第三章 第三章
第三章 衝球試驗 衝球試驗 衝球試驗 衝球試驗
本章節主要為說明實驗工作，其中包括實驗規劃、實驗試片介紹，以及實驗 步驟與流程。
3-1 實驗規 實驗規 實驗規 實驗規劃 劃 劃 劃
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，如表 3-1所示。
3-1-1 錫球成分 錫球成分 錫球成分 錫球成分
目前常用之無鉛錫球，成分大多為錫銀銅三元素所組成，而在文獻上，低銀 比高銀之錫銀銅錫球有較高之動態荷載可靠度[3]。在合金之成份功能上，摻雜鎳 與鍺可增加其機械強度。所以，為進一步提升SJS之強度，本實驗將以高銀與低銀 之錫銀銅錫球作為對照，以探討摻雜鎳或鍺之錫銀銅錫球SJS之強度與性質。
3-1-2 銲墊表面處理 銲墊表面處理 銲墊表面處理 銲墊表面處理
浸鍍錫（Immersion Tin, IT），為常見之銲墊表面處理方法，乃是利用浸鍍製
程，將銲墊上之銅溶解，用以錫之沉積置換。而預鍍銲錫(direct solder on pad,
DSOP)，是以Sn-3Ag-0.5Cu之成份，預鍍於銅銲墊上，為另一種銲墊表面處理之方
法。本實驗將探討IT與DSOP對SJS強度與性質之影響。
3-1-3 封裝後與上版後 封裝後與上版後 封裝後與上版後 封裝後與上版後
在元件封裝完成後，錫球已植置於基板上，而在上板製程中，會經過多次迴 銲。故將植球後不迴銲(代表封裝後之狀態)，以及植球後迴銲3次(代表上板後之狀 態)。所以，封裝後與上板後，對其SJS強度與性質之影響為何，亦會在本實驗中討 論。
此次實驗，皆在相同之結構尺寸與測試條件下進行測試，每組測試取20筆數 據，以符合統計取樣數。
3-2 實驗 實驗 實驗 實驗試片 試片 試片介紹 試片 介紹 介紹 介紹
本實驗所用之試片，為 日月光 所提供之 FCBGA 24.5x24.5 692L 封裝體。
由於在固定試片時，原封裝體上之晶片與被動元件會使試片無法完全貼平治具，
在高速衝擊測試時，試片懸空之部份會產生一力矩而影響實驗準確度，故此試片 上不放置晶片與被動元件。此試片上，植有692個錫球（Solder Ball），每個錫球 的中心點間距（Pitch）為800(微米)，錫球球徑為0.5(釐米)，銲墊開口為防焊綠漆 界定(solder mask-defined, SMD)，如圖 3-1所示。
其錫球成份為：
(1) 95.5Sn/4Ag/0.5Cu：錫（Sn）重量百分比為95.5％；銀（Ag）重量百分比
為 4.0％；銅（Cu）含量為0.5％，以SAC 405表示。
(2) 98.5Sn/1Ag/0.5Cu：錫（Sn）重量百分比為98.5％；銀（Ag）重量百分比
為 1.0％；銅（Cu）重量百分比為0.5％，以SAC 105表示。
(3) 98.3Sn/1.2Ag/0.5Cu/0.05Ni：錫（Sn）重量百分比為98.3％；銀（Ag）重
量百分比為 1.2％；銅（Cu）重量百分比為0.5％；微量元素鎳(Ni) 重量百分比為 0.05％，以SACN 1205表示。
(4) 98.5Sn/1Ag/0.5Cu /0.05Ni：錫（Sn）重量百分比為98.5％；銀（Ag）重量 百分比為 1.0％；銅（Cu）重量百分比為0.5％；微量元素鎳(Ni)重量百分比為0.05
％，以SACN 105表示。
(5) 98.5Sn/1Ag/0.5Cu /0.05Ge：錫（Sn）重量百分比為98.5％；銀（Ag）重
量百分比1.0％；銅（Cu）重量百分比為0.5％；微量元素鍺(Ge)重量百分比0.05％，
以SACG 1205表示。
基板銲墊表面處理：
(1) 浸鍍錫(IT)：利用浸鍍製程，將銲墊上之銅溶解，而以錫沉積置換。
(2) 預鍍銲錫(DSOP)：以Sn-3Ag- 0.5Cu之成份，預鍍於銅銲墊上。
封裝與上板後之SJS狀態：
(1) 封裝後：以植球後不迴銲，代表SJS在封裝後之狀態。
(2) 上板後：以植球後迴銲3次，代表SJS在封裝後之狀態。
3-3 實驗 實驗 實驗 實驗步驟與 步驟與 步驟與流程 步驟與 流程 流程 流程
本實驗主要步驟有：(1) 前置作業；(2) 衝球試驗；(3) 數據分析；(4) 樣品分 析。實驗流程如下：
3-3-1 前置作業 前置作業 前置作業 前置作業
(1) 實驗試片製作：
實驗試片製作為將錫球植置於基板銲墊上。基板種類有兩種，為 IT 與 DSOP 表面處理，並搭配五種不同成分與比例之錫球，利用植球機將錫球質至於基板上 後，經過迴銲爐，以設定之迴銲溫度曲線，使錫球熔融並與銲墊結合。其錫球植 置流程，如圖 3-2所示，在基板方面，先將基板固定後，將助銲劑(flux)塗佈一金 屬表面，配合基板銲墊大小與相對位置，以移印之方式使助銲劑移印至基板上，
而在錫球方面，以配合錫球大小，與相對位置之模具上將錫球撥入，再以相對應 之模具將錫球吸取，最後將錫球放在塗上助銲劑之銲墊上後，送進迴銲爐，如圖 3-3
除球作業
衝球試驗
結構特性分析 破裂模式分析
試片製作
測試校正
結構接點成分分析
SEM EDS
SEM JMP
JMP
所示，經升溫、持溫熔融與降溫冷卻，以完成錫球植置，其迴銲爐溫度曲線為升 溫速率為0.8℃/s、降溫速率為1.9℃/s、在260℃峰值時持溫4秒。最後將需迴銲3次 以之組別，以相同之迴銲爐溫度曲線，進行反覆迴銲。
(2) 試片除球作業：
為避免錫球在受衝擊時，碰撞後方錫球而影響實驗數據，所以利用除球裝置，
如圖 3-4所示，將目標錫球後方三排錫球清除。將試片固定於平台上並以壓桿固 定，調整位置後，再將除球刀推出，進行除球，一次將三排錫球去除，同時以氣 槍將除球後之錫球吹除，完成後，將試片放置於光學顯微鏡下，如圖 3-5所示，以 細針將銲墊表面進行細部整平。
3-3-2 衝球試驗 衝球試驗 衝球試驗 衝球試驗
(1) 裝置測試校正：
為確保撞針以正確之角度衝擊SJS，以避免衝擊角度之影響，在撞針設計上，
如圖 3-6所示，採直角設計，並在兩側加工一平行面，並利用撞針校正裝置，如圖 3-6所示，以及水平規校正固定試片之平台。先將水平規置放於平台上，再調整平 台上之水平旋鈕，將水平規上之氣泡調整至水平規之中心，之後，將撞針裝上但 不旋緊，固定校正裝置於平台上，調整位置始撞針裝置，使其進入校正裝置缺口 內，將校正螺絲旋出，並頂住緊撞針後，撞針旋緊固定，以完成衝擊角度校正。
在衝擊重複性方面，以彈性之橡膠標準件，固定於平台上，如圖 3-7所示，設 定速度為1m/s，以進行重複性測試。經由反覆衝擊標準件，檢視衝擊曲線是否有 明顯差異，如圖3-8所示，如果有明顯差異，便須確認各部機件是否異常。反覆衝 擊後，收集50筆數據，檢視衝擊過程中之起始衝擊速度、最大衝擊力、上升區段 之衝擊能量、上升區段之衝擊行程，以及上升區段之衝擊時間，其標準差對平均 值之百分率，代表該分析之標準誤差百分比(coefficient of variation, Coef. of Var.)，
(2) 衝球試驗：
本實驗所使用之裝置，為美商Instron 公司開發之衝球試驗機。經由上述之校 正，，其衝擊速度與撞針已調整完成，再將試片固定於平台上，由上視監視器，
如圖 3-9所示，監看以調整撞針位置，使撞針距待測錫球約0.5(釐米)，並以側視監 視器，如圖 3-9所示，調整衝擊高度為，距離基板0.05(釐米)，最後，啟動軟體，
設定擷取率為1.17(百萬赫茲)後，進行測試，並反覆測試直到每組20筆數據為止。
測試條件如表 3-3所示。
衝球試驗中，經由荷載感應元件，量測並記錄SJS之衝擊歷程。所需紀錄之項 目，為衝擊起始速度(Vi)、最大衝擊力(Fmax)、衝擊曲線上升區段之時間(Tr)。
在測試後，數據收集整理，再將量測結果轉換為衝擊能量(Er)，以進行結構 特性分析。
3-3-3 數據分析 數據分析 數據分析 數據分析
(1) 結構破裂模式分析：
將測試後之試片，利用高倍顯微鏡，如圖 3-3.9所示，藉由已定義之結構破裂 模式(Mode I與Mode C)，將其進行分類、記錄與統計，如附件一所示，並藉由SEM，
進行細部觀察與取像。
(2) 結構動態強度分析：
將全組別之數據，針對各實驗變因，以JMP統計軟體進行分析，以單一變因進 行檢定，以判斷其差異性是否明顯，在確定有明顯差異後，代表其變因為一影響 因子。為確認其最高與最低之組別，故將其最高與最低之群組，再以進行進一步 之差異性檢定，以確定其最高與最低組別。以Er作為判斷SJS強度之衝擊特性指 標，而Tr作為判斷SJS延性之衝擊特性指標。
3-3-4 樣品分析 樣品分析 樣品分析 樣品分析
結構接點成分分析：
將所需之試片，經研磨拋光處理後，進行接點結構橫截面之觀察，將利用SEM 對其IMC之組成觀察並取像，再以EDS進行成分標定，以比對參雜之差異。
表 3-3：實驗組別
表 3-4：衝擊重複性測試結果
Vi (米/秒) Fmax (N) Er (毫焦耳) Tr (毫秒)
平均值 1.0289 12.5373 79.3948 1.7782
中位數值 1.0294 12.509 79.4779 1.7761
最小值 1.012 12.3338 76.8054 1.7603
最大值 1.0367 13.2534 80.6007 1.8384
標準誤差百分比 0.4966 1.3292 0.9897 0.7081 標準誤差 0.0051 0.1666 0.7858 0.0126
表 3-5：測試條件
參數 Value Unit
機台型號 Microimpacter Model
衝擊速度 500 釐米/秒
資料擷取率 1.17 百萬赫茲
撞擊高度 0.05 釐米
圖 3-1：試片外觀(FC BGA 24.5x24.5 692L)
圖 3-3：迴銲爐[1]
圖 3-4：衝擊裝置
除球裝置 壓桿 水平調整鈕
撞針
圖 3-5：光學顯微鏡[1]
圖 3-6：撞針與撞針校正裝置
撞針 撞針校正裝
圖 3-7：衝擊重複性測試
圖 3-8：衝擊重複性測試之衝擊曲線
圖 3-9：衝球試驗機[1]
圖 3-10：高倍顯微鏡[1]
上視與測視監看螢幕
量測輸出螢幕 上視監視器
監視器螢幕 側視監視器