面分佈(Area)的構裝型態。這樣的接腳分佈可以大幅增加單位面積內所能容納之接腳數目，如此便可滿足構裝本身高I/O 及面積縮小的要求。同樣的在第一級構裝技術上也具有相同之發展趨勢，逐漸由打線接合技術轉變到具有高I/O 密度、連線短、低電感、高頻雜訊易控制、電磁遮蔽效應佳、銲錫接點自我校正、構裝尺寸縮小與表面黏著技術相容性高等優點覆晶接合技術，如圖2-3 所示。. 12.

(24) Source : Motorola. 圖2-3 高I/O 密度IC 構裝技術發展趨勢近年來，半導體產業隨著電腦與通訊等3C 產品功能的急速提昇以及多元化、多功能化、可攜帶性與輕巧化的需求趨勢下，IC 晶片構裝製程已脫離了傳統的構裝技術而朝向高功率、高密度、輕、薄與微小化等高精密度的製程發展。除此趨勢外，電子構裝(Electronic Packaging) 仍須保有其高可靠度、散熱性佳與低製造成本等必要特性，以及面對電子產品上市時程(Time-to-market 與生命週期短、跨研究領域與需要專利保護等挑戰。面對此一電子構裝技術的快速變遷與需求，跨領域與高難度製程革命性時代的來臨，電腦及相關3C 電子產品之構裝技術的研究發展正面臨極大的挑戰，其跨領域與系統整合性亦對相關的研究基礎架構(research infrastructure)產生了相當程度的衝擊。進入21 世紀後，微機 13.

(25) 電與奈米科技---被公認為影響未來人類文明與生活的重要科技之一，將如同影響其他技術一般，對電子系統構裝技術有著關鍵性的影響。從可攜帶式電子產品的演進歷史可以得知，輕薄短小並兼具高功能、高效率又低成本的特性是其不變的法則。而未來結合寬頻網際網路以及高頻無線通訊，系統產品在可預見的未來，為了要滿足消費者的需求，勢必會往更高功能化及更多樣化的方向發展。為了因應短暫的產品市場生命週期、快速的產品開發時程與產品交期，以及因應個人隨身電子產品需求、高功能整合、高效能與低功率消耗產品的結合趨勢，電子構裝技術被視為除了半導體元件製造技術外，成為未來電子產品市場競爭的主導力量之一。隨著半導體晶圓製作技術快速進步，製程能力從微米製程、次微米製程至目前已經進入至奈米之線寬製程技術。而晶圓加工之面積也不斷加大，從四吋晶圓、六吋晶圓、八吋晶圓、乃至於十二吋晶圓都是最近幾年內發展的歷史。新世代晶圓製造技術的發展趨勢，除了往更微細的微米製程發展外，另一個重要的趨勢則是以銅導線取代鋁導線的製程。銅導線相較於傳統所採用的鋁導線，其電阻值較低，導電性較佳，因此銅製程晶圓的相關技術及量產化，遂成為各大廠競相開發的主要方向之一。在進入二十一世紀後，半導體技術的發展不論從成本或從技術層面. 14.

(26) 的角度來看，電子產品的功能提升，將不再只單靠從IC 功能的提升即可獲得。因為由於IC 製程技術的不斷開發提升，IC 的功能也越來越強，另外，晶片上同時要具有數位與類比混成線路、更多的I/O 數目、 RF 與微波頻段應用等的需求，這些需求所造成之訊號不良、切換雜訊 (Switching Noise)、串訊(Cross talk)等問題，將會隨著系統的複雜度提高而越來越嚴重。同時，由於各種晶片在功能上不但記憶容量加大，且運算速度也快速提升；配合晶片的高速化、大面積化與高功率化的發展趨勢下，新世代半導體構裝方式也要因應此一發展趨勢快速演變。因此，電子構裝將在整合半導體IC 元件功能的角色上，扮演愈來愈重要之角色。電子構裝將不再只是當保護IC 或將電子訊號傳遞至下一個構裝層次的角色而已，在未來，它將在決定高功能IC 的功能與成本的考量上有更吃重的角色。因為可以透過高密度構裝技術，使得電子構裝在更小的空間內，配置更多的訊號傳輸連結。另外，因應銅導線製程晶圓的相關技術的發展，在構裝方面也積極尋求更好的技術來搭配，而以銲錫凸塊和覆晶接合技術來連接基板或導線架的積體電路構裝方式，更可以充分發揮銅製程產品的高傳輸速度的特性，已經成為構裝產業看好的未來主流構裝技術之一。在矽晶圓上長銲錫合金凸塊的覆晶構裝技術不但可以廣泛應用在各項先進電子產品上，例如訴求輕薄短小的. 15.

(27) 無線通訊產品，及訴求高容量、高速率功能的記憶體與邏輯控制模組等，亦使得電子產品在效能發展上得以不斷提升，且因在矽晶圓上長銲錫合金凸塊的覆晶構裝技術是屬於晶圓級的構裝技術，當矽晶片設計變得更小時，可以使得每片晶圓可製成晶片數目巨幅增加，還可大幅降低構裝的成本。此外，隨著微機電系統技術及奈米技術的發展，該兩項技術之構裝問題將是重要的議題之一，而覆晶技術已被應用在微機電系統、光電元件、射頻(RF)微元件以及微光學元件的構裝上。可以預見銅製程晶圓凸塊技術對未來高速IC 元件的構裝將有革命性的影響，它將促使高速CPU晶片時代提早來臨，對於目前最熱門的高速記憶體IC，如 RAMBUS DRAM, SRAM，將造成全面性傳輸速度的提升，對未來高功率及高頻無線通訊IC 晶片亦將有深遠的影響。由圖2-4可看出IC封裝演進過程每五年即有新的封裝型態，1995年之前以傳統導線架封裝方式為主，1995年之後高階封裝方式逐漸崛起。在先進封裝型態中，高腳數的封裝以BGA與Flip Chip為主，高頻低腳則以 CSP為主，高頻高腳數的IC封裝則是以FLIP CHIP BGA較為適用。. 16.

(28) 圖2-4 IC封裝主要類型之演進. 圖2-5 IC封裝趨勢示意圖. 17.

(29) 2-2 無鉛焊料之發展鉛錫合金是一種古老而傳統的銲錫原料，早在西元前羅馬人就已使用鉛管與鉛錫合金來作為其水管工程的主要材料與焊材。直到現在，鉛錫合金仍然被廣泛的應用在一般電子元件的接合與電子產業的封裝製程上，由於長久的使用，人們已對錫鉛焊料的性質有著充分的掌握，不論是可靠度、使用溫度、銲接性質等都相當的了解，而鉛在電子產業上的用量更幾乎佔了全世界鉛年產量的百分之五，但隨著環保意識的抬頭，人們發現鉛化合物對人體具有毒性，少量的鉛即可對人的大腦、中樞神經系統與腎臟等器官造成永久性的傷害，而在電子產業中，由於錫鉛焊料是封裝製程中最重要的接點材料，不論是傳統的PTH、SMT到現今的BGA、FC技術，錫鉛焊料都是必須且有極大使用量的材料，加上電子產品的生產技術成熟與交替速度愈加快速，造成不斷的產生許多報廢的舊品，而這些舊品上的含鉛物質，可能因處理的方式而滲入土壤與水源，造成環境的污染與對人體健康的威脅，因此各先進國家無不透過立法與環保政策以對鉛的使用進行嚴格的限制，除了提倡再回收利用與再生，更積極的發展新一代環保材料。為了順應潮流，日本已定出法律，規定在公元2005年後完全禁止在電子元件生產過程中加入鉛元素，歐洲聯盟亦已於公元2006年7月，開始執行歐盟電子電機設備中危害物質禁. 18.

(30) 用指令(Restriction of the use of certain hazardous substance in EEE， ROHS)。RoHS指令的主要目標在於對電機與電子設備中有害物質的限制，從而保護人類健康，並保證對廢棄物進行合理的回收與處理，以保護環境。根據指令規定， 2006年7月1日起，投入歐洲市場的新電機電子設備中將不得含鉛、汞、鎘、六價鉻、聚溴二苯醚(PBDE)或聚溴聯苯 (PBB)等材料。在此指令實施前，已使得各電子元件生產大廠為了符合環保標準，皆開始進行無鉛焊料的研發。由於錫鉛焊料的長久與普遍使用，電子產業了解其具有導電性良好、抗氧化及腐蝕性佳、耐疲勞性良好、濕潤性良好、價格低廉、可銲性佳、熔點溫度適中及具相當之強度與延性等優點，所以目前所有的生產機台與測試配備均以其為標準，造成無鉛錫球的發展，除了需兼顧軟銲製程與現今銲接設備維持不變，以利於縮短焊料製程的測試時間和節省設備投資費用外，其更需擁有與現今錫鉛焊料不相上下的機械性質與冶金特性。綜觀目前無鉛錫球的發展，基於成本與冶金特性的考量，通常是以錫為基底再加入其它元素以取代鉛而成，目前常用的取代元素可見表2-2 所示，但由於錫球合金需無毒性、價格低廉且產量大，因此近年來常被提出的錫球成分有Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-In、Sn-Zn、Sn-Bi、Sn-Ag-Cu、. 19.

(31) Sn-Ag-Bi與Sn-In-Ag等，其他亦於測試當中的合金系統可見表2-3所示，雖然世界上產業界或學術界皆已投入許多心血於無鉛錫球的研發，但目前仍無任何一種合金能在整體上完全取代傳統錫鉛合金的地位。表2-2 無鉛錫球常添加的合金元素元素 Bi Cd In Zn Au Ti Ga Hg Ag Cu Sb. 添加量 (wt%) 0-100 0-100 0-100 0-90 0-82 0-100 0-100 0-100 10 3 5. 固相限範圍(℃) 138 188 117-150 198 218-310 165 18 140 221 227 232-236. 液相限範圍(℃) 138-270 177-320 117-232 198-400 218-400 165-300 18-232 -40-232 221-300 227-320 236-240. 毒性. 價格. 適用性. 無強無無無很強強強無無無. 可接受可接受中等低很高可接受高高高低中等. 適中適中低好低低低低適中好可接受. 表2-3 近年來研發的無鉛錫球合金系統合金系統. 組成. 固相溫度(℃). 液相溫度(℃). 錫銀. 80Au20Sn. 280. 280. 鉍鎘鉍銦錫鉍銦. 60Bi40Cd 67Bi33In 57Bi26In17Sn 58Bi42Sn 95Bi5Sn 54.5Bi43Sn2.5Fe. 144 109 79 138 134. 144 109 79 138 251 137. 錫鉍錫鉍鐵. 20. 密度 14.5 1 9.31 8.81 8.56 9.64. 備註共晶共晶共晶共晶共晶.

(32) 固相溫度(℃). 合金系統. 組成. 錫銦鉍錫銻. 56Bi42Sn2In 95Sn5Sb 97In3Ag 90In10Ag 48.8In31.6Bi19.5Sn 51In32.5Bi16.5Sn 60In40Sn 52In48Sn 50In50Sn 100Sn 96.5Sn3.5Ag 95Sn5Ag 93.6Sn4.7Ag1.7Cu 96.2Sn2.5Ag0.8Cu0.5Sb 55Sn25Ag10Sb 95.5Sn3.5Ag1Zn 95Sn3.5Ag1Zn0.5Cu 91.8Sn4.8Bi3.4Ag 91Sn4.5Bi3.5Ag1Cu 48Sn46Bi4Cu2Ag 67.8Sn32.2Cu 99.3Sn0.7Cu 99Sn1Cu 97Sn3Cu 95.5Sn4Cu0.5Ag 95.5Sn3Cu1Sb0.5Ag 70Sn30In 58Sn42In. 銦銀錫銦鉍錫銦純錫錫銀錫銀銅錫銀銅銻錫銀銻錫銀鋅錫銀鋅銅錫鉍銀錫鉍銀銅錫鉍銅銀錫銅錫銅錫銅銀錫銅銻銀錫銦錫銦銀. 72.2Sn25In2.8Ag. 錫銦銀銻. 88.5Sn10In1Ag0.5Sb 90Sn8In2Bi 80Sn10In10Bi. 錫銦鉍. ~275 143 141 59 60 118 118 118 232 221 221 216 210. 液相溫度(℃) 138 ~308 143 237 59 61 ~127 118 125 232 221 ~250 216 217 233 217. 備註. 7.38 7.54. 共晶. 7.68 7.30 7.30 7.28 7.35. 共晶共晶共晶. 共晶共晶. 211 210 177 227 227 227 225. 177 227 227 ~330 260 256. 120 118. ~175. 175. 187 211. 153. 21. 密度. 199. 7.68. 共晶共晶. 7.30 7.25.

(33) 合金系統錫銦鉍銀錫銻錫銻鉍銀錫鋅錫鋅銦錫鋅銦銀錫鋅銦銅. 組成 78.4Sn9.8In9.8Bi2Ag 80Sn10In9.5Bi0.5Ag 95Sn5Sb Sn approx 90~95%, Sb3~5%, Bi1~4.5%, Ag0.1~0.5% 91Sn9Zn 87Sn8Zn5In 77Sn8Zn5In0.1Ag 78Sn8Zn5In0.1Cu. 固相溫度(℃). 液相溫度(℃). 179 ~234. 201 240. 199 175. 199 188. 密度. 備註. 7.27. 共晶. 2-3 覆晶技術之必要性覆晶技術最早是美國IBM 公司在1960 年代首先研發出來要取代打線接合(Wire Bonding, WB)技術的一種構裝技術，並對該技術作了一連串的研究。覆晶：IBM 公司稱為C4(Controlled Collapse Chip Connection) 技術，也有人稱之為DCA(Direct Chip Attach)，IBM 公司的C4 製程是利用蒸鍍方式，在矽晶片表面上鍍上不同之金屬層來製作UBM 層及銲錫凸塊，如圖2-6 所示。IBM 當時採用高溫銲錫(5Sn/95Pb、3Sn/97Pb 或 50In/Pb)合金作為銲錫凸塊，利用延性焊料在加熱接合過程中崩潰 (Collapse)成球而與陶瓷電路板作接合，由於銲錫凸塊在迴熔成球時具有自我校正之特性如圖2-7 所示，因此可以提高細小構裝節距(Pitch)之構. 22.

(34) 裝可靠度。FC 是晶元接點面朝下以銲錫凸塊直接和基板連接。打線接合的晶元I/O 接點在外圍四周，接合點數受到較大之限制；覆晶接合的晶元I/O 接點成面矩陣(AreaArray)方式排列，相同尺寸之晶片的I/O 數目比打線接合提高很多。. 圖2-6 C4 製程示意圖. 圖2-7 Flip Chip 焊點自我校正功能示意圖. 23.

(35) 覆晶具有高I/O 密度、連線短(如圖2-8 所示)、低電感、高頻雜訊易控制、電磁遮蔽效應佳、銲錫接點自我校正、構裝尺寸縮小與表面黏著技術相容性高等優點，由於它可大幅縮小IC 元件構裝後的體積，減少訊號的延遲以及雜訊的產生，如圖2-9 所示。更適用於高訊號傳輸速度以及高接腳數IC(High Pin Count ICs)的構裝接合，尤其更能符合目前輕薄短小的電子產品市場需求趨勢，因此它將逐漸取代傳統打線技術(Wire Bonding,WB)，成為IC 構裝技術的熱門議題。. Source : Altera. 圖2-8 覆晶封裝與打線封裝之線路比較. 24.

(36) 圖2-9 輕薄短小之電子構裝需求趨勢. 由於Flip Chip IC採用直接銲接且銲接點很小，電氣特性比QFP、TAB 等銲接方法更佳。因此其信號響應速度亦較快，對高頻元件幫助較大。此外，由於晶片至基板之間的路徑距離短而直接，Flip Chip IC所產生的熱量較小，還可以借由導熱封膠劑散熱，故Flip Chip IC在熱管理效應上較以往的IC為佳。綜上所論，Flip Chip IC技術具有下列主要優點： 1. 空間效率更高：將晶片直接安裝在基板，可縮小空間成本，無論是. 25.

(37) 平面及厚度，Flip Chip均可節省許多空間。以Flip Chip取代QFP IC， Chip的面積可由900mm2降至100mm2。更多的IO接點：Flip Chip IC 利用整個晶片底部作輸入／輸出連接，由於底部面積可設置的接點比周圍安裝的接點更多，Flip Chip IC能有更多的I/O接點。表2-4列出各種封裝類型之尺寸及端子數。. Substrate. Lead Frame. 表2-4 各種封裝類型之尺寸及端子數 Type Package Body Size(mm) Pin Count SOP 150~500mll 8~70 SOJ 300~400mll 20~62 SOJ-LCC 300~400mll 24~42 SSOP 150~496mll 16~80 TSOP(1) 8*13.4~14*20 28~56 TSOP(2) 300~400mll 20~86 TSOP-LOC 300~400mll 24~86 QFP 10*10~40*40 44~304 TQFP 7*7~14*14 44~158 LQFP 7*7~28*28 32~256 HS-QFP 14*20~40*40 100~304 PBGA 14*22~45*45 119~1156 TFBGA 6*8~19*19 36~324 L(F)BGA 8*8~27*27 64~676 EBGA(Viper BGA) 27*27~42.5*42.5 256~860 HS BGA 27*27~40*40 256~665 FC BGA 11*11~45*45 100~1936 MCM BGA 14*22~45*45 119~1096. 26.

(38) 圖2-10 各種IC封裝尺寸比較示意圖. 2. 無需接合線及導線：Flip Chip IC將晶片直接安裝在基板上，可免除接合線及導線。 3. Flip Chip IC可節省的物料超過QFP與TAB IC。 4. 熱耗量較小且散熱性更佳(因其電路較短)，且可在晶片背面安裝散熱片，或導熱封膠劑散熱。 5. 由於Flip Chip IC銲接點較小，因此其導電性比QFP與TAB IC更佳。. 27.

(39) 且Flip Chip IC至基板之間的距離較短且直接，因此其電阻與電感極低。信號響應速度較快，對須要高頻運作的元件(如通訊設備)幫助極大。 6. Flip Chip的接合法不須使用引線，因此並無銲線(wire bond)在接合點的應力(stress)。由於Flip Chip是採用直接銲接，提高了接合強度。 7. Flip Chip進行程序比其他貼片技術更快捷，而且能提高接合可靠性 (reliability)和節省成本。. 2-4 晶圓凸塊製程介紹覆晶晶粒封裝的關鍵技術主要分為幾個部分：錫球銲接點(凸塊)製作(Flip Chip Bumping)、裸晶測試(Known Good Die,KGD)、覆晶接合(Flip Chip Bonding)、填膠(Underfill Dispensing)、封裝模組測試(Module Test)。其中，錫球銲接點製作是最基礎也最重要的部分，因錫球不僅為晶片與基板間的粘著支撐材料，亦為電流訊號需長久使用所需仰賴的接點，因此錫球接點的可靠度是極需注意的。覆晶接合銲錫凸塊之基本結構包括銲球本身及凸塊底層金屬(Under Bump Metallurgy; UBM)，如圖2-11所示[11,12]，其中凸塊底層金屬依其不同功能可分為結合層(Adhesion Layer)、擴散障礙層(Diffusion Barrier. 28.

(40) Layer)、潤濕層(Wetting Layer)或抗氧化層(Oxidation Barrier Layer)等，其製作方式包括有真空濺鍍、真空蒸鍍、電鍍及無電解電鍍等。 1. 結合層：主要功能為改善鋁或銅導電層與銲錫合金間之附著性，同時必須要與鈍化層(Passivation)有良好的結合強度。常見的結合層材料如表2-5所示[13]，其中以鉻和鈦最為常用[11,12]。 2. 擴散障礙層：用來阻擋鋁或銅導電層與銲錫合金間的相互擴散。常見的擴散障礙層材料如表2-5所示[13]，另外還有以無電解電鍍方式製作的鎳磷合金亦極為常見[11,12]。 3. 潤濕層或抗氧化層：潤濕層為用以增加擴散阻障層與錫球合金間的濕潤性，常用的金屬為Cu、Ni等；抗氧化層可以防止擴散障礙層的氧化，其中最常使用的是金和鈀[11,12]。 4. 銲錫材料：長期以來都是使用鉛錫合金作為銲錫材料，包括共晶組成的63Sn/37Pb及高鉛含量的95Pb/5Sn等，但近年來由於環保與健康因素的考量，未來將逐漸採用無鉛的銲錫材料。. 29.

(41) 表2-5 常見UBM材料的種類與應用特性[13]. 30.

(42) 圖2-11 晶圓凸塊之基本構造. 凸塊 (Bump)：又稱為錫球亦稱為隆點，目前最常使用的為錫鉛錫球，如共晶錫鉛錫球(eutectic 63Sn/37Pb bump)及較高溫的高鉛錫球 (5Sn/95Pb bump)，但由於近年來環保意識的高漲，及鉛對環境和人體的危害，使得無鉛錫球正積極的被發展當中，希望未來能取代傳統的錫鉛錫球而成為綠色產業；而現今的錫球製作方法主要分為三部份：真空蒸鍍、網版印刷及電鍍[8]。 1. 真空蒸鍍(Evaporating)：由IBM於60年代所發展的技術，其製程為 31.

(43) 將晶片置於真空容器內，透過光罩將材料一層一層的以氣體的方式蒸鍍到晶圓的銲墊上，如圖2-12所示。此過程十分繁複且加工費用高昂，但經過IBM十多年來的改進下，蒸鍍法被證實可製作出品質最好的錫球，因此許多要求可靠度及品質的產品依然是使用蒸鍍法進行凸塊的製作。. 圖2-12 真空蒸鍍錫球製程示意圖[8]. 32.

(44) 2. 網版印刷(Stencil Printing)：網版印刷製程是目前成本最低，產量最高的錫球製程技術[9]。此方式早已為表面粘著技術(Surface Mount Technology,SMT)業界廣泛使用，其最大的優點為價格低廉，印刷速度又極為快速。其製程為將試片與網版對位後，利用刮刀，透過網版上的圖形設計，將調配好的錫膏(Solder Past)，均勻的塗佈於網版的開孔中，並將多餘的錫膏刮除，接著將網版移去，將試片置於迴銲爐中進行迴銲，迴銲後便可得到球狀的錫球接點，其印刷方法如圖2-13所示，製作流程如圖2-14所示。但其缺點為當產品的腳距不斷縮小時其製程困難度便相對的提升，此外，在進行印刷之前，還需在晶片銲墊上先製作錫球下層金屬(Under Bump Metallury, UBM)來保護銲墊，因此無法單以印刷方式完成整個凸塊接點的製作。. 圖2-13 網板印刷示意圖[8]. 33.

(45) 圖2-14 網版印刷銲錫凸塊製程示意圖. 3. 電鍍(Electroplating)：目前電鍍法又可分為電解電鍍與無電解電鍍，電解電鍍為目前最廣泛使用的方法，其製程為利用外加負偏壓，固定電流密度，將渡液還原於陰極極板上，得到蕈狀錫球凸塊，最後經迴銲後得到完整錫球，如圖2-15所示。電鍍法因可一次加工一片晶圓上所有的錫球，因此非常適合大量生產，且亦可應用於製作腳距細微的產品上。. 34.

(46) 圖2-15 電鍍製作錫球接點示意圖. 2-5 覆晶封裝製程介紹覆晶封裝產品主要的製造流程，首先在晶片的接點上製作凸塊，然後將晶片切割，再將晶粒上的金屬凸塊與基板銲墊上的金屬凸塊經由迴銲結合，而共鎔結合在一起的金屬凸塊容易經碰撞或因溫度變化產生的膨脹或收縮而斷裂，因此必須在晶粒與基板之間灌入填充物(Underfill) 來保護金屬凸塊[17]。在灌入填充物之前需先將基板內的水分烤乾，以避免後製程的高溫將水分轉變為氣體殘留在金屬凸塊的四週，造成填充物無法緊貼金屬凸塊而失去保護作用；烘烤後使用電漿(Plasma)將基板表面的灰塵等雜質去除乾淨，以避免填充物因雜質而無法填滿整個間隙，最後再將錫球銲接在基板背面的銲墊上，詳如圖2-16所示。. 35.

(47) 圖 2-16 覆晶封裝製程. 2-5-1 覆晶銲接製程介紹上晶粒製程是覆晶封裝產品最主要的製程，上晶粒製程首先要將晶粒吸離膠帶表面，然後將晶粒之正面翻轉向下，將晶粒的金屬凸塊沾上助焊劑，再將沾完助焊劑後的晶粒放在基板C4銲墊區，經過高溫製程便可將晶粒與基板的金屬凸塊共鎔結合在一起，如圖2-17所示。使用助焊劑的目的主要是去除金屬凸塊表面的氧化層，防止融化冷卻過程再度氧化，還有助於金屬凸塊表面的熱交換。. 36.

(48) Ball. Nozzle. Chip Ejector. Tape. Chip Ejecting. Flux. Chip Flipping. Flux Dipping. Substrate. Finished. Reflow. 圖 2-17 覆晶銲接製程. 37. Chip Bonding.

(49) 第三章表面處理技術對晶圓凸塊迴銲影響之探討 3-1 真空度對迴銲影響之研究 3-1-1 真空度的定義與應用真空(vacuum)原拉丁文意指「空」(empty)。這個名詞從字意上係表示沒有任何物質存在的空間，因此這個空間到現在為止並不存在，也沒有任何方法可以造成，所以完全真空是不存在或者是不可能造成的。我們現在所指的真空是根據1958 年美國真空學會所下的定義：「在一個空間中的氣壓低於一大氣壓力」。1大氣壓下氣體分子密度約為2.687× 1025/m3，若在真空度為1×10-4pa高真空，氣體分子密度約為2.65×1016/m3。在真空技術中，一密閉容器雖保持真空，但並非「真正的空」，也就是說真空並不表示裡面全無氣體分子；事實上以目前技術所及的超真空狀態，其中仍有為數可觀的氣體分子存在。真空的定義雖然簡單，但是它涵蓋的技術範圍很廣，可以從以很簡單的人力造成的粗略真空，到非常困難的超高真空。而真空技術會因應用範圍的不同，亦有很大的差別。真空是一種環境，其衡量單位就是氣體壓力，壓力值越低，真空度就越低，常用單位有(1)pa (2)mbar (3)torr，其關係數如下： 1大氣壓=1.03×105 pa. 38.

(50) 1mbar=100pa 1torr=133pa. 而真空的分類，由於不同的幫浦和測量的方法或者說是不同的物理狀態，可依壓力的大小分為四個區域，如表3-1所示：. 表3-1 真空區域範圍真空範圍所需幫浦 -3 760 ~ 10 Torr 機械幫浦. 名稱粗略(低度)真空 Rough Vacuum 10-3 ~ 10-5 Torr 機械幫浦與擴散幫中度真空 Medium 浦的組合 Vacuum 10-5 ~ 10-8 Torr 機械幫浦、擴散幫高真空 High Vacuum 浦、離子幫浦、渦 -8 超高真空 10 Torr 以下輪分子幫浦、冷凍 Ultra 幫浦、和鈦昇華等 highVacuum 幫浦的組合. 主要殘留氣體空氣、水蒸氣、二氧化碳和一些易揮發溶液的蒸氣除了以上之氣體外、尚有氫氣和幫浦油蒸氣大部份為氫氣和一氧化碳. 利用真空所具之特性（低壓、低氣體分子密度、長平均自由路徑、和長形成單層所需時間等），真空技術擁有非常廣闊和獨具的應用範圍，如表3-2所示[18]。. 39.

(51) 表3-2 真空技術的應用. 在自然界中，生物常利用粗真空技術來實行一些生命功能，譬如：人的呼吸：720 Torr；人使用吸管吸吮飲料：高達300 Torr；章魚的吸盤吸力：最大更可高達100 Torr。而真空更是存在於自然界中，我們知道離地球表面愈高，空氣愈稀. 40.

(52) 薄，壓力也愈低。一般而言，從地表至一百公里高，平均每十五公里，壓力降低為十分之一；而從一百公里至四百公里，平均每一百公里，壓力降低為十分之一。也就是說，在離地表九十公里處，真空度約為10-3 Torr，在離地表三、四百公里處，真空度約為10-7 Torr，而在離地表一千公里處，真空度則高達為10-10 Torr，在離地表一萬公里處，真空度更為 10-13 Torr。. 3-1-2 真空元件介紹一、真空幫浦凡能將一空間內之氣體去除，以減低氣體分子數目，造成某種程度之真空狀態的機件，統稱為真空邦浦。在還沒有討論各種真空幫浦的結構、原理、功能等特性以前，先讓我們按照不同的性質將真空幫浦加以分類，以得一概括性的認識。而真空幫浦的分類可依抽氣型態、工作原理或工作壓力範圍三種方式來區分，如表3-3所示。. 41.

(53) 表3-3 真空幫浦種類. 而在選用真空幫浦時，通常需考慮幫浦所能達到之最低壓力、有效之工作壓力範圍、抽氣速率大小、和排氣口壓力等四個因素。最低壓力有時又稱終極壓力，其大小由幫浦本身氣體逆流的大小或所用抽氣媒體（真空油）的蒸汽壓大小來決定。而有效之工作壓力範圍，其真正的意義是指在此壓力範圍內，幫浦有足夠的抽氣速率。幫浦的抽氣速率隨壓力而改變，並非定值；且抽氣速率亦因所抽不同的氣體而改變。一般幫浦製造商在標定抽氣速率時，均以最大抽氣速率為準，較保守的則以平. 42.

(54) 均值計算。排氣口之壓力，主要是針對排氣式真空幫浦而言，某些幫浦可將氣體直接排至大氣，例如旋片式幫浦；有些則不然，以常見之擴散幫浦而言，其排氣口壓力必需小於0.5 Torr。排氣口壓力不為一大氣壓之所有幫浦，在實用上必須使用輔助幫浦（或前級幫浦）組合工作以達抽氣目的。儲氣式幫浦如吸附幫浦無排氣口，且不可使輔助幫浦，但為減低其抽氣時的氣體負荷，亦常使用機械幫浦作粗抽。. 二、真空量度計真空計是真空系統的眼睛，讓我們看清真空系統工作的情況，在真空技術領域裡，真空度涵蓋了由760 torr 到10-13 torr 的範圍，所涵蓋範圍相當於1016的大小。真空計是依據各種物理原理來量測壓力或分子數目的多少，到目前為止，尚無任何一種真空計可以量測由一大氣到 10-13 torr 之高真空範圍。真空技術中壓力之量測分為全壓力量測與分壓力或殘留氣體分析兩種。在實用上，真空計必需有足夠的靈敏度，準確度以及可信性，但其它如使用壽命、價格等亦為考慮因素。常用真空計之功能和運作，如表3-4所示。. 43.

(55) 表3-4 常用真空計之功能和運作. 三、真空元件及材料在真空技術中，除了上述所說之幫浦及度量計外，尚需要一些真空組件來隔絕和聯結不同的壓力系統，我們亦將對此類真空元件作說明，如腔體、真空閥、漏氣閥、視窗、管路、和墊圈等。另外所有的真空元件皆是由不同的材料所製成的，而對於能用於真空技術中之材料是有所限制的；畢竟真空的環境與我們日常所處的大不相同，我們所習慣的環境是在一大氣壓力情況下，但是在真空環境中，材料的性質往往與我們在大氣中所感受的不同。譬如說木、紙、皮革、布、橡皮、塑膠等材料在我們日常生活中很難發現有氣化或分解的情形，但是若放到真空中則會顯著地蒸發，最後變質瓦解。因此我們除對能在真空中所使用的材料，其機械強度大小、真空適用性、和耐熱程度. 44.

(56) 須有所要求外，對於真空系統和元件的設計、組合、銲接及加工亦須有所認識。雖然可用於真空的材料已有所限制，但其個別的性質之討論仍屬繁瑣，無法在這裡詳加記述，故在此只就真空材料的選擇所須考量之通則作重點的介紹。在一真空系統腔體內，通常所用的材料是腔內氣體分子來源的主要因素，這也是為什麼材料的選擇是如此重要，而無法達到非常好的真空度。現將其的影響真空度主要原因分述如下: （一）逸氣(Outgassing)：材料中常有氣體的存在，在一般的情況下這些氣體會存在於材料中或材料表面，很久而不致釋出，但若材料的溫度升高，或材料表面上的氣體壓力降低，這些氣體就會釋出，我們稱這種氣體釋出的現象為逸氣。存在於材料中的氣體有下列四種形態: 1. 氣體溶解在固體(或液體 )中。 2. 氣體形成化合物如氧化物、氮化物、碳氫化合物、氯化物等存在 (附著或溶解 )在固體 (或液體)中。 3. 氣體分子在固體形成時 (熔鑄)，氣泡或間隙存於固體中。 4. 氣體被吸附在固體表面，或由於熱擴散進入固體分子間。這些氣體的逸氣對真空的影響甚大，有些材料比較易於吸附氣體，. 45.

(57) 或製作時不易除去氣體，故不適用於真空。有些材料雖無上述氣體存在其中的情形，但其組成成份若蒸氣壓（在平衡狀態下，分子作用在大氣與其液體或固體周遭的壓力，並和溫度有關）很高，或者材料中的雜質易於蒸發，則在真空中均有逸氣的可能。（二）昇華 (sublimation)與蒸發 (evaporation)：一般來說，蒸發是先由固體變成液體(熔解)，然後再從液體變成氣體(沸騰)；而昇華則是由固體直接變化成氣體，不經過液化的過程。這兩種過程都和溫度及壓力有關。在真空技術而言，我們常用蒸發或氣化來表示物質變成氣體的現象，因為我們只考慮氣體產生的結果，而固體變成氣體的中間過程並不重要。通常真空材料除在某些特殊的應用外，其使用的溫度並不太高，固體在溫度不太高而壓力甚低時昇華的機會較大。不論固體是在較高溫度下先變成液體再蒸發成氣體或是直接昇華，都與該物質的蒸氣壓有關。材料氣化的現象為決定真空系統最終壓力的主要因素，理想的真空系統(無漏氣、放氣或氣體滲透及擴散的情形)即使連續用幫浦抽氣，最後也只能達到最終壓力而不能抽成絕對真空，材料的氣化和逸氣現象即為主要原因。固體的逸氣與材料中的成份或雜質的氣化有密切關係。而我們可以對所使用的真空材料予以烘烤，釋氣程序或表面處理以降低材料的逸氣率。這些處理過程的優劣，常是關係著. 46.

(58) 是否達到超真空的重要因素。（三）擴散(diffusion)與滲透(permeability)：不管金屬或非金屬材料，不論製造如何精良，若用高放大倍數的顯微鏡來觀察這些材料，到處可見細微小孔。即使最純的結晶體，其原子排列成一定的結構，在原子間仍有空隙的存在。氣體分子就從這些小孔及間隙中輾轉進入固體內。存在材料中的任何物質均難免藉由擴散進入真空腔體內的可能，其進入的程度視溢度、濃度以及物質的原子(或分子) 間隙而定。不論真空儀器的器壁為金屬或玻璃，亦不論其厚薄，高壓區域的氣體均有經由滲透進入低壓區域的可能性。通常氣體分子(或原子) 愈小，則愈容易滲透，氫氣與氮氣為兩種最易滲透的氣體。基於上述原因，一般真空容器造用材料為不鏽鋼、鋁合金、玻璃等為主。而封合的材料則為無氧銅、金、銀、鋁和特福隆（Teflon）等。. 四、真空抽氣過程前面我們已經分別介紹各種真空元件和逸氣的原因與現象，現則針對其如何達到超高真空範圍的抽氣過程略述於下。第一階段，當真空系統從大氣開始抽氣至中度真空範圍內，主要所抽之氣體為系統內空間的氣體分子，此時壓力隨時間之變化為自然對數. 47.

(59) 的衰減，而衰減係數為系統抽氣速率與體腔體積的比值（即P～e. - αt. ；. 其中 α 為抽氣速率與體腔體積的比值），此段抽氣過程是非常的快速，時間極短。第二階段，當真空度從中度真空進入高真空範圍時，大部份被抽的氣體為表面吸附的氣體分子，因此表面吸附性氣體的退吸決定壓力下降速率，此時壓力隨時間之變化尺度為P～t -1。未經烘烤之系統，此時表面吸附之氣體以H2O為主，N2、O2、CO2、CxHy為次，若系統不用金屬而使用O-ring封合，或者其內表面積極大，則壓力下降將極緩慢。通常未經烘烤之系統，其壓力很難小於此階段對應之壓力範圍。第三階段，即在高真空範圍時，表面吸附的氣體分子漸被抽盡，而器壁內被吸收的氣體慢慢擴散到表面再被釋放；此時氣體擴散成為重要因素，壓力下降形式亦由t -1變成t -1/2，在真空技術之實例中，以氫氣在鋼鐵中緩慢之擴散最為常見。第四階段，即使是所謂的“不漏系統＂，其終極壓力由一定之氣體滲透率決定，對於未經烘烤、金屬封合之系統而言，若欲達到平衡之終極壓力則需時約108小時。這也告訴我們為何超高真空技術裏，烘烤步驟是絕對必要的。由上所述，如果一真空系統未經烘烤的過程，中高度真空將是其所 48.

(60) 能達到的極限。對一真空系統加熱烘烤，除可加速被吸收氣體逸氣與擴散至器壁表面，而縮短抽真空的時間；亦可大幅降低真空材料的逸氣率，而提昇系統的真空度。 3-1-3 實驗所用之真空設備與條件真空迴銲腔：使用簡易真空腔體(Chamber)與管件組合而成，內置可達 450℃附溫度控制裝置之加熱板，並於距離抽氣口之最遠端，裝置可達 10-6 torr之真空度計，如圖 3-1 所示。. 圖 3-1 實驗用真空迴銲腔體裝置. 49.

(61) 3-2 助焊劑對迴銲影響之研究 3-2-1 助焊劑概要一、助焊劑之作用原理：各種銲接進行前，被銲的金屬表面皆必須先行塗佈助焊劑(flux)，再經預熱之能量激發出助焊劑中的活性成分(Activator，即某些酸類或鹽類)，而將待銲表面(如銅面、銲錫面、純錫面、銀面等)之輕度氧化物與污著物予以清除(如除去Entek 皮膜)，亦即產生還原反應，使氧化物被分解而移除。此種有效的清潔功用，可讓焊料(Solder)與待銲表面迅速產生IMC 而沾錫(Wetting)焊牢。. 二、助焊劑之功能：一般來說，助焊劑的功能可歸納如下[19]： (1) 在外加熱量的助力下，其中之活性物質可將待銲表面的氧化物與雜質予以還原性的清除。 (2)還原清潔後到銲接完成前，於組裝板行走的高溫環境中，尚可繼續保護待銲表面不致被再氧化，並協助傳熱。 (3) 協助銲墊向外排除各種污廢物，防止板面產生錫網 (Webbing )、搭橋(Bridging )及形成錫尖(Icicle)與錫球(Solder Ball)等缺失。. 50.

(62) 三、助焊劑之主要成分：助焊劑中主要化學性成分通常有： (1) 載運劑或載劑 (Carrier Materials)：為組成份之主體及協助活性劑之分佈及傳熱。 (2) 活性劑 (Activator )：可於高溫中對金屬氧化物產生還原作用。 (3) 溶劑 (Solvent)：調節整體之黏度與比重，及協助傳熱。 (4) 濕潤劑 (Wetting Agent)：協同助焊劑本體對板面的附著及分散。. 四、助焊劑之種類：電子用助焊劑可概分如下： (1) 樹脂型(Resin)：按其主劑之不同又可再分為松脂型(Colophony Rosin)及非松脂型(Non-Colophony)或只稱樹脂型等兩類。而其中的松香類(Rosin)為一天然化學品，是從松樹(Pine)中得到的原始松脂(Colophony)，經精製後而成為再製之松香(Rosin)。松香之所以能夠展現出助焊能力者，係因高溫中會衍生出多種有機酸來，其中主要可用者就是松脂酸(Abietic Acid)，如圖3-2所示。其分子式為C19H29COOH，有三個苯環，熔點172℃，因只有一個酸基故活性並不強。松香本身很容易氧化與吸水及聚合化而變質，成為. 51.

(63) 棕褐色而逐漸失效。此有機酸雖在高溫中具有活性可溶除金屬氧化物，但在常溫常濕中卻呈現為不具活性的固體酸，具有相當好的安全性與可靠度，而成為被電子工業選中的寵兒。. 圖3-2 松香中最常見的二種松脂酸. 在此類型助焊劑中常加入的活性劑有：非活性、鹵素活性、及非鹵素活性等三類。至於製品外形則另有液態、固態及漿態三種。 (2) 有機型(Organic)：有水溶及非水溶兩型，其助焊劑之類別同上，製品外型也如同上三種。 (3) 無機型(Inorganic)：本項中由Flux 主劑性質之差異而又有鹽類(如氯化銨或其他)、酸類(磷酸或其他)與胺類(胺類或氨水類)之不同。. 3-2-2 實驗所用之助焊劑本實驗使用如下之天然松脂型與水溶性有機合成型二種助焊劑與不使用助焊劑之情況做為比較： 52.

(64) 1. 天然助焊劑：阿爾發100T2，琥珀色，沸點：207℃，pH值：未測定，詳如表3-5。 2. 合成助焊劑：NR310B VOC Free No-clean Flux，無色，水佔95.97%，沸點：100℃，pH值：2.6，詳如表3-6。表 3-5 阿爾發 100T2 物質安全資料表. 資料來源：阿爾發金屬化工股份有限公司. 53.

(65) 表 3-6 NR310B VOC Free No-clean Flux 成份與特性. 資料來源：阿爾發金屬化工股份有限公司. 3-3 以雷射進行迴銲前處理之研究準分子雷射（Excimer Laser）此名詞是由Excited-Dimer 兩字所合成，其原意為「被激發的兩個分子」而所謂的兩個分子就是鈍氣（He、 Ne、Ar、Kr）和鹵素（如F、Cl、Br）兩種元素，混合後可放電激發出高功率的紫外光（如Kr 和F 可釋出248nm 的紫外光等），一般工業上常用的種類主要包括XeCl（308nm）、KrF（248nm）、ArF（193 nm）. 54.

(66) 三種波長的準分子雷射。準分子雷射為一種脈衝式的雷射，每一脈衝所攜帶的能量是目前紫外光雷射中最高的，在工業應用上以蝕刻之用途的為最廣泛，在此我們亦將準分子雷射之加工技術應用於微型壓力感測器之加工製作。脈衝雷射在進行加工的過程中，會依循著某種特定的加工模式，其過程為雷射將大量的光子聚集在單一方向，使其具有同調性（coherence）及單一波長的特性，並利用光學系統將光聚集在工件上，使工件表面吸收雷射光，這些集中在表面的能量會轉換成熱能並向四週擴散，當材料本身對能量的吸收度高而擴散能力又差時，材料表面局部就會快速的升溫，最後導材料表面之膨脹剝離或熔化蒸發，此加工機制是thermal 的光熱（Photo-thermal）機制，而相對於深紫外線之準分子雷射與高分子材料而言，則另外有光化學（Photo-chemical）機制，所謂的光化學為當材料分子接收到紫外光之照射時，由於紫外光之波長較短，由蒲朗克定律（E=hc/ë）可知光子可擁有較高的能量，可瞬間將高分子材料之鍵結破壞並使材料剝離，由於能量高、脈衝時間短，使得被加工物受到的熱影響效應（heat effect zone）達到最低，為一無熱之光分解過程，此即為雷射之冷加工。本實驗使用Lambda-Physik (Models LPX-200 MSC) Excimer Laser. 55.

(67) System, ArF at 193 nm Pulse 進行前處理，以評估使用雷射取代助焊劑之可行性。於樣本置放區前方加設氮氣吹氣，以減少凸塊氧化，雷射設備如圖3-3所示。加工平台如圖3-4所示。. 圖 3-3 Lambda-Physik (Models LPX-200 MSC) 準分子雷射系統. sample Sample載台. Excimer Laser 雷射光束圖 3-4 準分子雷射系統表面處理平台. 56. N2.

(68) 第四章實驗結果與討論 4-1 實驗流程與檢驗方法 1. 將晶圓試片切割成約 2 cm x 2 cm 大小之實驗試片。 2. 壓力變化以調整洩壓閥方式進行。 3. 助焊劑以棉棒沾上。 4. 不考慮升溫曲線之影響，溫度控制器設定在 250℃。 5. 使用 Ar-F, 193 nm, Pulse 準分子雷射，直接打擊試片上之銲錫凸塊，試片前方裝設氮氣吹嘴(如圖 3-4 所示)，直接將氮氣吹向試片上之雷射處理區域，以降低該區域氧化程度。 6. 實驗處理完成之試片以 X-ray 檢測設備 (如圖 4-1 所示) 進行凸塊內部殘留孔洞檢測，檢測方法如下： a. 由於試片以雷射處理之位置均位於試片之中間列，為求數據公正，所有試片之取樣點均為試片之中間列，分別於該列之左側、中間及右側各取 10 顆球進行檢測，如圖 4-2 之紅色圓圈區域。 b. 量測方法：如圖 4-3 所示，以尺規量測錫球與孔洞之直徑比，例如圖 4-3 上所示之孔洞比例約 25%。圖 4-4 例舉數種尺寸之孔洞大小範例。. 57.

(69) 圖 4-1 Shimadzu SMX-160E-II X-ray 檢測儀. 圖 4-2 凸塊孔洞之檢測區域. 58.

(70) 圖 4-3 錫球孔洞之量測方法. 圖 4-4 錫球孔洞量測範例. 7. 試片以 SEM (如圖 4-5 所示) 檢視錫球凸塊外觀。. 59.

(71) 圖4-5 SEM設備 4-2 實驗用晶圓試片之製備晶圓凸塊常用焊料之熔點如表4-1所示，本研究實驗所使用之焊材為 Sn95.5/Ag4.0/Cu0.5 無鉛焊材，此最具主流三相合金之共熔(Eutetic)溫度在217℃附近，是目前業者公認最佳的兼用無鉛焊料及最可能的通用標準焊料。其中少量銅份所扮演的角色為： (1) 可減少焊點中外來銅份的繼續增加。 (2) 可降低焊料的熔點 (3) 可改善沾錫性、加強焊點的耐久潛變性(Creep)以及長期耐熱疲勞性(Thermal Fatigue)等品質與可靠度，並為美國NEMI 所認同為錫. 60.

(72) 膏與BGA 球腳之理想組成。. 本研究實驗之試片使用8吋矽晶圓製作依標準網印製程製作至第一次迴銲程序(如圖4-6 綠色框線位置)，再將晶圓切割成約 2cm * 3cm 大小之試片，如圖4-7所示。且為避免迴銲溫度成為實驗因子之一，於實驗過程中，儘可能控制迴銲溫度於 250℃。表4-1 常用之晶圓凸塊焊材熔點銲錫類型成份組成 Eutectic Sn/Pb 63/37 Hi-Pb Sn/Pb 5/95 or 10/90 Sn/Ag 96.5/3.5 Pb Free Sn/Ag/Cu 95.5/4/0.5. 圖 4-6 Printing 晶圓凸塊製程. 61. 熔點 183℃ 314℃ 221℃ 217℃.

(73) 圖4-7 實驗所用之試片本實驗將分別針對真空度對迴銲影響、助焊劑對迴銲影響及以雷射進行迴銲前處理之可行性進行實驗，並比較其對於凸塊孔洞殘留之影響程度。. 4-3 檢測凸塊孔洞之結果. 圖4-8 X-ray 檢測Bump Void系統畫面 62.

(74) 分別以X-ray(檢測系統畫面如圖4-8所示)與SEM檢測經進行真空度、助焊劑及雷射前處理方式實驗之樣本，檢驗結果列舉如下： 1. 實驗開始時，以193 nm/ 16.5KV Pulse頻率為1 Hz進行實驗，結果於錫球凸塊上方出現火山口(Crater)情形(如圖4-9)所示，此情形在 Soon-Min Hong等人的研究中曾提及[6]，其論述中說明，這是由於急速冷卻所造成，只要增加雷射電流或脈衝寬度，即可消除此現象。因此於後續所進行之實驗中提高脈衝寬度至5 Hz，以降低此現象。. 圖 4-9 錫球凸塊上方之火山口現象. 63.

(75) 2. 以不同雷射能量前處理之比較：(760 torr下迴銲) 實驗條件. 193 nm/ 16.5KV 2min. 凸塊孔洞 0-10% 10-20% 20-30% >30% 數量 8. 193 nm/ 20KV 2min 0-10% 10-20% 20-30%. 19. >30%. 2. 凸塊表面檢視. 由上結果推論，雷射能量不宜過高，當雷射能量適當時，其前處理效果極佳，與助焊劑之效果比較毫不遜色，不僅孔洞狀況少且凸塊球形佳；反之，太高的能量反而使表面溫度過高而加速氧化層之形成，造成錫球凸塊內氣體無法逸出，且因為氧化層之緣故，造成球表面無法完全熔融而形成許多凹陷。. 64.