第一章 第一章
第一章 序論 序論 序論 序論
1-1 前言 前言 前言 前言
近年來，電子產品蓬勃發展，日常生活對於電子產品的普及性與依賴程度也 越來越高，以手機為例，現在人手一機早已稀鬆平常。基於消費端之需求，電子 產品之發展趨勢朝向高密度半導體封裝(處理速度更快、更多功能、體積更小、重 量更輕)。
1-1-1 高密度半導體封裝 高密度半導體封裝 高密度半導體封裝 高密度半導體封裝
為達成高密度半導體封裝，在封裝演進上，如圖 1-1所示，由銲線(wire bond, W/B)製程技術發展出覆晶(flip chip, FC)製程技術，由傳統導線架(lead frame)的形式 發展至球柵陣列(ball grid array, BGA)的封裝技術，以及由通孔式(plated through hole, PTH) 上板到表面黏著技術(surface mount technique, SMT)上板，用以提高訊 號傳輸速度與密度。再加上多晶片模組（multi-chip module, MCM）技術與三次元 封裝（3 dimensional package）技術，使其達成處理速度更快、更多功能、體積更 小，與重量更輕等需求。由此可知，無論是利用 W/B 或是 FC 製程技術所製成 之BGA封裝結構將成為未來之主流。
1-1-2 環保政策 環保政策 環保政策 環保政策
由於環境保護之考量，相關環保法規相繼生效，例如：在2006年7月生效的歐 盟危害物質限用指令(restriction of hazardous substances directive, RoHS ) 規範電子 電機產品，對於六大化學物質加以限制如：鉛(Pb)、鎘(Cr)、汞(Hg)、六價鉻(Cr6+)、
RoHS 指令制定各國的環保法規與罰則，如表1-2所示。因此，在封裝材料成份上，
勢必禁止有害物質並以環保物質取代。
1-1-3 錫球接點 錫球接點 錫球接點 錫球接點
在BGA封裝結構上，錫球(solder ball)扮演著連接封裝體與印刷電路板(printed circuit board)之角色。封裝體藉由植球製程將錫球植置於封裝體之基板後，經SMT 製程與PCB連接。如圖 1-2所示，在整個積體電路(integrated circuit, IC)生產鏈上，
半導體封裝是後端製造之關鍵因素。由於產業分工半導體在封製後，便交由印刷 電路板組裝公司將封裝體上板。所以，當產品失效在錫球接點，其原因必須盡速 釐清，故需有一快速且明確之檢驗工具。
在錫球成份選擇上，錫鉛合金之錫球是業界使用已久之材料。其導電性佳、
抗腐蝕、耐疲勞，以及具有相當之強度與延性（ductile）成為業界長期使用之材料。
但由於在環境政策決議下，無鉛錫球勢必逐漸取代含鉛錫球，而目前常用之無鉛 錫球成分多為錫銀銅。對BGA型式封裝體而言，當錫球迴銲於銲墊時，界面處將 產生包含 兩者所 含之元素 並以此 組成介 金 屬化合物 （ inter-metallic compound, IMC）。這些IMC通常較構成錫球的銲錫合金硬且脆，在封裝體承受動態荷載時，
易於產生脆性（brittle）破裂[2~3]，因而成為主導電子封裝產品可靠度的關鍵因素 [3~4]。因此，對於無鉛錫球之導入將對電子封裝產品可靠度產生之影響，必須在 動態荷載可靠度方面加以評估。
1-1-4 動態荷載可 動態荷載可靠度 動態荷載可 動態荷載可 靠度 靠度 靠度
在動態荷載可靠度方面，電子封裝產品在其測試上，掉落測試是所須測試的 項目，尤其針對可攜式電子封裝產品而言。其中，上板掉落衝擊可靠度測試
（Board-Level Drop Reliability Test），簡稱掉落測試--例如美國電子元件工程聯合 會（Joint Electron Device Engineering Council, JEDEC）所協定的掉落測試規範[5~6]
為最主要之測試規範。其測試方式是將待測試封裝體經SMT植置於測試電路板 上，再將完成之試片固定在衝擊試驗機台上，然後將衝擊治具升到一定的高度後 以自由落體的方式落下，利用衝擊治具撞擊固定的衝擊平台，以達到所要求的應 力波形（包含G值、衝擊作用時間，以及速度變化量），如圖 1-3所示，並重複上 述動作直到試片失效為止。在測試中紀錄衝擊循環的次數，並在測試後進行偉伯 特徵壽命分析（Characteristic Life）以及判斷其失效模式（Failure Mode）為何。
此類試片之錫球，在基板端與測試板端皆與銲墊接合，在實際測試時難以控 制或預測破裂發生於何處接點界面。若是基板端之界面為測試重點而錫球接點卻 在測試板端發生破裂，則所得之試驗數據便無法作為可靠度評估之依據[3]。而且 此測試方法所得結果與試片結構極為相關，因此僅能驗證單一產品之可靠度，對 於不同產品需個別進行測試，以獲得個別產品之可靠度。由於無法量化其接點之 強度，故無法以量化之接點強度預測不同結構之其他產品。除此之外，上板試片 的製作與試驗非常昂貴且耗時，通常無法滿足電子封裝業界的研發速度與市場壓 力。
1-1-5 衝球試驗 衝球試驗 衝球試驗 衝球試驗
在掉落測試所特有之缺點，若以封裝層級（package-level）試片進行試驗即可 獲得有效解決。以封裝BGA試片為例，錫球僅植置於基板而未植置於測試板，因 此可節省製作測試板之費用與時間。且此類試片之錫球接點僅在基板端的銲墊 上，有一接合界面，在實際試驗上較易分析與觀察破裂之發生。因為僅有單一接 合界面以及明確之破裂模式，所以在封裝試片上進行測試可以量化錫球接點結構 (solder joint structure, SJS)之特性包含SJS之強度與性質，並可作為快速且明確之檢 驗方法。
衝 球 試 驗 （ package-level ball impact test, BIT ） － 或 稱 為 高 速 推 球 試 驗
剪力荷載下之暫態結構反應，為一獨特新穎的測試技術。且SJS之強度與掉落測試 之特徵壽命有相當程度之正相關性[7~9]，可作為動態荷載可靠度之評估依據。
1-2 研究動機與目的 研究動機與目的 研究動機與目的 研究動機與目的
對於電子產品，由於高密度半導體封裝與環保材料之導入，如何快速並量化 SJS之強度與性質，以提供動態荷載可靠度之評估與結構性質之研究，已成為目前 研究重點。所以本研究將利用衝球試驗，進行相關之測試。
1-2-1 破裂模式分析 破裂模式分析 破裂模式分析 破裂模式分析
推球試驗（ball shear test）為電子封裝業界對於SJS所慣用之機械強度測試方 法。然而，傳統推球試驗推球速度均在 1(釐米/秒) 以下，導致應變率過低，使破 裂模式絕大部分為錫球接點本身之延性破裂[10~12]，如圖 1-4所示。此試驗無法 顯現在銲墊界面處IMC脆性破裂之破裂模式，以反映動態可靠度測試之實際情況。
因為推球試驗與掉落衝擊測試所導致的錫球接點破裂模式並不相同，所以此兩者 所得之可靠度結果應無相關性。
但掉落測試與衝球試驗有相似之破裂模式。對於掉落測試而言，由於其試驗 結果僅能呈現破裂模式之分類與分佈，而無法得知何種破裂模式為SJS強度之決定 性關鍵。故本實驗將探討破裂模式所代表之SJS強度與性質，並以掃描式掃瞄式電 子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)觀察與取像。
1-2-2 結構特性分析 結構特性分析 結構特性分析 結構特性分析
影響SJS強度與性質的因素包括：錫球成分、銲墊表面處理、迴銲次數等。在 迴銲次數上，本實驗將著重於封裝後與上板後之差異。
在成份功能上，銲錫合金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]；而摻雜鍺則主要作為強化銲錫合金機械性質之用[21]。
本實驗將針對錫銀銅為主之錫球，以五種錫球成分、兩種銲墊表面處理方式 以及兩種層級之SJS狀態，利用衝球試驗，探討各實驗變因對於SJS強度與性質之 影響。
1-2-3 結構 結構接點成分分析 結構 結構 接點成分分析 接點成分分析 接點成分分析
本研究亦觀察IMC之組成與變化，探討錫銀銅錫球摻雜鎳或鍺之影響對IMC 組成與厚度之影響。將測試試片經研磨拋光處理後，進行接點結構橫截面之觀察，
利用SEM對其IMC之組成進行觀察並取像，再以能量散射光譜儀(energy dispersive spectrometer, EDS)進行成分標定。
1-3 文獻回顧 文獻回顧 文獻回顧 文獻回顧
由於材料本身之機械性質會隨應變率變化而改變[13]，若欲以推球試驗機制為 基礎，發展評估SJS強度之測試系統，且其測試結果與動態可靠度測試具有相關 性，則其推球速度應大幅提昇。
以 此 為 基礎 發 展 之 錫 球 高 速 衝 擊 測 試 系 統 ， 根 據 已 發 表 的 相 關 文 獻 [7,14~18]，已進行相關研發團隊如：(一)日立金屬公司與加州大學洛杉磯分校、(二) 美國七家電子公司聯盟 與 Dage 精密工業公司、(三)新加坡及澳洲產學界與 Instron 公司，以及(四)日月光半導體製造股份有限公司(以下簡稱日月光)與國科企 業公司等，並已有多種錫球衝擊試驗裝置以及相關研究成果。
由於機構設計與資料擷取系統的問題，大部分裝置試驗結果皆可呈現如動態 掉落測試中所顯現之脆性斷裂模式，所以大部分衝擊試驗著重於觀察試驗後錫球 接點之破裂模式。而對於SJS量化之量測，需有設計良好之錫球衝擊試驗裝置以及 足夠之訊號擷取率，才能直接量測暫態衝擊力反應[19]。所以，量化之實驗結果在
由於為一獨特新穎的測試技術，其測試方法也尚未統一，需建立與規範相關 的實驗方法。所以，本研究將以日月光所建立之實驗方法以及與美商Instron 公司 合作開發之衝球試驗裝置，進行相關實驗。
1-4 章節提要 章節提要 章節提要 章節提要
本文共分五章。第一章為序論，包含前言、研究動機與目的、文獻回顧以及 章節提要。第二章為衝球試驗系統與分析原理，包含電子構裝簡介、球柵陣列封 裝簡介以及衝球試驗系統介紹。第三章為衝球試驗，包含實驗規劃、實驗試片介 紹以及實驗步驟與流程。第四章為實驗結果與討論，包含破裂模式之討論、結構 特性之討論以及結構接點成分之討論。第五章為綜合結論以及未來展望，包含綜 合結論以及未來展望及建議事項。
表 1-1：RoHS之六大限用化學物質 限用化學物質
限用化學物質 限用化學物質
限用化學物質 含量含量 含量含量
Pb 小於1000 ppm
Cd 小於100 ppm
Cr6+ 小於1000 ppm
Hg 小於1000 ppm
PBB 小於1000 ppm
PBDE 小於1000 ppm
表 1-2：歐盟各國訂定之罰則[1]
國名 罰金(EUR) 監禁 備註
奧地利 360~7,270
比利時 40~400,000 3 天~3 年
丹麥 沒有限制 最高 2 年 禁止上市 愛沙尼亞 ~3,200
德國 ~50000
希臘 300~3,000 3 年
行政(地方政府):300~3,000 行政(中央政府):3,000~150,000
盧森堡 62~123,950 8 天~6 個月 兩年內再犯，刑罰加倍
馬爾地 500~5,000 MTL 3 年 再犯:750~10,000MTL 或監禁 4 年
葡萄牙 500~44,800
斯洛伐克 ~5,000,000 SKK 斯洛維尼亞 2,000~83,000
瑞典
30xSEK30~
150xSEK1,000 6 個月~6 年 西班牙 1,202,000 最高 10 年
圖 1-1：封裝體演進圖[1]
圖 1-2：半導體製造鏈[1]
圖 1-3：JEDEC 掉落衝擊測試示意圖[1]
第二章 第二章 第二章
第二章 衝球試驗 衝球試驗 衝球試驗系統 衝球試驗 系統 系統與分析原理 系統 與分析原理 與分析原理 與分析原理
本章節主要分為三大部分。一為電子構裝簡介，包含封裝層級範圍的定義以 及封裝的目的。二為球柵陣列封裝簡介，包含BGA的定義、BGA之分類以及BGA 的優異性。三為衝球試驗系統介紹，包含衝球試驗發展背景、衝球機制之發展、
衝球試驗之原理、破裂模式之定義與分類、結構特性分析之方法以及結構接點成
衝球試驗之原理、破裂模式之定義與分類、結構特性分析之方法以及結構接點成