无铅焊锡的电迁移研究模板

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资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。※※资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。※無鉛銲錫的電遷移研究※资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※計畫類別:個別型計畫□整合型計畫計畫編號:NSC90－2216－E－009－042－執行期間:90年8月01日至91年07月31日計畫主持人:陳智本成果報告包括以下應繳交之附件:□赴國外出差或研習心得報告一份□赴大陸地區出差或研習心得報告一份□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份□國際合作研究計畫國外研究報告書一份執行單位:交通大學材料科學與工程系资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。中華民國

1资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。90年10月29日1资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。

2资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告無鉛銲錫的電遷移研究ASystematicStudyofElectromigrationinPb-freeSolderAlloys計畫編號:NSC90－2216－E－009－042－執行期限:90年8月01日至91年07月31日主持人:陳智交通大學材料科學與工程系計畫參與人員:邵棟樑、劉書宏、許穎超、陳義雄、林克瑾资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。一、中文摘要在消費電子產品以及微處理器的構裝中,有兩種趨值得注意,第一個趨勢是將以無鉛銲錫取代傳統的含鉛銲錫。第二個趨勢是直接將矽晶片接在organic的基板上,此技術稱為DirectChipAttachment(DCA)或是FlipChiponOrganic.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。並將於近年內禁止鉛在電子產品的使用。同時隨著消費電子產品的小型化,電子構裝中用的銲錫即將面臨一個嚴重的可靠性(reliability)問題:即Electromigration,電遷移。本計畫擬設計適合研究銲錫Electromigration的結構:即矽V形槽(V-grove)、Blech和球狀三種試片,並運用NDL和交大半導體中心的製程儀器及技術來製作銲錫Electromigration試片。將使用SnAg、SnSb、SnAgCu、以及純Sn等四種無鉛銲錫,進行銲錫Electromigration的量測及研究。本計劃將針對純錫、SnAgSnAgCu

3资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。和SnSb種無鉛銲錫進行研究。建立Blechstructure試片及製備球狀Electromigration試片及,模擬FlipChip中的銲錫球。研究的重點包括以下兩項重要的課題:(1)觀察和分析銲錫的顯微結構演化和電流密度、溫度以及時間的關係。(2)量測Electromigration速率。將對無鉛錫銲錫的Electromigration特性做一個有系統的研究。。關鍵詞:電子構裝、電遷移、無鉛銲錫2AbstractInconsumerelectronicgoodsaswellasinmicroprocessors,twocurrenttrendsinelectronicpackagingareworthnoting.ThefirstisthereplacementofPb-SnsolderbyPb-freesolder.ThesecondistoattachtheSichipdirectlytoanorganicsubstrate.Itiscalleddirectchipattachmentorflipchiponorganictechnology.PbSnhasbeenoneofthesourcesforenvironmentPbpollution.Therefore,American,Europe,andJapanstartedtopaygreatattentiontothisissue,andwillforbidtheuseofPb-Snsolderinconsumerelectronicsinthenearfuture.Also,thecontinuousminiaturizationofconsumerelectronicshascausedaseriousissueonthe

4资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。reliabilityofsolderinmicroelectronicpackaging,i.e.solderElectromigration(EM).Thisprojectproposestodesignasuitableteststructureforsolderelectromigration,includingV-groove,Blechandballsamples,andtofabricatetheelectromigrationsamplesinNDLandSemiconductorCenterinNationalChio-TungUniversity.ElectromigrationbehaviorsoffourimportantPb-freesolders,SnAg,SnCu,SnAgInandSnAgCuwillbeexamined.Inthefirstyear,focuswillbeonthefollowingthreePb-freesolders:puretin,SnAg,andSnCuin.FundamentalunderstandingonElectromigrationwillbemadeonthepuretinsamples,andafteraddingfewpercentofAgorCu.Inthesecondyear,wewillfocusontheSnAgInandSnAgCusolders,andstarttofabricatesolderballEMsamples,tryingtosimulatetherealcurrentflowsituationinFlipChipTechnology.Inthethirdyear,thenwewillconcentrateonthesolderballEM.Themail资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。

5资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。focusofthisprojectincludes(1)Observeandanalizethemicrostructureevolutionasafunctionofcurrentdensity,temperature,andtime.(2)Measurethevolumeofhillockstocalculateelectromigrationrate.ThusthisprojectwillmakeasystematicstudyonPb-freesolder.Keywords:Lead-freesolder,microelectronicpackaging,Electromigration二、緣由與目的為了加強微處理器以及邏輯元件的性能及速度,半導體工業界一直追求較高密度的輸入/輸出接點(I/Oterminal)和較小的IC晶片[1]。因此BGA(BallGridArray)製造技術已經被廣泛採用。當銲錫球的尺寸漸漸縮小,以便容納更多的I/O接點時,銲錫球的機械強度及散熱問題都會變的更嚴重。台灣也開始重視這些問題,已經有許多學者投入銲錫球的機械強度研究。然而,由於銲錫球的尺寸縮小,同時也引起另一個新的挑戰:銲錫的電遷移(Electromigration)[2-4]。電遷移一種由於電場和帶電載子所造成的質量移動。此現象一般在微電子元件中有高電流密度的導線內發生。例如在一條5µm寬,0.2µm厚的鋁導線,在室溫下通入1mA的電流(電流密度為105amp/cm2),則會造成一端有void生成,而另一端有extrusion產生。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,即在鋁線中加入2-3%的銅,

6资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。而使電遷移不致於危害到電子元件。對於封裝中的銲錫接點,以前由於銲錫的尺寸較大(約200µm),因此電流密度較低,電遷移對銲錫接點並不構成威脅。然而,当前工業界使用150μm的銲錫球,而幾年後會降到75μm。對於150μm的銲錫球,它的工作電流密度是104amp/cm2,此電流密度造成銲錫溫度升高至80℃左右。對於125μm共晶錫鉛銲錫(溶點183℃),Elenius在去年指出,在150℃下通入6-8×103A/cm2的電流密度,經過100小時3

7资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。後,Electromigration會破壞銲錫接點(見圖一),因此當銲錫的尺寸漸漸地縮小時,所通入的電流密度也跟著增加,Electromigration對於元件的可靠性將會有很嚴重的影響。圖一:共晶銲錫球的EM。電子流從圖的上方流到圖的下方。在銲錫球上方造成許多大的voids[5]。三、結果與討論1.SnAgCu銲料之電遷移圖二、試片在電流密度2*104100℃下168小時之SEM橫截面圖,明顯發現孔洞擴大。

8资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。圖三、試片在電流密度2*104100℃下168小時之SEM橫截面圖,與圖一相反之電子流方向,明顯發現孔洞擴大於陰極處而造成試片破壞。Cu圖四、EDSmapping明顯發現銅原素在電子遷移作用下朝陽極移動而形成化合。圖五、試片在電流密度2*104150℃下27小時之SEM橫截面圖,明顯發現孔洞擴大於陰極處而造成試片破壞,較100℃破壞速度快約6倍。

9资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。4圖六、圖四之放大圖,明顯發現電子遷移作用下破壞發生於UBM與solder之接合處。

10资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。2.SnAg銲料之電遷移Ni為主Ag為主在薄膜處產生IMC,且觀资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。圖七圖八未通電未通電通電40小時通電40小時圖十:厚膜的鎳和錫球中的銀被電子流衝到薄膜UBM處,並且在薄膜處形成層狀的IMC资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。圖七和圖八:錫銀焊錫球通電40小時。紅色箭頭代表電子流的方向。能够發現在錫球陰極部分產生void,陽極部分IMC也略有成長(圖九)。在錫球中間也有點狀的IMC形成,經過SEM的EDS分析其成份為Ag3Sn。未通電通電40小時圖九:厚膜IMC在通電後有明顯的成長。這是因為錫在電子流的驅動下會擴散到厚膜的鎳凸塊層和鎳產生反應形成IMC。5

11资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。圖十一:通電40小時後在陽極薄膜UBM和錫球介面產生crack。Crack的形成會縮小開口的面積,相對提高電流密度,使電遷移的效應更強烈。加強後的電遷移又會導致crack進一步變大。這樣的惡性循環會加快錫球失效的時間。Crack的形成是由於錫銀IMC在電遷移下移動到UMB和錫球介面導致介面介面機械性質劣化形成crack。资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。

12资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。3.SnSb5銲料之電遷移我們使用實際的solderbumps來進行銲錫的電子遷移實驗。Solderbumps是使用錫及銻的無鉛銲錫,其重量百分比量為Sn:95％Sb:5％。通入的電流密度為2×104A/㎝2;通電時所處的溫度為150℃。而所使用的UBM金屬曾在chipside是Ti/Cr-Cu/Cu;在PCB上的是electroplatedCu/Ni/Au。圖十二:solderbumps未通電前的情況,紅線為電子流的方向,750X。在通電電的過程中可發現有新的IMCs在bump中生成,且隨著通電時間的加長,0hr110hr(CuYNi1-Y)6Sn5圖十四:未通電與通電110小時,150℃的SEM圖,電子流方向為由chipside往boardside,750X。(CuYNi1-Y)6Sn50hr110hr(NixCu1-x)3Sn4圖十五:在圖十三中的陰極,經過通電之後,能够發現IMCs有成長的情形出現资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。IMCs的數量也漸漸變多。而IMCs可分為(NixCu1-x)3Sn4

13资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。和(CuYNi1-Y)6Sn5兩種,隨著通電時間的增長,所生成的IMCs會以(NixCu1-x)3Sn4為主,可能是因為Cu的濃度漸漸下降所致。(NixCu1-x)3Sn4(CuYNi1-Y)6Sn5(CuYNi1-Y)6Sn50hr110hrsolder资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。0hr110hr圖十六:在圖十四中的陰極,在通電之後,原先的IMCs會變成錫銻銲錫资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。圖十三:為未通電和通電110小時,150℃的SEM圖,電子流方向為由boardside往chipside,750X。6资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。

14资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。4.錫晶鬚測試部份經過本年度計畫對於純錫Blech試片進行電遷移的試驗,我們利用5000A的錫條在700A的鈦膜之上的Blech構造來研究純錫的電遷移效應。所使用的電流密度為7.5×104A/cm2及1.5×105A/cm2。經過通電後我們觀察到在陽極部份產生錫晶鬚及突出物,陰極部份則產生孔洞,如圖?所示。另外,為了研究溫度的效應,試片在通電時分別置於室溫及50°C下。在室溫下,電流密度1.5×105A/cm2時錫晶鬚的成長速率大約為3A/sec,在50°C下則為7.7A/sec。在電流密度7.5×104A/cm2室溫下時速率為0.4A/sec。本論文中,錫晶鬚成長速率與通電的時間及電流密度及通電時環境溫度成函數關係,如圖?及圖?所示,在相同溫度但不同電流密度下,受到較高電流密度的試片其錫晶鬚的成長速率較快且陰極部分孔洞(Voids)產生及擴大的速率也快得多。除此之外,在相同電流密度(1.5×105A/cm2)下,較高溫度時陽極所產生的錫晶鬚成長速率較快,同樣地陰極部分所產生的孔洞擴大的速率快的多。也就是說,我們已經對此純錫的電遷移試片做了加速的測試,模擬了在高電流密度不同溫度下的結果。錫晶鬚的成長機制至目前為止很多文獻所做過的推測都是針對由機械應力所產生的錫晶鬚部分,而我們利用電流所驅使的錫晶鬚跟由機械應力所產生的錫晶鬚在成長機制方面主要有兩點不同之處:第一點:在成長驅動力方面不同,

15资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。由電流所驅使的錫晶鬚其產生主要來至於電子與金屬薄膜中錫原子的撞擊,而在未經通電的試片長時間觀察中,並未產生錫晶鬚。因此電子流的撞擊錫原子確實為此錫晶鬚的產生驅動力。當電子從陰極進入錫薄膜時並行進至陽極,電流擁擠效應(Currentcrowding)產生於薄膜的角落部分。第二點:擴散路徑不同。在文獻中,自發性產生的錫晶鬚其錫原子的擴散是經7

16资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。由短距離的擴散。而在電遷移中,錫原子從陰極到陽極的擴散提供了一個錫原子的流量,屬於長距離的擴散。(a)(b)圖十七(a)試片通電170小時後陽極產生的錫晶鬚(b)試片通電170小時後陰極產生的孔洞。(a)

17资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。(b)圖十八(a)不同電流密度室溫下錫晶鬚成長與時間關係圖(b)不同溫度相同電流密度下錫晶鬚成長與時間關係圖。(a)(b)圖十九(a)不同電流密度室溫下陰極孔洞產生體積與通電時間關係圖(b)不同溫度相同電流密度下陰極孔洞產生體積與時間關係圖。

18资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。8四、計畫成果自評本計畫執行至今一年,已經將研究EM最困難的試片製作完成並已有十分具體結果。五、參考文獻[1]TheInternationalTechnologyRoadmapforSemiconductors,SemiconductorIndustryAssociation,SanJose,CA,1999.[2]K.N.Tu,C.C.Yeh,C.Y.Liu,andC.Chen,Appl.Phys.Lett.,76,7,.[3]C.Y.Liu,C.Chen,andK.N.Tu,J.Appl.Phys.88,5703,.[4]C.Y.Liu,C.Chen,C.N.Liao,andK.N.Tu,Appl.Phys.Lett.,75,58,1999.[5]S.BrandenbergandS.Yeh,SurfaceMountInt.ConferenceandExposition,SMI98Procedings,p.337,1998.