以 凱 文 結 構 研 究 厚 銅 金 屬 墊 層 覆 晶 銲 錫 接 點 在 電 遷 移 測 試 下 不 同 階 段 的 破 壞 模 式 研 究 生 : 何 秉 儒 指 導 教 授 : 陳 智 李 信 義 博 士 國 立 交 通 大 學 加 速 器 光 源 科 技 與 應 用 碩 士 學 位 學

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1 國 立 交 通 大 學 加 速 器 光 源 科 技 與 應 用 碩 士 學 位 學 程 材 料 科 學 組 碩 士 論 文 以 凱 文 結 構 研 究 厚 銅 金 屬 墊 層 覆 晶 銲 錫 接 點 在 電 遷 移 測 試 下 不 同 階 段 的 破 壞 模 式 Study of electromigration failure mode in flip-chip solder joints with copper columns using Kelvin bump probes 研 究 生 : 何 秉 儒 指 導 教 授 : 陳 智 教 授 李 信 義 博 士 中 華 民 國 101 年 8 月

2 以 凱 文 結 構 研 究 厚 銅 金 屬 墊 層 覆 晶 銲 錫 接 點 在 電 遷 移 測 試 下 不 同 階 段 的 破 壞 模 式 研 究 生 : 何 秉 儒 指 導 教 授 : 陳 智 李 信 義 博 士 國 立 交 通 大 學 加 速 器 光 源 科 技 與 應 用 碩 士 學 位 學 程 ( 材 料 組 ) 摘 要 隨 著 電 子 產 品 逐 漸 傾 向 輕 薄 短 小 等 趨 勢, 及 具 有 更 大 效 能 的 方 向 發 展,3DIC 電 子 構 裝 技 術 勢 必 成 為 未 來 的 主 流 而 隨 著 尺 寸 變 小, 低 焊 錫 高 度 的 焊 錫 接 點 則 是 3DIC 的 一 個 重 要 關 鍵 由 於 電 遷 移 在 低 焊 錫 高 度 的 行 為 尚 未 十 分 清 楚, 因 此 我 們 使 用 Sn2.3Ag, 焊 錫 高 度 為 15 μm 的 焊 錫 接 點 進 行 電 遷 移 測 試, 觀 察 其 破 壞 模 式 為 了 精 確 的 量 測 阻 值 的 變 化, 我 們 使 用 了 凱 文 結 構, 觀 察 不 同 阻 值 上 升 階 段 的 破 壞 模 式, 其 中 包 含 阻 值 上 升 3% 5% 10% 和 20% 不 同 階 段, 並 使 用 電 子 顯 微 鏡 來 觀 察 微 結 構 的 變 化, 研 究 不 同 階 段 的 破 壞 模 式 其 結 果 顯 示, 孔 洞 生 成 在 介 金 屬 化 合 物 與 金 屬 墊 層 之 間, 這 與 高 bump height 的 破 壞 模 式 大 不 相 同, 因 此 本 研 究 提 供 一 個 研 究 覆 晶 銲 錫 接 點 電 遷 移 測 試 破 壞 機 制 的 系 統 性 方 法 另 外, 因 晶 片 內 部 不 同 材 料 的 熱 膨 脹 係 數 會 導 致 應 力 產 生 甚 至 彎 曲 我 們 使 用 了 國 家 同 步 輻 射 中 心 的 八 環 X 光 繞 射 儀 研 究 矽 晶 片 在 電 遷 移 測 試 後 所 造 成 的 應 變 變 化, 分 析 破 壞 模 式 與 內 部 應 變 的 變 化 是 否 具 有 一 定 的 關 連 i

3 Study of electromigration failure modein flip-chip solder joints with copper columns using Kelvin bump probes Student:Ping-Ju Ho Advisor:Dr. Chih Chen Dr.Hsin-Yi Lee Graduate Program for Science and Technology of Accelerator Light Source National Chiao Tung University ABSTRACT As electronic products become smaller but have higher performance, three-dimensional integrate circuit(3dic)has received more attention recently. Low bump height microbump is the key interconnection technology to build up the 3DIC. However, the electromigration(em)behavior in the low bump height solder is still unclear. In this study, the Sn2.3Ag solder joint which bump height is 15 μm were used to observe the failure mode in the low bump height case. To precisely monitor the different stages of failure during accelerated EM testing, a specific Kelvin bump structure is designed and fabricated in these samples. While a 1.17 x 10 4 A/cm 2 current density was applied at 150,the microstructures at different stages with the 3% 5% 10% and 20% resistance increase were obtained by scanning electron microscopy(sem). The resistance obtained by Kelvin bump structure showed three different stages, which differs from the results of traditional flip-chip solder joints. Voids formed in the interface of under-bump-metallization(ubm)and intermetallic compounds. With the proper designed Kelvin bump structure and well controlled test conditions, the different stages during EM test can be studied systematically. In this study, we also use x-ray diffraction in National Synchrotron Radiation Research Center`(NSRRC)to study the strain change of silicon die after different current stressing time, to find out the relationship between strain and failure mode. ii

4 誌 謝 秉 儒 能 夠 在 兩 年 的 研 究 生 活 中 完 成 本 研 究, 指 導 教 授 陳 智 老 師 功 不 可 沒, 在 研 究 面 臨 瓶 頸 時 提 供 寶 貴 的 建 議, 並 時 常 鼓 勵 學 生, 讓 學 生 在 一 個 非 常 良 好 的 氣 氛 下 做 研 究 除 此 之 外, 老 師 的 身 教 更 是 給 我 們 一 個 很 好 的 榜 樣, 不 僅 在 研 究 上 積 極 認 真 的 態 度, 在 待 人 處 事 及 各 方 面 都 是 令 學 生 非 常 欣 賞 的 老 師 對 於 學 生 的 鼓 勵, 讓 我 在 研 究 中 更 加 有 動 力 感 謝 老 師 不 斷 的 提 供 我 們 更 加 進 步 的 機 會, 除 了 演 講, 甚 至 到 國 外 去 參 加 國 際 會 議, 增 加 我 們 的 視 野, 與 各 國 的 研 究 精 英 做 交 流 十 分 感 謝 老 師 對 學 生 們 的 照 顧 與 指 導, 在 此 特 別 感 謝 老 師 讓 我 完 成 我 的 碩 士 研 究 剛 進 到 陳 智 老 師 實 驗 室 的 時 候, 對 一 切 都 很 不 熟 悉, 但 還 好 學 長 們 都 很 親 切 好 相 處 當 我 遇 到 困 難 的 時 候 都 很 樂 意 指 導 我, 在 實 驗 及 課 業 上 有 什 麼 題 也 會 與 我 討 論, 教 導 我, 讓 我 可 以 更 快 進 入 狀 況, 真 的 是 一 個 很 棒 的 大 家 庭 翔 耀 學 長 不 論 在 平 常 的 實 驗 上 或 日 常 生 活 中 都 會 給 予 我 幫 助, 實 驗 室 許 多 大 小 事 都 處 理 得 很 好, 非 常 照 顧 學 弟 妹 元 蔚 學 長 在 我 的 實 驗 上 給 了 我 很 大 的 指 導, 帶 領 我 做 實 驗 並 教 我 許 多 他 的 經 驗, 遇 到 困 難 的 時 候, 學 長 也 會 與 我 討 論, 甚 至 在 美 國 期 間, 會 用 視 訊 討 論 實 驗 我 很 謝 謝 元 蔚 學 長 對 我 的 指 導, 他 是 一 個 很 厲 害 的 人, 細 心 且 做 事 情 都 很 有 規 劃, iii

5 是 個 很 值 得 學 習 的 榜 樣 我 也 很 謝 謝 學 長 常 給 予 我 鼓 勵, 在 我 進 步 的 時 候 會 誇 獎 我, 也 會 給 我 信 心 今 天 的 碩 士 研 究, 要 是 沒 有 學 長 的 帶 領, 不 會 這 麼 順 利 宗 寬 學 長 除 了 在 實 驗 方 面 給 予 我 很 多 指 導, 更 是 一 個 很 好 相 處 的 人, 讓 我 在 實 驗 室 可 以 更 加 融 入, 過 得 很 開 心, 時 常 熱 心 幫 助 學 弟 妹, 是 一 個 很 好 的 學 長, 在 參 加 TMS 會 議 時 也 給 了 我 很 好 的 建 議, 是 我 很 好 的 學 長 及 朋 友 一 開 始 剛 進 實 驗 室 時 我 非 常 害 羞, 以 撒 學 長 的 開 朗 常 讓 我 在 實 驗 室 笑 得 很 開 懷, 漸 漸 不 怕 生 除 了 教 我 實 驗, 更 重 要 的 是 他 是 一 很 關 心 我 的 人, 當 我 在 日 常 生 活 中 遇 到 不 如 意 時, 經 常 與 我 分 享 很 多 生 活 上 的 意 見, 鼓 勵 我, 真 的 是 一 個 很 貼 心 且 心 思 細 膩 的 學 長, 而 且 他 在 各 方 面 也 都 表 現 得 非 常 好, 亦 是 我 學 習 的 榜 樣, 也 謝 謝 他 帶 我 加 入 查 經 班, 讓 我 在 心 靈 上 層 次 上 有 所 提 升, 每 次 的 分 享 都 是 很 棒 的 學 習 右 峻 學 長 除 了 平 時 和 我 討 論 實 驗 教 導 我 以 外, 也 是 一 起 吃 美 食 的 好 夥 伴, 我 實 驗 室 的 位 子 和 學 長 同 一 間, 總 是 讓 我 笑 開 懷, 漢 文 學 長 在 功 課 上 給 予 我 指 教, 平 時 也 很 照 顧 我, 我 心 裡 很 感 激, 因 為 他 外 表 總 是 酷 酷 的, 但 是 又 很 照 顧 學 弟 妹, 在 我 難 過 的 時 候 會 鼓 勵 我 此 外, 我 很 感 謝 右 峻 學 長 和 漢 文 學 長 幫 我 們 安 排 在 美 國 TMS 的 行 程, 讓 我 擁 有 非 常 好 的 回 憶, 此 生 難 忘 佳 凌 學 姊 在 SEM 方 面 給 予 我 非 常 多 的 指 教, 是 一 個 很 認 真 值 得 學 習 的 學 姐 而 學 姐 也 十 分 照 顧 實 驗 室, 時 常 默 默 幫 我 們 維 持 實 驗 室 的 清 潔, 與 學 姐 討 論 X-ray 時, 學 姐 也 教 的 十 分 詳 細, 是 個 好 學 姐 很 謝 謝 他 對 於 我 們 的 幫 助, 給 予 我 們 很 iv

6 多 方 便, 讓 我 們 能 夠 更 順 利 的 完 成 研 究 明 鏞 學 長 是 個 個 性 很 單 純 的 人, 他 很 熱 愛 打 排 球, 常 帶 給 實 驗 室 很 多 歡 樂, 讓 我 在 實 驗 室 都 好 開 心 道 奇 學 長 和 健 民 學 長 也 時 常 給 予 我 很 多 建 議, 像 是 工 作 或 是 實 驗 上, 都 很 謝 謝 他 們 之 前 和 韋 嵐 學 長 一 起 修 課 的 時 候, 有 遇 到 不 會 的 地 方 都 很 謝 謝 學 長 教 我, 和 我 討 論, 學 長 是 一 個 非 常 認 真 且 上 進 的 人, 也 對 我 很 照 顧, 很 謝 謝 學 長 最 重 要 的 是, 今 年 和 我 一 起 打 拼 的 五 位 同 學, 偉 豪 和 俊 毅 除 了 在 實 驗 上 共 同 打 拼 之 外, 也 時 常 幫 我 的 忙, 更 是 我 談 心 的 好 夥 伴, 沒 有 你 們 我 的 生 活 會 遜 色 很 多, 真 的 很 高 興 能 與 你 們 一 起 打 拼 和 玩 樂 致 嘉 是 一 個 很 穩 重 且 非 常 厲 害 的 人, 每 次 請 教 他 問 題 的 時 候, 他 都 會 很 細 心 的 教 導 我, 是 一 個 很 好 相 處 的 人, 也 是 一 個 很 好 的 實 驗 夥 伴, 很 謝 謝 你 這 兩 年 來 的 幫 忙 竣 傑 是 我 加 速 器 的 同 學, 還 好 有 你, 讓 我 不 孤 單, 可 以 一 起 修 課, 也 很 謝 謝 你 幫 了 我 非 常 多 忙, 教 導 我 很 多 東 西, 秉 儒 很 謝 謝 你 玉 龍 是 一 個 很 貼 心 的 學 弟, 常 常 都 讓 我 覺 得 很 窩 心, 態 度 認 真 負 責, 相 信 你 以 後 會 有 所 為 的, 祝 福 你 在 同 步 輻 射 方 面 我 要 先 謝 謝 我 的 指 導 老 師 李 信 義 博 士, 在 我 的 碩 士 生 涯 給 我 很 多 指 導, 讓 我 可 以 完 成 我 的 碩 士 論 文 此 外, 彥 廷 學 長 也 在 實 驗 上 幫 了 我 很 多 的 忙, 在 課 業 上 給 予 我 很 多 指 導, 陪 我 拍 beam line, 真 的 非 常 謝 謝 你 也 要 感 謝 世 男 及 上 睿 學 長 在 最 後 陪 我 做 實 驗, 讓 我 順 利 完 成 我 的 碩 士 論 文, 你 們 常 帶 給 實 驗 室 歡 笑, 也 讓 我 更 融 入 實 驗 室 v

7 我 的 口 試 委 員 台 大 化 工 的 高 振 宏 老 師 及 清 大 化 工 的 陳 信 文 老 師 在 口 試 的 過 程 中 給 予 了 很 多 寶 貴 的 意 見, 也 給 予 我 的 論 文 很 多 指 教 與 改 進 的 地 方, 十 分 謝 謝 老 師 的 參 與 及 指 導 我 的 家 人 在 我 就 讀 研 究 所 時, 儘 管 不 懂 我 研 究 的 目 標, 可 是 還 是 給 我 心 裡 上 與 經 濟 上 無 條 件 無 上 限 的 支 持, 讓 我 在 研 究 的 時 候 沒 有 後 顧 之 憂, 可 以 全 力 衝 刺, 真 的 非 常 感 謝 爸 爸 媽 媽 讓 我 可 以 單 純 當 個 學 生, 完 成 課 業, 謝 謝 你 們, 你 們 辛 苦 了 家 總 是 我 的 避 風 港, 最 溫 暖 的 地 方, 我 好 愛 你 們 也 要 謝 謝 許 多 研 究 所 的 朋 友, 常 給 予 我 鼓 勵 與 建 議, 傾 聽 我 說 心 事, 陪 我 抒 壓 秉 儒 的 碩 士 生 涯 要 謝 謝 的 人 太 多 了, 感 謝 曾 經 幫 助 過 我 的 人, 感 謝 我 可 以 遇 到 這 麼 好 的 老 師 當 指 導 教 授, 感 謝 我 能 在 一 個 很 棒 的 大 家 庭, 感 謝 我 在 研 究 所 遇 到 的 每 一 個 你, 感 謝 實 驗 室 的 所 有 人, 更 感 謝 我 的 爸 媽, 我 的 家 人, 還 有 感 謝 我 自 己, 完 成 了 我 的 碩 士 論 文 vi

8 目 錄 摘 要... i ABSTRACT... ii 誌 謝... iii 目 錄... vii 圖 目 錄... ix 第 一 章 緒 論... 1 第 二 章 文 獻 回 顧 電 遷 移 理 論 銲 錫 凸 塊 的 電 遷 移 行 為 電 流 集 中 效 應 (Current crowding effect) 焦 耳 熱 效 應 (Joule heating effect) 電 遷 移 造 成 銲 錫 接 點 孔 洞 的 生 成 減 緩 電 流 集 中 效 應 的 方 法 UBM 厚 度 的 改 變 UBM 種 類 的 變 換 同 步 輻 射 簡 介 矽 晶 片 的 應 變 變 化 第 三 章 實 驗 方 法 步 驟 與 結 果 試 片 製 備 實 驗 方 法 以 凱 文 結 構 各 別 量 測 銲 錫 凸 塊 電 遷 移 的 加 速 測 試 試 片 破 壞 模 式 的 觀 察 vii

9 3-3 利 用 同 步 輻 射 光 源 量 測 矽 晶 片 的 應 變 變 化 第 四 章 結 果 與 討 論 以 銅 導 線 的 TCR effect 校 正 銲 錫 球 的 溫 度 焊 錫 接 點 ( 電 子 流 向 下 ) 電 阻 曲 線 圖 分 析 破 壞 模 式 分 析 電 子 流 向 下 的 破 壞 模 式 電 子 流 向 上 的 破 壞 模 式 電 遷 移 測 試 後 的 矽 晶 片 應 力 分 析 矽 晶 片 的 優 選 方 向 矽 晶 片 的 應 變 分 析 與 測 量 五 結 論 參 考 文 獻 viii

10 圖 目 錄 圖 1-1 各 封 裝 層 級 示 意 圖...4 圖 1-2 打 線 接 合 示 意 圖...4 圖 1-3 覆 晶 接 合 (flip chip) 示 意 圖...5 圖 2-1 原 子 受 電 子 流 驅 動 遷 移 示 意 圖...13 圖 2-2 SAC 銲 錫 經 過 1431 小 時 通 電 流 A/cm 2, 孔 洞 生 成 於 導 線 進 入 銲 錫 處 示 意 圖...13 圖 2-3 模 擬 銲 錫 凸 塊 內 因 電 流 方 向 改 變, 造 成 電 流 集 中 效 應 示 意 圖...14 圖 2-4 有 限 元 素 分 析 銲 錫 內 部 電 流 密 度 分 布 示 意 圖...15 圖 2-5 電 流 通 過 鋁 導 線 因 焦 耳 熱 效 應 造 成 溫 升 示 意 圖 (a) 未 通 電 流 (b) 通 入 電 流 (c) 溫 度 分 佈...16 圖 2-6 (a) 模 擬 結 果 提 出 在 鋁 導 線 進 入 銲 錫 交 界 有 熱 點 存 在 示 意 圖 (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 示 意 圖...17 圖 2-7 不 同 厚 度 銅 墊 層 破 壞 情 形 示 意 圖 (a) 5 μm 厚 銅 墊 層 施 加 A/cm 2 的 破 壞 情 形 (b) 10 μm 厚 銅 墊 層 施 加 A/cm 2 於 100,100 小 時 後 的 破 壞 情 形 (c) 50 μm 厚 銅 墊 層 施 加 A/cm 2 於 100,100 小 時 後 的 破 壞 情 形 [17,18]...18 圖 2-8 同 步 輻 射 涵 蓋 的 電 磁 波 示 意 圖 [20]...19 圖 2-9 同 步 輻 射 光 源 所 掃 描 的 點 A,B,C,D,E 示 意 圖 [23]...19 圖 3-1 銲 錫 接 點 剖 面 示 意 圖...25 圖 3-2 銲 錫 接 點 SEM 影 像 圖...25 圖 3-3 凱 文 焊 錫 結 構 圖...26 圖 3-4 八 環 X 光 繞 射 儀 示 意 圖...26 圖 3-5 矩 形 為 X 光 掃 描 的 點 示 意 圖...27 圖 4-1 銅 導 線 電 阻 對 加 熱 爐 溫 度 作 圖, 其 熱 電 阻 係 數 為 K 圖 4-2 焊 錫 接 點 ( 電 子 流 向 下 ) 三 個 階 段 的 電 阻 曲 線 圖...38 圖 4-3 未 測 試 前 的 焊 錫 接 點 微 結 構 剖 面 電 子 顯 微 鏡 圖...39 圖 4-4 電 子 流 向 下 的 焊 錫 接 點, 阻 值 上 升 3% 的 剖 面 電 子 顯 微 鏡 圖...39 圖 4-5 電 子 流 向 下 的 焊 錫 接 點, 阻 值 上 升 5% 的 剖 面 電 子 顯 微 鏡 圖...39 圖 4-6 電 子 流 向 下 的 焊 錫 接 點, 阻 值 上 升 10% 的 剖 面 電 子 顯 微 鏡 圖...39 ix

11 圖 4-7 電 子 流 向 下 的 焊 錫 接 點, 阻 值 上 升 16% 的 剖 面 電 子 顯 微 鏡 圖 圖 4-8 電 子 流 向 下 的 焊 錫 接 點, 電 阻 上 升 16%, 連 續 Kirkendall void 生 長 在 Cu 3 Sn 和 Cu 墊 層 界 面 的 放 大 剖 面 電 子 顯 微 鏡 圖...40 圖 4-9 電 子 流 向 下 的 焊 錫 接 點, 阻 值 上 升 20% 的 剖 面 電 子 顯 微 鏡 圖...40 圖 4-10 電 子 流 向 下 的 焊 錫 接 點, 阻 值 上 升 20%, 連 續 Kirkendall voids 生 長 在 Cu 3 Sn 和 晶 片 端 Cu 墊 層 界 面 的 聚 焦 離 子 影 像 圖 圖 4-11 電 子 流 向 下 的 焊 錫 接 點, 阻 值 上 升 20%,micro voids 生 成 在 晶 片 端 鎳 層 和 介 金 屬 化 合 物 Ni 3 Sn 4 界 面 的 聚 焦 離 子 影 像 圖...41 圖 4-12 電 子 流 向 上 的 焊 錫 接 點, 阻 值 上 升 3% 的 剖 面 電 子 顯 微 鏡 圖...42 圖 4-13 電 子 流 向 上 的 焊 錫 接 點, 阻 值 上 升 5% 的 剖 面 電 子 顯 微 鏡 圖...42 圖 4-14 電 子 流 向 上 的 焊 錫 接 點, 阻 值 上 升 20% 的 剖 面 電 子 顯 微 鏡 圖...42 圖 4-15 電 子 流 向 上 的 焊 錫 接 點, 阻 值 上 升 20%, 柱 狀 N 3 P 及 垂 直 長 條 狀 孔 洞 生 成 的 放 大 剖 面 電 子 顯 微 鏡 圖...42 圖 4-16 電 子 流 向 上 的 焊 錫 接 點, 阻 值 上 升 20%,Ni 2 SnP Cu 3 Sn 和 Ni 3 P 介 金 屬 化 合 物 的 放 大 剖 面 電 子 顯 微 鏡 圖...43 圖 4-17 電 子 流 向 上 的 焊 錫 接 點, 阻 值 上 升 20%, 孔 洞 生 長 在 基 板 端 Ni 3 P 和 Cu 3 Sn 界 面 的 放 大 剖 面 電 子 顯 微 鏡 圖 圖 4-18 為 在 不 同 加 熱 通 電 時 間 後, 各 個 不 同 位 置 的 X 光 掃 描 之 繞 射 峰 圖 (a) 位 置 -2.5 (b) 位 置 (c) 位 置 0 (d) 位 置 1.25 (e) 位 置 圖 4-19 為 測 試 時 間 對 各 個 不 同 位 置 的 X 光 掃 描 之 繞 射 峰 角 度 做 圖...45 圖 4-20 為 各 個 不 同 測 試 時 間 對 應 變 做 圖 圖 4-21 為 在 不 同 加 熱 通 電 時 間 後, 各 個 不 同 X 光 掃 描 的 位 置 對 應 變 作 圖 x

12 第 一 章 緒 論 於 1958 年,J. Kilby 和 R. Noyce 發 明 了 第 一 個 積 體 電 路, 在 二 十 世 紀 徹 底 改 變 人 們 的 生 活 至 今, 積 體 電 路 的 發 展 依 然 遵 循 著 摩 爾 於 四 十 年 前 所 提 出 預 測 半 導 體 成 長 趨 勢 的 摩 爾 定 律 (Moore s Law), 即 每 十 八 個 月 電 路 的 複 雜 度 會 增 加 一 倍 隨 著 晶 片 上 的 電 路 密 度 增 加 及 各 種 需 求, 封 裝 技 術 日 漸 重 要, 因 而 發 展 出 許 多 不 同 的 封 裝 技 術 依 照 不 同 的 接 合 過 程, 其 技 術 上 大 致 分 為 三 種 不 同 的 層 級, 如 ( 圖 1-1) 所 示 [1], 封 裝 技 術 的 層 級 如 下 : 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 是 把 數 個 電 路 板 組 合 於 主 機 板 上 (PCB to mother board) 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 而 隨 著 電 子 產 品 越 來 越 走 向 微 小 化, 高 效 能 化 的 發 展, 第 一 層 級 的 封 裝 技 術 將 面 臨 許 多 挑 戰 為 了 縮 小 晶 片 體 積 及 增 加 I/O 數, 傳 統 的 打 線 接 合 (wire bonding) 方 式 ( 圖 1-2)[2], 因 僅 可 在 晶 片 周 圍 連 接 導 線, 接 點 數 目 與 晶 片 邊 長 有 關 隨 著 晶 片 尺 寸 的 微 小 化, 打 線 接 合 方 式 無 法 提 高 接 點 密 度 的 需 求 而 覆 晶 接 合 (flip-chip) 方 式 如 ( 圖 1-3) 是 利 用 焊 錫 凸 塊 朝 下 的 接 合 方 式, 此 技 術 最 早 來 自 IBM 於 1960s 所 發 展 的 C4 製 程 [3], 1

13 利 用 陣 列 分 布 的 高 鉛 銲 錫 隆 點 (solder bump) 做 接 合, 具 有 小 體 積 增 加 接 合 密 度 及 自 組 裝 (self-alignment) 等 優 點, 亦 可 減 少 材 料 降 低 成 本, 之 後 廣 泛 發 展 與 利 用 在 電 子 商 品 上 過 去 所 使 用 的 焊 錫 接 點, 大 部 份 都 含 鉛, 因 添 加 鉛 會 有 良 好 的 物 理 機 械 等 特 性 但 由 於 近 年 來, 環 保 意 識 的 抬 頭, 加 上 金 屬 元 素 鉛 對 人 體 有 危 害, 因 此 世 界 各 國 對 於 電 子 產 業 提 出 無 鉛 化 的 要 求 像 是 歐 盟 日 本 及 美 國 等, 明 文 立 法 希 望 電 子 產 品 在 製 造 過 程 中, 不 得 添 加 鉛 因 此, 電 子 產 業 開 始 在 覆 晶 焊 錫 封 裝 中 使 用 無 鉛 焊 錫 凸 塊, 其 中 最 常 被 使 用 的 合 金 為 : 錫 銅 (Sn-Cu) 合 金 錫 銀 銅 (Sn-Ag-Cu) 合 金 以 及 錫 銀 (Sn-Ag) 合 金, 所 以 無 鉛 焊 錫 對 電 遷 移 的 影 響 及 金 屬 墊 層 的 冶 金 反 應 有 了 許 多 新 的 議 題 值 得 研 究 本 篇 將 探 討 使 用 無 鉛 焊 錫 (Sn2.3Ag) 作 為 覆 晶 焊 錫 接 點 在 電 遷 移 測 試 下 的 破 壞 模 式 在 電 性 量 測 方 面, 主 要 有 兩 種 方 法, 一 種 為 凱 文 銲 錫 結 構 (Kelvin bump probes), 另 一 種 為 雛 菊 花 環 結 構 (Daisy chain structure) 早 在 70 年 代 就 有 人 使 用 凱 文 結 構 在 Al stripe 上 做 電 性 分 析, 但 卻 很 少 使 用 在 覆 晶 焊 錫 電 性 的 相 關 研 究 過 去 大 多 是 利 用 雛 菊 花 環 結 構 做 為 覆 晶 銲 錫 接 點 電 遷 移 研 究 中 的 電 性 觀 測, 但 由 於 雛 菊 花 環 結 構 對 於 覆 晶 銲 錫 接 點 內 的 微 小 變 化 極 不 敏 感, 無 法 對 於 銲 錫 接 點 電 阻 變 化 做 精 確 的 觀 測, 僅 可 偵 測 到 銲 錫 接 點 的 破 壞 ; 而 凱 文 銲 錫 結 構 可 針 對 欲 量 測 的 指 令 範 圍 做 電 性 的 觀 測, 且 可 避 除 2

14 接 點 電 阻 對 電 性 量 測 的 影 響 由 先 前 研 究 的 結 果 顯 示, 可 以 利 用 凱 文 銲 錫 凸 塊 結 構 精 準 量 測 電 阻 變 化 量, 確 實 分 辨 出 電 遷 移 造 成 的 不 同 階 段 孔 洞 成 長 [3] 因 此 本 篇 研 究 選 用 無 鉛 錫 銀 銲 錫 作 為 電 遷 移 測 試 接 點, 並 使 用 凱 文 結 構 在 150 時 外 加 1.8 A 量 測 銲 錫 凸 塊 的 電 阻 變 化, 來 討 論 在 低 銲 錫 高 度 的 焊 錫 接 點 在 電 遷 移 測 試 下 對 電 遷 移 壽 命 與 破 壞 模 式 的 影 響 由 實 驗 結 果 顯 示, 其 破 壞 模 式 和 過 去 研 究 大 不 相 同 在 初 始 階 段, 因 銲 錫 轉 換 為 介 金 屬 化 合 物 造 成 電 阻 逐 漸 上 升, 而 之 後 電 阻 維 持 在 一 個 定 值, 是 因 為 焊 錫 已 經 完 全 轉 換 為 介 金 屬 化 合 物, 具 有 良 好 的 抗 電 遷 移 特 性 最 後 階 段, 阻 值 又 再 次 上 升, 其 原 因 為 電 遷 移 所 造 成 的 孔 洞 而 導 致 阻 值 上 升 此 外, 為 了 瞭 解 試 片 的 破 壞 模 式 與 矽 晶 片 的 應 力 是 否 有 關 係, 我 們 使 用 了 國 家 同 步 輻 射 中 心 光 束 線 17B1 實 驗 站 的 八 環 X 光 繞 射 儀, 對 不 同 加 熱 通 電 時 間 後 的 試 片 進 行 探 討 其 結 果 顯 示 焊 錫 接 點 內 的 破 壞, 並 無 發 現 因 應 變 變 化 所 造 成 的 crack, 而 隨 著 加 熱 通 電 時 間 增 長, 應 變 變 化 會 傾 向 less compressive 3

15 圖 1-1 各 封 裝 層 級 示 意 圖 [1] 圖 1-2 打 線 接 合 示 意 圖 [2] 4

16 圖 1-3 覆 晶 接 合 (flip-chip) 示 意 圖 5

17 第 二 章 文 獻 回 顧 由 於 本 研 究 著 重 在 利 用 凱 文 結 構 (Kelvin structure) 觀 測 覆 晶 錫 銀 銲 錫 接 點 在 不 同 阻 值 上 升 階 段 的 破 壞 模 式, 故 本 章 將 回 顧 覆 晶 銲 錫 接 點 受 電 遷 移 效 應 作 用 以 及 電 性 觀 測 的 各 項 相 關 研 究 首 先 是 電 遷 移 的 基 礎 理 論, 接 下 來 為 覆 晶 銲 錫 接 點 內 的 電 遷 移 現 象, 並 將 銲 錫 接 點 的 孔 洞 破 壞 機 制 做 簡 單 的 介 紹 之 後 將 討 論 覆 晶 焊 錫 接 點 中, 不 可 忽 略 的 電 流 集 中 效 應 及 焦 耳 熱 效 應 並 以 如 何 減 緩 銲 錫 內 部 電 流 集 中 效 應 做 回 顧, 最 後 將 對 同 步 輻 射 光 源 做 簡 單 的 介 紹 2-1. 電 遷 移 理 論 在 1861 年,Geradin 在 熔 化 的 錫 鉛 和 汞 鈉 中 發 現 因 電 場 作 用 下 產 生 的 擴 散 現 象, 這 種 在 金 屬 材 料 中 施 加 一 電 場 所 造 成 原 子 移 動 稱 之 為 電 遷 移 之 後 在 1914 年,Skaupy 提 出 電 子 風 (electron wind) 的 觀 念, 如 ( 圖 2-1) 所 示, 來 量 化 電 遷 移 所 造 成 的 質 量 傳 送 起 初, 電 遷 移 的 研 究 對 象 主 要 為 金 屬 導 線, 以 Paul S. Ho 與 Thomas Kwok[4] 等 人 最 具 代 表 性 直 到 1990 年 晚 期, 因 覆 晶 封 裝 開 始 被 廣 納 採 用, 其 電 遷 移 現 象 也 開 始 被 討 論, 以 Tu K. N. 最 具 代 表 性 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 6

18 電 遷 移 效 應 指 金 屬 導 線 在 高 電 流 密 度 下, 高 速 的 電 子 撞 擊 金 屬 原 子, 電 子 將 足 夠 的 動 量 傳 遞 給 金 屬 原 子, 造 成 原 子 由 陰 極 往 陽 極 方 向 移 動 的 質 量 傳 送 現 象 [5,6] 在 電 遷 移 作 用 下, 陰 極 端 會 生 成 孔 洞 空 孔, 陽 極 端 出 現 凸 起 或 隆 起 物, 使 得 導 線 斷 路 或 短 路 而 導 致 元 件 的 失 效 與 毀 壞 2-2 銲 錫 凸 塊 的 電 遷 移 行 為 在 2006 年,Kuo Ning Chiang, Chien Chen Lee 等 人 發 表 在 APL 的 文 獻 中 [7] 指 出, 當 無 鉛 銲 錫 經 過 電 作 用 後 有 明 顯 的 孔 洞 生 成 與 介 金 屬 化 合 物 聚 集 ( 圖 2-2), 焊 錫 凸 塊 的 電 遷 移 行 為 所 造 成 的 破 壞, 不 僅 發 生 在 焊 錫 接 點, 也 有 可 能 同 時 發 生 在 鋁 或 銅 導 線 處 目 前, 覆 晶 封 裝 已 經 被 廣 泛 應 用, 然 而 隨 著 電 子 產 品 不 斷 的 微 小 化 及 更 大 效 能 的 趨 勢,I/O 凸 塊 數 亦 會 不 斷 的 增 加, 所 負 荷 的 電 流 會 增 加, 電 流 密 度 變 大, 因 此 電 遷 移 就 將 是 一 個 非 常 值 得 重 視 的 可 靠 度 議 題 而 由 於 覆 晶 焊 錫 具 有 較 複 雜 的 幾 何 結 構, 電 子 從 導 線 進 入 焊 錫 凸 塊 時, 所 經 過 的 截 面 積 大 小 差 距 很 大, 造 成 在 電 流 進 入 端 附 近 有 電 流 集 中 效 應, 並 且 局 部 溫 度 升 高, 加 速 電 遷 移 的 破 壞 由 於 電 流 集 中 效 應 及 焦 耳 熱 效 應 對 於 覆 晶 焊 錫 封 裝 的 電 遷 移 可 靠 度 十 分 重 要, 會 造 成 焊 錫 凸 塊 不 一 樣 的 破 壞 模 式, 因 此 在 下 節 將 詳 細 討 論 2-3 電 流 集 中 效 應 (Current crowding effect) 在 2005 年,T. L. Shao 等 人 [8] 利 用 有 限 元 素 模 擬 分 析 法, 研 究 銲 錫 凸 塊 內 部 7

19 的 電 流 密 度 分 布 其 研 究 結 果 發 現, 大 多 數 電 流 會 流 向 靠 近 鋁 導 線 與 銲 錫 凸 塊 的 開 口 處 之 後 再 進 入 銲 錫 凸 塊, 而 不 是 均 勻 的 散 佈 於 界 面 處, 故 在 銲 錫 與 UBM 界 面 處 形 成 了 電 流 集 中 效 應, 其 最 大 電 流 密 度 大 於 銲 錫 內 部 的 平 均 電 流 密 度 ( 圖 2-3) 因 此, 銲 錫 接 點 入 口 處 容 易 發 生 電 遷 移 所 產 生 的 破 壞 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 當 電 子 流 由 導 線 進 入 銲 錫 凸 塊 時, 因 內 連 接 線 的 介 面 橫 截 面 面 積 遠 小 於 焊 錫 凸 塊, 因 此 在 介 面 處 會 有 相 當 大 的 電 流 密 度 改 變, 導 致 電 流 集 中 在 電 流 進 入 銲 錫 凸 塊 的 入 口 處 在 Everett C. C. 等 人 的 研 究 中 [9], 也 有 提 到 因 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, 其 銲 錫 內 部 電 流 密 度 分 布 分 析 結 果 如 ( 圖 2-4) 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, 使 得 銲 錫 在 電 遷 移 可 靠 度 測 試 的 結 果 不 如 預 期 2-4 焦 耳 熱 效 應 (Joule heating effect) 在 1841 年,James Prescott Joule 發 現 焦 耳 熱 效 應 [10], 其 焦 耳 熱 效 應 是 因 電 子 通 過 一 電 位 差 為 V 的 電 場 時 會 受 到 電 場 的 加 速, 電 子 與 周 圍 原 子 發 生 碰 撞 造 成 一 些 能 量 損 失, 之 後 轉 變 為 熱 能 而 導 致 溫 度 上 升 其 熱 能 可 以 被 表 示 為 : P = I 2 V R = 2 R 8

20 其 中 P 為 熱 能,I 為 電 流,R 為 電 阻,V 為 電 位 差 由 於 連 接 覆 晶 銲 錫 的 鋁 導 線 電 阻 值 遠 大 於 銲 錫 接 點 及 下 方 的 銅 墊 層 與 銅 導 線 的 電 阻, 因 此 最 主 要 的 熱 源 是 來 自 鋁 導 線 [11] 如 ( 圖 2-5) 所 以 在 電 遷 移 測 試 時, 銲 錫 凸 塊 內 的 溫 度 可 能 會 因 為 焦 耳 熱 效 應 而 比 外 圍 環 境 的 溫 度 高 的 許 多 在 過 去 文 獻 中,L. Zhang 等 人 指 出 [12], 在 電 遷 移 測 試 下, 若 通 過 覆 晶 銲 錫 接 點 的 電 流 大 小 為 1 A 甚 至 更 大, 就 不 可 忽 略 焦 耳 熱 效 應 所 造 成 的 影 響 而 在 2006 年,S. H. Chiu 與 C. Chen 等 人 [13], 由 模 擬 結 果 發 現 當 焊 錫 接 點 在 通 電 作 用 下, 在 鋁 導 線 進 入 銲 錫 交 界 處 有 熱 點 存 在 如 ( 圖 2-6), 此 焦 耳 熱 效 應 將 進 一 步 造 成 電 阻 上 升 因 此 提 出 利 用 紅 外 線 顯 像 技 術 量 測 焦 耳 熱 效 應 所 造 成 的 溫 升, 並 發 現 主 要 發 熱 源 的 確 來 自 於 鋁 導 線 因 此, 我 們 可 以 經 由 焦 耳 熱 效 應 的 校 正, 在 推 求 Black s equation 的 n 與 活 化 能 Q 上, 可 以 更 接 近 銲 錫 真 實 的 情 況 2-5 電 遷 移 造 成 銲 錫 接 點 孔 洞 的 生 成 發 表 於 2001 的 JAP[14],T.Y. Lee 與 K.N. Tu 在 覆 晶 接 點 裡 使 用 厚 膜 的 無 電 鍍 鎳 作 為 UBM, 與 電 鍍 厚 膜 銅 作 為 基 板 側 的 墊 層, 進 行 電 遷 移 測 試 結 果 發 現 到 厚 膜 無 電 鍍 鎳 UBM 快 速 反 應 溶 解, 使 得 介 金 屬 化 合 物 迅 速 成 長, 產 生 孔 洞 W. J. Choi 與 K. N. Tu 等 人 在 2003 的 JAP[15], 利 用 薄 膜 Al/Ni(V)/Cu 9

21 UBM 的 覆 晶 銲 錫 試 片 做 研 究 將 共 晶 錫 鉛 試 片 通 以 不 同 的 電 流 密 度 及 不 同 溫 度 的 加 熱 板 上, 進 行 電 遷 移 可 靠 度 測 試 發 現 在 晶 片 與 銲 錫 界 面 有 孔 洞 的 生 成, 而 當 孔 洞 整 個 生 成 占 據 接 觸 面 時, 會 導 致 電 阻 快 速 上 升, 形 成 斷 路 Y. W. Chang 與 C. Chen 於 2007 年 發 表 於 APL[16] 的 研 究, 為 利 用 凱 文 結 構 及 三 維 模 擬, 來 研 究 電 遷 移 造 成 覆 晶 焊 錫 接 點 中 孔 洞 的 形 成 其 結 果 顯 示 出, 凱 文 結 構 可 以 精 確 性 的 符 合 研 究 孔 洞 的 生 成 與 生 長 的 需 求, 且 可 以 利 用 電 阻 的 變 化 量, 來 確 實 分 辨 出 電 遷 移 造 成 的 不 同 階 段 孔 洞 成 長, 其 模 擬 結 果 也 與 實 驗 符 合 因 此 本 研 究 亦 藉 由 不 同 阻 值 上 升 變 化 及 微 結 構 的 對 照, 來 判 斷 不 同 階 段 的 孔 洞 生 成 2-6 減 緩 電 流 集 中 效 應 的 方 法 UBM 厚 度 的 改 變 根 據 文 獻 [17,18] 中,Jae-Woong Nah 等 人 使 用 不 同 厚 度 的 銅 墊 層 在 20 μm 銲 錫 凸 塊 上 進 行 電 遷 移 測 試 ( 圖 2-7) 其 中 銅 墊 層 的 厚 度 分 別 為 5 μm 10 μm 50 μm, 並 利 用 數 值 模 擬 銲 錫 凸 塊 的 電 流 密 度 分 佈 情 形 結 果 發 現 當 銅 墊 層 的 厚 度 增 加, 銲 錫 凸 塊 內 部 的 電 流 密 度 越 均 勻 其 中 50 μm 厚 的 銅 墊 層, 電 流 集 中 效 應 已 由 銲 錫 凸 塊 和 銅 墊 層 的 界 面 轉 移 至 厚 銅 金 屬 墊 層 內 部, 其 實 驗 結 果 也 顯 示 出 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, 並 非 因 電 遷 移 效 應 所 造 成, 反 而 是 伴 隨 著 熱 遷 移 現 象 取 10

22 代 電 流 集 中 效 應 而 影 響 可 靠 度 因 此, 當 銅 墊 層 越 厚 有 越 長 的 MTTF, 也 可 以 抵 抗 電 流 集 中 效 應 引 起 電 遷 移 破 壞 UBM 種 類 的 變 換 T. L. Shao 等 人 [19] 利 用 模 擬 的 方 法, 使 用 五 種 不 同 結 構 的 晶 片 端 UBM 來 探 討 銲 錫 凸 塊 的 電 流 密 度 分 佈 情 形, 五 種 UBM 分 別 為 薄 膜 :Ti /Cr-Cu / Cu Al / Ni(V)/ Cu; 厚 膜 :Cu Ni Cu / Ni 藉 由 crowding ratio 的 大 小 來 評 斷 抗 電 遷 移 的 能 力 研 究 中 crowding ratio 定 義 為 最 大 電 流 密 度 除 以 UBM 處 的 平 均 電 流 密 度, 其 crowding ratio 大 小 順 序 是 Ti / Cr-Cu / Cu > Al / Ni(V)/ Cu > Cu > Ni > Cu / Ni 因 此 實 驗 結 果 發 現 厚 膜 UBM 可 以 有 效 的 減 緩 電 流 聚 集 效 應, 增 加 抗 電 遷 移 的 能 力 而 本 研 究 所 使 用 UBM 為 Cu/Ni, 由 此 篇 文 獻 可 知 其 crowding ratio 最 小 2-7 同 步 輻 射 簡 介 同 步 輻 射 光 源 是 根 據 電 磁 學 的 理 論 藉 由 電 子 以 接 近 光 速 飛 行, 受 到 磁 場 的 作 用 而 發 生 偏 轉 時, 因 相 對 論 效 應 沿 著 偏 轉 的 切 線 方 向, 所 放 射 出 的 薄 片 狀 電 磁 波, 為 一 連 續 波 長 的 電 磁 波 其 中 涵 蓋 紅 外 光 可 見 光 紫 外 光 及 X 光 等 如 ( 圖 2-8) 所 示 [20] 因 為 同 步 輻 射 具 有 高 強 度 連 續 波 長 高 準 直 性 光 束 截 面 積 小 等 特 性, 因 此 同 步 輻 射 可 以 廣 泛 地 被 運 用 在 各 個 領 域 上 11

23 2-8 矽 晶 片 的 應 力 變 化 在 1989 年,Gee 等 人 [21] 利 用 應 變 規 來 量 測 晶 片 端 的 表 面 在 熱 震 下 的 應 力 變 化, 其 結 果 顯 示 出 在 矽 晶 片 的 中 間 點 具 有 最 高 的 應 力, 其 餘 的 地 方 應 力 為 均 勻 的 為 了 可 以 更 精 確 的 量 測 到 晶 片 端 內 部 的 應 力,Ho 等 人 [22] 利 用 疊 紋 干 涉 技 術 來 分 析 覆 晶 焊 錫 的 矽 晶 片 從 高 溫 冷 卻 後 的 應 變 分 佈 A. T. WU 等 人 在 2009 年 發 表 於 JEM 的 研 究 [23], 是 利 用 同 步 輻 射 光 源 量 測 矽 晶 片 在 不 同 熱 及 電 的 效 應 下, 矽 晶 片 的 應 變 變 化 為 了 瞭 解 矽 晶 片 在 各 點 的 應 力 分 佈 為 何, 作 者 在 矽 晶 片 上 分 別 取 五 個 點 A B C D E( 如 圖 2-9), 其 結 果 發 現 在 溫 度 越 高 所 測 出 的 out of plane 應 變 分 佈 曲 線 越 less compressive, 其 中 間 點 具 有 最 大 應 力 因 此 在 本 研 究 中, 將 對 於 矽 晶 板 及 高 分 子 板 (FR5) 的 熱 膨 脹 係 數 不 同, 可 能 造 成 的 應 變 分 佈 變 化 來 做 探 討, 並 了 解 是 否 會 對 焊 錫 接 點 造 成 破 壞 12

24 圖 2-1 原 子 受 電 子 流 驅 動 遷 移 示 意 圖 圖 2-2 SAC 銲 錫 經 過 1431 小 時 通 電 流 A/cm 2, 孔 洞 生 成 於 導 線 進 入 銲 錫 處 示 意 圖 [7] 13

25 圖 2-3 模 擬 銲 錫 凸 塊 內 因 電 流 方 向 改 變, 造 成 電 流 集 中 效 應 示 意 圖 14

26 圖 2-4 有 限 元 素 分 析 銲 錫 內 部 電 流 密 度 分 布 示 意 圖 [9] 15

27 圖 2-5 當 電 流 通 過 鋁 導 線, 產 生 焦 耳 熱 效 應 造 成 溫 升 示 意 圖 [11] (a) 未 通 電 流 (b) 通 入 電 流 (c) 溫 度 分 佈 16

28 圖 2-6 (a) 模 擬 結 果 提 出 在 鋁 導 線 進 入 銲 錫 交 界 有 熱 點 存 在 示 意 圖 (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 示 意 圖 [13] 17

29 圖 2-7 不 同 厚 度 銅 墊 層 破 壞 情 形 示 意 圖 (a)5 μm 厚 銅 墊 層 施 加 A/cm 2 的 破 壞 情 形 (b)10 μm 厚 銅 墊 層 施 加 A/cm 2 於 100,100 小 時 後 的 破 壞 情 形 (c)50 μm 厚 銅 墊 層 施 加 A/cm 2 於 100,100 小 時 後 的 破 壞 情 形 [17,18] 18

30 圖 2-8 同 步 輻 射 涵 蓋 的 電 磁 波 示 意 圖 [20] 圖 2-9 同 步 輻 射 光 源 所 掃 描 的 點 A,B,C,D,E 示 意 圖 [23] 19

31 第 三 章 實 驗 方 法 步 驟 與 結 果 在 本 章 節 中, 一 開 始 會 先 介 紹 試 片 及 其 內 部 的 單 顆 銲 錫 結 構, 接 下 來 將 介 紹 如 何 利 用 凱 文 銲 錫 結 構 做 量 測, 電 遷 移 測 試 的 實 驗 方 法 及 步 驟 最 後 將 介 紹 分 析 電 遷 移 破 壞 模 式 的 方 法, 及 如 何 藉 由 許 多 儀 器 得 到 本 研 究 的 成 果 另 外, 利 用 同 步 輻 射 光 源 量 測 矽 晶 片 經 電 遷 移 測 試 後, 應 變 的 變 化 之 實 驗 方 法 也 會 詳 細 介 紹 3-1 試 片 製 備 在 本 研 究 所 使 用 的 覆 晶 焊 錫 結 構 示 意 圖 如 ( 圖 3-1 圖 3-2) 所 示 此 焊 錫 結 構 為 copper column 結 構, 其 UBM(under-bump metallization) 的 種 類 為 Cu column / Ni, 厚 度 分 別 為 50 μm / 3 μm, 其 中 50 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 150 μm 使 用 無 鉛 焊 錫 Sn2.3Ag 做 為 焊 錫 接 點, 其 焊 錫 高 度 為 15 μm 先 利 用 電 鍍 將 銲 錫 固 定 在 UBM 所 在, 迴 焊 約 1 分 鐘, 其 介 金 屬 化 合 物 為 層 狀 Ni 3 Sn 4, 厚 度 約 為 1.5 μm, 而 上 方 的 銅 導 線 寬 為 115 μm 厚 5 μm 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 除 此 之 外, 我 們 在 晶 片 端 靠 近 銅 導 線 的 位 置 設 置 了 一 個 micro 20

32 thermal sensor, 用 來 測 量 在 通 電 及 加 熱 的 效 應 下, 其 內 部 的 真 實 溫 度, 幫 助 我 們 在 電 遷 移 測 試 下 了 解 焊 錫 內 部 的 溫 度 情 況, 以 達 到 最 精 準 的 測 量 3-2 實 驗 方 法 以 凱 文 結 構 各 別 量 測 銲 錫 凸 塊 本 節 將 介 紹 電 遷 移 測 試 的 凱 文 結 構 圖, 並 簡 單 敘 述 量 測 的 方 法 本 研 究 中 電 遷 移 測 試 的 凱 文 焊 錫 結 構 圖 如 ( 圖 3-3) 我 們 將 通 電 的 兩 顆 焊 錫 球 分 別 標 示 為 b1 b2, 銲 錫 球 間 的 間 距 為 800 μm 在 晶 片 端 以 一 條 寬 度 100 μm 厚 5 μm 的 銅 導 線 連 接 到 銲 錫 球 上 端 的 銅 墊 層 並 將 其 串 連 一 起 晶 片 端 的 b1 b2 焊 錫 各 連 接 著 一 條 銅 導 線, 標 示 為 n1 n4 在 FR5 基 板 端 則 有 兩 條 銅 線 分 別 連 接 至 各 個 銲 錫 球 下, 銅 導 線 厚 20 μm, 寬 100 μm, 依 序 標 示 為 n2 n3 n5 n6, 利 用 此 六 條 銅 導 線 不 同 的 連 接 方 式 可 以 分 別 量 測 到 b1 b2 的 單 顆 銲 錫 電 阻 將 試 片 通 以 電 流, 電 子 流 由 n1 往 上 通 過 b1, 然 後 經 過 銅 導 線, 往 下 通 過 b2, 最 後 經 由 n4 離 開 在 通 電 的 同 時, 電 子 流 在 焊 錫 b1 中 的 方 向 為 基 板 端 流 向 晶 片 端, 在 焊 錫 b2 中 則 為 晶 片 端 流 向 基 板 端 我 們 可 以 藉 由 量 測 n2 和 n3 的 電 壓 降 而 得 知 焊 錫 b1 的 電 阻 變 化 情 形 焊 錫 b2 的 電 阻 變 化 情 形 則 藉 由 量 測 n5 和 n6 的 電 壓 降 而 得 知 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, 因 為 電 流 集 中 效 應, 電 遷 移 破 壞 大 多 發 生 電 子 流 向 下 ( 電 子 流 方 向 由 晶 片 端 21

33 往 基 板 端 ) 的 焊 錫 接 點 上 所 以 本 研 究 將 著 重 在 b3 的 電 阻 及 微 結 構 的 變 化, 並 將 b3 電 阻 上 升 至 初 始 值 的 1.2 倍 時, 定 義 為 電 遷 移 破 壞 電 遷 移 的 加 速 測 試 為 了 研 究 覆 晶 銲 錫 在 低 銲 錫 高 度 下 的 電 遷 移 破 壞 模 式, 我 們 使 用 前 面 所 介 紹 的 試 片 做 測 試 首 先 使 用 切 割 機 將 試 片 切 一 半, 取 用 試 片 的 下 半 部 凱 文 焊 錫 結 構, 而 為 了 確 保 切 割 後 的 試 片 大 小 相 同, 再 使 用 研 磨 機 磨 至 相 同 高 度 之 後 將 欲 量 測 的 線 路 使 用 錫 鉛 焊 錫 焊 接, 待 用 thermal couple 量 測 加 熱 板 達 到 所 需 溫 度 後 才 可 將 試 片 放 置 加 熱 板 上, 並 以 耐 熱 膠 將 試 片 平 坦 固 定 好, 以 確 保 試 片 均 勻 受 熱 使 其 aging 一 小 時 後, 待 穩 定 後 再 施 以 電 流 進 行 測 試 我 們 使 用 了 四 點 量 測 來 測 量 在 前 文 中 所 提 及 的 覆 晶 無 鉛 Sn2.3Ag 銲 錫 的 電 阻 值 其 電 遷 移 測 試 的 條 件 為 在 150 的 加 熱 板 上 通 以 1.8 A 的 電 流, 電 流 流 經 的 迴 路 與 量 測 的 位 置 如 所 述 根 據 UBM opening 為 75 μm 做 考 量, 其 對 應 的 電 流 密 度 為 A/cm 2 在 電 遷 移 測 試 中, 量 測 b1 b2 的 銲 錫 電 阻 與 整 個 迴 路 上 的 總 電 阻, 在 b2 銲 錫 電 阻 上 升 到 b2 初 始 電 阻 的 倍 時, 停 止 通 電 並 取 下 試 片, 之 後 再 將 試 片 磨 開 拋 光 後, 使 用 電 子 顯 微 鏡 觀 察 其 微 結 構 的 變 化, 比 較 不 同 階 段 的 剖 面 圖 來 研 究 出 其 破 壞 模 式 22

34 3-2-3 試 片 破 壞 模 式 的 觀 察 本 節 主 要 介 紹 將 試 片 進 行 電 遷 移 測 試 後, 利 用 微 結 構 分 析 各 個 不 同 階 段 的 破 壞 模 式 首 先 將 試 片 依 序 以 不 同 號 數 的 SiC 砂 紙 做 研 磨, 其 順 序 依 序 為 側 向 研 磨 至 接 近 電 遷 移 測 試 的 銲 錫 球 中 間 點, 再 依 續 以 1 μm 0.3 μm 氧 化 鋁 粉 進 行 拋 光 為 了 防 止 試 片 氧 化, 及 增 加 SEM 觀 測 時 的 導 電 性, 我 們 將 拋 光 好 的 試 片 濺 鍍 上 一 層 Pt 膜, 藉 由 光 學 顯 微 鏡 (OM) JEOL 6500 掃 描 式 電 子 顯 微 鏡 (SEM) 來 觀 察 其 微 結 構 的 變 化, 並 利 用 X 光 能 量 分 佈 圖 譜 (EDS) 來 鑑 定 試 片 特 定 區 域 或 相 的 組 成 23

35 3-3 利 用 同 步 輻 射 光 源 量 測 矽 晶 片 的 應 變 變 化 為 了 探 討 矽 晶 片 的 應 變 變 化 是 否 與 電 遷 移 有 關, 我 們 將 電 遷 移 測 試 後 的 試 片 利 用 國 家 同 步 輻 射 中 心 光 速 線,17B1 實 驗 站 的 八 環 光 繞 射 儀, 如 ( 圖 3-4) 所 示 其 所 用 的 光 速 線 為 單 色 光, 能 量 為 8 KeV, 波 長 為 1.55 Å, 光 子 通 量 (photo flux) 為 photon/sec, 光 速 線 截 面 積 的 大 小 為 500 μm 700 μm(v H), 在 10 KeV 下 能 量 解 析 度 ΔE/E=10-4 我 們 將 矽 晶 片 取 五 個 點, 分 別 將 其 位 置 令 為 , 其 間 隔 為 1.25 mm( 如 圖 3-5), 其 矩 形 為 X 光 繞 射 掃 描 的 點 掃 描 範 圍 2θ 從 20 度 到 70 度, 每 間 隔 0.05 度 為 一 點, 每 點 積 分 兩 秒 鐘 找 到 矽 晶 片 的 繞 射 峰 後, 再 對 其 繞 射 峰 做 細 掃, 掃 描 範 圍 為 繞 射 峰 值 的 ±0.05 度, 打 20 個 點, 每 點 收 0.5 秒 鐘 之 後 再 將 掃 描 得 到 的 數 據 利 用 peakfit 軟 體 去 分 析 此 軟 體 是 以 羅 倫 茲 - 高 斯 (Lorentz-Gaussian) 方 程 式 去 契 合, 其 信 心 程 度 (confidence limit) 至 少 達 99.5% 以 上, 再 將 得 到 的 數 據 進 行 處 理 及 計 算 24

36 圖 3-1 銲 錫 接 點 剖 面 示 意 圖 圖 3-2 銲 錫 接 點 剖 面 SEM 影 像 圖 25

37 圖 3-3 凱 文 焊 錫 結 構 圖 圖 3-4 同 步 輻 射 八 環 X 光 繞 射 儀 影 像 圖 26

38 圖 3-5 矽 晶 片 上 的 矩 形 圖 示 為 X 光 掃 描 的 位 置 示 意 圖 27

39 第 四 章 結 果 與 討 論 本 章 節 主 要 分 為 四 個 部 份, 首 先 會 以 銅 導 線 的 TCR effect 校 正 銲 錫 球 的 溫 度, 接 下 來 會 探 討 電 子 流 向 下 的 焊 錫 接 點 其 電 阻 曲 線 圖 的 分 析 第 三 部 分 為 微 結 構 的 破 壞 研 究, 並 利 用 焊 錫 接 點 微 結 構 及 電 阻 曲 線 圖 的 對 照, 來 分 析 焊 錫 接 點 在 電 子 流 向 下 及 向 上 的 破 壞 模 式 另 外, 再 探 討 經 電 遷 移 測 試 後 的 矽 晶 片 其 應 變 分 佈 變 化 4-1 以 銅 導 線 的 TCR effect 校 正 銲 錫 球 的 溫 度 在 本 實 驗 中, 電 遷 移 的 測 試 條 件 是 在 加 熱 板 上 以 150 的 溫 度 加 熱 但 由 於 電 流 通 過 銅 導 線 時, 會 有 焦 耳 熱 效 應 的 產 生, 而 造 成 試 片 內 部 溫 度 提 高, 所 以 我 們 需 將 焦 耳 熱 效 應 的 影 響 考 慮 進 去, 已 獲 得 較 真 實 的 焊 錫 內 部 溫 度 因 此, 我 們 採 用 銅 導 線 電 阻 溫 度 係 數 (Temperature coefficient of resistance,tcr) 來 校 正 焊 錫 內 部 的 實 際 溫 度 首 先, 金 屬 熱 電 阻 的 電 阻 值 與 溫 度 可 用 以 下 的 關 係 式 表 示 : R = R 0 [ 1 + α 0 ( T T 0 ] (4.1) 其 中 R 為 溫 度 T 的 電 阻 值,R 0 為 T 0 的 電 阻 值,T 即 為 某 溫 度 下,α 0 為 溫 度 T 0 時 的 電 阻 率, 將 其 進 一 步 展 開 如 下 : R = R 0 + R 0 αt R 0 αt 0. (4.2) 當 T 0 =0 時,R 0 αt 0 =0, 再 將 其 改 寫 如 下 : 28

40 R = R 0 + α't, 其 中 α' = R 0 α (4.3) 因 此 將 所 量 測 到 的 銅 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 由 於 凱 文 結 構 的 特 性, 可 以 單 獨 量 測 到 測 試 條 件 下 銅 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 50, 以 50 為 區 間, 逐 次 加 熱 到 200, 量 測 銅 導 線 的 電 阻 在 不 同 溫 度 下 的 變 化 將 量 測 到 的 結 果, 把 銅 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 4-1), 其 電 阻 係 數 α = K -1 因 此 我 們 可 以 將 實 際 電 遷 移 測 試 下 的 銅 導 線 電 阻 帶 入 此 TCR 關 係 式, 就 可 以 得 知 銅 導 線 的 溫 度 及 通 電 下 銲 錫 球 的 真 實 溫 度 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 因 此 TCR 校 正 可 以 幫 助 我 們 了 解 焊 錫 內 部 溫 度, 其 溫 度 約 為 焊 錫 接 點 ( 電 子 流 向 下 ) 電 阻 曲 線 圖 分 析 ( 圖 4-2) 為 電 子 流 向 下 的 電 阻 曲 線 圖, 我 們 可 以 發 現 此 電 阻 曲 線 圖 和 過 去 大 不 相 同 我 們 將 此 曲 線 圖 分 為 三 個 階 段, 第 一 個 階 段 為 起 始 到 電 阻 曲 線 慢 慢 上 升 部 分 當 電 阻 上 升 約 到 5% 左 右, 電 阻 曲 線 斜 率 呈 現 常 數, 我 們 將 此 稱 為 第 二 個 階 段 最 後, 電 阻 曲 線 又 會 開 始 快 速 上 升, 斜 率 快 速 增 加, 直 到 阻 值 上 升 20%, 我 們 將 此 稱 為 第 三 階 段 由 於 此 電 阻 曲 線 圖 和 過 去 29

41 大 不 相 同, 為 了 探 討 此 覆 晶 焊 錫 接 點 在 不 同 階 段 的 破 壞 模 式, 我 們 將 試 片 停 在 焊 錫 接 點 阻 值 上 升 3% 5% 10% 16% 和 20% 藉 由 微 結 構 的 變 化 來 探 討 其 破 壞 模 式, 在 下 一 章 節 將 會 詳 細 介 紹 4-3 破 壞 模 式 分 析 電 子 流 向 下 的 破 壞 模 式 ( 圖 4-3) 為 銲 錫 接 點 未 通 電 前 的 剖 面 電 子 顯 微 鏡 圖, 將 此 標 示 為 initial stage, 其 結 構 如 3-1 節 所 介 紹 ( 圖 4-4) 為 焊 錫 接 點 在 150 時 通 入 1.8 A 電 流, 測 試 小 時 的 剖 面 電 子 顯 微 鏡 圖 其 銲 錫 電 阻 由 5.81 mω 上 升 至 6.06 mω, 即 初 始 電 阻 上 升 3% 的 結 果 圖 中 的 箭 號 表 示 電 子 流 的 方 向, 電 子 流 由 晶 片 端 流 至 基 板 端 此 時 我 們 可 以 藉 由 微 結 構 圖 及 成 份 分 析 發 現, 隨 著 電 遷 移 測 試 下, 焊 錫 開 始 逐 漸 轉 為 介 金 屬 化 合 物, 經 EDX 成 分 分 析 為 Ni 3 Sn4 上 下 端 的 Ni 3 Sn4 介 金 屬 化 合 物 隨 著 測 試 開 始 變 厚, 有 些 焊 錫 高 度 較 低 的 地 方 已 經 相 連 起 來 而 其 中 尚 有 部 分 焊 錫 未 轉 為 介 金 屬 化 合 物 因 此, 造 成 電 阻 上 升 3% 可 能 來 自 於 焊 錫 接 點 開 始 轉 變 為 介 金 屬 化 合 物 的 結 果 ( 圖 4-5) 則 是 另 一 個 試 片 在 同 樣 的 參 數 下 通 電 小 時 的 剖 面 電 子 顯 微 鏡 圖 其 銲 錫 電 阻 由 6.71 mω 上 升 至 7.03 mω, 即 初 始 電 阻 上 升 5% 的 結 果, 其 中 箭 頭 方 向 為 電 子 流 方 向 我 們 可 以 發 現 此 時 晶 片 端 的 鎳 層 已 經 開 始 被 消 耗, 上 端 的 銅 UBM 隨 著 電 子 流 被 往 下 帶 與 焊 錫 反 應 形 成 Cu 3 Sn 30

42 介 金 屬 化 合 物 而 內 部 焊 錫 接 點 已 經 完 全 轉 換 為 介 金 屬 化 合 物, 經 由 EDX 成 分 分 析 其 組 成 為 (Ni,Cu) 3 Sn 4 其 原 因 為 鎳 層 受 到 電 子 流 往 下 帶, 與 焊 錫 反 應, 而 晶 片 端 銅 原 子 亦 加 入 反 應 形 成 介 金 屬 化 合 物 為 了 觀 察 其 不 同 階 段 模 式, 我 們 將 另 一 個 試 片 在 同 樣 的 參 數 下, 將 電 遷 移 測 試 停 在 阻 值 上 升 10% 的 階 段 ( 圖 4-6) 是 通 電 小 時, 其 銲 錫 電 阻 由 6.35 mω 上 升 至 7.10 mω, 即 初 始 電 阻 上 升 10% 的 剖 面 電 子 顯 微 鏡 圖 我 們 觀 察 到 整 個 焊 錫 橫 截 面 轉 成 介 金 屬 化 合 物, 並 且 有 較 多 的 Cu 3 Sn 生 成 在 焊 錫 接 點 中 有 發 現 到 有 較 亮 的 化 合 物 析 出, 經 由 EDX 成 分 分 析, 其 組 成 為 Ag 3 Sn 而 此 Ag 3 Sn 介 金 屬 化 合 物 可 能 在 其 他 階 段 也 有 產 生, 因 其 所 占 據 的 體 積 甚 小, 所 以 可 能 與 研 磨 的 位 置 有 關, 造 成 別 的 階 段 沒 有 磨 到 此 介 金 屬 化 合 物 此 外, 因 電 子 流 向 下 造 成 晶 片 端 的 鎳 層 消 耗, 所 以 Cu 3 Sn 介 金 屬 化 合 物 在 靠 近 基 板 端 的 銅 金 屬 墊 層 形 成 而 我 們 也 發 現 到 和 焊 錫 電 阻 上 升 5% 不 同 的 現 象, 因 電 遷 移 不 斷 帶 動 銅 原 子 向 下 反 應, 因 此 我 們 在 銅 金 屬 墊 層 和 Cu 3 Sn 介 金 屬 化 合 物 的 界 面 發 現 了 Kirkendall voids 的 生 成, 所 以 這 上 升 的 10% 電 阻 來 自 於 錫 銀 焊 錫 轉 換 為 介 金 屬 化 物 及 Kirkendall voids 的 生 成 由 於 此 片 試 片 焊 錫 接 點 高 度 較 5% 那 片 高, 因 此 焊 錫 接 點 全 部 轉 為 介 金 屬 化 合 物 所 需 的 阻 值 上 升 百 分 比 較 高, 造 成 孔 洞 所 形 成 的 阻 值 上 升 百 分 比 占 據 的 31

43 比 例 較 小, 所 以 造 成 並 沒 有 明 顯 的 較 電 阻 上 升 5% 的 微 結 構 破 壞 嚴 重 但 接 下 來 我 們 將 討 論 焊 錫 點 阻 值 上 升 16% 20% 的 微 結 構 圖, 我 們 即 可 看 到 很 明 顯 的 孔 洞 生 成 ( 圖 4-7) 則 是 另 一 個 試 片 在 同 樣 的 參 數 下 通 電 小 時 的 剖 面 電 子 顯 微 鏡 圖 其 銲 錫 電 阻 由 7.06 mω 上 升 至 8.20 mω, 即 初 始 電 阻 上 升 16% 的 結 果 我 們 可 以 看 到 銅 原 子 不 斷 隨 著 電 流 向 下 反 應, 造 成 更 多 的 Cu 3 Sn 生 成, 反 向 留 下 孔 洞, 此 連 續 孔 洞 Kirkendall voids 造 成 電 阻 不 斷 上 升, 其 孔 洞 的 放 大 圖 如 ( 圖 4-8) 所 示 因 業 界 通 常 定 義 阻 值 上 升 20% 為 電 遷 移 破 壞 的 最 後 階 段, 因 此 我 們 將 試 片 最 後 階 段 取 在 電 阻 阻 值 上 升 20% 的 時 候 ( 圖 4-9) 則 是 另 一 個 試 片 在 同 樣 的 參 數 下 通 電 小 時 的 剖 面 電 子 顯 微 鏡 圖 其 銲 錫 電 阻 由 6.35 mω 上 升 至 7.10 mω, 即 初 始 電 阻 上 升 20% 的 結 果 在 此 微 結 構 中, 我 們 發 現 到 有 更 多 Cu 3 Sn 的 生 成 由 於 受 電 遷 移 的 作 用 力 下, 鎳 層 不 斷 的 被 消 耗, 銅 進 入 參 與 反 應 形 成 Cu 3 Sn, 不 斷 反 應 的 結 果 下, 產 生 了 更 多 孔 洞 我 們 更 看 到 了 連 續 Kirkendall void 生 成 的 現 象, 此 為 電 阻 急 遽 上 升 的 原 因 為 了 瞭 解 孔 洞 的 連 續 性 及 大 小, 我 們 使 用 了 聚 焦 離 子 束 與 電 子 束 顯 微 系 統,FIB (Focused ion beam) 切 其 截 面, 觀 察 界 面 的 破 壞 情 況 ( 圖 4-10) 為 Cu 3 Sn 和 晶 片 端 Cu 墊 層 界 面 聚 焦 離 子 影 像 圖 我 們 可 以 發 現 到 許 多 Kirkendall voids 的 生 成, 並 且 具 有 連 續 性, 因 此 是 造 成 阻 值 上 升 很 重 要 的 因 素 接 著 32

44 我 們 更 在 晶 片 端 鎳 層 和 介 金 屬 化 合 物 (Ni,Cu) 3 Sn 4 的 界 面, 如 ( 圖 4-11) 發 現 到 有 些 許 的 孔 洞 生 成 其 原 因 是 電 遷 移 作 用 下, 鎳 層 不 斷 往 下 參 與 反 應 消 耗, 因 而 留 下 微 小 孔 洞, 稱 之 為 micro voids 因 此, 我 們 發 現, 電 阻 上 升 20% 的 原 因 除 了 來 自 於 介 金 屬 化 合 物 的 生 成, 更 重 要 的 是 因 為 連 續 性 的 Kirkendall voids 破 壞 及 microvoids 的 生 成 造 成 阻 值 上 升 電 子 流 向 上 的 破 壞 模 式 在 電 子 流 向 上 的 銲 錫 凸 塊, 和 電 子 流 向 下 的 焊 錫 凸 塊 破 壞 模 式 不 同 在 晶 片 端 的 銅 金 屬 墊 層 與 介 金 屬 化 合 物 的 界 面 並 無 發 現 到 大 量 Kirkendall voids 的 生 成 但 不 同 的 是 在 基 板 端 看 到 了 不 同 於 電 子 流 向 下 的 介 金 屬 化 合 物 及 孔 洞 的 形 成 而 造 成 電 阻 上 升 圖 4-12 圖 4-13 與 圖 4-14 分 別 為 在 150 下 通 以 電 流 1.8 A, 阻 值 上 升 3% 5% 20% 的 電 子 顯 微 鏡 影 像 圖 其 電 流 密 度 為 A/cm 2, 電 流 方 向 由 基 板 端 往 晶 片 端 流 動 當 阻 值 上 升 3% 和 5% 時, 其 變 化 與 電 子 流 向 下 的 焊 錫 接 點 相 同 一 開 始 焊 錫 接 點 開 始 慢 慢 變 成 介 金 屬 化 合 物 ( 如 圖 4-12), 到 電 阻 上 升 約 5% 時, 全 部 轉 為 介 金 屬 化 合 物 ( 如 圖 4-13), 而 經 過 EDX 的 成 分 分 析, 此 層 介 金 屬 化 合 物 的 組 成 為 (Ni,Cu) 3 Sn 4 接 著, 當 電 阻 上 升 20% 時 ( 如 圖 4-14), 我 們 在 晶 片 端 的 銅 金 屬 墊 層 與 介 金 屬 化 合 物 的 界 面 並 沒 有 看 到 有 孔 洞 開 始 生 成, 且 晶 片 端 的 鎳 層 雖 有 些 微 消 耗, 但 未 33

45 造 成 局 部 缺 角 或 破 損 其 原 因 是 因 為 介 金 屬 化 合 物 形 成 一 擴 散 阻 障 層, 阻 擋 錫 原 子 與 減 緩 其 進 入 晶 片 端 的 鎳 層 進 行 反 應 因 此, 基 板 端 的 介 金 屬 化 合 物 中 的 銅 原 子 是 來 自 於 基 板 端 的 銅 墊 層, 順 著 電 子 流 向 晶 片 端 擴 散 在 電 子 流 向 上 的 焊 錫 接 點 中, 我 們 在 基 板 端 發 現 到 明 顯 的 破 壞 情 形 初 期 階 段 基 板 端 的 無 電 鍍 鎳 層, 會 與 焊 錫 中 的 錫 原 子 反 應 成 就 Ni 3 Sn 4 的 介 金 屬 化 合 物, 加 上 電 子 由 基 板 端 流 向 晶 片 端, 電 流 不 斷 將 鎳 原 子 帶 出, 反 應 更 劇 烈 而 當 無 電 鍍 鎳 層 因 反 應 而 消 耗 時, 電 子 流 會 使 得 基 板 端 的 銅 原 子 向 上 與 焊 錫 反 應 形 成 (Cu,Ni) 6 Sn 5 及 Cu 3 Sn 介 金 屬 化 合 物 ( 如 圖 4-14) 除 此 之 外, 我 們 亦 在 無 電 鍍 鎳 層 發 現 到 參 雜 不 連 續 的 Ni 3 P 結 晶 層 ( 如 圖 4-15) 所 示 當 基 板 端 的 無 電 鍍 鎳 層 持 續 被 電 子 流 帶 出 消 耗 時, 因 其 中 的 磷 原 子 不 會 參 與 反 應, 所 以 會 不 斷 累 積 在 介 金 屬 化 合 物 與 無 電 鍍 鎳 層 的 界 面, 當 鎳 與 殘 留 的 磷 原 子 的 原 子 比 例 達 到 3:1 時, 會 在 無 電 鍍 鎳 層 內 部 再 結 晶 形 成 Ni 3 P 層 此 柱 狀 結 構 的 Ni 3 P 層 會 提 供 一 較 快 的 路 徑, 幫 助 鎳 原 子 順 著 電 子 流 的 方 向 透 過 Ni 3 P 層 的 晶 界 ( 如 圖 4-15), 從 無 電 鍍 鎳 層 往 Ni 3 P/ Ni 3 Sn 4 界 面 擴 散 出 去 而 消 耗 當 無 電 鍍 鎳 層 持 續 消 耗, 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, 形 成 (Cu,Ni) 6 Sn 5 及 Cu 3 Sn 介 金 屬 化 合 物, 並 且 有 發 現 到 Ni 2 SnP 化 合 物 的 生 成 如 ( 圖 4-16) 若 無 電 鍍 鎳 層 的 鎳 原 子 不 斷 往 外 擴 散, 則 會 形 成 孔 洞, 而 銅 原 子 不 斷 34

46 的 往 外 擴 散 後, 亦 會 產 生 孔 洞 在 無 電 鍍 鎳 與 銅 金 屬 墊 層 交 界 當 無 電 鍍 鎳 層 開 始 消 耗 時, 錫 原 子 進 入 銅 墊 層, 反 應 形 成 (Cu,Ni) 6 Sn 5 介 金 屬 化 合 物, 然 而 基 板 端 的 厚 銅 金 屬 墊 層, 也 會 隨 著 電 遷 移 的 電 流 方 向 向 上 反 應 因 Cu 3 Sn 較 Cu 6 Sn 5 的 介 金 屬 化 合 物 穩 定, 所 以 當 有 足 夠 的 銅 反 應 源 時, 會 生 成 Cu 3 Sn 相 因 此 推 測, 隨 著 測 試 時 間 加 長, 基 板 端 銅 墊 層 的 銅 原 子 會 不 斷 受 電 遷 移 驅 使 反 應 成 Cu 3 Sn 穩 定 相, 而 留 下 孔 洞 形 成 kirekendall voids 但 本 實 驗 中, 在 電 子 流 向 上 的 焊 錫 接 點 上, 並 沒 有 發 現 大 量 kirekendall voids 生 成, 可 能 是 因 為 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 基 板 端 的 Cu 金 屬 墊 層 破 壞 較 慢 但 由 於 鎳 層 不 斷 隨 著 電 子 流 方 向 消 耗, 因 而 在 Ni 3 P 和 Cu 3 Sn 界 面 也 有 孔 洞 的 生 成 如 ( 圖 4-17) 因 此, 在 電 子 流 向 上 的 電 阻 上 升, 來 自 於 介 金 屬 化 合 物 的 生 成, 形 成 柱 狀 Ni 3 P 造 成 的 垂 直 長 條 孔 洞 及 在 Ni 3 P 和 Cu 3 Sn 界 面 的 孔 洞 4-4 電 遷 移 測 試 後 的 矽 晶 片 應 變 分 析 矽 晶 片 的 優 選 方 向 矽 晶 片 的 優 選 方 向, 我 們 在 室 溫 下 對 未 通 電 的 矽 晶 片 做 X 光 繞 射 掃 描, 掃 描 範 圍 為 2θ 從 20 度 ~70 度, 其 優 選 方 向 的 繞 射 峰 在 69 度 的 (400) 方 向 矽 晶 片 的 應 變 分 析 與 測 量 當 矽 晶 片 經 加 熱 通 電 處 理 後, 可 能 造 成 晶 格 間 常 數 (lattice constant,d) 的 改 變, 因 此 繞 射 峰 的 位 置 也 會 產 生 偏 移 所 以, 我 們 可 以 藉 由 布 拉 格 定 35

47 律 求 得 d 值, 其 布 拉 格 定 律 如 下 : 2dsin (4.4) 其 中 為 波 長, 其 值 為 1.55 Å, 接 下 來 用 (4.5) 式 計 算 出 垂 直 於 矽 晶 片 表 面 的 應 變 : ε zz = d d d 0 0 (4.5) 其 中 ε zz 為 垂 直 於 矽 晶 片 表 面 的 應 變,d 0 為 未 通 電 加 熱 前 的 平 面 間 距, d 為 測 試 過 後 的 平 面 間 距 ( 圖 4-19) 為 在 不 同 加 熱 通 電 時 間 後, 各 個 不 同 位 置 的 X 光 掃 描 之 繞 射 峰 圖 (a) 位 置 -2.5 (b) 位 置 (c) 位 置 0 (d) 位 置 1.25 (e) 位 置 2.5, 其 加 熱 通 電 時 間 分 別 為 小 時 再 藉 由 再 藉 由 式 4.4 可 得 垂 直 試 片 表 面 方 向 的 平 面 間 距, 再 藉 由 式 4.5 式 算 出 應 變 經 同 步 輻 射 光 源 所 掃 描 出 來 的 結 果 顯 示 出 ( 如 圖 4-18), 隨 著 時 間 增 加, peak 往 左 移 動, 應 變 變 大 當 通 電 加 熱 超 過 小 時 以 後, 峰 形 開 始 改 變, 變 得 較 寬, 開 始 出 現 兩 個 繞 射 峰, 因 此 研 判 矽 晶 片 已 開 始 產 生 變 化 ( 圖 4-19) 為 各 個 不 同 位 置 的 X 光 掃 描 之 繞 射 峰 角 度 對 測 試 時 間 做 圖, 我 們 可 以 發 現, 隨 著 通 電 加 熱 時 間 變 長, 繞 射 峰 角 度 開 始 變 小 而 再 利 用 時 間 對 經 由 式 子 4.5 所 算 出 的 應 變 作 圖 如 ( 圖 4-20) 所 示, 隨 著 時 間 的 增 加, 應 變 亦 會 跟 著 增 加 接 著 我 們 在 對 於 不 同 X 光 掃 描 位 置 對 於 應 變 作 圖, 我 們 很 可 以 明 顯 的 發 現, 在 小 時 以 後, 各 個 位 置 的 應 變 大 小 差 距 甚 小 因 此, 我 36

48 們 可 以 知 道, 當 電 遷 移 測 試 329,83 小 時 前, 矽 晶 片 內 部 應 變 不 會 改 變, 當 測 試 時 間 大 於 小 時, 應 變 會 逐 漸 變 大, 變 為 less compressive 37

49 圖 4-1 銅 導 線 電 阻 對 加 熱 爐 溫 度 作 圖, 其 熱 電 阻 係 數 為 K -1 圖 4-2 焊 錫 接 點 ( 電 子 流 向 下 ) 三 個 階 段 的 電 阻 曲 線 圖 38

50 圖 4-3 未 測 試 前 的 焊 錫 接 點 微 結 構 剖 面 電 子 顯 微 鏡 圖 圖 4-4 電 子 流 向 下 的 焊 錫 接 點, 阻 值 上 升 3% 的 剖 面 電 子 顯 微 鏡 圖 圖 4-5 電 子 流 向 下 的 焊 錫 接 點, 阻 值 上 升 5% 的 剖 面 電 子 顯 微 鏡 圖 \ 圖 4-6 電 子 流 向 下 的 焊 錫 接 點, 阻 值 上 升 10% 的 剖 面 電 子 顯 微 鏡 圖 39

51 圖 4-7 電 子 流 向 下 的 焊 錫 接 點, 阻 值 上 升 16% 的 剖 面 電 子 顯 微 鏡 圖 圖 4-8 電 子 流 向 下 的 焊 錫 接 點, 電 阻 上 升 16%, 連 續 Kirkendall void 生 長 在 Cu 3 Sn 和 Cu 墊 層 界 面 的 放 大 剖 面 電 子 顯 微 鏡 圖 圖 4-9 電 子 流 向 下 的 焊 錫 接 點, 阻 值 上 升 20% 的 剖 面 電 子 顯 微 鏡 圖 40

52 圖 4-10 電 子 流 向 下 的 焊 錫 接 點 阻 值 上 升 20%, 連 續 Kirkendall voids 生 長 在 Cu 3 Sn 和 晶 片 端 Cu 墊 層 界 面 的 聚 焦 離 子 影 像 圖 圖 4-11 電 子 流 向 下 的 焊 錫 接 點, 阻 值 上 升 20%,micro voids 生 成 在 晶 片 端 鎳 層 和 介 金 屬 化 合 物 Ni 3 Sn 4 界 面 的 聚 焦 離 子 影 像 圖 41

53 圖 4-12 電 子 流 向 上 的 焊 錫 接 點, 阻 值 上 升 3% 的 剖 面 電 子 顯 微 鏡 圖 圖 4-13 電 子 流 向 上 的 焊 錫 接 點, 阻 值 上 升 5% 的 剖 面 電 子 顯 微 鏡 圖 圖 4-14 電 子 流 向 上 的 焊 錫 接 點, 阻 值 上 升 20% 的 剖 面 電 子 顯 微 鏡 圖 圖 4-15 電 子 流 向 上 的 焊 錫 接 點, 阻 值 上 升 20%, 柱 狀 N 3 P 及 垂 直 長 條 狀 孔 洞 生 成 的 放 大 剖 面 電 子 顯 微 鏡 圖 42

54 圖 4-16 電 子 流 向 上 的 焊 錫 接 點, 阻 值 上 升 20%,Ni 2 SnP Cu 3 Sn 和 Ni 3 P 介 金 屬 化 合 物 的 放 大 剖 面 電 子 顯 微 鏡 圖 圖 4-17 電 子 流 向 上 的 焊 錫 接 點, 阻 值 上 升 20%, 孔 洞 生 長 在 基 板 端 Ni 3 P 和 Cu 3 Sn 界 面 的 放 大 剖 面 電 子 顯 微 鏡 圖 43

55 4-18 為 在 不 同 加 熱 通 電 時 間 後, 各 個 不 同 位 置 的 X 光 掃 描 之 繞 射 峰 圖 (a) 位 置 -2.5 (b) 位 置 (c) 位 置 0 (d) 位 置 1.25 (e) 位 置

56 圖 4-19 為 測 試 時 間 對 各 個 不 同 位 置 的 X 光 掃 描 之 繞 射 峰 角 度 做 圖 圖 4-20 為 各 個 不 同 測 試 時 間 對 應 變 做 圖 45

57 圖 4-21 為 在 不 同 加 熱 通 電 時 間 後, 各 個 不 同 X 光 掃 描 的 位 置 對 應 變 圖 46

58 五 結 論 在 本 研 究 中, 主 要 探 討 覆 晶 焊 錫 在 電 遷 移 測 試 下, 不 同 階 段 的 破 壞 模 式 由 於 電 子 流 向 下 破 壞 較 快, 因 此 為 本 研 究 中 的 主 軸 由 其 微 結 構 及 電 阻 曲 線 圖 來 看, 在 一 開 始 的 時 候, 電 阻 曲 線 緩 慢 上 升, 當 電 阻 約 上 升 到 5% 的 時 候, 曲 線 開 始 呈 現 水 平 我 們 可 以 藉 由 電 阻 阻 值 上 升 3% 5% 的 微 結 構 圖 電 子 剖 面 顯 微 鏡 圖 發 現, 在 電 阻 阻 值 上 升 3% 的 時 候, 焊 錫 接 點 內 部 介 金 屬 化 合 物 開 始 變 厚, 其 經 由 EDX 分 析 為 Ni 3 Sn 4, 但 內 部 尚 有 焊 錫 存 在 因 此, 此 階 段 為 焊 錫 開 始 慢 慢 轉 為 介 金 屬 化 合 物 的 階 段 當 電 阻 阻 值 上 升 5%, 由 微 結 構 發 現, 焊 錫 接 點 幾 乎 轉 為 介 金 屬 化 合 物, 其 經 EDX 成 分 分 析 為 (Ni,Cu) 3 Sn 4, 而 靠 近 晶 片 端 的 銅 墊 層 也 有 些 微 Cu 3 Sn 的 生 成 當 阻 值 上 升 到 約 5%, 電 阻 曲 線 斜 率 變 為 常 數, 此 原 因 是 因 為 介 金 屬 化 合 物 很 抗 電 遷 移, 因 此 不 會 造 成 阻 值 上 升 最 後, 電 阻 曲 線 開 始 快 速 上 升, 我 們 根 據 電 阻 上 升 10% 16% 20% 的 微 結 構 剖 面 電 子 顯 微 鏡 圖, 可 以 觀 察 到 晶 片 端 的 鎳 層 逐 漸 消 耗, 生 成 更 多 的 Cu 3 Sn 而 由 於 銅 不 斷 的 被 帶 出, 因 此 形 成 Kirkendall voids, 而 造 成 電 阻 急 遽 上 升 此 外, 我 們 還 藉 由 聚 焦 離 子 束 與 電 子 束 顯 微 系 統, 來 看 其 橫 截 面 的 孔 洞 分 佈 情 形, 其 47

59 結 果 顯 示 出 Kirkedall voids 十 分 連 續 並 且 在 晶 片 端 Ni 層 與 介 金 屬 化 合 物 的 界 面 看 到 一 些 micro voids 生 成, 此 即 可 證 明 電 阻 快 速 上 升 的 原 因 在 焊 錫 接 點 電 子 流 向 上 部 分, 前 面 階 段 和 電 子 流 向 下 相 同, 為 介 金 屬 化 合 物 的 形 成 而 到 後 期, 變 阻 上 升 20% 的 時 候, 和 電 子 流 向 下 的 破 壞 模 式 大 不 相 同, 為 基 板 端 的 鎳 層 消 耗, 銅 原 子 進 入 反 應, 形 成 Cu 3 Sn 及 (Cu,Ni) 6 Sn 5 化 合 物 又 因 基 板 端 的 鎳 層 為 無 電 鍍 鎳, 因 此 在 消 耗 的 時 候, 當 鎳 原 子 與 磷 原 子 比 例 達 3 : 1 時, 會 在 內 部 產 生 Ni 3 P 化 合 物 此 為 柱 狀 結 構, 形 成 許 多 垂 直 長 條 孔 洞, 使 得 鎳 層 更 容 易 藉 由 此 通 道 向 上 反 應, 因 而 在 Ni 3 P 和 Cu 3 Sn 界 面 留 下 孔 洞 綜 和 以 上 的 結 果, 我 們 可 以 發 現 到 其 破 壞 模 式 具 有 極 性 效 應 其 孔 洞 破 壞 位 置 與 電 子 流 的 方 向 大 有 關 係, 和 過 去 覆 晶 焊 錫 的 破 壞 模 式 大 不 相 同, 極 具 研 究 價 值 在 同 步 輻 射 方 面, 為 了 研 究 電 遷 移 所 造 成 的 破 壞, 是 否 來 自 於 晶 片 端 和 高 分 子 基 板 端 (FR5) 因 熱 膨 脹 係 數 的 不 同 而 造 成 因 此 將 各 個 不 同 電 遷 移 測 試 後 的 結 果 利 用 同 步 輻 射 光 源 X-ray 作 應 變 分 析 由 其 結 果 顯 示 出, 其 應 變 會 隨 著 加 熱 通 電 時 間 而 變 大 在 通 電 加 熱 到 300 小 時 前, 應 變 無 明 顯 變 化 當 通 電 加 熱 超 過 300 小 時, 藉 由 不 同 位 置 的 應 變 及 峰 形 的 改 變 可 以 判 斷 其 應 變 開 始 上 升 對 照 電 遷 移 的 微 結 構 結 果, 並 無 發 現 到 因 應 變 改 變 而 造 成 的 crack 現 象, 研 判 其 破 壞 並 非 為 應 變 造 成 因 此, 在 我 們 進 行 電 遷 48

60 移 測 試 時, 可 以 將 因 熱 膨 脹 係 數 不 同, 造 成 應 變 變 化 導 致 破 壞 的 因 素 排 除 在 外 由 於 電 子 產 品 走 向 微 小 化 及 高 效 能 的 趨 勢,Three-dimensional integrated circuit(3dic) 勢 必 成 為 未 來 主 流, 焊 錫 高 度 會 越 來 越 小 而 本 研 究 使 用 低 焊 錫 高 度 的 覆 晶 焊 錫 試 片 進 行 電 遷 移 測 試, 對 於 未 來 的 3DIC 研 究 具 有 參 考 價 值 和 過 去 研 究 不 同 的 是, 在 本 實 驗 中 所 使 用 的 1.8 A 及 在 150 加 熱 板 上 進 行 電 遷 移 測 試, 其 電 流 密 度 為 A/cm 此 電 流 密 度 較 過 去 研 究 中 大 很 多, 其 電 遷 移 壽 命 也 較 過 去 長, 因 此 本 實 驗 所 用 的 結 構 較 抗 電 遷 移 在 過 去 的 文 獻 中, 因 覆 晶 焊 錫 幾 何 大 小 不 同, 電 子 流 從 導 線 進 入 焊 錫 接 點 流 經 的 截 面 積 大 小 差 距 甚 大, 往 往 會 造 成 嚴 重 的 電 流 集 中 效 應 而 過 去 的 破 壞 幾 乎 都 發 生 在 電 流 集 中 的 區 域, 產 生 很 大 的 孔 洞 在 本 研 究 中 其 結 果 和 過 去 大 不 相 同, 因 厚 銅 金 屬 墊 層 與 超 矮 bump height 可 以 有 效 減 緩 電 流 集 中 效 應, 因 此 不 會 有 因 電 流 及 中 效 應 所 產 生 的 孔 洞 但 在 電 子 流 向 下 的 部 分, 因 電 子 流 的 方 向 造 成 晶 片 端 界 金 屬 化 合 物 及 連 續 kirkendall void micro void 的 生 成 造 成 破 壞 而 相 反 的 在 電 子 流 向 上 部 分, 為 基 板 端 的 介 金 屬 化 合 物 生 成 及 孔 洞 造 成 阻 值 上 升 因 此, 我 們 藉 由 凱 文 結 構 精 準 的 量 測 電 阻 變 化, 並 與 微 結 構 變 化 一 起 做 分 析, 可 以 幫 助 我 們 了 解 各 個 階 段 的 破 壞 模 式, 為 十 分 有 參 考 價 值 的 研 究 方 法 與 結 果 49

61 參 考 文 獻 [1] Intel Technology Journal, 9, pp. 110, [2] R.J. Wassink, Soldering in Electronics, Electrochemical Pub. Ltd., pp. 99, [3] V. B. Fiks, Soviet Physics Solid State, 1, pp , [4] P. S. Ho and T. Kwok, Electromigration in metals, RPP. 52, pp , 1989 [5] H. B. Huntington and A. R. Grone, J. Phys. Chem. Solid 20, 76, [6] V. B. Fiks, Sov. Phys., Solid state, 1, 14, [7 ] K. N. Chiang, C. C. Lee, C. C. Lee, and K. M. Chen, Current crowding-induced electromigration in SnAg3.0Cu0.5 microbumps, APL.Vol 8, , [8] T. L. Shao, S. W. Liang, T. C. Lin, and Chih Chen, JAP. 98, pp , 2005 [9] E. C. C. Yeh, W. J. Choi, and K. N. Tu, P. Elenius, and H. Balkan, APL. Vol.80, Issue4, pp , [10] Joule, J.P. Philosophical Magazine, Vol. 19, PP. 260; Scientific Papers 65,1841. [11] T. L. Shao, S. H. Chiu, C. Chen, D. J. Yao, and C.Y. Hsu, Thermal gradient in solder joints under electrical-current stressing Journal of Electronic Materials, 33, pp , [12] L. Zhang, S. Ou, J. Huang, K. N. Tu, S. Gee and L. Nguyen, Effect of current crowding on void propagation at the interface between intermetallic compound and solder in flip chip solder joints, APL. Vol.88, Issue, , [13] S. H. Chiu, T. L. Shao, and C. Chen, Infrared microscopy of hot spots induced by Joule heating in Flip-chip SnAg solder joints under accelerated electromigration, APL Vol.88, , [14] T. Y. Lee, and K. N. Tu, Electromigration of eutectic SnPb and SnAg3.8Cu0.7 flip chip solder bumps and under-bump metallization, JAP, Vol. 90, N. 9, [15.] W. J. Choi, E. C. C. Yeh, and K. N. Tu, Mean-time-to failure study of flip chip solder joints on Cu/Ni(V)/Al thin-film under-bump-metallization, JAP, Vol. 94, N. 9, [16] Y. W. Chang, C. Chen Study of void formation due to electromigration in flip-chip solder joints using Kelvin bump probes, APL, Vol. 89, Issue 3, ,2006. [17] J. W. Nah, J. O. Suh, and K. N. Tu, S. W. Yoon, V. S. Rao, and V. Kripesh and F. Hua Electromigration in flip chip solder joints having a thick Cu column bump and a 50

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