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無鉛銲錫球格陣列構裝製程與可靠度分析─總計畫(II)

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Academic year: 2021

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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製程與可靠度分析(第二年)

The analysis of the process and reliability for the ball grid array package

(2nd year)

計 畫 編 號:NSC90-2216-E-002-031 執 行 期 限:90 年8 月1 日 至 91 年7 月31 日 主 持 人 :莊東漢教授 台灣大學材料 共同主持人 :林景崎教授 中央大學機械系 葉明勳副教授 中華大學機械系 方治國教授 中華技術學院機械系 一、中文摘要 球格陣列構裝是目前世界上最常使 用的構裝技術,因為其擁有高密度、散 熱性佳、自動對位及高良率的技術。本 實驗將進行無鉛銲錫在球格陣列構裝上 的可靠度分析。 可靠度試驗中的推球強度顯示銲錫 的強度與微結構有關,在鉛錫接合界面 上,脆性及弱化現象與(Au,Ni)Sn4化合 物生成有關。所以在無鉛銲錫的球格陣 列實驗中,亦研究金脆現象及對可靠度 結果的影響。 Abstract

Ball grid array(BGA) packaging is nowadays the most worldwide packaging technique because of the high packaging density, good heat dissipation, self alignment, and high yield. This research is investigated the lead-free solders about the reliability test of the solder ball.

Results of ball shear test showed that the strength was corresponded to the microstructure of the solder. In the other hand, god embrittlement took place at the (Au,Ni)Sn4 interface at tin-lead joints,

which led to a brittle and weak joint. And the lead-free solder also have the god embrittlement in the joint and affect the

reliability of the packaging. 二、計畫的源由與目的 隨著時代的進步,IC 元件不斷朝小 型化、高功能化發展。而使製程技術不 斷翻新以滿足市場的需求。當 IC 努力朝 毫微米技術研發的同時,相對的構裝技 術也必須要跟著進步,才能使整體效能 提升。本實驗以目前最常使用的無鉛銲 錫和傳統鉛錫合金做比較,希望找出合 適的無鉛銲錫因應無鉛化的世界潮流。 三、結果與討論 表一為各種銲錫的推球強度。表中 可看出 Sn-37Pb 和 Sn-3.5Ag 強度相 近。圖一為各種銲錫迴銲後的金相組織。 圖二(a)為 Sn-3.5Ag 在 125℃,時 效 1000 小時的金相組織,在 Sn3.5Ag BGA 的接點界面反應上,隨著時效時間 增加 AuSn4轉變為 (Au, Ni)Sn4但並不是

形成連續層而是塊狀分佈在錫球基地 中,塊狀(Au, Ni)Sn4隨著時間與溫度的 增加而粗化,且其成分組成趨近穩定。 此現象是因為 Sn3.5Ag 具有較高的 Ni 固溶度,當時效進行時大量的 Ni 原子可 以在基地中進行擴散,因此可以直接形 成(Au, Ni)Sn4。當長時間時效後的 Sn3.5Ag BGA 試片進行一次後迴銲,基

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地中的(Au, Ni)Sn4完全分解溶回基地。 圖二(b)為 Sn8Zn3Bi 在 175℃, 時效 1000 小時的金相組織,在球格陣列 反應中,Au 層在迴銲時就會形成條狀的 白色γ相且自界面剝離至液態銲錫中,當 經過時效處理後,白色γ相會轉變為灰色 的γ3相,此相變態不會影響銲錫推球強 度。在 Sn8Zn3Bi/Ni 界面上形成 Ni5Zn21 的界面生長層,其生長為擴散機構所控 制,成長活化能為 51.8 kJ/mol。當時 效溫度高於 150°C 時,Ni5Zn21厚度增加 速率很快,同時推球強度也會大幅下 降,而且推球破損型態會由銲錫球中的 延性破裂到界面的脆性破裂。 圖二(c)為 Sn0.9Cu 在 150℃,時 效 1000 小時的金相組織,在 BGA 的接點 界面反應上,隨著時效溫度、時間的增 加,Au 原子會回到界面形成 (Cu,Au,Ni)6Sn5相,時效後所生成之 (Cu,Au,Ni)6Sn5相的 Au 原子含量約為 12at%,與迴銲後所生成之 (Cu,Au,Ni)6Sn5相略有差異,此時基地 仍存在著(Au,Ni)Sn4相;由推球試驗得 知試片在時效初期會有強度遽降的現 象,當時效時間大於 100 小時後則呈穩 定值,時效後其破斷型態亦為延性破斷。 圖二(d)為 In49Sn 在 100℃,時 效 300 小時的金相組織,由圖可看出 Au(In,Ni)2介金屬被一層富錫相(γ)包 覆,此可推斷是銲錫內之銦原子與 Au 原子及微量之 Ni 反應生成介金屬 Au(In,Ni)2後,造成界面處為 In 的空乏 區,使其富錫相緊連在 Au(In,Ni)2介金 屬上方。時效時間超過 300 小時後,原 先生成在 Au(In,Ni)2與 Ni 層之間的很 薄的介金屬層增厚,並在外圍會產生顆 粒狀介金屬,此層狀及顆粒狀為 Ni33In18.5Sn48.5介金屬。 圖二(e)Sn20In2.8Ag 在 150℃, 時效 1000 小時的金相組織, 在 150℃ 時效當 Ni 層消耗完畢後,Cu 原子會快 速擴散進入銲錫中,並與 Ni-Sn-In 三元 介金屬反應形成(Cu,Ni)6(Sn,In) 5四元 介金屬,同時銲錫也會擴散進入 Cu 層, 形成 Cu6(Sn,In)5介金屬。Sn20In2.8Ag 球格陣列構裝,150℃時效後推球剪力強 度比 100℃時效高,此現象是因過高時 效溫度使 Cu 迅速和銲錫中形成 (Cu,Ni)6(Sn,In) 5介金屬所造成。 四、計畫成果自評 本計畫針對各種常用的無鉛銲錫與 傳統的無鉛銲錫做比較。本實驗針對不 同時效條件下做推球強度的測試及界面 組織的觀察,藉以模擬 BGA 使用所可能 會碰到的問題。 五、參考文獻 1. 余昭倫“Sn37Pb、Sn36Pb2Ag 與 Sn35Ag 銲錫球格陣列構裝界 面反應研究”國立台灣大學材 料科學與工程學研究所博士論 文,2001 2. 邱明彥“Sn8Zn3Bi 無鉛銲錫塑 膠與陶瓷格陣列構裝界面反應 研究”國立台灣大學材料科學 與工程學研究所博士論文,2001 3. 王逸敏“Sn0.9Cu 球格陣列構裝 界面反應研究”國立台灣大學 材料科學與工程學研究所碩士 論文,2001 4. 吳惠敏“In49Sn 球格陣列構裝 界面反應研究”國立台灣大學 材料科學與工程學研究所碩士 論文,2001 5. 吳峰誌“Sn20In2.8Ag 球格陣列 構裝界面反應研究”國立台灣 大學材料科學與工程學研究所 碩士論文,2001

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(a) Sn-3.5Ag (b) Sn-8Zn-3Bi (c) Sn-0.9Cu (d) In-49Sn

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Sn-20In-2.8Ag 圖一 各種銲錫迴銲後的金相組織 表一 各種銲錫的通球強度 材料 熔點 溫度 迴銲 條件 推球 強度 Sn-37Pb 183℃ 225℃ /60 秒 8.68 Sn-3.5Ag 221℃ 240℃ /60 秒 8.69N Sn-0.9Cu 227℃ 240℃ /60 秒 8.35N Sn-8Zn-3Bi 197℃ 230℃ /60 秒 12.09N In-49Sn 120℃ 170℃ /70 秒 3.30N Sn-20In-2.8Ag 187℃ 230℃ /60 秒 5.03N

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(a) Sn-3.5Ag (時效條件:125℃/1000hr) (b) Sn-8Zn-3Bi (時效條件:175℃/1000hr) (c) Sn-0.9Cu (時效條件:150℃/1000hr) (d) In-49Sn (時效條件:100℃/300hr)

(e)

Sn-20In-2.8Ag (時效條件:150℃/1000hr) 圖二 各種銲錫時效後的金相組織

參考文獻

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