Electronic Package

一.     電子封裝研究的演變

      電子構裝(electronic packaging)目前衍生出CSP（Chip Size Package）、BGA（Ball Grid Array）與FC（Flip Chip）等製造技術，CSP是指封裝後的IC大小不得超過原來晶片Chip的面積大小的20%以上， BGA球閘陣列封裝為第三代面矩陣式（Area Array）IC封裝技術，係在晶片底部以陣列的方式佈置許多錫球，以錫球代替傳統以金屬導線架在周圍做引腳的方式。FC(覆晶封裝技術)泛指將晶片翻轉後，以面朝下的方式透過金屬導體與基板(Substrate)進行接合。隨著電子產品朝向輕、薄、短、小發展的趨勢，封裝型態將往高I/O 密度發展，於新型態封裝技術中，覆晶(flip-chip)封 裝佔有極大的優勢。在諸多方法中，以金屬凸塊技術最為成熟，亦被廣泛應用於量產的產品上，目前覆晶技術已經普遍應用在微處理器封裝，也成為繪圖、特種應 用、和電腦晶片組等的主流封裝技術。此外，未來除了覆晶封裝設備的需求將持續擴大外，覆晶所需之檢測設備亦是廠商發展的重點。由於覆晶封裝內部是利用凸塊 作為電氣通導路徑，分佈範圍整個晶片，位於晶片中心附近的凸塊品質檢測，覆晶構裝一直以來僅使用於高性能較不受成本限制的產品。但隨著製程技術的演進，以 及電子產品小尺寸與高性能的需求趨勢，預期覆晶製程將會是未來構裝市場的主流。

現行的覆晶封裝技術如圖一所示，製備好的墊片(pad)塗上助焊劑(flux)， 之後在墊片上利用電鍍或是印刷等方式形成銲料，最後放入迴焊爐依照不同銲料的特性選擇不同的迴焊曲線進行迴銲形成銲料凸塊；在印刷電路板上的相對位置上也 先塗上助焊劑及形成銲料，將已製備好的晶片反轉，使先前所製備好的銲料凸塊接在印刷電路板上的相對位置，進行迴焊，利用熔融銲料將晶片及基板相連接，最後 在晶片與基板間的空隙中填滿底膠，進行烘烤使底膠固化，其具有消除接點應力的功能，保護晶元與基板因為熱膨脹係數（Coefficient of Thermal Expansion, CTE）不同所造成的應力損壞接點，可提高元件構裝可靠性約5-10倍（與無縫隙填膠比較）。

 

圖一：覆晶接點示意圖（a）將銲料鍍於晶片（b）進行第一次迴焊（c）將銲料沉積於基板上（d）進行第二次迴焊

 

二.     凸塊金屬層之改良研究

       凸塊金屬層（UBM）：提供連結及防止金屬墊與凸塊相互擴散，UBM主要有附著層、擴散阻障層及銲錫接著層等。常見之UBM系統為Cr/CrCu/Cu、Ti(W)/Cu/Ni、Al/Ni(V)/Cu、無電鍍Ni/Au及無電鍍Ni/Pd/Au等，製程技術計有電子束蒸鍍(E-Beam Evaporator)、磁控濺鍍(Sputter)及無電鍍(Electroless plating)等方法。

       其中UBM層必須具備應力低、黏著性佳、抗腐蝕性強及銲錫性好等特性，通常是由三層金屬所組成，依其不同之功能可分為黏結層( Adhesion Layer )、擴散障礙層( Diffusion Barrier Layer )、潤濕層( Wetting Layer )或抗氧化層( Oxidation Resistant Layer )。

 

圖二：覆晶接點示意圖

 

(1) 黏結層：主要功能是提供與導電層形成較強的黏著性，常用的黏結層材料為鉻和鈦系列金屬。

(2) 擴散障礙層：其功能是用來阻擋導電層與銲錫合金之間的擴散，因銲錫會與導電層元素形成脆性的金屬間化合物( Intermetallic Compound )，而導致銲錫凸塊很容易由這裡產生破壞，降低機械強度。目前較常用的擴散障礙層的材料包括鎳、銅、鉬、鎢等金屬。

(3) 潤濕層或抗氧化層：其目的是在於防止擴散障礙層被氧化，同時提供對銲錫之潤濕效果，金和鈀是最常用的潤濕層材料。

 

      本實驗室對於UBM製程具多年之經驗，包括Cu/EN-Ni無電鍍Ni與V、磁控濺鍍法製備前瞻Cu-based 和 Ni-based的UBM。在新穎磁控濺鍍UBM研發中，本實驗室發現添加微量Zn或Mn於Cu UBM層中可有效減緩過渡之Cu-Sn反應，並明顯抑制Kirkendall 孔洞的生成，預期磁控濺鍍法製備之前瞻UBM層可大幅提升銲料接點之機械強度。另外，本實驗室也運用Ni-Ti記憶合金做新穎UBM層，發現記憶合金可減緩因各材料間熱膨脹係數不同所造成的塑性應變，進而延長熱疲勞壽命，提高覆晶接點之可靠度。此外，在Al/Ni(V)/Cu系統研究中，除了詳細探討Ni(V)層中Sn-patch生成的機制外，也對其進行初步的機械強度測試，亦有不錯之成果。

      藉由在先前的研究中，發現前瞻凸塊下金屬具有穩定製程技術，本實驗室對含有各種新穎UBM材 料之銲點進行機械強度測試，以高速推拉球機進行測試，探討元素分佈與介金屬化合物的生成對於銲料接點的可靠度的影響，並進而改善相關製程，達到最佳的電子 封裝材料條件。除了分析界面反應及機械性質外，也針對銲料接點中的錫及介金屬化合物之晶粒大小和結晶方向進行分析，了解接點中的晶向結構隨著熱處理的改 變，並嘗試與機械強度的分析連結，探討晶向結構的改變是否會影響到接點的機械可靠度，進而討論銲料接點強度的強化方式，以提升銲錫接點之壽命及可靠度。

三、 近年的研究成果

     本實驗室自二十年前即著力於電子構裝中銲錫與凸塊下金屬層或基板之界面反應研究，以材料研發的觀點探討微電子相關的議題，尤其是在銲錫接點微觀結構分析與無鉛銲錫之研製。茲簡述近年之研究成果如下：

 

94年

題目：以化學合成法及改良多段式MA製備奈米結構之Sn-Ag-X (X = Cu, Ni, Cu6Sn5, and Ni3Sn4)無鉛銲錫及其相關特性探討(I)

成果：

Ø  在此計畫中，已成功的利用化學合成法製備出奈米級的Cu6Sn5粉末，其尺寸小於100nm，此外，亦利用XRD分析，除了Cu6Sn5的生成外，沒有觀察到其他的產物。

Ø  利用MA的技術，將奈米級的Cu6Sn5粉末與適當比例的Sn和Ag粉末進行研磨，成功製備出Sn-3.5Ag-0.2Cu合金粉末。

經過70小時的MA研磨之後，未摻混奈米Cu6Sn5的Sn-3.5Ag-0.2Cu合金粉末中的Cu6Sn5顆粒大小約為1mm，而摻混奈米Cu6Sn5的Sn-3.5Ag-0.2Cu合金粉末中的Cu6Sn5大小下降為10-100μm。

Ø  利用DSC量測摻混奈米Cu6Sn5的Sn-3.5Ag-0.2Cu合金粉末的熔點為216oC，和未摻混Cu6Sn5的Sn-3.5Ag-0.2Cu合金粉末熔點溫度相吻合。

Ø  將摻混奈米Cu6Sn5的Sn-Ag-Cu合金粉末與Ni-P層進行多次迴焊，可於第一次及第三次迴焊後觀察到銲料與Ni-P層界面上有二種介金屬化合物生成，分別為(Cu,Ni)6Sn5及(Ni,Cu)3Sn4，五次迴焊後只觀察到(Ni,Cu)3Sn4生成於銲料與Ni-P層的界面上。

Ø  利用微結構觀察、FE-EPMA定量分析及X-ray mapping的結果推測出於一、三及五次迴焊後(Cu,Ni)6Sn5及(Ni,Cu)3Sn4可能的擴散路徑。

 

95年

題目：以化學合成法及改良多段式MA製備奈米結構之Sn-Ag-X (X = Cu, Ni, Cu6Sn5, and Ni3Sn4)無鉛銲錫及其相關特性探討(II)

成果：

Ø  在此計畫中，已成功的利用化學合成法製備出奈米級的Ni3Sn4粉末，其尺寸小於100nm，此外，亦利用XRD分析，除了Ni3Sn4的生成外，沒有觀察到其他的產物。

Ø  利用MA的技術，將奈米級的Ni3Sn4粉末與適當比例的Sn和Ag粉末進行研磨，成功製備出Sn-Ag-Ni合金粉末，並可精確控制其合金比例。

Ø  比較摻混不同比例的奈米Ni3Sn4與Ni於Sn-3.5Ag-2.0Ni合金粉末中，經過MA研磨10小時，可以發現摻混較多的奈米Ni3Sn4可降低MA研磨後的Ni3Sn4顆粒大小。

Ø  利用DSC量測摻混奈米Ni3Sn4的Sn-3.5Ag-xNi合金粉末的熔點為217-219oC，和未摻混Ni3Sn4的Sn-3.5Ag-xNi合金粉末熔點溫度相吻合。

Ø  將摻混奈米Ni3Sn4的Sn-3.5Ag-xNi合金粉末分別與Cu/Si及Ni/Cu/Si基材進行接合，其接觸角皆小於25o，證明摻混奈米Ni3Sn4的Sn-3.5Ag-xNi合金粉末具有良好的潤溼性。

 

96年

題目：藉由控制界面反應抑制AuSn4介金屬化合物之生成

成果：

Ø  成功提出抑制硬脆AuSn4介金屬化合物生成於銲錫接點中，以提高接點可靠度與穩定度。

Ø  從微結構定量分析，Au固溶於Cu6Sn5達23.4 at.%，於Ni3Sn4中僅4.6 at.%。

Ø  從自由能(Gibbs free energy)的計算得知，Au固溶於Cu6Sn5之自由能低於(Ni, Au)3Sn4和AuSn4。

Ø  (Cu, Ni, Au)6Sn5和(Cu, Au)6Sn5生成於界面中可穩定系統自由能，過多的Au可固溶於Cu6Sn5，進而抑制AuSn4之生成。

Ø  因Ni3Sn4對Au的溶解度有限，過多的Au便析出成AuSn4，相信會使得機械性質大幅下降。

 

97年

題目：覆晶系統之凸塊下金屬層Cu finish所需厚度及Sn-patch生成的機制探討

成果：

Ø  Ti/Ni(V)/Cu與Sn-Ag-Cu錫球經一次迴焊後，發現只有(Cu, Ni)6Sn5生成於界面上。經過200oC熱處理後，發現(Cu, Ni)6Sn5漸漸相轉變成(Ni, Cu)3Sn4。

Ø  藉由EPMA及TEM微結構及定量分析，Sn-patch生成於Ni(V)層中靠近(Cu, Ni)6Sn5晶界處，因Sn藉由 (Cu, Ni)6Sn5的晶界擴散較晶格擴散更快擴散至Ni(V)層中。

Ø  Sn-patch內組成為Ni結晶相與Sn非結晶相，經過長時間熱處理後，Sn-patch會轉變為V2Sn3結晶相。

Ø  抑制Sn-patch成長所需Cu finish的厚度隨著錫球尺寸縮小而降低，本計畫中使用300μm 的錫球，則適宜之Cu finish約1 μm。

 

98年

題目：製備改良式覆晶系統之凸塊下金屬層NiCu/Cu及其與無鉛銲錫機械強度之分析

成果：

Ø  在Ni-Cu/Cu與Sn-Ag-Cu銲料反應中，發現Ni-20Cu的界面只有(Cu, Ni)6Sn5生成，且經多次迴焊後，界面上仍保持(Cu, Ni)6Sn5介金屬化合物。

Ø  在Ni-Cu UBM上鍍覆一層Cu finish可有效防止介金屬化合物(Cu, Ni)6Sn5及(Ni, Cu)3Sn4的spalling。

Ø  介金屬化合物厚度隨Ni-Cu當中的Cu含量上升而增加，且在機械測試當中，發現(Cu, Ni)6Sn5可提升銲料接點的抗潛變能力(Creep resistance)，此外solder/Ni-20Cu/Cu接點具極佳的剪力強度。

 

99年

題目：應用於覆晶系統下前瞻凸塊下金屬層Ni-X (X=Ti, W, Cr)與Cu-Y (Y=Ni, Co, Zr…)之研究

成果：

Ø  在此計畫中，成功利用直流磁控濺鍍方式研發出新穎凸塊下金屬Cu-Zn，Cu-Mn及Ni-Ti。

Ø  在銲錫與Cu-Zn UBM的反應中，原本快速的Sn/Cu 反應因Zn添加於UBM中而減緩，使得硬脆的介金屬化合物的成長得以抑制，此一界面反應改善相信對銲料接點的機械可靠度有極大的提升。

Ø  藉助於EPMA定量分析與X-ray color mapping技術，發現有Cu(Zn, Sn)相生成於Cu6Sn5與Cu-Zn UBM當中，新相的生成扮演著擴散阻障層的角色以減緩界面反應。

Ø  利用磁控濺鍍添加微量的Mn於Cu UBM中，發現可抑制Cu3Sn介金屬化合物的成長，在Cu3Sn/Cu的界面也無觀察到Kirkendall孔洞的生成。

Ø  利用微結構觀察、FE-EPMA定量分析及X-ray mapping的結果發現微量Mn參雜於Cu3Sn當中，此一Mn參雜之Cu3Sn介金屬化合物層阻擋UBM中的Cu往銲錫擴散與Sn反應。

Ø  在研發Ni-Ti UBM中，發現在Ni基凸塊下金屬添加第二元元素Ti可減少鍍覆時之殘存應力。此外，運用Ni-Ti具形狀記憶合金(shape memory)之性質，可降低因銲料接點中各層材料之熱膨脹係數不同所造成的塑性應變，達到較少的疲勞破壞。

Ø  藉由有限元素模擬，發現Ni-Ti形狀記憶合金可緩衝因溫度衝擊試驗所產生之應力，提升銲錫接點之熱疲勞可靠度。

 

四.     目前研究重點

Ø  Solder/Cu-X與Solder /Ni-Y界面介金屬化合物與β-Sn之晶粒大小及方向性之研究

(1)  銲料內部中β-Sn的晶粒及晶向結構之研究

(2)  Solder/Cu-X與Solder/Ni-Y界面介金屬化合物之晶粒大小及晶向結構之關係

Ø  Cu-X/solder/Ni-Y覆晶構裝經熱處理後之元素分佈、晶粒結構與機械性質之探討

(1)  Cu-X/solder/Ni-Y覆晶結構經熱處理後元素分佈對微結構與相生成之影響

(2)  元素分佈與銲料合金及接合界面生成相之晶粒結構

(3)  元素分佈及生成相對銲接點抗高速剪力衝擊能力之影響

 

　　綜合以上所述之研究重點，配合先前研究成果，期望闡明新穎覆晶結構Cu-X/solder/Ni-Y中元素的擴散行為與交互作用現象對於銲點內部晶粒結構與機械性質的影響(圖三)，由破壞位置探討生成相與晶粒結構之相關性，且找出新穎凸塊金屬層提升覆晶構裝可靠度之機制，最後建立元素分佈與晶粒結構對機械性質影響之預測分析模型，並提供前瞻銲接技術新思維。

 

圖三：電子構裝銲點可靠度之研究重點

 

五、微電子構裝銲點可靠度之材料議題

      因應電子產品日趨輕薄短小的需求，覆晶技術搭配球腳格狀陣列的封裝已成為現今的封裝主流技術，其中銲錫凸塊的材料選擇共更相形重要。一般來說，銲錫凸塊包含兩個部分：一為銲錫球，另一部份則是凸塊底層金屬。

      傳統的銲錫球所採用的材料是共晶錫鉛，其共晶溫度為183°C。由於共晶錫鉛具有良好的機械性質，再加上因長年使用的所建立的物理、化學、機械性質資料庫，因此目前共晶錫鉛仍是電子工業最普遍使用的銲錫材料。但是由於環境污染的考量，近年來無鉛銲錫的研發已經成為電子工業相當重要的一環。目前較受矚目的無鉛銲錫為錫銀銅為主的合金，錫銀銅合金的熔點為217°C，其優異的機械性質與潤濕性使其成為無鉛銲錫最佳的候選材料。但由於錫銀銅合金在在摔落測試上的表現遠不如傳統的錫鉛銲料，因此近年來有多數研究著重於第四元微量元素添加在錫銀銅合金以提高其可靠度。

      凸塊底層金屬通常是由許多金屬層所構成的。其除了必須與銲錫連接外，還必須阻止鋁或銅與銲錫在迴銲或使用時的相互反應。現今的凸塊底層金屬結構包括鉻/鉻-銅/銅，鈦/鎳(釩)/銅，鈦-鎢/銅/銅與鎳/銅。以銅為主的凸塊底層金屬，具有較優異的的潤濕性，但因錫和銅反應快速，生成易碎裂的銅-錫介金屬化合物與Kirkendall voids，導致銲點可靠度的下降。以鎳為主的凸塊底層金屬因其與錫的反應較慢而受到青睞。因此，鎳或無電鍍鎳凸塊底層金屬常扮演潤濕層與擴散阻絕層的角色，但由於其潤濕性較差外，尚有黑墊之可靠度議題，因此近年來有其他替代的凸塊底層金屬因應而生，如無電鍍鎳鈀金與無電鍍鎳/銅。

綜上所述，本實驗室係著眼於微電子構裝之金屬化與銲接點可靠度的材料議題，重點包括，

Ø   就材料觀點，研究Hybrid系統中substrate與conductor、dieleectric及solder間之反應機構，探

   討在不同模擬環境中系統行為與材料中元素分布之關係。

Ø   應用electroless plating，如無電鍍銅、無電鍍鎳技術於不同substrate，如 Al2O3，AlN等的

   metallization，開發材料科技在microelectronic package之新領域。

Ø   無鉛銲錫的研製與開發。

Ø   微電子構裝中銲接點界面的顯微結構，介金屬層成長與動力研究。

Ø   就材料觀點，以微觀分析、機性測試評估銲接點之可靠性。

      自二十年來本實驗室已累積諸多評估銲錫接點的可靠度的經驗，以下將分就無鉛銲錫的性質探討及銲錫與不同基板的界面反應與微觀結構及可靠度分析做系列介紹。

 

1. 目前之研究專題

1.1. 無鉛銲錫的性質探討

        本實驗室先前探討不同銲錫的材料性質，包括其熔點、密度與機械性質等。在累積了多年的經驗後，近來也開始研究無鉛銲料中添加微量元素對銲料接點之微結構之影響，此外亦利用背向電子繞射儀分析無鉛銲料的晶粒大小與其方向性，提供業界各種無鉛銲錫材料的性質資料庫。近年來的研究主題分述如下：

1.1.1. 錫銀銅銲料添加微量鎳元素對微結構與界面反應的影響

        微量元素的添加可提高錫銀銅銲料的可靠度，其中鎳元素的添加可減緩界面反應的速率並減少Kirkendall void生成的機會。藉由FE-EPMA的分析，可觀察熱處理後鎳的再分佈行為，並探討其相關擴散機制與其對可靠度的影響。

1.1.2. 熱處理後錫銀銅接點之晶粒方向性之研究

      由於錫銀銅銲料被廣泛使用於電子產業中，在富錫的合金中錫晶粒在較慢的冷卻速率下很容易成長，又因錫的c軸熱膨脹係數為a軸的二倍，且較大的錫晶粒在熱循環中容易造成應力的累積。在此研究中利用EBSD瞭解錫晶粒的大小與方向性，並搭配FE-EPMA所分析的微結構與成分分佈探討錫晶粒的變化行為。

 

1.2. 銲錫與不同基板的界面反應與微觀結構

       除了銲錫本身的性質外，銲錫與基板間的界面反應及微觀結構也是探討的重點，本實驗室亦著手開發創新的凸塊底層金屬，藉以提高銲料接點之可靠度，目前的研究方向可分述如下：

1.2.1. 錫銀銅銲料與鈦/鎳(釩)/銅凸塊底層金屬中富錫區之生成機制

     在Ni(V)-based UBM中，Sn-patch會在回焊後或熱處理後生成在Ni(V) UBM中。利用FE-EPMA與TEM分析，Sn-patch會隨熱處理的時間而變化，並搭配所觀察到的成分與結構變化，提出一可能的Sn-patch之生成機制。

1.2.2. 多次回焊後鎳銅凸塊下金屬層與錫銀銅銲料之界面反應與機械性質之研究

       在銲料與Ni-Cu UBM間所生成的(Cu,Ni)6Sn5可以有效的減少金屬凸塊層的消耗速率。在本研究中，Ni-Cu UBM的銅含量的由0 wt.%增加到20 wt.%，Sn-3Ag-0.5Cu銲料與Cu/Ni-xCu金屬凸塊分別經過1次、3次與5次的迴銲，迴焊次數與冷卻常數將會影響介面界金屬化合物的生成，且(Cu, Ni)6Sn5的厚度會隨著鎳層中的銅含量增加而變厚，機械強度也會隨著銅含量的增加而上升。

1.2.3. 回焊與熱處理後之純錫與銅鋅基材之界面反應研究

       以pure Sn與不同Zn濃度的Cu-Zn基材做接合，當Zn含量在Sn/Cu-xZn系統中從15 wt.%增加至30 wt.%時，Cu3Sn與Cu6Sn5將分別地被抑制。此外，未發現Kirkendall void於Sn與Cu-Zn的界面之間。經過40天熱處理後，不同的IMCs，[Cu6Sn5/Cu3Sn/Cu(Zn)] 與[Cu6Sn5/Cu(Zn,Sn)/CuZn]分別生成於 Sn/Cu-15Zn 與 Sn/Cu-30Zn 系統之界面。 Sn/Cu-Zn 銲接系統中相的生長機制可藉由FE-EPMA 精確的定量分析，進而搭配 Sn-Cu-Zn 三元相圖得到完整的解釋。根據這些研究結果可以得知Cu-Zn合金是個具有潛力的金屬墊層材料。

1.2.4. UBM中無電鍍鎳鋅磷與無鉛銲錫間之潤濕性研究及界面反應

      由於Ni-Zn-P 具有較佳的耐蝕性，有潛力可取代昂貴的ENIG 製程。因此開發三元electroless Ni-Zn-P以取代二元electroless Ni-P。本研究的第一部份首先探討無鉛銲錫在electroless Ni-Zn-P上其潤溼性與鋅含量的關係。第二部份則是探討無鉛銲錫與electroless Ni-Zn-P的界面反應，再進行多次迴焊及時效實驗來探討其界面反應，並比較其與Sn-Zn solder/(Au)/Ni-P的擴散行為上的差異性。

1.2.5. 以磁控濺鍍法製備Cu-Mn UBM並研究其與錫-銀-銅銲料之界面反應

        Cu-based UBM為現今工業最常用來當表面保護層的材料，然而以Cu-based UBM會產生Cu-Sn IMCs且快速的消耗UBM，造成銲料與金屬層之接點的可靠度下降。此外，常因為IMC中生成Kirkendall voids而使得錫球接點強度下降，因此有效抑制Cu3Sn及Kirkendall voids的生成也是電子構裝中一大重要議題。在眾多研究中發現，添加微量元素(Mg、Cr、Mn、Sn、Ni和Ti)於Sn-Ag-Cu solder中可抑制Cu3Sn生成與減緩IMC生成，另外也在Drop test機械性質測試中發現，錫球中添加微量Mn與Ti可提升接點之機械強度，故本實驗採用磁控濺鍍法製備Cu-Mn UBM，觀察其與無鉛銲球長時間熱處理之介面反應。

1.2.6. 純錫和不同晶粒大小的銅塊材之界面反應

        Sn和Cu在迴焊及退火的過程中會於界面處產生Cu6Sn5及Cu3Sn。對錫球而言，界面處所產生的Sn-Cu合金及Kirkendall void會使其機械性質下降，因此該如何解決此問題為當前的一大課題。錫球界面所產生的IMC之成長速率受到Cu基板的晶粒大小影響，因此本實驗利用250 oC下pure Sn和不同晶粒大小的Cu基材迴焊1-20分鐘後，觀察其界面反應，再計算Cu6Sn5及Cu3Sn的成長速率。實驗結果發現特定的Cu基材晶粒大小可以降低IMC的成長速率及降低Cu基材的消耗。

 

1.3. 微電子構裝之銲料接點可靠度

1.3.1. 錫銀銅接點於熱處理後之高速衝擊試驗

      近年來，由於可攜式消費性電子產品的蓬勃發展，drop testing在銲料接點的可靠度分析上具有相當重要的角色。但drop testing耗時且昂貴，因此許多研究探討以high speed shear and pull testing取代或模擬drop testing。本實驗室與荷蘭XYZTEC及國內外廠商合作，提出high speed impact testing測試銲料接點之可靠度並希望找出與drop testing的關連性，降低drop testing所需的時間與成本。

1.3.2. 就材料觀點，以微觀分析、機性測試評估銲料接點之可靠性。

        IMCs扮演著銲料與基材間連結的角色，但生成過多脆性的IMCs會導致接點的可靠度下降，此外IMCs中常伴隨Kirkendall void的生成亦會使可靠度降低。因此，如何藉由微觀分析搭配機性測試來評估銲料接點的可靠度將是一重要議題。

 

2. 過去之研究專題

2.1. 無鉛銲錫的研製及其性質探討

2.1.1. 微電子構裝中鉛錫與無鉛銲錫接點之微觀結構評估與機械特性

      主要探討銲錫與導電層間界金屬化合物之成長機制，並且研究銲錫接點隨熱時效處理之機械性質變化。實驗中選用傳統Sn-Pb與Sn-Cu-Ni solder，而導電層則選用Pt-Ag、Cu block及已鍍銅之Pt-Ag等三種。

2.1.2. 共晶錫鉍及三元錫鉍銅銲錫接點在電子構裝中應用之可靠度評估

      主要探討自製之共eutectic Sn-Bi與三元Sn-Bi-Cu alloys的塊材性質，並研究熱時效與冷熱衝擊試驗對銲錫接點之微觀結構、機械性質與斷裂面的影響。自製之三元銲錫是在eutectic Sn-Bi solder中加入1wt.%的Cu，而導電層則是選用Pt-Ag與Cu兩種。

2.1.3. 錫銀鉍無鉛銲錫之潤溼性評估與微結構分析

      自行熔煉三元Sn-Ag-Bi solder，而其中添加於eutectic Sn-Ag solder的Bi主要的作用在促進銲錫的潤溼性以及降低合金熔點。自製銲錫的基本物理性質，如熔點、熱膨脹係數、及密度等均為量測分析之重點。

2.1.4. 錫銀及錫銀鋅銲錫接點在電子構裝上應用之可靠度評估

      主要探討自製之eutectic Sn-Ag solder與三元Sn-Ag-Zn合金的塊材性質，並研究熱時效與冷熱衝擊試驗對銲錫接點之微觀結構、機械性質與斷裂面的影響。自製之三元銲錫是在eutectic Sn-Ag solder中加入1wt%的Zn。

2.1.5. 三元錫銀鉍無鉛銲錫之微結構評估以及基板粗糙度與氧化作用對於銲錫潤溼性之影響

      研究的重點在於三元Sn-Ag-Bi solder熱時效前後微結構評估，以及探討基板表面粗糙度對於銲錫潤濕性之影響。實驗中以不同製程熔製三元Sn-Ag-Bi solder，並評估其微結構與組成，發現合金的均勻性會隨著熔融時間增長而有所改善。在基板粗糙度方面，基板表面越平滑，銲錫達到靜態接觸角的時間越短。而基板與銲錫的氧化都將使銲錫與基板之間的潤濕性降低。

2.1.6. Mechanical Alloying方法製備無鉛Sn-Ag-Bi銲錫錫膏之研究

      嘗試以Mechanical Alloying的方法製備Sn-Ag-Bi的粉末。MA是利用重覆的高能量破裂及冷銲，引發晶格缺陷，加速其擴散速率，而達到所需的平衡或非平衡相。藉由此技術，可以克服Sn、Ag、Bi熔點差異的問題，在低溫下達到反應相。並可直接將flux加入粉末中，製成方便利用的錫膏。除了銲料製備之外，也將探討Sn-3.5Ag-4Bi、Sn-3.5Ag及Sn-58Bi在electroless Ni-P/Cu上的界面反應。

2.1.7. UBM中無電鍍鎳與以機械合金法製備錫銀銅銲料之界面反應探討

      主要探討在不同Cu含量下，以機械合金法製備之Sn-Ag-Cu銲錫粉末的變化，也研究藉由添加nano Cu6Sn5粉末於銲錫粉末中，有效降低機械合金法製備之Sn-Ag-Cu銲錫粉末尺寸的方法。而在界面反應方面，由於electroless Ni-P對於Cu的擴散阻絕效果良好，因此被廣泛採用於電子構裝，在銲錫凸塊中扮演一個擴散屏障的角色。經過240 °C退火，探討不同Cu含量之Sn-Ag-Cu solder與electroless Ni-P/Cu之間的界面反應情形。藉由FE-EPMA的定量分析，研究在銲錫/ electroless Ni-P界面間Ni-Sn-P相和P-rich相的生成情況。並探討添加Cu6Sn5的Sn-Ag-Cu solder與electroless Ni-P之界面反應。在潤濕性方面，經過退火後，自製的錫膏與electroless Ni-P間形成接觸角小於25 °之良好接合。

2.1.8. 以Mechanical Alloying方法製備無鉛Sn-Ag-Ni銲錫錫膏之研究

       添加純Sn、Ag、Ni粉末，用機械合金的方法用高能量磨球撞擊使之成為合金，並研究合金粉末的微觀結構與性質，其後可與助焊劑調製混合製成銲料，藉以探討不同無鉛銲料Sn-3.5Ag-xNi在Cu基材上的界面反應。隨著Ni含量增加，合金粉末的尺度漸漸減少。但仍為100 μm以上。為了減少粉末尺度，則以化學合成的Ni3Sn4合金粉末替代純Ni粉，添加於Sn、Ag中，以討論與添加純Ni製成之粉末的性質與界面反應等不同。

2.1.9. 以化學還原方法製備奈米無鉛Sn-Ag和Sn-3.5Ag-xCu銲錫之研究

       隨著積體電路的微小化及電路的複雜化，相對的電子元件銲接點也邁向微小化。但習知的銲錫製備方法多為「電鍍法」或「絲網印刷法」，並不能產出相對可用的奈米級無鉛銲錫。本研究是將溶於水中之金屬前驅物利用強還原劑析出奈米無鉛Sn-Ag和Sn-3.5Ag-xCu銲錫，並研究奈米粉末的微觀結構與性質，其後可與助焊劑調製混合製成銲料，以討論潤濕性研究。

2.1.10. 以化學還原法製備奈米Ni3Sn4和Cu6Sn5介金屬化合物添加至錫銀鎳和錫銀銅銲料之界面反應探討

       本研究是利用化學還原法，將水中之金屬前驅物析出形成奈米Ni3Sn4和Cu6Sn5IMCs，並研究奈米粉末的微觀結構與性質，其後可添加至銲錫粉末中，有效降低機械合金法製備之Sn-Ag-Ni和Sn-Ag-Cu銲錫粉末尺寸的方法。並討論與添加奈米Ni3Sn4和Cu6Sn5IMCs而製備之Sn-Ag-Ni和Sn-Ag-Cu銲錫粉末的性質與界面反應等。

 

2.2. 銲錫與不同基板的界面反應與微觀結構

2.2.1. 錫鉛焊料與鈀/銀厚膜導電金屬層之相生成與微結構變化

       在混成微電子電路中，厚膜導體是不可缺少的部分，其中Pd/Ag 導體係廣泛使用的材料之一，但其焊接點卻會受高溫時效處理而劣化，而熱循環處理使接點承受熱應力產生熱疲勞現象而損壞，本實驗之目的在探討其成因。Pd/Ag的厚膜導體以共晶錫鉛焊錫與直徑鍍錫銅線焊接後置入溫度為130 oC之時效爐中，再以拉力試驗機測試其強度。在初始時效處理階段，強度變化很大，而後趨勢變緩。同時Pd/Ag 導體也與焊錫反應，生成Ag-Sn、Pd-Sn與Pd-Pb等介金屬化合物，這些化合物生成時的體積變化造成導體與基板間的氧化物架構被破壞而降低導體與基板間的附著力。時間增長後，不同晶體結構的化合物，晶粒成長造成膜內的缺陷增加，使得接點強度緩慢降低，可以由斷裂面的型態與構造改變得到證明。焊錫與基板的熱膨脹係數不同與接點的形狀，使得厚膜導體在熱循環處理（-55到125 oC之間）過程中承受不同的應變，形成應力集中區。在導體與基板間的反應層無法承受重覆且劇烈的熱應力變化，因而產生裂隙，在不同應力場的作用下，裂隙延伸到整個接點，使接點完全損壞。

2.2.2. 熱壓法間接接合AlN-EN/Cu/AlN-EN 三明治結構

       無電鍍鎳通常用於AlN陶瓷基板金屬化，此實驗中無電鍍鎳AlN基板與銅箔在真空環境下藉由熱壓方式接合形成AlN-EN/Cu/EN-AlN之三明治結構。當接合溫度低於鎳磷共晶溫度(880 °C)時，固態擴散為主要的接合機制。另一方面，當溫度高於共晶溫度時，接合的機制將以液態相為媒介經由濕潤與擴散的方式進行。在這樣的情況下，一個最適當的接合強度約為10 MPa，其溫度範圍落在600至700 °C間。隨著接合溫度的上升，加強了銅與無電鍍鎳層的交互擴散使接合強度提升，然而卻也造成大量的殘留熱應力於銅與無電鍍鎳層界面。此外，以蝕刻方式使AlN產生微孔洞可以得到與銅箔更佳的連結強度。

2.2.3. UBM中無電鍍鎳與共晶錫鉛間之界面反應及潤濕性研究

      無電鍍鎳鍍覆已廣泛地應用於微電子封裝工業之導電層，因此導電層中的無電鍍鎳與銲錫間之潤濕性及界面反應是重要之議題。本實驗於Al2O3陶瓷基材及Cu/Al2O3金屬化陶瓷基材上以不同pH值之無電鍍液鍍覆鎳金屬(Ni-P)並深入探討electroless Ni-P與eutectic Sn-Pb solder間之潤濕性質及界面反應。

2.2.4. UBM中無電鍍鎳與無鉛銲錫間之界面反應及潤濕性研究

        electroless Ni-P於銲錫凸塊中扮演一個擴散阻絕層與沾錫層的角色，因此electroless Ni-P層與無鉛銲錫間的潤溼性質及界面反應與銲錫接點的可靠度有很大的關連性。本研究首先探討無鉛銲錫（Sn、eutectic Sn-Ag與Sn-Bi）在electroless Ni-P層上，其潤溼性與磷含量的關係。再探討eutectic Sn-Bi solder與electroless Ni-P間的界面反應。分別製備電鍍金/無電鍍鎳/銅導電層/氧化鋁基材，與電鍍金/電鍍鎳/銅導電層/氧化鋁基材作為實驗的基板。將42Sn-58Bi銲錫膏置於基材上形成銲錫接點，再進行退火實驗及時效實驗來探討其界面反應。

2.2.5.覆晶技術中鎳/銅凸塊底層金屬與共晶錫鉛之界面反應探討

       實驗所使用的試片是由電子公司所提供的覆晶試片，其結構為63Sn-37Pb/Ni/Cu/Ti/Si3N4/Si。其中Ni/Cu凸塊底層金屬與共晶錫鉛之界面反應頗為複雜。實驗發現界面生成物會隨著不同的迴銲次數而產生相變化。由迴銲所產生的固液反應可藉由Sn-Cu-Ni的三元相圖來闡述其擴散路徑。此外，介金屬成長與剪強度之間的關係亦為探討的重點。

2.2.6.銅與無電鍍Ni-10wt%P間之擴散行為探討

       實驗主要探討Cu與無電鍍Ni間的擴散行為。藉由無電鍍Ni/Cu與銲錫/無電鍍Ni/Cu此二種擴散偶的建立，探討銲錫反應對Cu擴散的影響。此外亦可探討Cu在無電鍍Ni中的擴散行為。銲錫與無電鍍Ni間之界面生成物將會影響Cu的擴散行為，因此銲錫與無電鍍Ni的界面反應也是探討的重點之一。另一部份為電鍍鎳部分，配合電子公司作業在紅銅片上鍍覆出不同條件而厚度約3μm的Ni，觀察其微結構，期望找到可行之電鍍鎳的最佳操作條件。

2.2.7.以電鍍法製備Ni-P UBM並研究其與錫-銀-銅銲料之界面反應

       以鎳為主的金屬層是現今工業最常用來當UBM的材料，這是由於無鉛銲料會與以銅為主的UBM產生銅錫的介金屬化合物(Cu-Sn IMC)，而快速的消耗UBM造成銲料與金屬層之接點的可靠度下降。以鎳為主的金屬層可以改善這個問題，而現今工業較常用的是無電鍍的方式來製備Ni-P金屬層，因為無電鍍需要八小時以上的時間鈍化處理，且隨著磷含量的增加，無電鍍所需的時間也隨之增加。本實驗嘗試以電鍍的方法來製備Ni-P金屬層，不僅電鍍的速率加快，而且不需要鈍化的處理，可以大幅的減少製備UBM的時間。此研究從Ni-P金屬層的表面型態、表面粗糙度來探討電鍍Ni-P之潤溼性，並改變磷含量來研究磷含量對潤溼性的影響。除此之外，也使用錫-銀-銅的銲料與電鍍Ni-P進行迴銲(reflow)，並研究其界面反應。

2.2.8. UBM中無電鍍鎳與以機械合金法製備錫銀銅銲料在不同迴銲次數下之界面反應探討

       先前的研究顯示，藉由添加奈米Cu6Sn5粉末於銲錫粉末中，可有效降低機械合金法製備之錫銀銅銲錫粉末的尺寸。而在界面反應方面，由於無電鍍鎳對於銅的擴散阻絕效果良好，因此被廣泛採用於電子構裝在銲錫凸塊中扮演一個擴散屏障的角色。本研究主要探討在不同迴銲次數下，添加奈米Cu6Sn5粉末所形成的銲錫粉末與無電鍍鎳基板的界面反應情形。研究在銲錫和無電鍍鎳界面間鎳錫磷相和富磷相的生成情況，並研究添加Cu6Sn5的錫銀銅複合銲料與無電鍍鎳之界面反應。

2.2.9. 覆晶技術中63Sn-37Pb與5Sn-95Pb銲錫接點之界面處反應探討

       實驗所使用的試片是由電子公司所提供的覆晶封裝試片。晶片處之銲錫凸塊有兩種合金，分別是63Sn-37Pb與5Sn-95Pb，而其底層之金屬凸塊結構為Ni/Cu/Ti/Si3N4/Si。當晶片處之銲錫凸塊製備完畢後，會先進行一次迴銲，使銲錫凸塊成球。之後與PCB基材上之63Sn-37Pb銲錫凸塊結合，而其結構為63Sn-37Pb/electroless Ni/Cu。覆晶封裝試片製備完成後，將放置在150°C高溫環境下進行時效處理。實驗發現界面生成物會隨著時效處理時間增加而逐漸成長且產生相變化。在時效處理期間所產生之固態反應可藉由Sn-Cu-Ni的三元相圖來闡述其擴散路徑。此外，藉由比較63Sn-37Pb與5Sn-95Pb銲錫接點之顯微結構，進而探討鉛含量對於接點之界面反應之影響。

2.2.10. 銲錫中銅含量對於Sn-3.0Ag-xCu覆晶銲錫接點之界面反應研究

       在本研究中，將探討150 °C之時效處理與介於-55至125 °C之溫度循環測試對於Sn-2.3Ag與Sn-3.0Ag-xCu覆晶銲錫接點之界面反應之影響。在Sn-2.3Ag或Sn-3.0Ag-xCu銲錫凸塊與晶片間之金屬凸塊結構為Ni/Al/Cu/SiO2，而PCB上之銲錫凸塊之結構為Au/electroless Ni/Cu。此外，銲錫中之銅含量在界面反應中所扮演之角色也是本研究的重點之一。

2.2.11. 鎳鈦記憶合金應用於覆晶下金屬塊對銲錫球接點可靠度影響之分析

       先鍍製NiTi記憶合金膜後，再鍍製上不同的UBM並與Sn-Ag-Cu銲料進行回焊。將製備好的成品在經過不同次數後的熱震盪、熱循環以及彎曲測試後，觀察介面接點以及焊錫球的推球與拉球強度變化，探討記憶合金對可靠度的影響。除了實驗部分以外，也利用有限元素分析以及數學上的三層結構應力分析方式來分析多層材料間因不同材料性質在溫度循環下所造成的熱應力以及應變的大小與分佈，探討在錫球與晶片間的不同金屬介層，以及介層不同厚度對於應力應變的影響。

 

2.3. 金線與鋁墊間之固態反應研究

       在積體線路封裝中，晶片與導線架之間的連接目前仍然主要是利用打線接合技術。在本研究中，將探討150°C時效處理對於Au-Cu wire/Al-Cu pad接點處之界面反應之影響。試片經過研磨、拋光後，再利用PECS (precision etching and coating system)進行離子蝕刻。試片經過離子蝕刻後，將易於利用場發射電子顯微鏡(FE-SEM)觀察界面生成物與界面處之細微孔洞。實驗中發現界面生成物會隨著時效處理時間之增加而產生相變化，在本研究中將藉由顯微結構的觀察與定量分析之結果，探討界面相變化之情形。