錫球合金成份對BGA封裝可靠度之研究

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(1)國立高雄大學電機工程學系(研究所) 碩士論文. 錫球合金成份對 BGA 封裝可靠度之研究 Study of the Effect of the Composition of Solder Ball Alloy in Ball Grid Array Package. 研究生:王聰銘 撰 指導教授:施明昌 博士. 中華民國九十八年一月.

(2) i.

(3) 誌 謝 首先感謝指導教授施明昌博士,在這兩年來細心的教導,與我們研究討論並指引 我們正確的研究方向,使我在這段期間中令學生獲益良多。老師對研究的嚴謹與堅持更 是我們學習的典範。 另外亦感謝日月光的郭峻誠、魏昭敏同仁大力協助並提供相關專業知識、實驗數據 與文獻,讓本論文得以如期完成。並感謝王頌斐處長及已離職的陳裕文副理當初鼓勵我 報考產碩班,過程中李俊洋經理與吳勝郁副理的指導與支持,及整個ASSY III團隊夥伴 在工作上的協助。因為有你們的體諒及幫忙,使得本論文能夠更完整而嚴謹。 最後,謹以此文給我摯愛的父母,有你們的支持,得以讓我順利完成學業,謝謝你 們,我愛你們。. ii.

(4) 錫球合金成份對 BGA 封裝可靠度之研究 指導教授:施明昌博士(教授) 國立高雄大學電機工程所. 學生:王聰銘 國立高雄大學電機工程所. 摘要 由於錫球在封裝中所扮演訊號傳遞的角色,而如何使錫球在消費者使用過程中,不 論是在正常使用或者是受到外力衝擊的條件下,都能保持錫球完整性便是此研究的主要 目標。本論文針對半導體封裝中錫球材料成份部份做一些探討,錫球在封裝製程中佔很 重要的一個角色,錫球負責訊號的傳遞,只要錫球損壞,將會導致晶片無法輸入或輸出 訊號而導致整個元件功能失效。本論文以封裝業界評估錫球可靠度的方式做一些深入的 探討,進而比較出何種球成份合金組合、添加何種金屬元素,能有效提升錫球可靠度, 延長使用時效,避免錫球掉落。 關鍵字:球柵陣列封裝、錫球合金成份、多重迴焊試驗、錫球推力測試、錫球拉力測 試、介金屬化合物. iii.

(5) Study of the Effect of the Composition of Solder Ball Alloy in Ball Grid Array Package Advisor(s): Dr.(Professor) Ming-Tsang, Shih Institute of Electronic Engineering National University of Kaohsiung. Student: Tsung-Ming, Wang Institute of Electronic Engineering National University of Kaohsiung. ABSTRACT Since solder ball play an important role of signal interconnection in package, it is the major goal to maintain the strength and electric contact of the solder ball under standard liability testing. This thesis is focus on the study of the solder ball composition in ball grid array (BGA) package to evaluate solder ball reliability by various testing procedures. A set of maximum performance of the solder ball compositions which can improve the reliability, working life and minimize the failure modes of the solder ball has been achieved.. Keywords: BGA, Solder Ball Alloy, Multi-reflow, Ball Shear, Ball Pull, IMC Thickness. iv.

(6) 目錄 審訂書 ......................................................................................................... i 誌謝 ............................................................................................................. ii 中文摘要 ..................................................................................................... iii 英文摘要 ..................................................................................................... iv 目錄 ............................................................................................................. v 表目錄 ......................................................................................................... vii 圖目錄 ......................................................................................................... ix 第一章. 緒論 ............................................................................................. 1. 1.1. 研究背景 .................................................................................. 1. 1.2. 研究動機 .................................................................................. 3. 1.3. 研究方法 .................................................................................. 4. 第二章. 球柵陣列 BGA 封裝製程簡介 .................................................... 5. 2.1. 球柵陣列 BGA 封裝發展與目的............................................. 5. 2.2. 球柵陣列 BGA 封裝製程介紹................................................. 9. 第三章. 球柵陣列封裝元件 BGA 試驗方式及實驗分析簡介 ................. 16. 3.1. 錫球與基板黏著強度的評估與實驗流程 ............................... 13. 3.2. 錫球黏著強度的評估指標與實驗項目簡介............................ 15. 第四章. 3.2.1. 推球、拉球及球衝擊試驗之簡介 .................................. 16. 3.2.2. 掃瞄電子顯微鏡(SEM)與表面介金屬化合物(IMC) ...... 23. 實驗結果與分析.......................................................................... 24. 4.1. 刮球試驗................................................................................... 24. 4.2. 拉球試驗................................................................................... 27 v.

(7) 4.3. 推球試驗................................................................................... 45. 4.4. 錫球抗氧化試驗 ....................................................................... 51. 4.5. IMC 厚度分析........................................................................... 53. 4.6. 球衝擊試驗 .............................................................................. 76. 第五章. 結論與未來展望.......................................................................... 80. 5.1. 結論 .......................................................................................... 80. 5.2. 未來展望 .................................................................................. 82. 參考文獻...................................................................................................... 83. vi.

(8) 表目錄 表 2.2-1. 不同合金成份比例之熔點........................................................................... 11. 表 3.1-1. 各種錫球合金成份表 .................................................................................. 13. 表 3.1-2. 各種合金成份與基板種類實驗組合............................................................ 14. 表 3.1-3. 錫球黏著強度的評估指標 ......................................................................... 15. 表 3.1.1-1. 球衝擊試驗相關模組與測試條件............................................................... 20. 表 3.1.2-1. 不同合金成份迴焊後所產生之 IMC 生成物 .............................................. 23. 表 4.1-1. 各種合金成份刮球試驗結果 ....................................................................... 24. 表 4.2-1. 以 0.45kg 拉球治具於 IT 基板,在不同迴焊次數後之拉球最小值............ 28. 表 4.2-2. 以 0.45kg 拉球治具於 DSOP 基板,在不同迴焊次數後之拉球最小值 ...... 30. 表 4.2-3. 以 0.45kg 拉球治具於 IT 基板,在不同迴焊次數後之拉球平均值 ............ 32. 表 4.2-4. 以 0.45kg 拉球治具於 DSOP 基板,在不同迴焊次數後之拉球平均值...... 34. 表 4.2-5. 以 0.6kg 拉球治具於 IT 基板,在不同迴焊次數後之拉球最小值.............. 36. 表 4.2-6. 以 0.6kg 拉球治具於 DSOP 基板,在不同迴焊次數後之拉球最小值趨勢圖 ................................................................................................................. 38. 表 4.2-7. 以 0.6kg 拉球治具於 IT 基板,在不同迴焊次數後之拉球平均值.............. 40. 表 4.2-8. 以 0.6kg 拉球治具於 DSOP 基板,在不同迴焊次數後之拉球平均值........ 42. 表 4.2-9. 以 0.6kg 拉球治具,在 IT 基板上拉球後基板殘錫狀況分佈表 ................. 44. 表 4.2-10. 以 0.6kg 拉球治具,在 DSOP 基板上拉球後基板殘錫狀況分佈表 ........... 44. 表 4.3-1. 以 0.5kg 推球治具於 IT 基板,在不同迴焊次數後之推球最小值 ............ 46. 表 4.3-2. 以 0.5kg 推球治具於 IT 基板,在不同迴焊次數後之推球最小值 ............ 47. 表 4.3-3. 以 0.5kg 推球治具於 IT 基板,在不同迴焊次數後之推球平均值.............. 48. 表 4.3-4. 以 0.5kg 推球治具於 IT 基板,在不同迴焊次數後之推球平均值.............. 49 vii.

(9) 表 4.3-5. 以 0.5kg 推球治具,在 IT 基板上,推球後基板殘錫狀況分佈表.............. 50. 表 4.3-6. 以 0.5kg 推球治具,在 DSOP 基板上,推球後基板殘錫狀況分佈表........ 50. 表 4.5-1. 不同錫球成份於 IT 與 DSOP 基板上,在經過多次迴焊後 IMC 厚度數.... 54. 表 4.6-1. 球衝擊試驗組合 .......................................................................................... 76. 表 4.6-2. 球衝擊試驗結果-1 ....................................................................................... 77. 表 4.6-3. 球衝擊試驗結果-2 ....................................................................................... 78. 表 4.6-4. 球衝擊試驗結果表面殘錫統計.................................................................... 79. 表 5.1-1. 排名評比比較表 .......................................................................................... 81. viii.

(10) 圖目錄 圖 1.1-1. BGA 封裝成品圖 ........................................................................................ 2. 圖 2.1-1. 錫球於覆晶產品構裝中之示意圖 ............................................................... 8. 圖 2.1-2. 錫球於實際覆晶產品構裝中之剖面圖 ........................................................ 8. 圖 2.2-1. 黏球步驟一、沾助焊劑 .............................................................................. 10. 圖 2.2-2. 黏球步驟二、沾助焊劑到基板................................................................... 10. 圖 2.2-3. 黏球步驟三、取錫球.................................................................................. 10. 圖 2.2-4. 黏球步驟四、置錫球.................................................................................. 10. 圖 2.2-5. 迴焊溫度圖 ................................................................................................. 11. 圖 2.2-6. 助焊劑清洗機流程圖.................................................................................. 12. 圖 3.1-1. IT 與 DSOP 基板剖面示意圖 ..................................................................... 14. 圖 3.1.1-1. 推、拉球機外觀圖 ..................................................................................... 17. 圖 3.1.1-2. 推球示意圖................................................................................................. 17. 圖 3.1.1-3. 拉球示意圖................................................................................................. 17. 圖 3.1.1-4. 推球後基板球墊表面之殘錫判斷圖........................................................... 18. 圖 3.1.1-5. 拉球後基板球墊表面之殘錫判斷圖........................................................... 19. 圖 3.1.1-6. 時間(ms)與力量(N)之上升關係曲線 .......................................................... 21. 圖 3.1.1-7. 球衝擊示意圖............................................................................................. 22. 圖 3.1.1-8. 球衝擊後基板球墊斷面示意圖 .................................................................. 22. 圖 4.1-1. IT 基板+SAC405 錫球在 T0 刮球結果 ........................................................ 25. 圖 4.1-2. IT 基板+SAC405 錫球在 10X reflow 刮球結果........................................... 25. 圖 4.1-3. DSOP 基板+SAC405 錫球在 T0 刮球結果.................................................. 26. 圖 4.1-4. DSOP 基板+SAC405 錫球在 10X reflow 刮球結果..................................... 26 ix.

(11) 圖 4.2-1. 以 0.45kg 拉球治具於 IT 基板,在不同迴焊次數後之拉球最小值趨勢圖. ....................................................................................................................................... 28 圖 4.2-2. 以 0.45kg 拉球治具於 DSOP 基板,在不同迴焊次數後之拉球最小值趨勢圖 .................................................................................................................... 30. 圖 4.2-3. 以 0.45kg 拉球治具於 IT 基板,在不同迴焊次數後之拉球平均值趨勢圖 .................................................................................................................... 32. 圖 4.2-4. 以 0.45kg 拉球治具於 DSOP 基板,在不同迴焊次數後之拉球平均值趨勢圖 .................................................................................................................... 34. 圖 4.2-5. 以 0.6kg 拉球治具於 IT 基板,在不同迴焊次數後之拉球最小值趨勢圖 .................................................................................................................... 36. 圖 4.2-6. 以 0.6kg 拉球治具於 DSOP 基板,在不同迴焊次數後之拉球最小值趨勢圖 .................................................................................................................... 38. 圖 4.2-7. 以 0.6kg 拉球治具於 IT 基板,在不同迴焊次數後之拉球平均值趨勢圖 .................................................................................................................... 40. 圖 4.2-8. 以 0.6kg 拉球治具於 DSOP 基板,在不同迴焊次數後之拉球平均值趨勢圖 .................................................................................................................... 42. 圖 4.2-9. 以 0.45kg 拉球治具,在不同迴焊次數後之拉球強度趨勢圖 ..................... 43. 圖 4.2-10. 以 0.6kg 拉球治具,在不同迴焊次數後之拉球強度趨勢圖 ....................... 43. 圖 4.3-1. 以 0.5kg 推球治具於 IT 基板,在不同迴焊次數後之推球最小值趨勢圖 .................................................................................................................... 46. 圖 4.3-2. 以 0.5kg 推球治具於 DSOP 基板,在不同迴焊次數後之推球最小值趨勢圖 .................................................................................................................... 47. 圖 4.3-3. 以 0.5kg 推球治具於 IT 基板,在不同迴焊次數後之推球平均值趨勢圖 .................................................................................................................... 48. 圖 4.3-4. 以 0.5kg 推球治具於 DSOP 基板,在不同迴焊次數後之推球平均值趨勢圖 .................................................................................................................... 49 x.

(12) 圖 4.4-1. 0 次迴焊後,不同錫球成份與 IT 基板在 40X 與 200X 高倍顯微鏡下之放大圖 .................................................................................................................... 51. 圖 4.4-2. 10 次迴焊後,不同錫球成份與 IT 基板在 40X 與 200X 高倍顯微鏡下之放大 圖 ................................................................................................................ 52. 圖 4.4-3. 0 次迴焊後,不同錫球成份與 DSOP 基板在 40X 與 200X 高倍顯微鏡下之放 大圖 ............................................................................................................ 52. 圖 4.4-4. 10 次迴焊後,不同錫球成份與 DSOP 基板在 40X 與 200X 高倍顯微鏡下之 放大圖......................................................................................................... 52. 圖 4.5-1. 不同錫球成份於 IT 與 DSOP 基板上,在經過多次迴焊後 IMC 厚度變化 .................................................................................................................... 54. 圖 4.5-2. 不同錫球成份於 IT 與 DSOP 基板上,在經過多次迴焊後 IMC 厚度變化比較 .................................................................................................................... 55. 圖 4.5-3. SAC405 錫球 + IT 基板零次迴焊 IMC 厚度 SEM...................................... 56. 圖 4.5-4. SAC405 錫球 + IT 基板三次迴焊 IMC 厚度 SEM...................................... 56. 圖 4.5-5. SAC405 錫球 + IT 基板五次迴焊 IMC 厚度 SEM...................................... 57. 圖 4.5-6. SAC405 錫球 + IT 基板十次迴焊 IMC 厚度 SEM...................................... 57. 圖 4.5-7. SAC105 錫球 + IT 基板零次迴焊 IMC 厚度 SEM...................................... 58. 圖 4.5-8. SAC105 錫球 + IT 基板三次迴焊 IMC 厚度 SEM...................................... 58. 圖 4.5-9. SAC105 錫球 + IT 基板五次迴焊 IMC 厚度 SEM...................................... 59. 圖 4.5-10 SAC105 錫球 + IT 基板十次迴焊 IMC 厚度 SEM...................................... 59 圖 4.5-11 LF35 錫球 + IT 基板零次迴焊 IMC 厚度 SEM........................................... 60 圖 4.5-12. LF35 錫球 + IT 基板三次迴焊 IMC 厚度 SEM........................................... 60. 圖 4.5-13. LF35 錫球 + IT 基板五次迴焊 IMC 厚度 SEM........................................... 61. 圖 4.5-14. LF35 錫球 + IT 基板十次迴焊 IMC 厚度 SEM........................................... 61. 圖 4.5-15 SAC105 加 Ni 錫球 + IT 基板零次迴焊 IMC 厚度 SEM ............................ 62 圖 4.5-16 SAC105 加 Ni 錫球 + IT 基板三次迴焊 IMC 厚度 SEM ............................ 62 xi.

(13) 圖 4.5-17 SAC105 加 Ni 錫球 + IT 基板五次迴焊 IMC 厚度 SEM ............................ 63 圖 4.5-18 SAC105 加 Ni 錫球 + IT 基板十次迴焊 IMC 厚度 SEM ............................ 63 圖 4.5-19 SAC105 加 Ge 錫球 + IT 基板零次迴焊 IMC 厚度 SEM............................ 64 圖 4.5-20 SAC105 加 Ge 錫球 + IT 基板三次迴焊 IMC 厚度 SEM............................ 64 圖 4.5-21 SAC105 加 Ge 錫球 + IT 基板五次迴焊 IMC 厚度 SEM............................ 65 圖 4.5-22 SAC105 加 Ge 錫球 + IT 基板十次迴焊 IMC 厚度 SEM............................ 65 圖 4.5-23 SAC405 錫球 + DSOP 基板零次迴焊 IMC 厚度 SEM................................ 66 圖 4.5-24 SAC405 錫球 + DSOP 基板三次迴焊 IMC 厚度 SEM................................ 66 圖 4.5-25 SAC405 錫球 + DSOP 基板五次迴焊 IMC 厚度 SEM................................ 67 圖 4.5-26 SAC405 錫球 + DSOP 基板十次迴焊 IMC 厚度 SEM................................ 67 圖 4.5-27 SAC105 錫球 + DSOP 基板零次迴焊 IMC 厚度 SEM................................ 68 圖 4.5-28 SAC105 錫球 + DSOP 基板三次迴焊 IMC 厚度 SEM................................ 68 圖 4.5-29 SAC105 錫球 + DSOP 基板五次迴焊 IMC 厚度 SEM................................ 69 圖 4.5-30 SAC105 錫球 + DSOP 基板十次迴焊 IMC 厚度 SEM................................ 69 圖 4.5-31. LF35 錫球 + DSOP 基板零次迴焊 IMC 厚度 SEM..................................... 70. 圖 4.5-32. LF35 錫球 + DSOP 基板三次迴焊 IMC 厚度 SEM..................................... 70. 圖 4.5-33. LF35 錫球 + DSOP 基板五次迴焊 IMC 厚度 SEM..................................... 71. 圖 4.5-34. LF35 錫球 + DSOP 基板十次迴焊 IMC 厚度 SEM..................................... 71. 圖 4.5-35 SAC105 加 Ni 錫球 + DSOP 基板零次迴焊 IMC 厚度 SEM ...................... 72 圖 4.5-36 SAC105 加 Ni 錫球 + DSOP 基板三次迴焊 IMC 厚度 SEM ...................... 72 圖 4.5-37 SAC105 加 Ni 錫球 + DSOP 基板五次迴焊 IMC 厚度 SEM ...................... 73 圖 4.5-38 SAC105 加 Ni 錫球 + DSOP 基板十次迴焊 IMC 厚度 SEM ...................... 73 圖 4.5-39 SAC105 加 Ge 錫球 + DSOP 基板零次迴焊 IMC 厚度 SEM...................... 74 圖 4.5-40 SAC105 加 Ge 錫球 + DSOP 基板三次迴焊 IMC 厚度 SEM...................... 74 圖 4.5-41 SAC105 加 Ge 錫球 + DSOP 基板五次迴焊 IMC 厚度 SEM...................... 75 圖 4.5-42 SAC105 加 Ge 錫球 + DSOP 基板十次迴焊 IMC 厚度 SEM...................... 75 xii.

(14) 第一章 緒論. 1.1 研究背景 在半導體製程和封裝技術的發達下,由從桌上型或筆記型電腦中 CPU 晶片 組和繪圖晶片組、網路通訊無線網路訊轉接處理器以及手機晶片組,從普及率來 看,幾乎人人都會使用到 3C﹝「電腦」(Computer)、 「通訊」(Communication)、 「消 費性電子」(Consumer Electronics)﹞相關產品,而這些產品無不與半導體封裝製程 有關。 為滿足發展的需要,在原有封裝模式的基礎上,又增添了新的模式──球柵陣 列封裝﹝Ball Grid Array,BGA,也稱為錫球陣列封裝或錫腳封裝體﹞。BGA 封裝 技術已經在筆記型電腦的記憶體、主機板晶片組等大規模積體電路的封裝領域得 到了廣泛的應用。比如我們所熟知的 Intel、VIA 晶片組以及 SODIMM 等都是採用 這一封裝技術的產品。 BGA 封裝技術有這樣一些特點︰I / O 導線數雖然增多,但導線間距並不小, 因而提升了組裝良率;雖然它的功率增加,但 BGA 能改善它的電熱性能;濃度和 重量都較以前的封裝技術有所減少,信號傳輸延遲小,使用頻率大大提升,可靠 性高。不過 BGA 封裝仍然存在著佔用基板面積較大的問題。 隨著以 CPU 為主的電腦系統性能的總體大幅度提升趨勢,人們對於記憶體的 性能和性能要求也日趨嚴苛。因此,人們要求記憶體封裝更加嚴格,以支援大容 量的記憶體晶片,同時也要求記憶體封裝的散熱性能更好,以適應越來越快的核 心頻率。毫無疑問的是,進展不太大的 TSOP 等記憶體封裝技術也越來越不適用 於高頻率、高速的新一代記憶體的封裝需求,新的記憶體封裝技術也應運而生了。 1.

(15) 採用 BGA 新技術封裝的記憶體,可以使所有電腦中的 DRAM 記憶體在體積 不變的情況下記憶體容量提升兩到三倍,BGA 與 TSOP 相比,具有更小的體積, 更好的散熱性能和電性能。BGA 封裝技術使每平方英寸的儲存量有了很大提升, 採用 BGA 封裝技術的記憶體產品在相同容量下,體積只有 TSOP 封裝的三分之 一;另外,與傳統 TSOP 封裝模式相比,BGA 封裝模式有更加快速和有效的散熱 途徑。. 圖 1.1-1 BGA 封裝成品圖. 2.

(16) 1.2 研究動機 由於錫球在封裝中所扮演訊號傳遞的角色,而如何使錫球在消費者使用過程 中,不論是在正常使用或者是受到外力衝擊的條件下,都能保持錫球完整性便是 此研究的主要目標。 我們都知道,3C 產品運用相當廣泛,而每種電子產品又需要有一定的可靠度 能力,克服人為或非人為的外在環境因素造成對產品的衝擊。舉例來說: 「電腦」﹝Compute﹞:包括桌上型及筆記型電腦,有些使用者習慣不關電腦, 特別是應用在一些大型企業或科技公司的中央電腦,是不能被關機的,在這種長 時間的運作下,如果錫球強度不足,很容易造成 IC 元件功能失效,導致消費者抱 怨。 「通訊」(Communication):一般來說,被運用到最廣範的就是行動電話,而 行動電話最怕的就是外力衝擊或摔落地面,相信很多人都有不小心手機摔到地上 的經驗,運氣好的話頂多是表面刮傷而內部功能正常,最怕的就是拿起來後,開 不了機。所以說,消費者都會對各品牌手機有特別的評價,一定有人說,某某手 機品牌很耐用、耐摔,某某手機品牌不耐用、一摔就壞。如此,手機的耐用、耐 摔性,便很容易左右消費者購買的意願。 「消費性電子」(Consumer Electronics):此類商品就更為廣泛了,包含一般家 電用品、電視、遊戲機、數位像機、音響、MP3 隨身聽等。品質的好壞、使用壽 命及保固期限的長短,都會左右其銷售量。 本論文針對半導體封裝中錫球材料成份部份做一些探討,錫球在封裝製程中 佔很重要的一個角色,錫球負責訊號的傳遞,只要錫球損壞,將會導致晶片無法 輸入或輸出訊號而導致整個元件功能失效。. 3.

(17) 1.3 研究方法 本論文之研究重點,以封裝業界評估錫球可靠度的方式做一些深入的探討, 進而比較出何種球成份合金組合、添加何種金屬元素,能有效提升錫球可靠度, 延長使用時效,避免錫球掉落。. 4.

(18) 第二章 BGA 封裝製程簡介. 2.1 BGA 封裝發展與目的 隨著半導體產業蓬勃快速發展,IC 元件設計趨勢朝向高腳數與多功能的發 展,而 IC 元件外觀亦朝向輕、薄、短、小的方向演變,在世界環境保護政策推行 下,許多封裝材料使用的限制,諸如種種,因此造成封裝製程上多重的挑戰。譬 如說,無鉛、無鹵素封裝材料的選用,疊晶粒封技術開發,高密度金線、凸塊、 錫球製程挑戰,小球徑錫球使用、薄型化封裝造成的翹曲問題等問題,都是當前 業界所遭遇的難題。 由於矽晶片尺寸相當微小且結構也相當脆弱,必須給予一種方法來“包裝" 它,以防止運用過程中,外在力量及環境因素造成晶片受損,避免物理性破壞及 化學性侵蝕作業發生,以確保訊號與功能的傳送。所以說,IC 封裝即在保護 IC 晶 片,包括晶圓之晶片切割﹝Wafer Saw﹞、黏晶粒﹝Die Attach﹞、焊金線﹝Wire Bond﹞、封膠﹝Molding﹞、植錫球﹝Solder Ball Attach﹞,其目的包含: 1. 提供承載與結構保護功能,保護 IC 晶片,避免物理性破壞及化學性侵蝕。 2. 提供能量的傳遞路逕與晶片的訊號分佈。 3. 避免訊號延遲的產生,影響系統的運作。 4. 提供有效散熱途徑,增加晶片散熱能力。 球柵陣列﹝BGA,Ball Grid Array﹞,技術是使用基板與錫球來取代傳統的導 線釘架,提供較佳的組裝、較優異的電子成型性及較高的 I/O 密度。所謂 BGA 封 裝乃是指單一晶片或多晶片以打線﹝Wire Bonding﹞、捲帶式﹝TAB,Tape Automated Bonding﹞或覆晶﹝Flip Chip﹞的封裝方式和基板導線相連接,最後再 將基板另外一面,透過傳統表面焊接技術﹝SMT,Surface Mount Technology﹞之 5.

(19) 迴焊﹝Reflow﹞植上錫球,以面積陣列分佈方式作為 IC 元件訊號輸入及輸出端。 BGA 封裝技術有這樣一些特點︰I / O 導線數雖然增多,但導線間距並不小, 因而提升了組裝良率;雖然它的功率增加,但 BGA 能改善它的電熱性能;濃度和 重量都較以前的封裝技術有所減少,信號傳輸延遲小,使用頻率大大提升,可靠 性高。不過 BGA 封裝仍然存在著佔用基板面積較大的問題。 BGA 封裝技術已經在筆記型電腦的記憶體、主機板晶片組等大規模積體電路 的封裝領域得到了廣泛的應用。比如我們所熟知的 Intel BX、VIA MVP3 晶片組以 及 SODIMM 等都是採用這一封裝技術的產品。 隨著以 CPU 為主的電腦系統性能的總體大幅度提升趨勢,人們對於記憶體的 性能和性能要求也日趨嚴苛。因此,人們要求記憶體封裝更加嚴格,以支援大容 量的記憶體晶片,同時也要求記憶體封裝的散熱性能更好,以適應越來越快的核 心頻率。毫無疑問的是,進展不太大的 TSOP 等記憶體封裝技術也越來越不適用 於高頻率、高速的新一代記憶體的封裝需求,新的記憶體封裝技術也應運而生了。 採用 BGA 新技術封裝的記憶體,可以使所有電腦中的 DRAM 記憶體在體積 不變的情況下記憶體容量提升兩到三倍,BGA 與 TSOP 相比,具有更小的體積, 更好的散熱性能和電性能。BGA 封裝技術使每平方英寸的儲存量有了很大提升, 採用 BGA 封裝技術的記憶體產品在相同容量下,體積只有 TSOP 封裝的三分之 一;另外,與傳統 TSOP 封裝模式相比,BGA 封裝模式有更加快速和有效的散熱 途徑。 BGA 乃是因應低成本、高腳數、高運算速度、單位晶片多功能和較小的元件 尺寸而被研發出來的,相較於傳統的引腳封裝,BGA 具備了更多優點,成為封裝 主流: 1. 較小的封裝尺寸 由於 BGA 是用“面積"分佈陣列錫球界面接合而不是利用“周邊"引腳 接合,使得 IC 擁有較高的接合密度,即高腳數,和較小的腳位面積 6.

(20) ﹝Footprint﹞,加上基板為暴露未被包覆,使得封裝後之厚度小於 QFP 封裝 型式約 30~50%。 2. 無引腳化 BGA 以錫球來代替接腳﹝Lead﹞連接,避免因測試、彎腳、對位不準所 造成之生產損失。 3. 高表面黏著組裝率 由於焊墊設計和焊錫技術的使用,降低在傳統塑膠封裝上良率損失的三 個主要因素:〈1〉因翹曲或不良引腳共面度所造成之開路;〈2〉因焊錫橋接 所造成之接點短路;〈3〉因封裝置放錯位或移動所造成之開路或短路。 4. 高產能 因容許較為寬鬆的置放準度和可重複之組裝製程,而有較大之產能。 5. 低成本 與現有 SMT 製程相容,因此不需做額外的主設備投資,又省去導線釘架 (Lead frame)和基板到導線釘架間的接合面製程,成本相對減少。 6. 電氣特性的改良 較小的位腳得到較短的電子路徑(Electrical Path),減低了電感與信號延 遲,並且建立了電源/接地平面的較短路,使電流回歸路徑(Circuit Return Path) 的長度縮短,降低之間的壓降和獲得非常低的電源/接地電感。由於信號和電 源/接地路徑變短,獲得較低的電阻,使很多電路能在較低的電源水平運作。 7. 容易設計和建立電子模型 BGA 結構簡單,僅須針對一個基板上方封裝結構來設計和建立模型,如 此可縮短設計和分析產品的時間。 8. 可塑性強 具備了未來展望之散熱強化設計及承載多晶片之潛力。. 7.

(21) 晶片. 焊錫凸塊. 底膠 基板 錫球 圖 2.1-1 錫球於覆晶產品構裝中之示意圖. 晶片. 底膠. 焊錫凸塊. 基板. 錫球 圖 2.1-2 錫球於實際覆晶產品構裝中之剖面圖. 8.

(22) 2.2 球柵陣列(BGA)封裝製程介紹 BGA 封裝為何能夠容納更多的接腳數?答案在於:再次改變接腳配置、設計 的規則,過去 DIP 僅用封裝的左右側邊,QFP 則是使用四個側邊,如此接腳數目 的增加都受限在邊長上,要增加邊長就必須增加封裝體的長寬面積,進而使封裝 成本增加。相對的,BGA 運用整個封裝體的底部面積來安排、設置接腳,接腳的 放置從「四個側邊」改成「整個底面」,如此自然可以讓接腳數目大增。為滿足 發展的需要,在原有封裝模式的基礎上,又增添了新的模式──球格式封裝(Ball Grid Array,BGA,也稱為錫球陣列封裝或錫腳封裝體)。 BGA 封裝技術有這樣一些特點︰I / O 導線數雖然增多,但導線間距並不小, 因而提升了組裝良率;雖然它的功率增加,但 BGA 能改善它的電熱性能;濃度和 重量都較以前的封裝技術有所減少,信號傳輸延遲小,使用頻率大大提升,可靠 性高。不過 BGA 封裝仍然存在著佔用基板面積較大的問題。 以 BGA 之封裝製程來說,一般我們把它分成三道流程: 「黏球」 、 「迴焊」 、 「助 焊劑清洗」。 「黏球」(Ball Mount):故名思義,這道製程就是把錫球黏到基板上。主要有 兩種材料─錫球與助焊劑。錫球會是以不同球徑,不同的合金種類比例組成。球 徑是依基板球墊開窗(Substrate Pad Opening)的大小與球與球間距(Ball Pitch)而有 不一樣的選擇;而錫球合金種類比例,便是本論文所要探討的主題。助焊劑的主 要功能是:在整個迴焊作用中減少氧化、防止迴焊時預先氧化、固定錫球、減少 熔錫表面張力。而主成份有:展色劑(Vehicle)、活化劑(Activator)、介面活性劑 (Surfactant)、溶劑(Solvent)、添加劑(Additive)等。「黏球」製程之中,又分為四大. 9.

(23) 步驟:沾助焊劑(Pick Flux)、沾助焊劑到基板(Place Flux on Substrate)、取錫球(Pick Solder Ball)、置錫球(Place Solder Ball)。. 圖 2.2-1 黏球步驟一、沾助焊劑(Pick Flux). 底膠 圖 2.2-2 黏球步驟二、沾助焊劑到基板(Place Flux on Substrate). 底膠 圖 2.2-3 黏球步驟三、取錫球(Pick Solder Ball). 底膠 圖 2.2-4 黏球步驟四、置錫球(Place Solder Ball). 10.

(24) 「迴焊」(Reflow):其目的是讓錫球達到熔點,與基板球墊結合。而因應不同 錫球之合金成份組合有著不同的熔點,便對迴焊溫度曲線(Reflow Profile)有著不一 樣的定義,其迴焊溫度曲線包括: A.、預溫區(Pre-heat temp); B.、預溫時間(Pre-heat time); C.、升溫率(Ramp up ratio); D.、最高溫(Peak temp); E.、迴焊時間(Dwell time above T℃) F.、降溫率(Cooling ratio <peak~220’c+/-5>) G、降溫率(Cooling ratio<peak~40’c+/-5>) T.、溶點(Melting temp). 圖 2.2-5 迴焊溫度圖 A llo y. L iq u id s Te m p e r a tu r e ‘ C 183. 6 3 S n /3 7 P b 6 2 S n /3 6 P b /2 A g. 179~182. 9 6 .5 S n /3 .5 A g. 217~221. 1 0 S n /9 0 P b. 302. 9 5 .5 S n /4 .0 A g /0 .5 C u. 217~221. 9 6 .5 S n /3 .0 A g /0 .5 C u. 217~221. 5 .0 S n /9 5 P b. 312. 表 2.2-1 不同合金成份比例之熔點 11.

(25) 「助焊劑清洗」(Flux Cleaning):這是最後一道流程,其目的就是把錫球及基 板表面之助焊劑清除。助焊劑清洗機總共分為四個區間,前三槽是水洗區,最後 一槽是烘乾區。依助焊劑特性來說,55~60’C 是清洗助焊劑最適合的溫度。助焊劑 清洗機區間分別如下: 第一槽:自來水清洗區 第二槽:純水清洗區 第三槽:純水清洗區 第四槽:烘乾區. 自來水 清洗區. 純水 清洗區. 純水 清洗區. 烘乾區. 圖 2.2-6 助焊劑清洗機流程圖. 晶片. 底膠. 12.

(26) 第三章 球柵陣列封裝元件 BGA 試驗方式 及實驗分析簡介. 3.1 錫球與基板黏著強度的評估與實驗流程 在這個實驗中,我們所選用五種不同合金成份比例組合的錫球,做為實驗的 錫球材料。所使用的球徑為 0.5mm,基板球墊開窗為 0.5mm,球與球間距為 0.8mm,詳細訊息如下所示: 1. 錫 95.5%/銀 4.0%/銅 0.5%﹝Sn 95.5%/Ag 4.0%/Cu 0.5%;SAC405﹞ 2. 錫 96.5%/銀 3.0%/銅 0.5%﹝Sn 96.5%/Ag 3.0%/Cu 0.5%;SAC305﹞ 3. 錫 98.3%/銀 1.2%/銅 0.5%/鎳 0.05%﹝Sn 98.3%/Ag 1.2%/Cu 0.5%/Ni 0.05%; LF35﹞ 4. 錫 98.5%/ 銀 1.0%/ 銅 0.5%/ 鎳 0.05% ﹝ Sn 98.5%/Ag 1.0%/Cu 0.5% ; SAC105+Ni﹞ 5. 錫 98.5%/ 銀 1.0%/ 銅 0.5%/ 鍺 0.05% ﹝ Sn 98.5%/Ag 1.0%/Cu 0.5% ; SAC105+Ge﹞. 表 3.1-1 各種錫球合金成份表. 13.

(27) 而基板則是選用業界最常使用的兩種基板,以在球墊鍍錫(Immersion Tin; IT) 之基 板及在球墊上直接加錫(Direct Solder on Pad; DSOP)之基板為實驗主軸。. Pre-solde. Sn. IT. DSOP Cu 圖 3.1-1. IT 與 DSOP 基板剖面示意圖. 展開的實驗內容如下,共為十組的全實驗,分基板及錫球兩種因子 ﹝Factor﹞, 基板及錫球各有兩種及五種層次﹝Level﹞。實驗評估會從封裝製 程中植球﹝Ball Mount﹞製程開始,觀察比較其作業性﹝Workability﹞,再從多 重迴 焊試驗﹝Multi-reflow Test﹞中,觀察比較其可靠度﹝Reliability﹞,是否在 經過多次熱製程後造成錫球黏著強度變化,實驗評估的指標將會在下一章節中 詳加 介紹。. 表 3.1-2 各種合金成份與基板種類實驗組合. 14.

(28) 3.2 錫球黏著強度的評估指標與實驗項目簡介 本實驗將針對從封裝製程中植球﹝Ball Mount﹞製程,從多重迴焊試驗 ﹝Multi-reflow Test﹞中,觀察比較是否在經過多次熱製程後造成錫球黏著強度 變化,其評估指標如下。 1. 刮球 (Ball Brush) 2. 推球 (Ball Shear) 3. 拉球 (Ball Pull) 4. 針對推球 (Ball Shear)、拉球 (Ball Pull)、球衝擊試驗 (BIT) 後之基板球墊 錫殘留 (Substrate ball pad solder residue) 比較 5. 表面介金屬化合物 (IMC, Interface Metal Compound) 厚度比 6. 球衝擊試驗 (BIT, Ball Impact Test). Evaluation Index. Ball Shear Ball Pull. Criteria not allow missing ball 700g (0.7kg) 700g (0.7kg). Solder Remain Ball impact Test IMC thickness. > 75% N/A N/A. Ball brush. Sample Size. Metrology. 100%. Plastic scraper. 16ea/1unit, 2unit 16ea/1unit, 2unit. Dage 4000 Dage 4000. 15ea/1unit, 2unit 1ea/ cell 1ea/ cell. 40x Multiple Microscope X-section/SEM. 表 3.1-3 錫球黏著強度的評估指標. 15. Remark. N/A N/A Discolor DN/A f t.

(29) 3.1.1 推球、拉球及球衝擊試驗之簡介 推球、及拉球試驗之主要目的為量測錫球與基板間的接合,它是以一種專 屬機台,利用破壞性方式,在錫球破壞過程中,讀取最大值,其判定準則除了 推球與拉球值越大越好且要 大於所訂定之規格外,其推、拉球後基板表面的殘 錫情 況也需要被考慮。 就推球而言,基板球 墊殘錫模式可分為:『模式一,100%共金面殘錫』─ 此模式代表錫球與基板球墊之接合完全沒有因外力而破壞,錫球與基板球墊經 推球 後仍舊緊緊接合; 『模式二、大於 75%共金面殘錫』─此模式代表錫球與基 板球墊之 接合有部份因外力而破壞,但是錫球與基板 球墊接合面 75%以上仍舊 經推 球後緊緊接合; 『模式三、小於 75%共金面殘錫』─此模式代表 錫球與基板 球墊 之接合強度因外力而破壞,錫球與基板 球墊接合面超過 25%有接合強度不 足 之疑慮;『模式四、表層介金屬(IMC)斷面』─此模式代表錫球與基板球墊之 接合強度因外力而破壞明顯不足,錫球與基板球墊接合面毫無錫殘留,有嚴重 接合強度不足之疑慮,極容易發生掉球之危險。以下四種詳述於下方之圖示說 明。 就拉球而言,基板球墊殘錫模式可分為: 『模式一,球墊剝離』─此模式代 表錫球與基板球墊之接合完全沒有因外力而破壞,在拉球試驗後,錫球與基板 球墊連根拔起; 『模式二,錫球斷裂之錫殘留』─此模式代表錫球與基板球墊之 接合完全沒有因外力而破壞 ,僅錫球本身損壞,在拉 球試驗後,錫球與基板球 墊 仍舊緊緊接合; 『模式三,錫球拉伸變形之錫殘留』─此模式代表錫球與基板 球墊之接合完全沒有因外力而破壞,僅錫球本身損壞,在拉球試驗後,錫球與 基板球墊仍舊緊緊接合;『模式四,表層介金屬(IMC)斷面』─此模式代表錫球 與基板球墊之接合強度因外力而破壞明顯不足,錫球與基板球墊接合面毫無錫 殘留,有嚴重接合強度不足之疑慮,極容易發生掉球之危險。以下四種詳述於 16.

(30) 下 方之圖示說明。. 圖 3.1.1-1 推、拉球機外觀圖. 推球治具. 圖 3.1.1-2 推球示意圖. 拉球治具. 圖 3.1.1-3 拉球示意圖 17.

(31) 模式一 (Mode 1) 100%共金面殘錫 斷面為亮面 合格 (Pass). 模式二 (Mode 2) 大於 75%共金面殘錫 斷面為亮面 合格 (Pass). 模式三 (Mode 3) 小於 75%共金面殘錫 斷面為半亮半暗且平整不一 不合格 (Fail). 模式四 (Mode 4) 表層介金屬 IMC 斷面 斷面為暗面 不合格 (Fail). 圖 3.1.1-4 推球後基板球墊表面之殘錫判斷圖 18.

(32) 模式一 (Mode 1) 球墊剝離 合格 (Pass). 模式二 (Mode 2) 錫球斷裂之錫殘留 合格 (Pass). 模式三 (Mode 3) 錫球拉伸變形之錫殘留 合格 (Pass). 模式四 (Mode 4) 表層介金屬 IMC 斷面 不合格 (Fail). 圖 3.1.1-5 拉球後基板球墊表面之殘錫判斷圖 19.

(33) 球衝擊試驗(Ball Impact Test; BIT)是一種在高應變率測試狀態下,評估錫球接 合之封裝級或封裝第一層級(Package Level)的強度與可靠度。它是利用一個擺錘, 從錫球側面撞擊,由衝擊瞬間,得到一條X軸為時間(ms)與Y軸為力量(N)之上升關 係曲線,從下列上升關係曲線中,我們可以獲得四大可靠度指標:Fmax:衝擊阻 力(impact resistance),代表錫球結構之接合強度;Tr:上升時間 (ascending duration),代表錫球結構之延展性;Er:上升能量(ascending energy),代表錫球結 構之堅韌度(Er = Ar * Vi);Kr:硬度(stiffness),代表錫球結構之相對硬度(Kr = Sr / Vi)。此外,錫球衝擊後與基板球墊的斷面,可分為模式C (Mode C)與模式I (Mode I)。Mode C是指錫球衝擊後與基板球墊的斷面在焊錫部份,此代表錫球與基板球墊 接合良好,接合面不會因衝擊而破壞;Mode I是指錫球衝擊後與基板球墊的斷面在 介金屬(IMC)部份,此代表錫球與基板球墊接合不佳,接合面會因衝擊而破壞。詳 加說明於下列圖示:. 表 3.1.1-1 球衝擊試驗相關模組與測試條件. 20.

(34) Fmax:衝擊阻力(impact resistance) Tr:上升時間(ascending duration) Er:上升能量(ascending energy) (Er = Ar * Vi). Kr:硬度(stiffness) (Kr = Sr / Vi).. 圖 3.1.1-6 時間(ms)與力量(N)之上升關係曲線. 21.

(35) Mode C. Solder Pin. Mode I. Substrate 圖 3.1.1-7 球衝擊示意圖. Mode I 斷面 IMC. Mode C 斷面在焊錫. 圖 3.1.1-8 球衝擊後基板球墊斷面示意圖. 22.

(36) 3.1.2 掃瞄電子顯微鏡與表面介金屬化合物 掃描電子顯微鏡的(Scanning Electron Microscope, SEM)工作原理是用聚焦電子束 在試樣表面逐點掃描成像。試樣為塊狀或粉末顆粒,成像信號可以是二次電子、 背散射電子或吸收電子。其中二次電子是最主要的成像信號。由電子槍發射的能 量為 5~35keV的電子,以其交叉斑作為電子源,經二級聚光鏡及物鏡的縮小形成 具有一定能量、一定束流強度和束斑直徑的微細電子束,在掃描線圈驅動下,於 試樣表面按一定時間、空間順序作柵網式掃描。聚焦電子束與試樣相互作用,產 生二次電子發射(以及其他物理信號),二次電子發射量隨試樣表面形貌而變化。 二次電子信號被探測器收集轉換成電訊號,經視頻放大後輸入到顯像管柵極,調 製與入射電子束同步掃描的顯像管亮度,得到反映試樣表面形貌的二次電子顯像。 現 今 應 用 最 廣 的 無 鉛 銲 料 錫 銀 銅 合 金 (SAC) 其 三 元 共 晶 組 成 範 圍 在 Sn-(3.2~4.7)wt%Ag-(0.6~1.7)wt%Cu,共晶溫度約 217°C,擁有不錯的機械性質與 銲錫性。但該合金仍存在一些待克服的難題,例如熔點較高及過冷度較大。研究 指出較大的過冷度會使介金屬化合物 (Intermetallic compound, IMC) Ag3Sn 過度成 長。略高的 Ag 含量以及較慢的冷卻速率均可能有粗大板狀 Ag3Sn 初晶的出現, 容易造成應力集中與脆裂,對銲點的熱疲勞壽命及可靠度有不良的影響。. 表 3.1.2-1 不同合金成份迴焊後所產生之 IMC 生成物. 23.

(37) 第四章 實驗結果與分析. 4.1 刮球試驗結果 在刮球試驗部份,不論在植球後(T0),或者是在經過三次(3X)、五次(5X)、和 十次(10X)的多重迴焊後,皆無掉球之強度不足之現象發生。這表示在各種錫球合 金成份,對於球墊鍍錫(Immersion Tin; IT)之基板及在球墊上直接加錫(Direct Solder on Pad; DSOP)之基板,在此試驗中並無假焊現象,所以說各種錫球之合金 在此試驗中並無明顯的差異性,如表 4.1-1 及圖 4-1~4 所示。. Device. IT. Solder ball composition. SAC405 SAC105 LF35. Ball brush test_Missing ball Yield pass after Sample (ea) ball brush test size (%) T0 3X 5X 10X 22 22. 0 0. 0 0. 0 0. 0 0. 100 100. 22 22. 0 0. 0 0. 0 0. 0 0. 100 100. 22. 0. 0. 0. 0. 100. SAC405. 22. 0. 0. 0. 0. 100. SAC105. 22. 0. 0. 0. 0. 100. 22 22. 0 0. 0 0. 0 0. 0 0. 100 100. 22. 0. 0. 0. 0. 100. SAC105+Ni SAC105+Ge. DSOP LF35 SAC105+Ni SAC105+Ge. 表 4.1-1 各種合金成份刮球試驗結果. 24.

(38) 圖 4.1-1 IT 基板+SAC405 錫球在 T0 刮球結果 無假焊造成掉球之現象. 圖 4.1-2 IT 基板+SAC405 錫球在 10X reflow 刮球結果 無假焊造成掉球之現象. 25.

(39) 圖 4.1-3 DSOP 基板+SAC405 錫球在 T0 刮球結果 無假焊造成掉球之現象. 圖 4.1-4 DSOP 基板+SAC405 錫球在 10X reflow 刮球結果 無假焊造成掉球之現象. 26.

(40) 4.2 拉球試驗結果 以不同規格的拉球﹝0.45kg & 0.6kg﹞治具比較其拉球之最小值及平均值。. 在 IT 基板使用 0.45kg 拉球治具之最小值部份: 錫球成份 SAC405,經過三次迴焊後,拉球強度明顯降低,而經過五次與十次 迴焊後,拉球強度降至規格﹝0.7kg﹞強度以下,只有大約 0.34kg,得知錫球 SAC405 其拉球強度隨著迴焊次數增加而明顯大幅降低。 錫球成份 SAC105,在經過三次與五次迴焊後,拉球強度些微降低,經過十次 迴焊後,拉球強度有明顯降低。 錫球成份 LF35,從零次到十次迴焊,拉球強度並無下降趨勢,其拉球值甚為 穩定,並不會隨著迴焊次數增加而變化。 錫球成份 SAC105+Ni,在經過三次、五次與十次迴焊後,拉球強度亦逐次些 微降低,但與 SAC105 不添加 Ni 之錫球成份比較起來,其強度略優。 錫球成份 SAC105+Ge,除三次迴焊後,拉球強度有變差,其餘強度皆無下降 趨勢。 以上如圖 4.2-1 與表 4.2-1 所示。. 27.

(41) Chart of ball pull min value 1.8. Senju 95.5Sn/4Ag/0.5Cu. 1.6. Senju 98.5Sn/1Ag/0.5Cu. Ball pull (kg). 1.4 1.2. Nippon 98.3Sn/1.2Ag/0.5Cu/0.05N i Accurus 98.5Sn/1Ag/0.5Cu/0.05Ni. 1 0.8 0.6 0.4. Accurus 98.5Sn/1Ag/0.5Cu/0.01Ge. 0.2 0 T0. 3X. 5X. 10X. 圖 4.2-1 以 0.45kg 拉球治具於 IT 基板,在不同迴焊次數後之拉球最小值趨勢圖. Item Min. 1 2 3 4 5 T0 3X 5X 10X T0 3X 5X 10X T0 3X 5X 10X T0 3X 5X 10X T0 3X 5X 10X 1.551 1.052 0.343 0.344 1.043 1.084 1.035 0.812 1.13 1.16 1.161 1.207 1.174 1.088 1.058 0.929 1.042 0.903 0.96 1.01. 表 4.2-1 以 0.45kg 拉球治具於 IT 基板,在不同迴焊次數後之拉球最小值. 28.

(42) 在 DSOP 基板使用 0.45kg 拉球治具之最小值部份: 錫球成份 SAC405,經過三次迴焊後,拉球強度無明顯變化,而經過五次迴焊 後,拉球強度明顯下降,十次迴焊後,拉球強度降至規格﹝0.7kg﹞強度以下,只 有大約 0.675kg,得知錫球 SAC405 其拉球強度隨著迴焊次數增加而明顯大幅降 低,特別是五次與十次迴焊之後。 錫球成份 SAC105,在經過三次後迴焊後,拉球強度無明顯變化,五次與十次 迴焊後,拉球強度些微降低。 錫球成份 LF35,從零次到十次迴焊,拉球強度並無下降趨勢,其拉球值甚為 穩定,並不會隨著迴焊次數增加而變化,與 IT 基板比較並無明顯差異。 錫球成份 SAC105+Ni,在經過三次與五次迴焊後,拉球強度僅些許降低,十 次迴焊後,強度無下降變化。 錫球成份 SAC105+Ge,零次迴焊時強度是所有錫球組合最低的一組,在經過 三次與五次迴焊後,拉球強度僅些許降低,十次迴焊後,強度無下降變化,與 SAC105+Ni 比較起來,雖強度不及但較為穩定。 以上如圖 4.2-2 與表 4.2-2 所示。. 29.

(43) Chart of ball pull min value 1.4. Senju 95.5Sn/4Ag/0.5Cu. Ball pull (kg). 1.2. Senju 98.5Sn/1Ag/0.5Cu. 1 0.8. Nippon 98.3Sn/1.2Ag/0.5Cu/0.05Ni. 0.6. Accurus 98.5Sn/1Ag/0.5Cu/0.05Ni. 0.4 0.2. Accurus 98.5Sn/1Ag/0.5Cu/0.01Ge. 0 T0. 3X. 5X. 10X. 圖 4.2-2 以 0.45kg 拉球治具於 DSOP 基板,在不同迴焊次數後之拉球最小值趨勢圖. Item Min. 1 2 3 4 5 T0 3X 5X 10X T0 3X 5X 10X T0 3X 5X 10X T0 3X 5X 10X T0 3X 5X 10X 1.168 1.178 0.881 0.675 1.067 1.073 0.999 0.966 1.01 1.075 1.094 1.097 1.084 0.951 0.848 0.985 0.885 0.877 0.809 0.926. 表 4.2-2 以 0.45kg 拉球治具於 DSOP 基板,在不同迴焊次數後之拉球最小值. 30.

(44) 在 IT 基板使用 0.45kg 拉球治具之平均值部份: 錫球成份 SAC405,經過三次迴焊後,拉球強度明顯降低,而經過五次迴焊後, 拉球強度並無顯著變化,十次迴焊後,拉球強度又急速下降。其拉球強度隨著迴 焊次數增加而明顯大幅降低,特別是十次迴焊之後。 錫球成份 SAC105,在經過三次與五次後迴焊後,拉球強度無明顯變化,十次 迴焊後,拉球強度些微降低。 錫球成份 LF35,從零次到十次迴焊,拉球強度並無下降趨勢,其拉球值甚為 穩定,並不會隨著迴焊次數增加而變化。 錫球成份 SAC105+Ni,在經過三次與五次後迴焊後,拉球強度無明顯變化, 十次迴焊後,拉球強度些微降低。 錫球成份 SAC105+Ge,在經過三次與五次迴焊後,拉球強度僅些許降低,十 次迴焊後,強度無下降變化,與 SAC105+Ni 比較起來,雖強度不及但較為穩定。 以上如圖 4.2-3 與表 4.2-3 所示。. 31.

(45) Ball pull (kg). Chart of ball pull average value 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0. Senju 95.5Sn/4Ag/0.5Cu Senju 98.5Sn/1Ag/0.5Cu Nippon 98.3Sn/1.2Ag/0.5Cu/0.05Ni Accurus 98.5Sn/1Ag/0.5Cu/0.05Ni Accurus 98.5Sn/1Ag/0.5Cu/0.01Ge. T0. 3X. 5X. 10X. 圖 4.2-3 以 0.45kg 拉球治具於 IT 基板,在不同迴焊次數後之拉球平均值趨勢圖. 1 2 3 4 T0 3X 5X 10X T0 3X 5X 10X T0 3X 5X 10X T0 3X 5X 10X T0 Average 1.7845 1.4935 1.4785 1.192 1.2445 1.2415 1.2735 1.1875 1.302 1.306 1.276 1.3055 1.3375 1.271 1.352 1.2365 1.193 Item. 5 3X 5X 10X 1.174 1.126 1.162. 表 4.2-3 以 0.45kg 拉球治具於 IT 基板,在不同迴焊次數後之拉球平均值. 32.

(46) 在 DSOP 基板使用 0.45kg 拉球治具之平均值部份: 錫球成份 SAC405,經過三次迴焊後,拉球強度明顯降低,而經過五次迴焊後, 拉球強度並無顯著變化,十次迴焊後,拉球強度又急速下降。其拉球強度隨著迴 焊次數增加而明顯大幅降低。 錫球成份 SAC105,在經過三次迴焊後,拉球強度並無明顯變化,五次與十次 迴焊後,拉球強度些微降低。 錫球成份 LF35,從零次到十次迴焊,拉球強度並無下降趨勢,其拉球值甚為 穩定,並不會隨著迴焊次數增加而變化。 錫球成份 SAC105+Ni,在經過三次、五次與十次迴焊後後迴焊後,拉球強度 些微降低,但變化不大。 錫球成份 SAC105+Ge,在經過三次迴焊後,拉球強度無下降變化,五次與十 次迴焊後,拉球強度僅些許降低。 以上如圖 4.2-4 與表 4.2-4 所示。. 33.

(47) Chart of ball pull average value Senju 95.5Sn/4Ag/0.5Cu. 1.8 1.6. Senju 98.5Sn/1Ag/0.5Cu. Ball pull (kg). 1.4 1.2 1. Nippon 98.3Sn/1.2Ag/0.5Cu/0.05Ni. 0.8 0.6. Accurus 98.5Sn/1Ag/0.5Cu/0.05Ni. 0.4 0.2 0 T0. 3X. 5X. 10X. Accurus 98.5Sn/1Ag/0.5Cu/0.01Ge. 圖 4.2-4 以 0.45kg 拉球治具於 DSOP 基板,在不同迴焊次數後之拉球平均值趨勢圖. 1 2 3 4 5 T0 3X 5X 10X T0 3X 5X 10X T0 3X 5X 10X T0 3X 5X 10X T0 3X 5X 10X Average 1.5155 1.3535 1.362 1.1935 1.192 1.2425 1.207 1.127 1.2895 1.2145 1.2785 1.283 1.2745 1.2185 1.1645 1.134 1.189 1.575 1.1795 1.146 Item. 表 4.2-4 以 0.45kg 拉球治具於 DSOP 基板,在不同迴焊次數後之拉球平均值. 34.

(48) 在 IT 基板使用 0.6kg 拉球治具之最小值部份: 錫球成份 SAC405,經過三次迴焊後,拉球強度些微降低,而經過五次迴焊後, 拉球強度急速下降,且超出規格下限,十次迴焊後,拉球強度又些許降低。其拉 球強度隨著迴焊次數增加而明顯大幅降低。其拉球強度隨著迴焊次數增加而明顯 大幅降低,特別是五次迴焊之後。 錫球成份 SAC105,在經過三次迴焊後,拉球強度些微降低,五次迴焊後,拉 球強度並無明顯變化,十次迴焊後,拉球強度明顯大幅降低至規格外。 錫球成份 LF35,三次迴焊後,拉球強度並無下降趨勢,五次迴焊後,拉球強 度些微降低,十次迴焊後,拉球強度並無下降趨勢,其拉球值並不會隨著迴焊次 數增加而有劇烈變化。 錫球成份 SAC105+Ni,三次迴焊後,拉球強度無明顯變化,五次迴焊後拉球 強度略為下降,十次迴焊後,拉球強度並無下降趨勢。 錫球成份 SAC105+Ge,在經過三次迴焊後,拉球強度無下降變化,五次迴焊 後,拉球強度僅些許降低,十次迴焊後,拉球強度無下降變化。 以上如圖 4.2-5 與表 4.2-5 所示。. 35.

(49) Average chart of ball pull Senju 95.5Sn/4Ag/0.5Cu. Ball pull (kg). 1.6 1.4. Senju 98.5Sn/1Ag/0.5Cu. 1.2 1. Nippon 98.3Sn/1.2Ag/0.5Cu/0.05Ni. 0.8 0.6. Accurus 98.5Sn/1Ag/0.5Cu/0.05Ni. 0.4 0.2 0 T0. 3X. 5X. 10X. Accurus 98.5Sn/1Ag/0.5Cu/0.01Ge. 圖 4.2-5 以 0.6kg 拉球治具於 IT 基板,在不同迴焊次數後之拉球最小值趨勢圖. Item Min. 1 2 3 4 5 T0 3X 5X 10X T0 3X 5X 10X T0 3X 5X 10X T0 3X 5X 10X T0 3X 5X 10X 1.307 1.23 0.383 0.359 1.25 1.068 1.144 0.444 1.255 1.291 1.183 1.371 1.263 1.278 1.156 1.234 1.15 1.143 1.08 1.317. 表 4.2-5 以 0.6kg 拉球治具於 IT 基板,在不同迴焊次數後之拉球最小值. 36.

(50) 在 DSOP 基板使用 0.6kg 拉球治具之最小值部份: 錫球成份 SAC405,經過三次與五次迴焊後,拉球強度明顯降低,十次迴焊後, 拉球強度無下降。其拉球強度隨著迴焊次數增加而明顯大幅降低,特別是三次與 五次迴焊之後。 錫球成份 SAC105,在經過三次迴焊後,拉球強度並無明顯變化,五次與十次 迴焊後,拉球強度些微降低,但不明顯。 錫球成份 LF35,三次迴焊後,拉球強度並無下降趨勢,五次與十次迴焊後, 拉球強度些微降低,但十次迴焊後之拉球值與零次迴和之拉球值並無明顯差異, 其拉球值並不會隨著迴焊次數增加而有劇烈變化。 錫球成份 SAC105+Ni,三次迴焊後,拉球強度明顯變化,五次與十次迴焊後, 拉球強度並無下降趨勢。 錫球成份 SAC105+Ge,三次迴焊後,拉球強度明顯變化,五次與十次迴焊後, 拉球強度並無下降趨勢。 以上如圖 4.2-6 與表 4.2-6 所示。. 37.

(51) Average chart of ball pull. 1.4 1.2. Senju 95.5Sn/4Ag/0.5Cu Senju 98.5Sn/1Ag/0.5Cu Nippon 98.3Sn/1.2Ag/0.5Cu/0.05Ni Accurus 98.5Sn/1Ag/0.5Cu/0.05Ni Accurus 98.5Sn/1Ag/0.5Cu/0.01Ge. Ball pull (kg). 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 T0. 5X. 3X. 10X. 圖 4.2-6 以 0.6kg 拉球治具於 DSOP 基板,在不同迴焊次數後之拉球最小值趨勢圖. Item Min. 1. 2. 3. 4. 5. T0 3X 5X 10X T0 3X 5X 10X T0 3X 5X 10X T0 3X 5X 10X T0 3X 5X 10X 1.187 1.039 0.919 1.029 1.004 1.022 0.993 0.979 1.105 1.211 1.148 1.08 1.081 0.841 0.95 0.988 1.093 0.922 1.016 1.032. 表 4.2-6 以 0.6kg 拉球治具於 DSOP 基板,在不同迴焊次數後之拉球最小值. 38.

(52) 在 IT 基板使用 0.6kg 拉球治具之平均值部份: 錫球成份 SAC405,經過三次、五次與十次迴焊後,拉球強度明顯逐次降低, 其拉球強度隨著迴焊次數增加而明顯降低。 錫球成份 SAC105,經過三次、五次與十次迴焊後,拉球強度明顯逐次降低, 特別是在十次迴焊之後。 錫球成份 LF35,三次、五次與十次迴焊後,拉球強度並無下降趨勢,十次迴 焊後拉球值與零次迴和之拉球值並無明顯差異,其拉球值並不會隨著迴焊次數增 加而有劇烈變化。 錫球成份 SAC105+Ni,三次、五次與十次迴焊後,拉球強度並無明顯下降趨 勢。 錫球成份 SAC105+Ge,三次、五次與十次迴焊後,拉球強度並無明顯下降趨 勢。 以上如圖 4.2-7 與表 4.2-7 所示。. 39.

(53) Average chart of ball pull Senju 95.5Sn/4Ag/0.5Cu. Ball pull (kg). 1.8 1.6 1.4. Senju 98.5Sn/1Ag/0.5Cu. 1.2 1 0.8 0.6. Nippon 98.3Sn/1.2Ag/0.5Cu/0.05Ni. Accurus 98.5Sn/1Ag/0.5Cu/0.05Ni. 0.4 0.2 0 T0. 3X. 5X. 10X. Accurus 98.5Sn/1Ag/0.5Cu/0.01Ge. 圖 4.2-7 以 0.6kg 拉球治具於 IT 基板,在不同迴焊次數後之拉球平均值趨勢圖. Item Average. 1 2 3 4 5 T0 3X 5X 10X T0 3X 5X 10X T0 3X 5X 10X T0 3X 5X 10X T0 3X 5X 10X 1.685 1.624 1.485 1.379 1.4165 1.42 1.322 1.155 1.454 1.453 1.455 1.509 1.435 1.412 1.452 1.386 1.4 1.4145 1.352 1.4245. 表 4.2-7 以 0.6kg 拉球治具於 IT 基板,在不同迴焊次數後之拉球平均值. 40.

(54) 在 DSOP 基板使用 0.6kg 拉球治具之平均值部份: 錫球成份 SAC405,經過三次迴焊後,拉球強度明顯大幅降低,五次、十次迴 焊後,拉球強度無顯著下降。其拉球強度隨著迴焊次數增加而明顯大幅降低,特 別是三次迴焊之後。 錫球成份 SAC105,在經過三次、五次與十次迴焊後,拉球強度並無明顯下降 變化。 錫球成份 LF35,三次迴焊後,拉球強度並無下降趨勢,五次與十次迴焊後, 拉球強度些微降低,但十次迴焊後之拉球值與零次迴和之拉球值並無明顯差異, 其拉球值並不會隨著迴焊次數增加而有劇烈變化。 錫球成份 SAC105+Ni,三次迴焊後,拉球強度明顯變化,五次與十次迴焊後, 拉球強度並無下降趨勢。 錫球成份 SAC105+Ge,三次迴焊後,拉球強度明顯變化,五次與十次迴焊後, 拉球強度並無下降趨勢。 以上如圖 4.2-8 與表 4.2-8 所示。. 41.

(55) Average chart of ball pull. Senju 95.5Sn/4Ag/0.5Cu. 1.8 1.6. Senju 98.5Sn/1Ag/0.5Cu. 1.4. Ball pull (kg). 1.2. Nippon 98.3Sn/1.2Ag/0.5Cu/0.05Ni. 1 0.8 0.6. Accurus 98.5Sn/1Ag/0.5Cu/0.05Ni. 0.4 0.2 0. T0. 3X. 5X. 10X. Accurus 98.5Sn/1Ag/0.5Cu/0.01Ge. 圖 4.2-8 以 0.6kg 拉球治具於 DSOP 基板,在不同迴焊次數後之拉球平均值趨勢圖. Item. 1. 2. 3. 4. 5. T0 3X 5X 10X T0 3X 5X 10X T0 3X 5X 10X T0 3X 5X 10X T0 3X 5X 10X Average 1.646 1.258 1.16 1.233 1.133 1.15 1.187 1.28 1.291 1.38 1.34 1.26 1.265 0.99 1.1 1.19 1.24 1.11 1.14 1.12. 表 4.2-8 以 0.6kg 拉球治具於 DSOP 基板,在不同迴焊次數後之拉球平均值. 42.

(56) 拉球強度部份,我們得到錫球成份 SAC405 的強度表現最差,在以基板球墊 種類作區分,IT 基板又比 SOP 基板還要差。球成份 LF35,在經過十次迴焊後, 擁有最大的拉球值。成份 SAC105+Ge,在經過五次迴焊後,擁有最第二大的拉球 值。如以下圖 4.2-9 與圖 4.2-10。. 圖 4.2-9 以 0.45kg 拉球治具,在不同迴焊次數後之拉球強度趨勢圖. 圖 4.2-10 以 0.6kg 拉球治具,在不同迴焊次數後之拉球強度趨勢圖. 43.

(57) 拉球後基板球墊失敗模式部份,從零次迴焊到十次迴焊後,球成份 LF35 及 SAC105+Ni 有較好的表現,SAC405 易有 Mode4 IMC Peeling 現象。 2. 表 4.2-9 以 0.6kg 拉球治具,在 IT 基板上 拉球後基板殘錫狀況分佈表. 表 4.2-10 以 0.6kg 拉球治具,在 DSOP 基板上 拉球後基板殘錫狀況分佈表. 44.

(58) 3. 1. 4.3 推球試驗結果 推球之最小值及平均值部份,從 T0 到經過十次迴焊後,結果各組球強度皆無 明顯變化。 不論在 IT 或 DSOP 基板部份,LF 35 與其他錫球合金比較起來,有較高的推 球值,在應經過多次迴焊後,推球值也較其他錫球合金組合穩定,並不會隨著迴 焊次數增加而變化。 推球強度部份,從 T0 到經過十次迴焊,各組錫球成份皆無低於規格值,LF 35 相較之下,卻有較穩定的推球值。得知,錫球合金成份中添加了 Ni,能提升其抗 熱表現,在多重迴焊試驗下,從 3 次迴焊到 10 次迴焊之間,推球植無明顯變化就 是一個明顯的驗證。而 SAC105+Ni 比 SAC105 推球值強度來的穩定,也呼應了此 的結論。 最差的部份,我們得到錫球成份 SAC405 的強度表現最差,不論在 IT 或 DSOP 基板。 如圖 4.3-1~ 4.3-4 與表 4.3-1~4.3-4 所示。. 45.

(59) Chart of ball shear min value. Ball shear (g). 1200 1000. Senju 95.5Sn/4Ag/0.5Cu. 800. Senju 98.5Sn/1Ag/0.5Cu. 600. Nippon 98.3Sn/1.2Ag/0.5Cu/0.05Ni. 400. Accurus 98.5Sn/1Ag/0.5Cu/0.05Ni. 200. Accurus 98.5Sn/1Ag/0.5Cu/0.01Ge. 0 T0. 3X. 5X. 10X. 圖 4.3-1 以 0.5kg 推球治具於 IT 基板,在不同迴焊次數後之推球最小值趨勢圖. Item Min. 1 T0 3X 5X 10X 1014.4 1025.2 1037.7 972.2. T0 815. 2 3 4 5 3X 5X 10X T0 3X 5X 10X T0 3X 5X 10X T0 3X 5X 10X 900.6 901.8 798.1 949.7 920.8 840.7 938.4 828.4 872.5 839.8 938.3 841.5 808.8 706 934. 表 4.3-1 以 0.5kg 推球治具於 IT 基板,在不同迴焊次數後之推球最小值. 46.

(60) Chart of ball shear min value. Ball shear (g). 1200 1000. Senju 95.5Sn/4Ag/0.5Cu. 800. Senju 98.5Sn/1Ag/0.5Cu. 600. Nippon 98.3Sn/1.2Ag/0.5Cu/0.05Ni. 400. Accurus 98.5Sn/1Ag/0.5Cu/0.05Ni. 200. Accurus 98.5Sn/1Ag/0.5Cu/0.01Ge. 0 T0. 3X. 5X. 10X. 圖 4.3-2 以 0.5kg 推球治具於 DSOP 基板,在不同迴焊次數後之推球最小值趨勢圖. Item. 1. T0 3X Min 985.5 946. 5X 932. 2 3 4 5 10X T0 3X 5X 10X T0 3X 5X 10X T0 3X 5X 10X T0 3X 5X 10X 903.7 770.2 843.7 834.3 781.8 902.8 924.3 895.5 916.2 886.7 858.5 828 927.1 834.5 830.3 862.8 843.1. 表 4.3-2 以 0.5kg 推球治具於 DSOP 基板,在不同迴焊次數後之推球最小值. 47.

(61) Chart of ball shear average value 1400. Senju 95.5Sn/4Ag/0.5Cu. 1200. Senju 98.5Sn/1Ag/0.5Cu. Ball pull (kg). 1000 800. Nippon 98.3Sn/1.2Ag/0.5Cu/0.05Ni. 600 400. Accurus 98.5Sn/1Ag/0.5Cu/0.05Ni. 200 0 T0. 3X. 5X. 10X. Accurus 98.5Sn/1Ag/0.5Cu/0.01Ge. 圖 4.3-3 以 0.5kg 推球治具於 IT 基板,在不同迴焊次數後之推球平均值趨勢圖. 1 2 3 4 5 T0 3X 5X 10X T0 3X 5X 10X T0 3X 5X 10X T0 3X 5X 10X T0 3X 5X 10X Average 1271.7 1168.5 1192.05 1135.75 996.95 981.75 991.4 993.25 1020 1029.45 1001.8 1032.7 1035 1036 1035.2 1046.3 982.35 1013.4 1018 1039.25 Item. 表 4.3-3 以 0.5kg 推球治具於 IT 基板,在不同迴焊次數後之推球平均值. 48.

(62) Chart of ball shear average value Senju 95.5Sn/4Ag/0.5Cu. 1400. Ball pull (kg). 1200. Senju 98.5Sn/1Ag/0.5Cu. 1000 800. Nippon 98.3Sn/1.2Ag/0.5Cu/0.05Ni. 600. Accurus 98.5Sn/1Ag/0.5Cu/0.05Ni. 400 200. Accurus 98.5Sn/1Ag/0.5Cu/0.01Ge. 0 T0. 3X. 5X. 10X. 圖 4.3-4 以 0.5kg 推球治具於 DSOP 基板,在不同迴焊次數後之推球平均值趨勢圖. MPC65_1 Senju T0 3X 5X 10X T0 Average 1180 1092 1067.35 1071.15 966.45 Item. MPC65_2 MPC65_3 MPC65_4 MPC65_5 Senju Nippon Accurus Accurus 3X 5X 10X T0 3X 5X 10X T0 3X 5X 10X T0 3X 5X 10X 955.2 972.85 1003.3 958.9 978.1 986.25 993.75 957.95 991.4 986.45 1002.8 976.75 956.9 987.6 989.15. 表 4.3-4 以 0.5kg 推球治具於 DSOP 基板,在不同迴焊次數後之推球平均值. 49.

(63) 推球後基板球墊失敗模式部份,從零次迴焊到十次迴焊後,各組球強度皆無 明顯變化。如下表所示。. 表 4.3-5 以 0.5kg 推球治具,在 IT 基板上 推球後基板殘錫狀況分佈表. 表 4.3-6 以 0.5kg 推球治具,在 DSOP 基板上 推球後基板殘錫狀況分佈表. 50.

(64) 4.4 錫球抗氧化比較 此試驗是將各組合金錫球,在分別經過一次、三次、五次與十次的多重迴焊 試驗後,至 40X 與 200X 高倍顯微鏡下觀察其祈球表面之氧化情形。而比較起來, 於錫球成份中添加鍺 (Ge),可以得到較好的抗氧化表現,而加鎳 (Ni)次之,錫球 表面氧化程序最嚴重的為合金 SAC405。 以上如圖 4.4-1~4.4-4 所示。. microscope 40 X. microscope 40 X. microscope 40 X. IT T0 microscope 200 X. microscope 200 X. microscope 200 X. microscope 40 X. microscope 40 X. microscope 200 X. microscope 200 X. 圖 4.4-1 0 次迴焊後,不同錫球成份與 IT 基板在 40X 與 200X 高倍顯微鏡下之放大圖. 51.

(65) SAC405 microscope 40 X. SAC105 microscope 40 X. 98.3 Sn/1.2Ag microscope 40 X. microscope 200 X. microscope 200 X. microscope 200 X. microscope 40 X 98.5Sn/1Ag/0.5Cu/. 98.5Sn/1Ag/0.5Cu/ microscope 40 X. microscope 200 X microscope 200 X. 圖 4.4-2 10 次迴焊後,不同錫球成份與 IT 基板在 40X 與 200X 高倍顯微鏡下之放大. SAC405. SAC105. 98.3 Sn/1.2Ag/. microscope 40 X. microscope 40 X. microscope 40 X. microscope 200 X. microscope 200 X. microscope 200 X. 98.5Sn/1Ag/0.5Cu/. 98.5Sn/1Ag/0.5Cu/ microscope 40 X. microscope 40 X. microscope 200 X. microscope 200 X. 圖 4.4-3 0 次迴焊後,不同錫球成份與 DSOP 基板在 40X 與 200X 高倍顯微鏡下之放大圖. SAC405. SAC105. 98.3 Sn/1.2Ag/. microscope 40 X. microscope 40 X. microscope 40 X. microscope 200 X. microscope 200 X. microscope 200 X. 98.5Sn/1Ag/0.5Cu/ microscope 40 X. 98.5Sn/1Ag/0.5Cu/ microscope 40 X. microscope 200 X. microscope 200 X. 圖 4.4-4 10 次迴焊後,不同錫球成份與 DSOP 基板在 40X 與 200X 高倍顯微鏡下之放大圖 52.

(66) 4.5 IMC 厚度分析 在熱製程對表面介金屬化合物(IMC)厚度的影響,我們發現在 T0 (未經過多重 迴焊)時,任何錫球之合金成份與任一基板組合,其 IMC 後厚度並無明顯差異,大 約在 5um 上下,過了三次迴焊之後 SAC405 與 SAC105 的錫球,IMC 厚度明顯成 長,直到經過五、十次多重迴焊,SAC405 的錫球,IMC 明顯成長至 10um 以上。 反之,在 SAC(錫銀銅)合金中添加了鎳(Ni),包括 LF35 和 SAC+Ni,可有效的抑 制 IMC 成長,從零次迴焊到十次迴焊,僅有 1.5um ~ 3.0um 的 IMC 成長。而添加 鍺(Ge),抑制 IMC 厚度成長效果雖然不及添加鎳,但與純錫銀銅合金之錫球比較 起來,有一定的效果。 所以說,不論是在 IT 或 DSOP 基板,錫球成份中添加了鎳,在經過多次迴焊 後,可有效抑制 IMC 厚度的成長;相反地,如果是以純錫銀銅合金,不管是 SAC405 或 SAC105,在經過多次迴焊後,IMC 厚度明顯隨著迴焊次數增加。 表 4.5-1 與圖 4.5-1~4.5-2 為不同錫球合金成份在不同基板種類基板於三次、五 次與十次迴焊後,IMC 厚度之比較。圖 4.5-3~4.5-42 為不同錫球合金成份在不同基 板種類基板於三次、五次與十次迴焊後,量測 IMC 厚度之 SEM 圖。. 53.

(67) IT 基板. DSOP 基板. 4.6 球衝擊試驗分析. 表 4.5-1 不同錫球成份於 IT 與 DSOP 基板上,在經過多次迴焊後 IMC 厚度數值. 圖 4.5-1 不同錫球成份於 IT 與 DSOP 基板上,在經過多次迴焊後 IMC 厚度變化. 54.

(68) 14 13 12 11. IMC Thickness. 10 9 8 7 6 5 4 3 2 0. 3. 5 10. SAC405. 0. 3. 5 10 0. SAC105. 3. 5 10. LF35. 0. 3. 5 10. SAC105_ 0.05Ni. 0. 3. 5 10. SAC105_ 0.01Ge. 0. 3. 5 10. SAC405. PPT_IT. 0. 3. 5 10. SAC105. 0. 3. 5 10. LF35. UMTC_DSOP. 0. 3. 5 10. SAC105_ 0.05Ni. 0. 3. 5 10. SAC105_ 0.01Ge. Multi reflow Solder ball composition Substrate. 圖 4.5-2 不同錫球成份於 IT 與 DSOP 基板上,在經過多次迴焊後 IMC 厚度變化比較. 55.

(69) 圖 4.5-3 SAC405 錫球 + IT 基板零次迴焊 IMC 厚度 SEM. 圖 4.5-4 SAC405 錫球 + IT 基板三次迴焊 IMC 厚度 SEM. 56.

(70) 圖 4.5-5 SAC405 錫球 + IT 基板五次迴焊 IMC 厚度 SEM. 圖 4.5-6 SAC405 錫球 + IT 基板十次迴焊 IMC 厚度 SEM. 57.

(71) 圖 4.5-7 SAC105 錫球 + IT 基板零次迴焊 IMC 厚度 SEM. 圖 4.5-8 SAC105 錫球 + IT 基板三次迴焊 IMC 厚度 SEM. 58.

(72) 圖 4.5-9 SAC105 錫球 + IT 基板五次迴焊 IMC 厚度 SEM. 圖 4.5-10 SAC105 錫球 + IT 基板十次迴焊 IMC 厚度 SEM. 59.

(73) 圖 4.5-11 LF35 錫球 + IT 基板零次迴焊 IMC 厚度 SEM. 圖 4.5-12 LF35 錫球 + IT 基板三次迴焊 IMC 厚度 SEM. 60.

(74) 圖 4.5-13 LF35 錫球 + IT 基板五次迴焊 IMC 厚度 SEM. 圖 4.5-14 LF35 錫球 + IT 基板十次迴焊 IMC 厚度 SEM. 61.

(75) 圖 4.5-15 SAC105 加 Ni 錫球 + IT 基板零次迴焊 IMC 厚度 SEM. 圖 4.5-16 SAC105 加 Ni 錫球 + IT 基板三次迴焊 IMC 厚度 SEM. 62.

(76) 圖 4.5-17 SAC105 加 Ni 錫球 + IT 基板五次迴焊 IMC 厚度 SEM. 圖 4.5-18 SAC105 加 Ni 錫球 + IT 基板十次迴焊 IMC 厚度 SEM. 63.

(77) 圖 4.5-19 SAC105 加 Ge 錫球 + IT 基板零次迴焊 IMC 厚度 SEM. 圖 4.5-20 SAC105 加 Ge 錫球 + IT 基板三次迴焊 IMC 厚度 SEM. 64.

(78) 圖 4.5-21 SAC105 加 Ge 錫球 + IT 基板五次迴焊 IMC 厚度 SEM. 圖 4.5-22 SAC105 加 Ge 錫球 + IT 基板十次迴焊 IMC 厚度 SEM. 65.

(79) 圖 4.5-23 SAC405 錫球 + DSOP 基板零次迴焊 IMC 厚度 SEM. 圖 4.5-24 SAC405 錫球 + DSOP 基板三次迴焊 IMC 厚度 SEM. 66.

(80) 圖 4.5-25 SAC405 錫球 + DSOP 基板五次迴焊 IMC 厚度 SEM. 圖 4.5-26 SAC405 錫球 + DSOP 基板十次迴焊 IMC 厚度 SEM. 67.

(81) 圖 4.5-27 SAC105 錫球 + DSOP 基板零次迴焊 IMC 厚度 SEM. 圖 4.5-28 SAC105 錫球 + DSOP 基板三次迴焊 IMC 厚度 SEM. 68.

(82) 圖 4.5-29 SAC105 錫球 + DSOP 基板五次迴焊 IMC 厚度 SEM. 圖 4.5-30 SAC105 錫球 + DSOP 基板十次迴焊 IMC 厚度 SEM. 69.

(83) 圖 4.5-31 LF35 錫球 + DSOP 基板零次迴焊 IMC 厚度 SEM. 圖 4.5-32 LF35 錫球 + DSOP 基板三次迴焊 IMC 厚度 SEM. 70.

(84) 圖 4.5-33 LF35 錫球 + DSOP 基板五次迴焊 IMC 厚度 SEM. 圖 4.5-34 LF35 錫球 + DSOP 基板十次迴焊 IMC 厚度 SEM. 71.

(85) 圖 4.5-35 SAC105 加 Ni 錫球 + DSOP 基板零次迴焊 IMC 厚度 SEM. 圖 4.5-36 SAC105 加 Ni 錫球 + DSOP 基板三次迴焊 IMC 厚度 SEM. 72.

(86) 圖 4.5-37 SAC105 加 Ni 錫球 + DSOP 基板五次迴焊 IMC 厚度 SEM. 圖 4.5-38 SAC105 加 Ni 錫球 + DSOP 基板十次迴焊 IMC 厚度 SEM. 73.

(87) 圖 4.5-39 SAC105 加 Ge 錫球 + DSOP 基板零次迴焊 IMC 厚度 SEM. 圖 4.5-40 SAC105 加 Ge 錫球 + DSOP 基板三次迴焊 IMC 厚度 SEM. 74.

(88) 圖 4.5-41 SAC105 加 Ge 錫球 + DSOP 基板五次迴焊 IMC 厚度 SEM. 圖 4.5-42 SAC105 加 Ge 錫球 +DSOP 基板十次迴焊 IMC 厚度 SEM. 75.

(89) 4.6 球衝擊試驗分析 此實驗以原有的五組錫球合金成份組合,搭配上 IT 與 DSOP 兩種基板,並分 別拿未經過迴焊與過三次迴焊的植球樣本做球衝擊試驗,總共二十組,如下表所 示。. 表 4.6-1 球衝擊試驗組合. 球衝擊試驗結果,以衝擊後之基板表面殘錫狀況而言,大部分主要的基板表 面殘錫模式都是模式 I (斷面在 IMC),而在上升能量(Er)中我們發現,模式 C 的上 升能量普遍都比模式 I 的上升能量還要來得大。 就模式 I 樣本而言,比較基板種類,IT 基板的上升能量(Er)比 DSOP 基板還要 高,分別為 0.828mj 和 0.572mj;比較迴焊影響,未經過迴焊的樣本其上升能量(Er) 比經過三次迴焊的樣本還要高,分別為 0.7mj0.491mj;比較錫球合金成份,SAC405 和 SAC105 之上升能量(Er)比 LF35、SAC105+Ni 和 SAC105+Ge 還要低,其數值分 別為 0.537mj / 0.561mj / 1.053mj / 1.033mj / 0.954mj;比較最大讀值,以 LF35 錫球 &IT 基板、SAC105+Ni 錫球&IT 基板、SAC105+Ge 錫球&IT 基板和 LF35 錫球 &DSOP 基板較大,分別為 1.053mj / 1.033mj / 0.954mj / 0.828mj。. 76.

數據

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參考文獻

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