臺灣博碩士論文加值系統

　　覆晶構裝是目前積極發展的電子構裝技術，覆晶構裝製程之銲錫凸塊下金屬層中，以擴散阻障層最為重要。擴散阻障層之沉積多半使用磁控濺鍍之製程，但目前最常用之擴散阻障層材料鎳具有磁性，會干擾濺鍍製程，降低沉積速率。於鎳中添加少量矽可以消除磁性，進而加快沉積速率。本論文探討Sn/Ni-4.5wt%Si及Sn-0.7wt%Cu/Ni-4.5wt%Si之界面反應，以評估Ni-Si合金作為新的擴散阻障層材料之可行性。此外，本論文也探討Sn-Ni-Si三元系統於250℃下之相平衡，以提供材料組成選擇之參考。
　　本論文以實驗方式決定出Sn-Ni-Si三元系統於250℃下之相平衡，共決定出10個三相區、21個兩相區以及12個單相區，其中並無觀察到三元相。FCC_A1 Ni、Ni3Sn、Ni3Sn2相之最大Si溶解度分別為12.8、6.1與4.6at%，其餘介金屬相幾乎沒有第三元溶解度。
　　Sn與Sn-0.7wt%Cu銲料與Ni-4.5wt.%Si基材之界面反應大致與純Ni相似，矽對界面反應沒有明顯影響，生成相分別為Ni3Sn4相與Cu6Sn5相，其中幾乎沒有矽溶解度。210℃之時效測試與250℃之迴銲反應之結果顯示，Ni-4.5wt%Si基材與純Sn及Sn-0.7wt%Cu銲料之界面反應生成相之生長速率較純Ni基材時緩慢。既然添加4.5wt%Si可以消除Ni的磁性，與銲料之反應速率又比純Ni慢，Ni-4.5wt%Si合金是具有潛力應用於覆晶構裝之新的擴散阻障層材料。

Flip chip packaging is the most important electronic packaging technology nowadays. Of all the under bump metallurgy layers, the diffusion barrier layer is the most critical. This thesis investigates the interfacial reactions between the lead-free solders and the Ni-Si alloy as the reference of the reliability assessments of lead-free solders/Ni-Si soldering joints. Ni is the commonly used diffusion barrier layer material, and the Si addition is to eliminate the ferromagnetism of Ni. The phase equilibria of the Sn-Ni-Si ternary system at 250℃ are determined experimentally as well.
In Sn-Ni-Si ternary system at 250℃, no ternary phase is found. 10 three-phase, 21 two-phase, and 12 single-phase regions are determined. The maximum Si solubility in the FCC_A1 Ni, Ni3Sn, and Ni3Sn2 phase are 12.8, 6.1, and 4.6at%, respectively. The ternary solubilities of the other phases are negligible.
Sn/Ni-4.5wt%Si and Sn-0.7wt%Cu/Ni-4.5wt%Si interfacial reactions are similar to those of Sn/Ni and Sn-0.7wt%Cu/Ni. The reaction phases are also the Ni3Sn4 and Cu6Sn5 phases, respectively. Si does not have significant effects upon the interfacial reactions. However, the Ni-4.5wt%Si alloy exhibits slower reaction rate with the pure Sn and Sn-0.7wt%Cu solders than the pure Ni.
Since the 4.5wt%Si addition does not alter the interfacial reactions, and the Ni-4.5wt%Si alloy has the slower reaction rate than the pure Ni, the Ni-4.5wt%Si alloy is the potential new diffusion barrier layer material in flip chip packaging.

目錄
中文摘要 I
Abstract I
致謝 IV
目錄 V
表目錄 XII
圖目錄 VII
第一章 緒論 1
1-1覆晶構裝(Flip chip packaging) 1
1-2 金屬下凸塊(Under Bump Metallurgy, UBM) 3
第二章 文獻回顧 11
2-1 相平衡 11
2-1-1 Sn-Si 二元相平衡 22
2-1-2 Sn-Ni 二元相平衡 24
2-1-3 Ni-Si 二元相圖 27
2-1-4 Sn-Ni-Si 三元系統相平衡 31
2-2 界面反應 32
2-2-1 Sn-Cu/Ni界面反應 33
2-2-2 Sn-(Cu)/Ni-Si 界面反應 36
第三章 實驗裝置與步驟 38
3-1 Sn-Ni-Si 三元系統於250oC下之相平衡 38
3-2 Sn-Cu/Ni-Si之液/固界面反應 40
3-3 Sn-Cu/Ni-Si之固/固界面反應 43
第四章 結果與討論 45
4-1 Sn-Ni-Si 三元系統於250oC下之相平衡 45
4-2 Sn-(Cu)/Ni-Si之液/固界面反應 99
4-2-1 Sn/Ni-4.5wt.%Si之液/固反應 99
4-2-2 Sn-xCu/Ni-4.5wt.%Si之液/固界面反應 101
4-3 Sn-0.7wt.%Cu/Ni-(Si)之固/固反應 108
第五章 結論 120
參考文獻 122


圖目錄
圖1-2-1：覆晶構裝及UBM示意圖 6
圖1-2-2：UBM製作流程圖 8
圖2-1-1：鐵的壓力－溫度平衡相圖[32] 12
圖2-1-2：錫鉛平衡相圖[32] 14
圖2-1-3：共析(eutectoid)反應相圖[33] 14
圖2-1-4：偏晶(monotectic)反應相圖[33] 15
圖2-1-5：Ti-Ni 二元相圖[32] 15
圖2-1-6：包晶反應示意圖[32] 16
圖2-1-7：包晶(peritectic)反應相圖[33] 16
圖2-1-8：包析(peritctoid)反應相圖[33] 17
圖2-1-9：綜晶(syntectic)反應相圖[33] 17
圖2-1-10：A-B二元相圖[32] 19
圖2-1-11：三維空間三元相圖示意圖[34] 20
圖2-1-12：A-B-C三元系統在溫度為T1之等溫橫截面圖 22
圖2-1-13：Olesinski 等人提出Sn-Si二元相圖[35] 23
圖2-1-14：Nash等人提出Ni-Sn二元相圖[36] 25
圖2-1-15：Nash等人提出之Ni-Si二元相圖[38] 28
圖2-1-16：Lindh´olm等人利用CALPHAD計算之Ni-Si二元相圖[39] 28
圖2-1-17：Cook等人利用計算方式修正之Ni-Si二元相圖[40] 29
圖2-1-18：Du等人所提出之Ni-Si二元相圖[41] 29
圖2-2-1：A-B二元系統之二元相圖與界面反應[42, 43] 33
圖2-2-2：(Cu, Ni)6Sn5與(Ni, Cu)3Sn4剝離現象[63] 34
圖2-2-3：Sn-Cu-Ni三元系統於240oC下之等溫橫截面圖[64] 35
圖2-2-4：Sn-3.0Ag-0.5Cu與不同基材反應後其橫截面圖[8] 36
圖2-2-5：Sn-3.0Ag-0.5Cu與不同基材之橫截面圖[8] 37
圖2-2-6：對圖2-2-5之虛線進行AES line-scans之結果[8] 37
圖3-1：相平衡實驗流程圖 40
圖3-2：Sn-(Cu)銲料配製流程圖 41
圖3-3：Sn-Cu/Ni-Si之液/固反應實驗流程圖 42
圖3-4：固/固反應實驗流程圖 43
圖4-1-1：Sn-Ni-Si三元系統於250oC相平衡之基本架構 46
圖4-1-2：本研究配製之25組合金於Sn-Ni-Si三元等溫橫截面圖之對應位置 47
圖4-1-3：合金編號#01於250oC下平衡結果 50
圖4-1-4：合金編號#02於250oC下平衡結果 51
圖4-1-5：合金編號#03於250oC下之平衡結果 53
圖4-1-6：合金編號#04於250oC下之平衡結果 54
圖4-1-7：合金編號#05於250oC下平衡結果 56
圖4-1-8：合金編號#06於250oC下平衡之金相照片 57
圖4-1-9：合金編號#07於250oC下之平衡結果 58
圖4-1-10：合金編號#08於250oC平衡之金相照片 59
圖4-1-11：合金編號#09於250oC下之平衡結果 60
圖4-1-12：合金編號#10於250oC平衡之金相照片 61
圖4-1-13：電弧融合後未進行緩慢降溫之合金橫截面圖 62
圖4-1-14：合金編號#11於250oC下之平衡結果 64
圖4-1-15：合金編號#12於250oC平衡之金相照片 65
圖4-1-16：富Sn與Si端之相平衡圖 66
圖4-1-17：合金編號#13於250oC下之平衡結果 68
圖4-1-18：合金編號#14於250oC下之平衡結果 69
圖4-1-19：合金編號#15於250oC下之平衡結果 70
圖4-1-20：合金編號#16於250oC下之平衡結果 72
圖4-1-21：合金編號#17於250oC下之平衡結果 74
圖4-1-22：合金編號#18於250oC平衡之金相照片 75
圖4-1-23：合金編號#19於250oC下之平衡結果 76
圖4-1-24：合金編號#20於250oC平衡之金相照片 77
圖4-1-25：合金編號#21於250oC下之平衡結果 78
圖4-1-26：合金編號#22於250oC下之平衡結果 79
圖4-1-27：Ni-rich端之平衡相類共晶結構之金相照片 80
圖4-1-28：FCC_A1 Ni中Si溶解度與晶格常數a’之關係圖 83
圖4-1-29：Ni3Sn中Si溶解度與晶格常數a’、c’之關係圖 86
圖4-1-30：合金編號#23於250oC下之平衡結果 87
圖4-1-31：合金編號#24於250oC下之平衡結果 89
圖4-1-32：合金編號#25於250oC下達平衡之金相照片 90
圖4-1-33：Ni3Sn2中Si溶解度與晶格常數a’、b’、c’之關係圖 92
圖4-1-34：Sn-Ni-Si三元系統於250oC下之等溫橫截面圖 97
圖4-1-35：Sn-Ni-Si三元系統於250oC下之簡化等溫橫截面圖 98
圖4-2-1：於250oC下Sn/Ni-4.5wt.%Si進行界面反應之結果 100
圖4-2-2：於250oC下Sn/Ni進行界面反應一小時之結果 100
圖4-2-3：Sn/Ni-4.5wt.%Si與純Ni基材之生成相厚度比較 101
圖4-2-4：於250oC下Sn-0.7wt.%Cu/Ni-4.5wt.%Si進行界面反應之結果 103
圖4-2-5：於250oC下Sn-0.7wt.%Cu/Ni進行一小時界面反應之結果 103
圖4-2-6：Sn-0.7wt.%Cu/Ni-4.5wt.%Si與純Ni基材之生成相厚度比較 104
圖4-2-7：於250oC下Sn-xwt.%Cu與Ni-4.5wt.%Si基材之界面反應結果 106
圖4-2-8：於250oC下Sn-xwt.%Cu與Ni-4.5wt.%Si基材之晶粒型態 107
圖4-3-1：Sn-0.7wt.%Cu/Ni-4.5wt.%Si於210oC進行固/固反應結果 110
圖4-3-2：Sn-0.7wt.%Cu/Ni-4.5wt.%Si於210oC下進行772小時之固/固反應分析結果 111
圖4-3-3：Sn-0.7wt.%Cu/Ni-4.5wt.%Si於210oC下進行772小時之固/固反應偵測Si原子訊號之分析結果 112
圖4-3-4：Sn-0.7wt.%Cu/Ni於210oC進行572hr固/固反應結果 112
圖4-3-5：Sn-0.7wt.%Cu/Ni-(4.5wt.%Si)反應偶於210oC之生成相厚度與時間平方根(hr1/2) 113
圖4-3-6：於150oC下Sn-0.7wt.%Cu/Ni-4.5wt.%Si進行界面反應結果 114
圖4-3-7：於180oC下Sn-0.7wt.%Cu/Ni-4.5wt.%Si進行界面反應結果 115
圖4-3-8：於150oC下Sn-0.7wt.%Cu/Ni進行界面反應結果 115
圖4-3-9：於180oC下Sn-0.7wt.%Cu/Ni進行界面反應結果 115
圖4-3-10：Sn-0.7wt.%Cu/Ni-(4.5wt.%Si)於150oC下反應之生成相厚度與時間平方根(hr1/2)之關係圖 117
圖4-3-11：Sn-0.7wt.%Cu/Ni-(4.5wt.%Si)於180oC下反應之生成相厚度與時間平方根(hr1/2) 117
圖4-3-12：Sn-0.7wt.%Cu/Ni-4.5wt.%Si與純Ni反應偶之ln(k)與1000/T之關係圖 118


表目錄
表1-1-1：各類構裝方式[1] 2
表1-2-1：常見UBM材料的種類與應用特性[2] 3
表1-2-2：典型UBM之薄膜結構[3] 5
表1-2-3：常用的UBM及參考厚度[3] 5
表1-2-4：各廠商UBM製程方式及成分[10] 9
表1-2-5：擴散阻障層相關研究整理表格 10
表2-1-1：二元相圖常見之反應系統[32] 18
表2-1-2：Sn-Si二元系統晶體結構資料[35] 23
表2-1-3：Sn-Ni系統的各類反應[36] 25
表2-1-4：Sn-Ni系統平衡相之晶體結構資料[36] 26
表2-1-5：Ni-Si二元相圖之反應溫度[38] 30
表2-1-6：Ni-Si系統平衡相之晶體結構資料[38] 31
表4-1-1：各平衡合金經計算求得溶入部分Si之FCC_A1 Ni晶格常數a值整理 83
表4-1-2：各平衡合金晶計算求得溶入第三元素Si之Ni3Sn晶格常數a’及c’值 85
表4-1-3：各平衡合金經計算求得溶入第三元Si之Ni3Sn2晶格常數a’、b’及c’值 92
表4-1-4：各合金與平衡相之組成 94
表4-2-1：純Sn銲料與基材反應時間及生成相厚度 101
表4-2-2：共晶Sn-Cu銲料與二種基材反應時間及生成相厚度 104
表4-2-3：Sn-xCu(x=0.4~0.7wt.%)/Ni-4.5wt.%Si於250oC之反應結果比較 107
表4-3-1：Sn-0.7wt.%Cu與Ni-4.5wt.%Si及Ni於210oC進行固/固反應之厚度(μm) 113
表4-3-2：Sn-0.7wt.%Cu與Ni-4.5wt.%Si及Ni於150oC進行固/固反應之厚度(μm) 116
表4-3-3：Sn-0.7wt.%Cu與Ni-4.5wt.%Si及Ni於180oC進行固/固反應之厚度(μm) 116
表4-3-4：反應偶於各溫度下生成相之生長速率常數(k：m/s1/2)與活化能(kJ/mol) 119

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