行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
子計畫一：無鉛銲錫球格陣列構裝接點之冷熱循環與動態疲
勞分析(III)
計畫類別： 整合型計畫 計畫編號： NSC91-2216-E-002-037- 執行期間： 91 年 08 月 01 日至 92 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣大學材料科學與工程學研究所 計畫主持人： 莊東漢 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 93 年 2 月 3 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
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※ 無鉛銲錫球格陣列構裝製程與可靠度分析 ※
※子計劃一：無鉛銲錫球格陣列構裝接點之冷熱循環與動態疲※
※ 勞分析(第三年) ※
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計畫類別：□個別型計畫■整合型計畫
計畫編號： NSC 91－2216－E002－037
執行期間： 91 年8 月1 日至92 年7 月31 日
計畫主持人： 莊東漢教授 台灣大學材料系
共同主持人：
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□ 國際合作研究計畫國外研究報告書一份
執行單位：國立台灣大學 材料科學與工程學系
中 華 民 國 九 十 二 年 七 月 三 十 日
1
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
子計劃一：無鉛銲錫球格陣列構裝接點之冷熱循環與動態疲勞分析(第三年) Subprogram 1：Temperature Cycling and Dynamic Fatigue Analysis of Pb-free
Solder Ball Grid Array Package (third year)
計 畫 編 號：NSC91-2216-E002-037 執 行 期 限：91 年 8 月 1 日 至 92 年 7 月 31 日 主 持 人 ：莊東漢教授 台灣大學材料系 一、中文摘要： 本子計劃第三年的主要目的係延伸 第一年的無鉛焊錫球格陣列構裝製程研究 與第二年計劃的冷熱循環疲勞破壞分析等 重要實驗結果，進一步對BGA構裝無鉛焊錫 接點，建立一套完整的可靠度試驗方法模 擬冷熱循環下的疲勞現象，以迅速評估電 子產品銲錫接點的可靠度品質。本年度另 一研究重點為構裝模組的電性分析，提供 更直接的應用參考數據，探討疲勞裂紋的 萌生與成長。此外，本年度亦利用有限元 素法模擬計算三點彎曲試驗的撓度與最大 等 效 塑 性 應 變 量 的 對 應 關 係 ， 代 入 Coffin-Manson方程式求出疲勞壽命，並與 實驗值進行相互比較及驗證。 關鍵詞：無鉛銲錫，球格陣列構裝，冷熱 循環試驗，動態疲勞試驗，電性分析 ABSTRACT:
The purpose of this study is to build up a complete reliability testing method for the simulation of fatigue phenomenon during the thermal cycling test in order to rapidly evaluate the reliability of Pb-free solder joints of BGA packages. Another effort of this project is the electrical analysis of packages to provide a direct information of crack nucleation and propagation during fatigue failure. In addition, the third year program also involves the finite element method to calculate the relation between the deflection and maximal equivalent plastic deformation. The fatigue life is obtained using Coffin-Manson equation, which is compared with the experimental results.
Keyword: reliability, fatigue, thermal cycling, Coffin-Manson. 二、計畫源由與目的 2.1 第一年與第二年的研究成果 本計劃在第一年計畫中完成了無鉛 銲錫球之製程研發與分析，成功建立數種 成分無鉛銲錫之迴銲曲線及其界面反應動 力學研究，並與Sn-37Pb相互比較。在第二 年的研究中，順利的規劃並執行冷熱循環 試驗，測試其熱疲勞壽命，並藉由機率、 統計等相關理論，對整個系統進行可靠度 分析。 2.2 第三年計畫源由及研究方法 由於傳統的冷熱循環試驗非常耗時， 1000 循環通常約需要 40 天，對於產品週 期很短的電子產業是一大困擾，而冷熱循 環試驗的破損模式基本上是疲勞作用所造 成，直接對球格陣列構裝模組施加機械力 循環，進行動態疲勞試驗，將可大幅縮短 銲錫接點可靠度評估的時程，對於構裝新 產品的設計與開發極有助益 。針對此需 求，本年度利用本實驗室所擁有國內最先 進 的 微 小 負 荷 動 態 試 驗 機 (MTS-Tytron 250)進行數種無鉛銲錫球格陣列構裝的相 關可靠度試驗，並以非破壞方式 In-Situ 量 測、記錄整體構裝模組的電阻歷史，直至 電路成開路。另外，本年度也以有限元素 法模擬計算三點彎曲試驗的撓度與最大等
效 塑 性 應 變 量 的 對 應 關 係 ， 代 入 Coffin-Manson 方程式求出疲勞壽命，並 與實驗值進行相互比較及驗證。 三、結果與討論 當銲錫及銲墊的成份、結構及微觀組織 發生變化或有裂紋產生、成長時，都會使 整個構裝線路電阻產生改變。圖一與圖三 是 Sn-58Bi PBGA 構裝模組在不同彎曲撓度 循環試驗下，串接電阻值隨施力循環次數 的變化情形，包含了裂紋萌生期、裂紋擴 展期及瞬間斷裂，藉此可清楚定義疲勞總 壽命。而圖二、四為圖一、三的局部放大， 可更深入了解整體構裝模組串接電阻的變 化情形。在撓度彎曲測試過程的初期，電 阻值呈現連續遞增振幅的波浪狀變化，相 位與施加的正弦力相同，但波形卻有極大 差異；這種電阻值與施力值的正弦波形差 異，主要是因為在反覆施力過程期間，電 阻值的變化並不只是單純由力量大小決 定，而是與材料本身受力後所造成的彈性 變形、塑性變形、幾何形狀改變、內部組 織變化(如差排增生、晶界滑移等)、溫度 升高、裂縫的有無以及裂縫的打開或閉合 等因素有關。屬於不可逆的損傷過程者， 如塑性變形、差排增生、晶界滑移、裂縫 產生及擴展等 ，將使電阻值永久性的提 高；而其他屬於可逆過程者，僅會使電阻 值產生暫時的改變。在初期循環，電路板 受力彎曲變形，BGA 元件的最外圍錫球截 面積縮小、高度變大，導致電阻值變大； 若應變回覆，銲錫球恢復到初始形狀，電 阻值又下降至接近初始值，這段施力循環 週次即相當於銲錫材料的疲勞裂紋萌生 期。但隨著機械循環週期逐漸增加，銲錫 會開始出現超過臨界尺寸的裂紋，電阻值 將會顯著的增加，當彎曲變形回覆、裂紋 會再閉合起來，電阻值又會下降至稍大於 初始值，這段期間是疲勞裂紋由萌生期轉 入擴展期的階段，而電阻稍微增大的原因 是由於裂紋閉合後的電阻仍然大於未裂開 的情形。 要量測 PBGA 構裝模組在 PCB 彎曲變 形下，銲錫所承受的應變量相當困難，即 使利用先進的光學全域量測技術，如疊紋 干涉術(Moire interferometry)或斑點干涉 術(speckle interferometry)等，也會由於三 點彎曲試驗包含了剛體運動而幾乎不可 行，因此更增添了有限元素模擬的重要 性。本研究以有限元素分析方式，首先針 對多種無鉛銲錫的 PBGA 構裝模組，在承 受 PCB 彎曲變形下，反應在錫球上的等效 塑性應變、塑性剪應變、等效 Von Mises 應力及塑性應變能密度等數值，進行有限 元素模擬求解。最後則將電腦分析得到的 最大等效塑性應變量代入 Coffin-Manson 方程式，求出疲勞壽命，並與實驗值進行 相互比較及驗證。PBGA 構裝模組受到 PCB 的彎曲變形，會在所有構件各處產生 相當程度的應力與應變，圖五是構裝模組 的彎曲變形示意圖。當 Sn-37Pb PBGA 構 裝模組受到 PCB 2%跨距的撓度時，會在 PBGA 邊緣的銲墊上產生 58.26MPa 應 力，邊角銲球上產生 64.14 MPa 應力（圖 六），而在 PCB 中間下層的邊緣銲墊附近 產生 71.84 MPa 應力（圖七），這是整個 PBGA 構裝模組中應力最大的地方。但由 於銲錫最具延展性、易降伏，因此雖然應 力並非整體構裝模組的最大者，但卻是最 容易破壞的地方，這種現象在多次實驗中 均得到證實。以下說明將焦點集中在 Sn-37Pb、Sn-51In 及 Sn-58Bi 三種銲錫材 料在各種不同 PCB 撓度作用下，產生出來 的等效塑性應變、塑性剪應變、等效 Von Mises 應力及塑性應變能密度等。在圖八 所示的眾多鍚球中，較大應力是位於最外
3 圍的錫球，而且又以最角落的錫球有最大 應力，這也是本研究將此錫球的網格分割 最細的原因。圖九是 Sn-37Pb BGA 在 3% 撓度作用下，在最角落錫球所產生的塑性 剪應變場。綜觀各圖可明顯發現，應力集 中位置均落在在節點 875、877、1421、1473 及 1280 (圖十)。圖十一、十二、十三則分 別是 Sn-37Pb、Sn-51In 與 Sn-58Bi PBGA 這些節點位置的塑性剪應變歷程圖，橫軸 一格代表兩個步程，亦即為 0.5%跨距的撓 度，全程則有 4%。從這些圖中可看出塑 性剪應變的最大值均落在 877 節點上。 Sn-51In 與 Sn-58Bi 在定性上與 Sn-37Pb 相 類似，但定量上，則因本實驗為控制撓度， 而非控制應力，所以剛性最低的 Sn-51In， 反應出來的各力學數值也都會較低；而 Sn-58Bi 有最大的剛性，因此各力學數值 均為最高者。Coffin-Manson 銲錫疲勞壽 命關係式可寫成
(
)
( )
' ln 2 ln 2 / ln ∆εep =c Nf + εf … ..(a) 將有限元素分析求得的等效塑性應 變量與其對應的失效循環數畫於縱軸 ：(
/2)
ln ∆εep ；橫軸：ln( )
2Nf 的雙對數座標 中(圖十四、十五、十六)，則可明顯看出 呈線性關係，符合 Coffin-Manson 的預期。 再分別利用最小平方法求得各材料的壽命 預估線的方程式如下： 1. Sn-37Pb： 925 . 0 f ep ) 2 ( 2 . 67 2 − = ∆ N ε … … .(b) 2. Sn-51In： 3372 . 0 f ep ) 2 ( 01488 . 0 2 − = ∆ N ε … ....(c) 3. Sn-58Bi： 7353 . 0 f ep ) 2 ( 401 . 8 2 − = ∆ N ε ..… ..(d) 四、計畫成果自評 本研究成功地將多種無鉛銲錫材料應 用在 BGA 晶片接點上，進行一系列彎曲疲勞 試驗，提供可靠度資訊。並以非破壞方式 即 時 監 測 整 體 構 裝 模 組 的 電 阻 歷 史， 瞭 解 特 定 撓 度 下 裂 紋 的 形 成 、 擴 展 及 壽 命。另外，本研究也使用有限元素電腦模 擬 搭 配 實 驗 結 果 求 出 Coffin-Manson 壽 命關係式，提供產、學、研界參考。 本年度計畫合計發表學術論文 7 篇： 1. M.Y. Chiu, S.Y. Chang, and Y.H. Tseng,Y.C. Chan and T.H. Chuang, 2002,
“Characterization of Intermetallic Compounds formed during the Interfacial Reactions of Liquid Sn and Sn-58Bi Solders with Ni Substrates”, Z. Metallkd., 93, 248-252, Germany.
2. C.L. Yu, S.S. Wang, and T.H. Chuang, 2002, “Intermetallic Compounds Formed at the Interface between Liquid Indium and Copper Substrates”, J. Electro. Mat., 31, 5, 488-493, U.S.A.
3. M.Y. Chiu, S.S. Wang, and T.H. Chuang, 2002, “Intermetallic Compounds Formed during Interfacial Reactions between Liquid Sn-8Zn-3Bi Solders and Ni Substrates”, J. Electro. Mat., 31, 5, 494-499, U.S.A.
4. T.H. Chuang, C.L. Yu, S.Y. Chang, and S.S. Wang, 2002, “Phase Identification and Growth Kinetics of the Intermetallic Compounds Formed During ln-49Sn/Cu Soldering Reactions”, J. Electro. Mat., 31, 6, 640-645, U.S.A.
5. T.H. Chuang , S.Y. Chang, L.C. Tsao, W.P. Weng, and H.M. Wu, 2003, “Intermetallic Compounds Formed during the Reflow of In-49Sn Solder Ball-Grid-Array Packages”, J. Electro. Mat., 32, 3, 195-200, U.S.A.
6. M.W. Liang, T.E. Hsieh, S.Y. Chang, and T.H. Chuang, 2003, “Thin-Film Reaction during
Diffusion Soldering of Cu/Ti/Si and
Au/Cu/Al2O3 with Sn Interlayers”, J. Electron.
Mat., in press, U.S.A.
7. H.M. Wu, and T.H. Chuang, 2003, “Interfacial Reactions between Liquid Sn8Zn3Bi Solders and Cu Substrates”, J. Mat. Eng. Perf., in press, U.S.A.
圖 一：Sn- 58Bi BGA 構 裝 模 組 在 PCB 1.5%彎 曲 撓 度 作 用 下 ， 串 接 電 阻 值 隨 施 力 循 環 次 數 的 變 化 情 形
圖 二：Sn- 58Bi BGA 構 裝 模 組 在 PCB 1.5%彎 曲 撓 度 作 用 下 ， 串 接 電 阻 值 隨 施 力 循 環 次 數 的 變 化 情 形
(圖 一 之 局 部 放 大 )
Sn-58Bi BGA Module Bending Fatigue Test (2%def.)
0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0 500 1000 1500 Number of Cycles (N ) Resistance ( O) 圖 三： Sn- 58Bi BGA 構 裝 模 組 在 PCB 2%彎 曲 撓 度 作 用 下 ， 串 接 電 阻 值 隨 施 力 循 環 次 數 的 變 化 情 形
Sn-58Bi BGA Module Bending Fatigue Test (2%def.)
0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 1050 1070 1090 1110 1130 1150 Number of Cycles (N ) Resistance ( O ) 圖 四： Sn- 58Bi BGA 構 裝 模 組 在 PCB 2%彎 曲 撓 度 作 用 下 ， 串 接 電 阻 值 隨 施 力 循 環 次 數 的 變 化 情 形 (圖 三 之 局 部 放 大 ) 圖五： 4%撓度作用下，整體構裝模組彎曲變形示意圖 圖六： 2%撓度作用下，反應在矽晶片、BT 基板與錫球 的 Von Mises 應力場 圖七： BGA 構裝在 PCB 彎曲變形下，整體模組的最大 應力發生在 PCB 中間下層的邊緣銲墊附近 圖八： Sn-37Pb BGA 構裝模組在 PCB 1.5%撓度作用下， 反應在錫球應力集中處的等效塑性應變場
5 圖九： Sn-37Pb BGA 構裝模組在 PCB 3%撓度作用下， 反應在錫球應力集中處的塑性剪應變場 圖十： BGA 構裝模組中錫球應力集中位置在節點 875、 877、1421、1473 及 1280 處 圖十一： Sn-37Pb BGA 構裝模組在 PCB 彎曲變形下， 最大應力集中處的撓度與塑性剪應變之關係 圖十二：Sn-51In BGA 構裝模組在 PCB 彎曲變形下， 最大應力集中處的撓度與塑性剪應變之關係 圖十三：Sn-58Bi BGA 構裝模組在 PCB 彎曲變形下， 最大應力集中處的撓度與塑性剪應變之關係
Sn-37Pb BGA Bending Fatigue Test
y = -0.925x + 4.2078 -5 -4 -3 -2 7 7.5 8 8.5 9
number of cycles to failure (ln(2Nf))
plastic strain range ( ln( ?
eep
/
2 ))
圖 十四：Sn- 37Pb BGA 模 組 在 彎 曲 疲 勞 作 用 下 ， 等 效 塑 性 應 變 量 與 疲 勞 壽 命 的 關 係
Sn-51In BGA Bending Fatigue Test
y = -0.3372x - 1.0463 -5 -4 -3 -2 6 7 8 9 10
number of cycles to failure (ln(2Nf))
plastic strain range ( ln( ?
eep
/2 ))
圖 十五：Sn- 51In BGA 模 組 在 彎 曲 疲 勞 作 用 下，等 效 塑 性 應 變 量 與 疲 勞 壽 命 的 關 係
Sn-58Bi BGA Bending Fatigue Test
y = -0.7353x + 2.1284 -5 -4 -3 -2 7 7.5 8 8.5
number of cycles to failure (ln(2Nf))
plastic strain range ( ln( ?
eep
/2 ))
圖 十六：Sn- 58Bi BGA 模 組 在 彎 曲 疲 勞 作 用 下 ， 等 效 塑 性 應 變 量 與 疲 勞 壽 命 的 關 係
