第三章 實驗方法

第三章 實驗方法

本實驗以脈衝式 YAG 雷射局部共晶錫鉛錫球（昇貿科技提供）進行無助銲 劑迴銲，觀察錫球外觀形貌，銲點內部微觀結構，銲錫與銅銲墊界面生成的介金 屬化合物種類及厚度變化，並與傳統迴銲的結果做一比較，並搭配推力試驗量測 銲點接合強度並分析其破斷之模式。

推力試驗參照 JESD22-B117 規範分析共晶錫鉛球迴銲後之銲點推力強度，

搭配金相觀察、SEM/EDX 分析等結果探討破壞發生的原因，並嘗試討論雷射迴 銲特徵與破壞模式的關連。

3.1.

首先將塗有感光性防銲漆（Photo-sensitive Solder Mask）的銅箔基板上（銅 箔厚度為 20 µm）的遮光膜除去，用氮氣槍去除灰塵或其它雜質顆粒；之後將基 板置入曝光機中曝光 20 秒，經 60 秒顯影後，定義出直徑 400 µm 的防銲漆開口，

銅墊間距則為 1.4 mm，之後將基板裁成寬 3 cm × 1 cm 大小，以符合雷射機台的 樣品座大小。雷射迴銲之前，將基板浸泡於 20 vol.%硝酸內兩分鐘，以除去銅表 面的氧化物，並用去離子水沖洗，迅速用氮氣槍吹乾後，將基板固定在基座上，

再將直徑 500 µm 的共晶錫球放置於銅墊上，並透過 CCD 觀察以確認銅墊與錫 球有確實接觸；隨後進行的迴銲實驗結果發現在表面處理後的 10 分鐘內銅墊氧 化的程度並不會影響潤濕性。

迴銲加熱時，首先須定出最低迴銲條件，之後加長脈衝寬度或調整輸出電壓 以控制輸出功率。透過 CCD 的觀察，調整雷射的位置使左、右兩支雷射點可加 熱於適當位置，因雷射聚焦點尺寸遠小於銅墊，故離焦（Defocus）距離不同將 使銲點受熱效果不同，實驗測試發現離焦距離以 1.5 mm 最為適當，之後則改變 電壓及時間使迴銲結果達到最佳化；圖 3-1 所示為實驗流程。

由於短時間、高電壓易使功率密度極大而易形成鑰孔銲接，故本實驗以長

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脈衝時間搭配低電壓的方式完成迴銲。200 V 為雷射機台之最低電壓值，10 msec 為最大的脈衝寬度，故實驗參數設計原則為：（1）固定電壓 200 V（即功率固定）， 調整脈衝寬度，探討加熱時間變化對迴銲結果的影響，（2）固定脈衝寬度 10 msec，調整電壓增加功率，探討電壓變化對迴銲結果的影響；（3）以多次迴銲取 代高電壓高功率的一次迴銲。表 3-1 為本實驗所使用的雷射迴銲實驗參數表。多 次迴銲的方式係以間隔 0.5 sec，相同脈衝條件的雷射光加熱到錫球上，如圖 3-2 所示。

感光性防銲膜銅箔基板

曝光顯影；定義開口為 400 µm 的銅銲墊

裁成 3 cm × 1 cm 的基板

浸泡於 20 vol.%硝酸 1 分鐘；DI 水清洗、吹乾

雷射迴銲

SEM/EDX 微觀結構觀察 推力測試 圖 3-1. 實驗流程。

表 3-1. 雷射迴銲實驗參數表（離焦距離 = 1.5 mm）。

電壓（V） 200 200 205 210 215 220 時間（msec） 7 10 10 10 10 10 一次迴銲能量（J） 2 2.4 2.8 3.2 3.5 3.9

二次迴銲能量（J） 4 4.8 – – – –

三次迴銲能量（J） 6 7.2 – – – –

四次迴銲能量（J） 8 9.6 – – – –

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0.5 msec

時間 0.5 msec

0.5 msec 能量

圖 3-2 多次脈衝加熱式意圖。

3.1.2. 銲點界面分析

將試片冷鑲埋後，依序以#60、#400、#1000、#2500、#4000 砂紙進行研磨，

接著以 0.3 µm 氧化鋁拋光，完成後以氮氣吹乾表面水氣或抽真空確定表面乾燥，

再以蝕刻液腐蝕表面以利成分分析。蝕刻液以鹽酸（HCl）：甲醇（Methanol） = 1：19 比例組成，目的係蝕刻錫以露出富鉛相（Pb-rich Phase）與 IMC。蝕刻後 鍍金，微結構觀察以背向散射式電子（Back Scattering Electron，BSE）SEM（Hitachi S4700）觀察 IMC 型態，再以 EDX（EDAX corp., The Standard EDS Detectors）

作成份分析。

3.1.3. 銲點接合強度分析

依 JESD-B227 標準，將各迴銲條件完成的銲點在推刀速率為 400 µm/sec 及 推刀與基板的距離為 100 µm 之條件下進行推力測試，各迴銲條件做 100 顆銲點 之推力試驗以進行統計分析。

3.2.

3.2.1. NEWPORT LW4200 型雷射銲接系統

本實驗所使用的雷射迴銲系統（Newport LW4200）如圖 3-3 所示。此迴銲系 統包括一個波長為 1.064 µm 的脈衝式 Nd：YAG 雷射及一傳輸雷射功率的光束傳 送系統（Beam-delivery System）。系統利用兩個反射率為 50%及 100%之分光鏡 將雷射能量均分，並經由輸出端的聚焦透鏡輸出，同時銲接在元件上，雷射光入

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射至銲件之角度為 15°，且兩道雷射光呈 180°均分排列，如此可使兩束雷射光同 時聚束工件上，且能量相同、排列對稱，可使得工件因銲接過程中材料固態化收 縮（Solidification-shrinkage）[35]而導致的應力累積達到最小。

圖 3-3. Newport LW4200 型雷射銲接系統。

3.2.2. 推球系統

本文銲錫推力測試係借用台大材料系莊東漢老師實驗室之 DAGE 4000 微推 拉力機。將製作完成的試片放置於推球機的平台上，利用幫浦吸附將試片固定於 平台的位置，適當地調整推刀的位置後，再由軟體來設定推刀推進時的參數，如 推刀的速度（= 400 µm/s）、高度（= 100 µm）等。

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