系統級封裝（SIP）在SMT迴銲製程孔洞缺陷之研究

©2007 National Kaohsiung University of Applied Sciences, ISSN 1813-3851

系統級封裝（SIP）在 SMT 迴銲製程孔洞缺陷之研究

邱建勳、何宗漢、劉旭唐、林書羽、林益生 國立高雄應用科技大學 化學工程與材料工程系 E-mail: thho@cc.kuas.edu.tw

摘 要

近年來，由於環保意識抬頭，在 2003 年 2 月，歐盟所通過的危害性物質限制指令（Restriction of Hazardous Substances Directive，縮寫 RoHS）定於 2006 年 7 月 1 日生效，其主要是規範所有銷往歐盟之電子產品均不 得含有重金屬鉛之材料。因此，傳統生產過程中所有使用鉛的材料，將被現在的無鉛技術-錫、銀和銅的合 成物所取代。在業界，錫球接點常用之無鉛銲錫材料為錫-銀-銅合金系列（SAC family），由於其高熔點之 特性，在迴銲製程中（Reflow Process），容易因為較高的溫度，讓無鉛銲錫材料體積快速收縮再加上助銲劑 的揮發，使得空氣來不及逸出而產生孔洞（Void）缺陷。進而造成在可靠度測試時，因極小的應力引起產 品失效。本研究係針對 SiP（System in Package）產品在 SMT（Surface Mount Technology）迴銲製程後所產 生的孔洞缺陷之原因做探討。研究結果顯示在材料方面，若錫膏採用組成顆粒較小的 type4，以及鋼板開法 為內縮至 90%，可有效降低孔洞缺陷比例。 關鍵詞：孔洞缺陷、迴銲製程、系統級封裝（SiP）

1. 前 言

由於半導體技術不斷蓬勃發展，隨著產品功能的日趨複雜，產品需要愈來愈多的 I/O 數，更快的處理 速度，更大的記憶容量，因此，越來越多的產品不再像早期以單一晶片（single chip）為主，現在更強調多 晶片的組合、連接，進而使得 IC 構裝的角色愈來愈重要。藉由高密度構裝技術，讓 IC 產品可以在更小的 空間內，納入更多的晶片，配置更多的傳遞訊號，從早期的引腳（pin-hole），一直演進到目前最新的晶圓 穿孔（TSV）與晶片堆疊（Stack）技術發展，其中有一個相當重要的封裝技術，就是系統級封裝（System in Package, SiP）1。 系統級封裝技術（SiP）指的是將不同晶片或其他電子元件，整合於一個封裝模組內，用以執行某種系 統層級的功能，具有高效能與低成本的優勢，此外系統級封裝產生的 EMI 很小，使得 SiP 成為業者目前最 常使用的技術主因。近幾年來，SiP 封裝已廣泛的被應用於消費性產品上，且有越來越多的趨勢。近年來， 由於環保意識抬頭，各種電子產品，都要求須從有鉛材料轉換成無鉛材料。其中亦包含作為電子訊號傳遞 的銲錫材料。然而，當銲錫材料從有鉛材料轉換成無鉛材料，因其高熔點的特性，容易在進行迴銲製程 （Reflow process）時，產生孔洞（Void）缺點，進而在可靠度測試時造成產品失效。 在 Leila2_{的研究中，探討了孔洞與迴銲後錫球高度的交互作用，同時也利用有限元素法針對孔洞對產品} 延展性與可靠度進行探討。在 Weicheng3_{的研究中，探討了利用真空烤箱來進行迴銲以得到無孔洞產品的可} 能性，並指出利用壓力差可以將錫球內的氣泡趕出而減少孔洞發生機率。

此外，在 Qiang4_{的論文中，則是利用 Miner’s rule 與 Manson-Coffin’s law 進行錫球的疲勞壽命討論，並}

利用有限元素分析針對不同的孔洞尺寸大小進行探討，同時也指出孔洞位置對產品疲勞壽命的影響。當孔 洞在晶片與基板兩側皆有時，其壽命會比孔洞只出現在晶片端來得好。

Robert6等人則是利用有限元素法，針對在多孔洞的情況下，產品熱疲勞壽命的討論，其中在垂直方向 的孔洞，對產品壽命有很大影響。Xiaoqin7_{則是針對錫球凸塊（Bump）進行研究，探討錫球與鋁墊介面強} 度的關係，同時亦觀察孔洞缺陷對介面強度的影響，同時指出在迴銲過程與老化過程中的孔洞成長有所不 同，在迴銲過程中的相變化為孔洞產生的主要原因，並且指出在金屬介面層如果生成銅六錫五化合物，可 以幫助介面強度。 Lakhi8則是利用古典熱傳學，分析孔洞形成的原因，並發現錫球破裂點都由孔洞位置發生。此外，也探 討了迴銲曲線的差異對孔洞大小的形成原因，並提及在錫球內的許多小氣泡，最終容易聚集成為大氣泡， 而在完成迴銲製程後行程孔洞，如果可以改善小氣泡的發生，將有助於孔洞缺陷的最佳化。 本論文主要是探討研究 SiP 產品在 SMT 製程上，如何去改善錫膏孔洞缺點及製程能力的控制，並分析 孔洞產生的原因，並且利用改變鋼板上的開口尺寸和不同錫膏種類，尋找一個最佳的解決方式，以改善 SMT 製程上發生的孔洞。

2. 問題探討與分析

2.1 表面黏著技術 由於 3C 產品越往小型化、輕量化以及高功能方向發展，因此不得不縮小零件及電路板的體積，才能配 合產品發展的趨勢。因此，傳統以電路板穿孔（Pin Through Hole, PTH）的連接方式，因為體積大、零件組 裝慢、成品不良率高，而逐漸被取代。表面黏著技術（Surface Mount Technology, SMT），是將印刷電路板 訊號連接區域塗上錫膏後，放置到電路板上的對應位置，利用迴銲方式（Reflow）將 IC 元件黏著到電路板 上，用以取代傳統插件方式的組裝技術，其流程如圖 2-1。 圖 2-1 SMT 流程圖 2.2 迴銲後孔洞(Void)的產生 由於材料之特性，無鉛銲錫材料容易在迴銲製程（Reflow）後產生孔洞（Void），而此瑕疵往往造成以 極小的應力就可能引起其銲點的破壞。其產生的原因有很多種，茲列出幾種原因： (1) Die PAD 本身有盲孔，錫膏印刷回流時會產生真空導致孔洞。 (2) PCB 的 Die PAD 部份已氧化，此處不沾錫，導致孔洞。 (3) 錫膏在迴銲的過程中，錫膏其內含的助焊劑會有揮發的氣體冒出，形成內在的氣泡，氣體不能及時排 出，在迴銲後 X-Ray 下形成孔洞。 本研究針對不同的鋼板開口尺寸及錫膏種類，分析其對於在 SMT 製程中，迴銲後孔洞大小之影響，並 以 X-Ray 作為孔洞檢查之儀器設備，其圖形如圖 2-2 所示。在圖 2.3 中，顯示了在製程中所產生的孔洞在 SEM 下的外觀。 助銲劑清 外觀檢查 迴銲 元件上板 印刷錫膏 PCB 進料

圖 2-2 SiP 產品在 X-ray 下之 void 示意圖 圖 2.3 孔洞在 SEM 下的外觀照片

3. 實驗部分

3.1 實驗材料 在本研究中，主要針對錫膏成分組成和錫珠粗細程度，根據錫珠顆粒的大小，可以將錫膏分成幾種不 同的種類，如表 3-1 所示。分別選擇不同廠商的錫膏材料來進行討論。其中錫膏成份主要為 Sn96.5Ag3Cu0.5 與 Sn96Ag4.0，錫珠則選擇 Type 3 與 Type 4 兩種，如表 3-2 所示。

表 3-1 錫膏類型

Type #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7

Solder Size 75~150 45~75 25~45 20~38 15~25 5~15 2~12

表 3-2 錫膏材料表

Material Alloy Powder Size

A Sn96Ag4 Type 4 B Sn96Ag4 Type 3 C Sn96.5Ag3Cu0.5 Type 4 D Sn96.5Ag3Cu0.5 Type 4 E Sn96.5Ag3Cu0.5 Type 4 F Sn96.5Ag3Cu0.5 Type 3 Unit:um

G Sn96Ag4 Type 3 H Sn96Ag4 Type 3 I Sn96.5Ag3Cu0.5 Type 3 J Sn96Ag4 Type 4 3.2 印刷鋼板 隨著產品愈來愈輕薄短小，對 IC 構裝產品的要求，也隨之趨向輕薄短小。對 SMT 製程來說，如何讓 這些細小的被動元件完好的焊接在電路板上，還要避免空焊、短路、錫量不足、錫量過多等製程缺點，如 何選用適當厚度的鋼板及其開口（Aperture），並且搭配合適的錫膏材料與製程參數。 一般業界鋼板開口的成型方式，有以下幾種：

(1) 化學蝕刻（Etching）：利用化學溶劑，在鋼板上相對應於 PAD 的位置，蝕刻出與 SiP 一樣形狀的開口。 (2) 雷射切割（Laser cutting）：利用高能量雷射，將鋼板上與 SiP 相對應的位置「依序」切割出與 SiP 一

樣形狀的開口。 (3) 電鑄（Electro forming）：利用電離子沉積方式製作而成，與蝕刻製程剛好相反，電鑄是將鋼板一層一 層電鍍上去的，可以滿足高精密度印刷的需求。 3.3 實驗流程與步驟 在本研究中，主要以錫膏種類、攤錫率與鋼板開口尺寸大小進行分析，冀望找出一組最佳解來改善迴 銲後錫膏孔洞缺點。而所用到的實驗設備主要均由日月光半導體製造股份有限公司所提供及協助，其中簡 述如下： (1) 錫膏印刷機：印刷錫膏之用。 (2) 迴焊爐：固化錫膏並做為後續檢驗實驗之用。 (3) 研磨拋光機：拋光樣品試片以做細部結構觀察之用。 (4) 光學顯微鏡：用以觀察切片之孔洞。 (5) 掃描式電子顯微鏡（SEM）：用來對切片後之樣品試片孔洞缺陷，做更進一步的細部結構分析觀察。 實驗流程簡述如下： (1) 評估錫膏材料的攤錫率，找出攤錫率最大的錫膏材料。 (2) 選出材料後，再以錫膏粒度與鋼板開孔為因子，進行評估。 (3) 以孔洞面積做為指標，利用 X-Ray 量測孔洞面積。 (4) 利用統計分析軟體分析實驗結果，找出最佳參數。 整個實驗流程如下圖 3-1 所示： 圖 3-1 實驗流程圖 Solder Paste Printing IR Reflow Optical/X-ray Inspection Solder Paste Printing IR Reflow Optical/X-ray Inspection

4. 結果與討論

4.1 攤錫率比較

由於較好的攤錫率能夠減少迴銲過程中孔洞的發生，在本研究中，主要是選擇 Sn96.5Ag3Cu0.5 與 Sn96Ag4.0 與 Type3 和 Type4 兩種不同錫膏顆粒來做比較。Type 數字越小，代表顆粒越細。圖 4-1 列出 Type3 到 Type5 的錫膏顆粒 SEM 圖形。 圖 4-1 錫膏顆粒 SEM 圖 表 4-1 則是各個錫膏完成攤錫測試的結果，利用 JMP 分析軟體，我們可以容易看出 Sn96.5Ag3Cu0.5 可 以有較大的攤錫效果，如圖 4-2 所示。另外，如果採用較細的錫膏顆粒，也可以有較佳的攤錫效果，如圖 4-3 所示。圖 4-4 則是錫膏攤錫實際結果。因此，由實驗結果材料 C、D、E 有最好的攤錫效果，也證明 Sn96.5Ag3Cu0.5 與較細的錫膏顆粒會是改善孔洞缺陷的方向。 表 4-1 錫膏攤錫率結果

Material Alloy Powder Size Slump Area

A Sn96Ag4 Type4 2.86 B Sn96Ag4 Type3 2.47 C Sn96.5Ag3Cu0.5 Type4 3.02 D Sn96.5Ag3Cu0.5 Type4 3.42 E Sn96.5Ag3Cu0.5 Type4 3.05 F Sn96.5Ag3Cu0.5 Type3 2.54 G Sn96Ag4 Type3 2.37 H Sn96Ag4 Type3 2.32 I Sn96.5Ag3Cu0.5 Type3 2.55 J Sn96Ag4 Type4 2.71

圖 4-2 不同錫膏成份之攤錫效果 圖 4-3 不同錫膏顆粒之攤錫效果 4.2 錫膏種類的選擇 藉由表 4-1 的錫膏攤錫率的比較，其攤錫率結果，我們可以得到下列幾點的結論： (1) 利用統計分析軟體 JMP 去分析錫膏攤錫率結果，可以看到錫膏粒徑為 Type 4 的錫膏，擁有較好的攤 錫率，如圖 4-3 錫膏種類對攤錫率之影響所示，錫膏種類為 Type 4 的錫膏，其攤錫率都在 2.7 mm2 以 上。 (2) 針對錫膏成分之組成來分析，可以發現 Sn96.5Ag3Cu0.5 的錫膏可以有較大的攤錫率，但是 Sn96Ag4 的錫膏卻相對有穩定的攤錫效果，如圖 4-2 錫膏成分對攤錫率之影響所示。 (3) 由結果可知，假如錫膏種類為 Type 4 的錫膏，搭配 Sn96.5Ag3Cu0.5 的成分組成，可以獲得較大的攤 錫效果，故我們選擇錫膏種類為 Sn96.5Ag3Cu0.5 的成分組成，搭配 Type 3 和 Type 4 的錫膏粒徑及鋼 板三種不同的開口尺寸來做實驗。

接下來，我們將分析錫膏的種類並搭配鋼板開口尺寸的大小，其對 SiP 產品過完迴焊爐之後孔洞的影 響。

4.3 鋼板開口因子分析

個對迴銲後孔洞大小相關的因子。 在攤錫率分析中，Sn96.5Ag3Cu0.5 有比較好的攤錫效果，因此，在鋼板開口尺寸分析中，只 選擇 Sn96.5Ag3Cu0.5 作為材料成分，整個實驗以錫膏顆粒和鋼板開口尺寸作為實驗因子，以確保錫膏顆粒和鋼 板開口尺寸間無交互作用，整個實驗計畫如表 4-2 所示，鋼板開口設計如圖 4-5 所示，藍色虛線表示 ground pad 面積。 實驗結果如表 4-3 所示，利用 JMP 分析，可以得到如圖 4-6 與圖 4-7 所示。 錫膏 A 攤錫效果 錫膏 B 攤錫效果 錫膏 C 攤錫效果 錫膏 D 攤錫效果 錫膏 E 攤錫效果 錫膏 F 攤錫效果 錫膏 G 攤錫效果 錫膏 H 攤錫效果 錫膏 I 攤錫效果 錫膏 J 攤錫效果 圖 4-4 錫膏攤錫效果圖

水準 1 水準 2 水準 3 錫膏種類 Type 3 Type 4 鋼板開口尺寸 90% Pad Area 100% Pad Area 110% Pad Area 表 4-3 孔洞面積實驗結果 Number# 錫膏種類 鋼板開孔尺寸 孔洞面積 1 90% 31.98 2 100% 38.93 3 3 110% 39.53 4 90% 19.92 5 100% 29.94 6 4 110% 28.17 90% Opening Size 100% Opening Size 110% Opening Size 圖 4-5 鋼板開口設計圖

圖 4-6 不同錫膏顆粒孔洞分析 20 25 30 35 40 90% 100% 110% Pad area of stencil opening 圖 4-7 鋼板開口尺寸孔洞分析 4.4 綜合結果與討論 表 4-3 孔洞面積實驗結果，根據實驗結果顯示，編號 4 組合擁有最小的孔洞面積。檢視因子間的影響， 我們可以發現 Type 4 錫膏的孔洞面積與 Type 3 錫膏的孔洞面積有明顯的差異，同時開口面積也會降低孔洞 面積，如圖 4-8 所示。利用統計分析軟體，我們可以預測要改善孔洞缺點的趨勢為何，其趨勢圖如圖 4-9 所 示。 由實驗結果，我們可以得到下面結論： (1) 當錫膏顆粒較小，對孔洞的改善較佳。 (2) 當開孔尺寸較小，則錫膏較容易在短時間內填滿，讓空氣不易進入，減少孔洞發生機會，當開口尺寸 比例大於 1：1 時，會讓孔洞缺陷變差，因此設計時必須特別注意。 (3) 考量兩者間的交互影響，錫膏種類會比開口尺寸的作用明顯。 (4) 成分為 Sn96.5Ag3Cu0.5 且種類為 Type 4 的錫膏，有最大的攤錫效果，如果再搭配鋼板開口尺寸大小 為 1：0.9（內縮至 90%）的話，對於孔洞缺陷而言，其孔洞面積可有效的降至 25%以下，因此，若選 用更細緻的錫膏顆粒，也許其降低孔洞的效果會更加顯著。

(a) 錫膏種類 (b) 鋼板開孔大小 圖 4-8 因子分布圖

圖 4-9 孔洞趨勢預測圖

參考文獻

[1] 日月光半導體製造股份有限公司，VP 洪松井 Mike Hung，機電系半導體封裝課程教材”IC Packaging Technology and Development Trend, “New Package Development”, March, 2005。

[2] Leila J, Ladani and Jafar Razmi,“Interaction Effect of Voids and Standoff Height on Thermomechanical Durability of BGA Solder Joints”, IEEE, Transactions on Device and Material Reliability, September, 2009.

[3] Weicheng Lin,“The Void-free Reflow Soldering of BGA with Vacuum”,IEEE, 2007.

[4] Qiang Yu, Tadahiro Shibutani, Yusuke Kobayashi, Masaki Shiratori, “The Effect of Voids on Thermal Reliability of BGA Lead Free Solder Joint and Reliability Detection Standard”,IEEE, 2006.

[5] Victoria A. Chirian and Youmin Yu,“Impacts of Solder Voids on PQFN Packages’ Thermal and Mechanical Performances”, IEEE, 2010.

[6] Robert Schwerz, Sebastian Meyer, Mike Roellig, Karsten Meier, Klaus-Juergen Wolter,“Finite Element Modeling on Thermal Fatigue of BGA Solder Joints with Multiple Voids”, IEEE 34th International Spring Seminar on Electronics Technology, 2011.

[7] Xiaoqiu Lin, Le Luo,“The Growth and Influencing Factors of Voids in SnAg Solder Bump and Their Impact on Interfacial Bond Strength”, IEEE, 2007.

[8] Lakhi Goenka, Achyuta Achari,“Void Formation in Flip Chip Solder Bumps-Part II”, IEEE/CPMT, International Electronics Manufacturing Technology Symposium, 1996.