錫銀銅銲料與鈦/鎳(釩)/銅底層金屬之相關相變化、動力學與可靠度測試及錫銀銅銲料添加微量鎳之結構方向性

Phase Transformation, Kinetics and Reliability Test of Sn3.0Ag0.5Cu Solder Joint with Ti/Ni(V)/Cu UBM and Orientation Imaging of Sn3.0Ag0.5Cu Solder Joint with Ni Doping

王凱正(Kai-Jheng Wang)

指導教授 ： 杜正恭

國立清華大學/工學院/材料科學工程學系/博士(2010年)

摘要

在覆晶接合技術（flip chip technology）中，銲料與凸塊下金屬層（under bump metallization）的材料選擇相當的重要，濺鍍的鈦╱鎳（釩）╱銅（Ti/Ni(V)/Cu）則是其中一種凸塊下金屬層的材料。由於，鎳具有磁性，會影響濺鍍的製程，因此在鎳中添加7 wt.%的釩可以去除磁性，避免濺鍍時磁性所造成的影響，因此鈦╱鎳（釩）╱銅凸塊下金屬層被廣泛使用於覆晶接合技術中。此外，鈦╱鎳（釩）╱銅凸塊下金屬層的消耗速率較慢且與生成的介金屬化合物（intermetallic compound）之界面能較低亦是此材料的優點。
本研究選用鈦╱鎳（釩）╱銅凸塊下金屬層與錫銀銅銲料進行回焊（reflow），並於不同溫度下進行熱處理，觀察其生成的介金屬化合物厚度與成份變化，並研判介金屬化合物之相轉變機制。
此外，鈦╱鎳（釩）╱銅凸塊下金屬層與銲料接合之後，可以觀察到一富錫區（Sn-patch）生成於鎳（釩）層中，藉由場發射電子微探儀（field emission electron probe microanalyzer）與穿透式電子顯微鏡（transmission electron microscope）的分析，可發現富錫區的成份與結構會隨熱處理時間改變，亦可觀察到富錫區並非一均勻成份之化合物。最後，提出富錫區的可能生成機制並與場發射電子微探儀與穿透式電子顯微鏡的分析結果相互印證。
在鈦╱鎳（釩）╱銅凸塊下金屬層與錫銀銅銲料接點中，除了介金屬化合物的生成會影響銲料接點的可靠度（reliability）外，富錫區的生成亦可能扮演相當重要的角色。利用推球測試（ball shear test）、拉球測試（ball pull test）與高速撞擊測試（high-speed impact test）來評估富錫區對銲料接點所造成的影響。在測試速度較慢的推球與拉球測試中，富錫區的生成對銲料接點的可靠度並未有太大影響。然而，在高速撞擊測試中，富錫區的生成明顯降低銲料接點的可靠度，並可評估生成多少的富錫區，銲料接點的強度會有明顯的變化。
因此，為了減少富錫區的生成，利用不同銅層厚度的鈦╱鎳（釩）╱銅凸塊下金屬層與錫銀銅銲料進行回焊與熱處理，達到控制富錫區的生成，並利用動力學的觀點分析銅層厚度與介金屬化合物及富錫區的關係。最後，將所得到界面反應的結果與機械測試的結果相互對照，評估最合適的銅層厚度，以減緩富錫區的生成。
另外，銲料的晶粒大小與方向性（orientation）是目前一個相當重要的可靠度議題。因此，本研究利用背向電子繞射儀（electron backscattered diffraction）分析錫銀銅銲料中添加不同含量的鎳與進行不同時間的熱處理後，銲料晶粒大小與方向性的變化，並利用場發射電子微探儀分析其微結構與成份，觀察銲料的晶粒變化與微結構及成份之關聯性。此外，亦將錫銀銅鎳銲料回焊於電鍍鎳金基板（electrolytic Ni/Au substrate）上，觀察基板對銲料的晶粒大小與方向性之影響性。

關鍵字

無鉛銲料 ； 電子構裝

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無資料

並列關鍵字

lead-free solder ； electronic package

參考文獻

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