第四章 第四章
第四章 實驗結果與討論 實驗結果與討論 實驗結果與討論 實驗結果與討論
本章共分為破裂模式之討論、結構特性之討論與結構接點成分之討論。
4-1 破裂模式之討論 破裂模式之討論 破裂模式之討論 破裂模式之討論
在破裂模式上，將以分佈狀況、破裂面之型態以及破裂模式之SJS強度與性質 進行討論。
(1) 分佈狀況：
分佈狀況與統計值對照，如表 4-1所示。SJS在衝球試驗後，僅出現Mode I（IMC 破裂）與Mode C（錫球本身破裂）。對所有實驗組合而言，Mode I為衝球試驗主 要破壞模式。而Cell 03、04、與05之組別有部份破壞模式為Mode C，此錫球本身 破裂之模式，僅發生在摻雜鎳或鍺的錫銀銅錫球，接合於化錫表面處理銲墊之實 驗組：Cell 04(SACN 105)佔40%、Cell03(SACN 1205)與Cell 05(SACG 105)各佔5%，
且Mode C所佔比例比低於Mode I。
對SAC 405而言，其結構破裂模式為IMC破裂，代表SJS最為脆弱之處為IMC 附近，此現象與掉落測試之文獻上，SAC 405以IMC破裂為主之現象相符[3]，且在 衝球試驗之文獻上，與其他高速衝擊裝置相比，其SAC 405之破裂模式，也以IMC 破裂為主之現象相符[2]。對SAC 105而言，結構破裂模式為IMC破裂，不同於文獻 [3]，推論由於本實驗之表面處理成分為錫或Sn-3Ag- 0.5Cu，造成IMC生成受表面 處理之影響，導致其破裂模式為IMC破裂。
(2) 破裂面之型態：
結構破裂模式之SEM，如圖 4-1所示，其IMC破裂之表面在受衝擊端呈現IMC 破裂，而在遠離衝擊端有殘錫之現象，與文獻上其他高速衝擊裝置所觀察之現象
相同[2,4]。而錫球本身破裂之表面在受衝擊端表面呈剪切狀，而在遠離衝擊端有玻 璃之殘錫現象，與文獻上，其他高速衝擊裝置所觀察之現象相同[2]。
(3) 破裂模式之SJS強度與性質：
如表 4-2所示，Mode C Er之範圍為，1.1006~2.1357 (微焦耳)。Tr之範圍為，
0.2026~0.3394 (微秒)；Mode I Er之範圍為，0.1674~1.3853 (微焦耳)。Tr之範圍 為，0.0537~0.3052 (微秒)。Er與Tr在統計檢定之結果，Mode C均高於Mode I。 如 圖 4-2所示。代表Mode C在SJS之強度與延性性質上均高於Mode I。由於結構之破 裂模式代表結構最脆弱處，所以本實驗之SJS強度由其IMC強度(Mode I)決定。
也就是說，錫球接點結構強度，由其IMC強度(Mode I)決定，且為主要之破裂 模式。當IMC強度足以抵抗衝擊荷載時，Mode C 才有可能發生，且Mode C 破壞 較為延性。這表示當IMC強度足以抵抗衝擊荷載時，Mode C才有可能發生，且 Mode C 破壞較為延性。
4-2 結構特性之討論 結構特性之討論 結構特性之討論 結構特性之討論
量化並比較本實驗組別，如附件一所示，取其SJS之強度與性質，其最高與最 低，並以統計檢定之方式，針對Er與Tr進行討論：
(1) Er之平均值最高與最低，分別為Cell 03 與Cell 16。而Er之檢定結果，
如圖 4-3所示，在差異性檢定上有明顯差異。其差異性群組有8組(A~H)，其中數 值最高之群組為A群組，其平均值由高至低為，Cell 03、04、05與08(上方方框)，
代表此群組間之各組別，對整體而言，彼此差異性不顯著。故僅針對A群組，再進 行差異性檢定，其結果顯示，無明顯差異，如圖 4-4所示。代表此群組之在SJS之 強度上，可視為同一級別。而在數值最低之群組為，H群組，其平均值由高至低為，
以Cell 18、20、12、07、11、06、17與16最低之群組(下方方框) 如圖 4-3所示。進
一步檢定後，最低之群組縮小至Cell 17與16(方框)，再進一步檢定後，確認Cell 16 為SJS強度最低之組別，如圖 4-5所示。
如 表 4-3~4 所 示 ， 其 SJS 之 強 度 ， 對 於 最 高 之 群 組 ， 其 Er 之 範 圍 為 ， 0.3979~2.1357(微焦耳)，對於最低之群組，其Er之範圍為，0.1674~0.3855 (微焦耳)。
強度最強組別為摻雜鎳或鍺且植球後不迴銲之組別，而最弱之組別為SAC 405、DSOP銲墊表面處理與植球後迴銲3次。
(2) Tr之平均值最高與最低，分別為Cell 04與C16。Tr之檢定結果，如上述 之手法可以得知，如圖 4-6~8所示，其差異性群組有10組(A~J)，其值最高(最為延 性)之群組為Cell 03、04與05，而其值最低(最為脆性)之群組Cell 16。以下文章討論 均採此方式。
如 表 4-3~4 所 示 ， 其 SJS 之 性 質 ， 對 於 最 高 之 群 組 ， 其Tr 之 範 圍 為 ， 0.1147~0.3394(微秒)，對於最低之群組，其Tr之範圍為，0.0537~0.0854 (微秒)。
所以，由上述結果可知，延性強之結構，其強度也較強。故推論，提升SJS在 動態荷載之延性，有助於強度之提升。
以下將個別討論各實驗變因，對SJS之強度與性質有何影響。
4-2-1 錫球成分之討論 錫球成分之討論 錫球成分之討論 錫球成分之討論
(1) Er之結果(SJS之強度)，以Cell 03(SACN 1205)、Cell 04(SACN 105)與Cell 05(SACG 105)為最強，而以Cell 16SAC 405與SAC 105為最弱，如圖 4-9所示。進 一步分析之結果，其中SACN 1205、SACN 105與SACG 105，在SJS強度之統計檢 定上，可視為同一級別。而SAC 405與SAC 105，在SJS之強度上，可視為同一級別，
如圖 4-10所示。
(2) Tr之結果(SJS之延性性質)，以SACN 1205、SACN 105與SACG 105為最 為延性，且為同一級別，而以SAC 405為最脆性，如圖 4-11~12所示。
由上述結果可知，錫球成分會影響SJS強度與性質，在錫球成分選用上，SACN 1205、SACN 105與SACG 105為較佳之選擇。
文獻上，低銀錫球之強度比高銀錫球強[3]，而在SAC 405與SAC 105之SJS強 度上，雖然SAC 105 之平均值略高於SAC 405，但其檢定結果為不顯著。由於本實 驗SAC 405與SAC 105之破裂模式，皆為IMC破裂，而其表面處理之成分為錫或 Sn-3Ag- 0.5Cu。故推論，對於SAC 405與SAC 105而言，IMC生成條件之差異變小，
所以SJS強度之差異性亦變小，導致其檢定結果為不顯著。而SJS之延性，並不全 由IMC生成條件而取決，故其其檢定結果仍為顯著。
4-2-2 銲墊表面處理之討論 銲墊表面處理之討論 銲墊表面處理之討論 銲墊表面處理之討論
Er(SJS之強度)與Tr (SJS之延性性質)之結果，其檢定結果皆為顯著，IT表面 處理均高於DSOP表面處理，如圖 4-13所示。
由上述結果可知，銲墊表面處理會影響SJS強度與性質。在銲墊表面處理方法 上， IT 與 DSOP 相比，IT 為較佳之選擇。
4-2-3 封裝後與上板後之討論 封裝後與上板後之討論 封裝後與上板後之討論 封裝後與上板後之討論
Er(SJS之強度)與Tr (SJS之延性性質)之結果，其檢定結果皆為顯著，植球後 不迴銲均高於植球後迴銲3次，如圖 4-14所示。
由上述結果可知，迴銲次數會影響SJS強度與性質。迴銲會降低結構強度與延 性，且此趨勢與文獻相同[12]，故在製程上應盡量避免多餘之迴銲。
綜合上述之討論，較佳之組合為，摻雜鎳或鍺的錫銀銅錫球，植球後未迴銲，
並接合於化錫(IT)表面處理之銲墊。
4-3 結構接點成分 結構接點成分 結構接點成分 結構接點成分之討論 之討論 之討論 之討論
由圖 4-9可知，有摻雜鎳或鍺之組別有較高之Er值，本節將針對未摻雜、摻 雜鎳與摻雜鍺，並取其之Er 平均值較高者(SAC 105、SACN1025，以及SACG 105)，進行SEM與EDS，並針對IMC組成與IMC厚度進行討論。其詳細之微結構分 析，請參考本研究之延伸分析[27]。
(1) IMC成分：
如圖 4-15 ~16所示，摻雜鎳之錫銀銅錫球的IMC成分組成為
(
Cu,Ni)
6Sn5，由於鎳參與反應而生成三元化合物， 而摻雜 鍺之錫銀銅錫球的IMC成分組成為
5 6Sn
Cu 與錫銀銅錫球之IMC成分組成相同。[27]
與未摻雜之SAC 405與SAC 105對照比較，有摻雜之組別在強度與延性皆有明 顯之提升，鎳的摻雜改變原有錫銀銅錫球之IMC成分組成，而摻雜鍺之錫銀銅錫球 卻無此現象，故推論摻雜鎳的主要用途為改善植球後的IMC形貌，進而增加其機械 強度[20]。而摻雜鍺之組別，摻雜之鍺散佈於錫球合金內部[27]，推論其主要作為 強化銲錫合金機械性質之用[21]。
(2) IMC生成厚度：
如圖 4-15 ~16所示，在迴銲三次後，摻雜鎳之
(
Cu,Ni)
6Sn5IMC厚度並無明顯增加。而摻雜鍺與未摻雜之Cu6Sn5 IMC厚度則明顯增加。故推論鎳的摻雜有助於 抑制IMC厚度成長，由於過厚之IMC影響因此推論在高溫老化條件下，摻雜鎳的之 錫球應有較高之強度。
表 4-6：結構破裂模式分類表
表 4-7：結構破裂模式 Er 與Tr 值之範圍 Mode Er (mJ) Tr (ms)
Max. 2.1357 0.3394 C
Min. 1.1006 0.2026 Max. 1.3853 0.3052 I
Satistics I C
Cell 01 100% 0%
Cell 02 100% 0%
Cell 03 95% 5%
Cell 04 60% 40%
Cell 05 95% 5%
Cell 06 100% 0%
Cell 07 100% 0%
Cell 08 100% 0%
Cell 09 100% 0%
Cell 10 100% 0%
Cell 11 100% 0%
Cell 12 100% 0%
Cell 13 100% 0%
Cell 14 100% 0%
Cell 15 100% 0%
Cell 16 100% 0%
Cell 17 100% 0%
Cell 18 100% 0%
Cell 19 100% 0%
Cell 20 100% 0%
表 4-8：第 1~10 組實驗統計結果(植球後不迴銲)
R ising Ene rgy (mJ)
R ising Ene rgy (mJ)
R ising Ene rgy (mJ)
R ising Ene rgy (mJ)
圖 4-1：結構破裂模式之 SEM 圖
Oneway Analysis of Er (mJ) By Mode Oneway Analysis of Er (mJ) By Mode Oneway Analysis of Er (mJ) By Mode Oneway Analysis of Er (mJ) By Mode
1 2
Er (mJ)
CCC
C I
Mode
All Pairs Tukey-Kramer 0.05
Oneway Analysis of Tr (ms) By Mode Oneway Analysis of Tr (ms) By Mode Oneway Analysis of Tr (ms) By Mode Oneway Analysis of Tr (ms) By Mode
0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35
Tr (ms)
CC
CC I
Mode
All Pairs Tukey-Kramer 0.05
圖 4-2：結構破裂模式Er與Tr之量化分析與檢定
Oneway Analysis of Er (mJ) By Cell No.
Oneway Analysis of Er (mJ) By Cell No.
Oneway Analysis of Er (mJ) By Cell No.
Oneway Analysis of Er (mJ) By Cell No.
0 1 2
Er (mJ) Cell 01 Cell 02 Cell 03Cell 03Cell 03Cell 03 Cell 04 Cell 05 Cell 06 Cell 07 Cell 08 Cell 09 Cell 10 Cell 11 Cell 12 Cell 13 Cell 14 Cell 15 Cell 16 Cell 17 Cell 18 Cell 19 Cell 20
Cell No.
All Pairs Tukey-Kramer 0.05
Cell 03 Cell 04 Cell 05 Cell 08 Cell 15 Cell 10 Cell 14 Cell 13 Cell 09 Cell 19 Cell 02 Cell 01 Cell 18 Cell 20 Cell 12 Cell 07 Cell 11 Cell 06 Cell 17 Cell 16 Level
MeanMean MeanMean
Levels not connected by same letter are significantly different.
Comparisons for all pairs using Tukey-Kramer HSD Comparisons for all pairs using Tukey-Kramer HSDComparisons for all pairs using Tukey-Kramer HSD Comparisons for all pairs using Tukey-Kramer HSD
Oneway Analysis of Er (mJ) By Cell No.
Oneway Analysis of Er (mJ) By Cell No.
Oneway Analysis of Er (mJ) By Cell No.
Oneway Analysis of Er (mJ) By Cell No.
0 1 2
Er (mJ) Cell 01 Cell 02 Cell 03Cell 03Cell 03Cell 03 Cell 04 Cell 05 Cell 06 Cell 07 Cell 08 Cell 09 Cell 10 Cell 11 Cell 12 Cell 13 Cell 14 Cell 15 Cell 16 Cell 17 Cell 18 Cell 19 Cell 20
Cell No.
All Pairs Tukey-Kramer 0.05
Cell 03 Cell 04 Cell 05 Cell 08 Cell 15 Cell 10 Cell 14 Cell 13 Cell 09 Cell 19 Cell 02 Cell 01 Cell 18 Cell 20 Cell 12 Cell 07 Cell 11 Cell 06 Cell 17 Cell 16 Level
MeanMean MeanMean
Levels not connected by same letter are significantly different.
Comparisons for all pairs using Tukey-Kramer HSD Comparisons for all pairs using Tukey-Kramer HSDComparisons for all pairs using Tukey-Kramer HSD Comparisons for all pairs using Tukey-Kramer HSD
圖 4-3：全組別之Er的量化分析與檢定
圖 4-4：全組別之Er較高群組的量化分析與檢定
Oneway Analysis of Er (mJ) By Cell No.
0.2
Cell 06 Cell 07 Cell 11 Cell 12Cell 16 Cell 17 Cell 18 Cell 20 Cell No.
All Pairs Tukey-Kramer
0.05
Oneway Analysis of Er (mJ) By Cell No.
0.2
Oneway Analysis of Er (mJ) By Cell No.
0.2
Cell 06 Cell 07 Cell 11 Cell 12Cell 16 Cell 17 Cell 18 Cell 20 Cell No.
Cell 06 Cell 07 Cell 11 Cell 12Cell 16 Cell 17 Cell 18 Cell 20 Cell No.
All Pairs Tukey-Kramer
0.05
Oneway Analysis of Er (mJ) By Cell No.
0.15
Cell 16 Cell 17
Cell No.
All Pairs Tukey-Kramer 0.05
Oneway Analysis of Er (mJ) By Cell No.
0.15
Cell 16 Cell 17
Cell No.
All Pairs Tukey-Kramer 0.05
圖 4-5：全組別之Er較低群組的量化分析與檢定 Oneway Analysis of Er (mJ) By Cell No.
Oneway Analysis of Er (mJ) By Cell No.
Oneway Analysis of Er (mJ) By Cell No.
Oneway Analysis of Er (mJ) By Cell No.
0.3
Cell 03 Cell 03Cell 03
Cell 03 Cell 04 Cell 05 Cell 08
Cell No.
All Pairs Tukey-Kramer
0.05
Oneway Analysis of Er (mJ) By Cell No.
Oneway Analysis of Er (mJ) By Cell No.
Oneway Analysis of Er (mJ) By Cell No.
Oneway Analysis of Er (mJ) By Cell No.
0.3
Cell 03 Cell 03Cell 03
Cell 03 Cell 04 Cell 05 Cell 08
Cell No.
All Pairs Tukey-Kramer
0.05
Oneway Analysis of Tr (ms) By Cell No.
Oneway Analysis of Tr (ms) By Cell No.
Oneway Analysis of Tr (ms) By Cell No.
Oneway Analysis of Tr (ms) By Cell No.
0.05
Tr (ms) Cell 01 Cell 02 Cell 03 Cell 04Cell 04Cell 04Cell 04 Cell 05 Cell 06 Cell 07 Cell 08 Cell 09 Cell 10 Cell 11 Cell 12 Cell 13 Cell 14 Cell 15 Cell 16 Cell 17 Cell 18 Cell 19 Cell 20
Cell No.
All Pairs Tukey-Kramer 0.05
Cell 04 Cell 03 Cell 05 Cell 09 Cell 15 Cell 08 Cell 10 Cell 14 Cell 13 Cell 02 Cell 19 Cell 18 Cell 12 Cell 20 Cell 01 Cell 07 Cell 11 Cell 17 Cell 06 Cell 16 Level
MeanMeanMean Mean Comparisons for all pairs using Tukey-Kramer HSD
Comparisons for all pairs using Tukey-Kramer HSD Comparisons for all pairs using Tukey-Kramer HSD Comparisons for all pairs using Tukey-Kramer HSD
Oneway Analysis of Tr (ms) By Cell No.
Oneway Analysis of Tr (ms) By Cell No.
Oneway Analysis of Tr (ms) By Cell No.
Oneway Analysis of Tr (ms) By Cell No.
0.05
Tr (ms) Cell 01 Cell 02 Cell 03 Cell 04Cell 04Cell 04Cell 04 Cell 05 Cell 06 Cell 07 Cell 08 Cell 09 Cell 10 Cell 11 Cell 12 Cell 13 Cell 14 Cell 15 Cell 16 Cell 17 Cell 18 Cell 19 Cell 20
Cell No.
All Pairs Tukey-Kramer 0.05
Cell 04 Cell 03 Cell 05 Cell 09 Cell 15 Cell 08 Cell 10 Cell 14 Cell 13 Cell 02 Cell 19 Cell 18 Cell 12 Cell 20 Cell 01 Cell 07 Cell 11 Cell 17 Cell 06 Cell 16 Level
MeanMeanMean Mean Comparisons for all pairs using Tukey-Kramer HSD
Comparisons for all pairs using Tukey-Kramer HSD Comparisons for all pairs using Tukey-Kramer HSD Comparisons for all pairs using Tukey-Kramer HSD
Oneway Analysis of Tr (ms) By Cell No.
Oneway Analysis of Tr (ms) By Cell No.Oneway Analysis of Tr (ms) By Cell No.
Oneway Analysis of Tr (ms) By Cell No.
0.1
Cell 03 Cell 04Cell 04Cell 04Cell 04 Cell 05 Cell No.
All Pairs Tukey-Kramer
0.05
Oneway Analysis of Tr (ms) By Cell No.
Oneway Analysis of Tr (ms) By Cell No.Oneway Analysis of Tr (ms) By Cell No.
Oneway Analysis of Tr (ms) By Cell No.
0.1
Cell 03 Cell 04Cell 04Cell 04Cell 04 Cell 05 Cell No.
All Pairs Tukey-Kramer
0.05
圖 4-7：全組別之Tr較高群組的量化分析與檢定
Oneway Analysis of Tr (ms) By Cell No.
Oneway Analysis of Tr (ms) By Cell No. Oneway Analysis of Tr (ms) By Cell No.
Oneway Analysis of Tr (ms) By Cell No.
0.05
Cell 06 Cell 11 Cell 16Cell 16Cell 16Cell 16 Cell 17 Cell No.
All Pairs Tukey-Kramer
0.05
Oneway Analysis of Tr (ms) By Cell No.
Oneway Analysis of Tr (ms) By Cell No. Oneway Analysis of Tr (ms) By Cell No.
Oneway Analysis of Tr (ms) By Cell No.
0.05
Cell 06 Cell 11 Cell 16Cell 16Cell 16Cell 16 Cell 17 Cell No.
All Pairs Tukey-Kramer
0.05 圖 4-8：全組別之Tr較低群組的量化分析與檢定
Oneway Analysis of Er (mJ) By Solder Ball Type
1 2
Er(mJ)
Solder Ball Type
All Pairs Tukey-Kramer
0.05 SAC 405
Cell 01,06,11,16
SACN 1205 Cell 03,08,13,18
SACG 105 Cell 05,10,15,20 SAC 105
Cell 02,07,12,17
SACN 105 Cell 04,09,14,19 Oneway Analysis of Er (mJ) By Solder Ball Type
1 2
Er(mJ)
Oneway Analysis of Er (mJ) By Solder Ball Type
Oneway Analysis of Er (mJ) By Solder Ball Type