行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
無鉛銲錫球格陣列構裝接點之冷熱循環與動態疲勞分析
The analysis of temperature cycling and dynamic fatigue for the lead-free
solder joints in the ball grid array package
計 畫 編 號：NSC89-2216-E-002-056 執 行 期 限：89 年 8 月 1 日 至 90 年 7 月 31 日 主 持 人 ：莊東漢教授 台灣大學材料系 中文摘要： 本計畫針對球格陣列構裝進行冷 熱循環試驗，而計畫所針對的無鉛銲 錫成分為 Sn-3.5Ag、Sn-57Bi，並以 Sn-37Pb 作為對照。而冷熱循環試驗是 依照 JEDEC STANDARD “JESD22-A104-B”的規範來進行，並在 冷熱循環試驗後進行推球試驗，以瞭 解其接點強度的變化。結果發現，三 種銲錫其接點強度均隨著循環次數的 增加而下降，在各個不同循環次數 下，Sn-3.5Ag 銲錫始終保持最高的強 度，而最差的則為 Sn-37Pb。破斷面金 相方面，發現在經過 1000 次的冷熱循 環後，Sn-37Pb 及 Sn-57Bi 銲錫接點破 斷在介金屬中，而 Sn-3.5Ag 銲錫則斷 裂在銲錫內部。 關鍵詞：JEDEC STANDARD, 冷熱循環 試驗, 無鉛銲錫 ABSTRACT:
In this study, we do temperature cycling tests for BGA package. The lead-free solder in this study includes Sn-3.5Ag and Sn-57Bi comparable with
Sn-37Pb. This test follows the JEDEC STANDARD “JESD22-A104-B” and then we process the ball shear test that we can understand the strength change of the joints. The result appears that the strength of these solders decrease by increasing the test cycles. In each different circles of test, the Sn-3.5Ag solder keep the highest strength and Sn-37Pb solder is the lowest one. After 1000 cycles, the morphology of the fractured surface find that the solder joints of Sn-37Pb and Sn-5Bi break up in the intermetallic compounds, but Sn-3.5Ag solder fractured in the solder after one thousand cycles .
KEYWORS: JEDEC STANDARD, temperature cycling tests, lead-free solder
二、計畫源由與目的
本計畫將針對球格陣列構裝改用 無鉛銲錫球之製程與可靠度進行研發 分析：主要是在建立各無鉛銲錫之迴
銲曲線，並利用冷熱循環試驗，測試 其熱疲勞壽命。而本計畫所針對的無 鉛銲錫成分為 Sn-3.5Ag、Sn-57Bi，並 以 Sn-37Pb 作為對照比較。而冷熱循 環試驗是依照 JEDEC STANDARD “JESD22-A104-B”的規範來進行，在-40 ℃與 150℃冷熱溫度環境重覆循環，經 特定循環次數(100、200、500、1000 次)，取出觀察樣品有無損壞，以決定 其熱疲勞壽命，並以 MTS Tytron250 微小動態試驗機，做推球測試，評估 其接點強度的差異。 三、結果與討論 圖一為 Sn-3.5Ag 之迴銲曲線，其中 最高峰值溫度為 256℃。而圖二為 Sn-Bi 之迴銲曲線，其最高峰值溫度為 210℃。 圖三為冷熱循環次數與接點強度關 係，由圖中可發現接點強度隨著循環 次數的增加而下降，且可發現在初期 時其下降速率較快。而在任何循環次 數下 Sn-3.5Ag 的強度均較 Sn-37Pb 強。 圖四則為 Sn-Bi 與 Sn-37Pb 之冷熱循 環次數與接點強度關係圖，圖中同樣 可發現其接點強度隨著循環次數的增 加而下降。而 Sn-Bi 之接點強度則高於 Sn-37Pb。 在冷熱循環試驗中，一開始的幾次 循環，BGA 銲錫球並無明顯的破裂或 脫落情況，而當循環次數達 1000 次 時，Sn-37Pb 及 Sn-Bi 之銲錫球有些有 破裂的情形，而 Sn-3.5Ag 則較少發生。 而在冷熱循環後推球試驗之破斷面情 形如圖五所示。由 EDS 分析可知 Sn-37Pb 及 Sn-Bi 銲錫接點，其破斷面 組成均為介金屬成分，且其破斷面型 態也有別於圖五(a)之延性破壞。所以 我們可以知道其破裂方式是斷在介金 屬中。而 Sn-3.5Ag 的破裂方式則是斷 裂在銲錫內部。 由以上可知，Sn-3.5Ag 無鉛銲錫在 經過冷熱循環試驗後，其熱疲勞壽命 明顯優於 Sn-37Pb 及 Sn-Bi 銲錫，且其 冷熱試驗後之接點強度也優於其他二 者。 四、計畫成果自評 本研究成功比較出 Sn-3.5Ag、SnBi 及 Sn-37Pb 銲錫之熱疲勞壽命，且測 量出在不同冷熱循環次數下的接點強 度，對於 Sn-3.5Ag、SnBi 此二者無鉛 銲錫提供了有力的可靠度資訊，對於 日後使用此二者無鉛銲錫有相當的幫 助。 圖一、 Sn-3.5Ag 無鉛銲錫迴銲曲線
圖二、 Sn-57Bi 無鉛銲錫迴銲曲線 0 200 400 600 800 1000 5 6 7 8 strength (N) cycles Sn3.5Ag Sn37Pb 圖三、冷熱循環次數與接點強度關係 圖（Sn-3.5Ag 及 Sn37Pb） 0 200 400 600 800 1000 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 shear strength (N) cycles Sn-57Bi Sn37Pb 圖四、冷熱循環次數與接點強度關係 圖（Sn-57Bi 及 Sn37Pb） (a) (b) (c) 圖五、冷熱循環 1000cycles 後銲錫接 點破斷面觀察（(a) Sn-3.5Ag ,(b) Sn-57Bi 及 (c)Sn-37Pb ）
