Abstract
在微電子構裝I/O銲材微接點的製程中，因化學反應擴散加上溫度效應使得銲料與凸塊底下金屬層間易生成硬而脆之介金屬化合物(Intermetallic Compound, IMC)，而嚴重影響電子構裝I/O微接點的機械性質。近年隨著IC 特徵尺寸(Characteristic Size)逐步微縮或微細化，銲材微接點技術也走向次微米級，所生成之IMC的厚度亦將達到奈米等級，如何掌握IMC之機械性質乃至其尺寸、溫度及應變率等效應，以提升銲材微接點可靠度，極為重要。 近年來，由於數值計算方法的快速發展，第一原理密度泛函理論計算(First-principles Density Functional Theory Calculations)與分子動力學模擬(Molecular Dynamics Simulation)已被廣泛應用於奈米材料物理性質與行為之探討上。第一原理密度泛函理論計算係以組成材料之原子結構為基礎，經由薛丁格方程式(Schrödinger Equation)來描述電子之運動，以得到原子間的相互作用關係。由於組成材料之原子結構常含多電子之系統，故進行第一原理密度泛函計算時，常受原子尺度不超過一千顆原子及持續時間不超過數個皮秒之限制。而於進行分子動力學模擬時，常藉一勢能函數(Potential Function)來描述原子間之相互作用關係，唯因忽略了電子間之相互作用，而無法完整描述原子間之相互作用，卻也使得分子動力學得以模擬超過數萬顆原子之大尺度系統及持續時間超過數千皮秒(Picoseconds)問題。 本論文首先利用分子動力學探討數種常見用於銲材微接點介金屬化合物(如Cu3Sn、Cu6Sn5及Ni3Sn4等)之機械性質及其尺寸效應，包括楊氏模數、塊狀模數、剪切模數及柏松比等，並透過奈米壓痕量測實驗驗證分子動力學所模擬之結果。接著，本論文針對由介金屬化合物單位晶胞(Unit Cell)所構成之奈米線進行拉伸模擬，計算其彈性常數及極限強度/應變等性質，並探討溫度、應變與應變率對其之影響。 此外，為提升電子構裝之抗衝擊效能，微/奈米金屬粒(Micro/Nanometer Metal Particles)近來也漸被應用於電子銲材中，而使得銲材微接點產生數種尚少為人探討之介金屬化合物，如CuIn、Cu2In、Cu7In3及Cu11In9等。因適用於此Cu-In相介金屬化合物之勢能函數尚未能建立，故本論文採用第一原理密度泛函理論計算來探討其相關機械性質。 而銲材微接點除了承受機械外力而衍生可靠度問題外，尚有電致遷移(Electromigration)問題須予重視。電致遷移現象係電子流中的電子撞擊金屬導線中的金屬原子，而使金屬原子產生遷移。於陰極處因遷出原子而產生孔洞(Void)，於電子流下游之陽極處則因原子堆積而產生凸起(Hillock)現象，此一現象可能造成電子元件之訊號延遲、失真乃至短路失效等問題。故本論文亦應用第一原理密度泛函計算，初步探討銲材中之錫原子在各介金屬化合物不同晶體方向表面之抗電致遷移能力，如吸附能(Adsorption Energy)、平均鍵長及成鍵布居數(Bond Population)等，期能獲得抗電致遷移能力較佳的介金屬化合物。 綜言之，本論文不僅深入探討了數種常見介金屬化合物的機械性質和其溫度、尺寸、應變及應變率效應，對Cu-In相新介金屬化合物之機械性質亦予分析。而本論文對錫原子在各介金屬化合物不同晶體方向表面之抗電致遷移能力研究，將有助於獲得具較佳抗電致遷移能力之介金屬化合物。