電鍍霧錫系統中應力誘發錫鬚晶成長機制之探討

電鍍霧錫系統中應力誘發錫鬚晶成長機制之探討

李照康 顏怡文*

國立台灣科技大學材料科技所

本研究主要針對電鍍霧錫系統中，施加一應力使試片彎曲產生壓縮及拉伸應力，並藉由改變電流 密度及熱處理時間之條件下，模擬引腳元件實際操作所產生應力誘發錫鬚晶之觀察，以期望能找 到抑制或延緩鬚晶生長的最佳加工條件，減輕鬚晶問題所造成的破壞及損失。結果顯示，對於彎 曲之引腳會產生拉張及壓縮應力，壓縮應力處明顯較拉張應力處或是無刻意施加應力區域有較多 以及較長之錫鬚晶的產生；在不同之電流密度下，在低電流密度有較多以及較長之錫鬚晶的生 長，在高電流密度錫鬚晶才正要從錫表面層生長；在不同熱處理溫度，殘留應力可以藉由高溫來 均質化消除，隨時間的增加，介金屬化合物會在介面處形成另一個無法完全抵銷的應力來源，在 高溫下只能夠延遲錫鬚晶的生成。

關鍵字：錫鬚晶、應力誘發、引腳、表面修飾

1. 前言

在 半 導 體 製 程 中 的 表 面 黏 著 技 術 (surface mount technology, SMT)部份，通常以高導電度的銅來做為傳導用 之導線架(lead frame)的主要材料，並在導線架表面被覆銲錫 增加引腳的鈍化性及提高潤濕性，以便有助於引腳和電路板 間之相互接合。而傳統上是利用錫-鉛銲料作為被覆層，但 隨著環保意識的抬頭，歐盟及各大國紛紛立法規範鉛的使 用，使在電子電機相關產品中之有鉛製程轉為無鉛化製程 [1]。而在無鉛化製程中，引腳被覆材料大多採用錫或錫銅 合金系統。由於有鉛化轉為無鉛化製程，對於引腳之表面修 飾最大的影響是錫鬚晶(tin whisker)的自發性生成，在高電 場作用下，錫鬚晶會有尖端放電的現象，放電所產生的火花 可能引起元件的失效。若錫鬚晶持續成長，其長度達到足以 連接兩相鄰引腳時，則會造成線路短路，使元件失效。

錫鬚晶是由鍍錫表面自發性生長出來的單晶結構，由鍍 錫層底部開始生長[2]，普通的錫鬚晶直徑通常為 1-3 μm，

長度通常為1 μm 到 9 mm 不等。錫鬚晶是電鍍過程中形成 的缺陷或是從基材中擠壓出來的，錫鬚晶一般呈現細直筆長 的針狀或蜿蜒曲折的不規則狀[3]，常見的為線狀、柱狀、

結瘤狀與小丘狀的形態。

一般相信，造成錫鬚晶成長主要是錫層內部不斷在進行 應力的累積與釋放所殘留之壓應力。此殘留壓應力可能有下 列幾種來源：(1)介金屬化合物（intermetallic compound），

在 基 材 與 鍍 層 之 間 的 結 合 產 生 某 種 金 屬 間 化 合 物( 如 Cu6Sn5)，使鍍層中產生壓應力[4]。(2)鍍層與基材金屬之間 的熱膨脹係數不匹配引發之壓應力[5,6]。(3)鍍層表面錫的氧 化物的形成，由於其體積變化產生壓應力[7]；另外，表面 錫氧化層存在著缺陷或裂縫，在內部的應力作用下錫被擠壓 出形成錫鬚晶。(4)基材金屬原子擴散進入鍍層引起鍍層中 產生壓應力。此外，鍍層表面施加外部應力、鍍層刮痕、電 鍍元件存放環境、鍍層厚度、結晶狀態、電鍍條件等均會影 響錫鬚晶的生成。

本研究將銅試片彎曲特定角度以模擬引腳真實狀況，使 引腳之鍍層結構產生ㄧ面應力為張應力而另一面為壓縮應 力。藉以觀察電鍍期間所產生之不同應力狀態對於錫鬚晶生 長的影響。同時觀察在不同電鍍條件產生之不同膜厚及晶粒 型態對於錫鬚晶之影響。並藉由改變熱處理時間對於拉張、

壓縮應力對於錫鬚晶之影響。

2. 實驗方法

本實驗使用的基材為銅片，將銅片裁切為 0.5 cm× 1.0 cm× 0.5 mm的試片，以 10%之鹽酸酸洗去除汙漬及表面氧 化層，再以去離子水沖洗，去除殘留酸液。再以1.0 μm 之 氧化鋁粉溶液拋光，置入超音波震盪器中水洗，去除表面顆 粒。利用自製製具，將試片彎曲90°，使其在電鍍期間在不 同區域產生不同應力狀態。之後以商業電鍍液固定電鍍時間

兩分鐘，改變電鍍之電流，使電流密度分別為5、10、15ASD (ASD = Amp / dm² )，以控制鍍層厚度。將不同條件下鍍好 的試片分別置於60、80 和 120℃進行熱處理，其時間分別 為100、150、200 和 250 小時。取出試片，以場發掃描式電 子顯微鏡(FE-SEM)進行表面結構分析。

3. 結果與討論

本研究主要針對於在拉張或壓縮不同應力狀況，如圖一 示意圖。改變電流密度以及改變時效時間與無刻意施加應力 之各種條件下之比較，藉此來探討應力誘發對於錫鬚晶生長 之研究。

圖一 引腳彎曲受力區域示意圖，在凸面區域為拉張應力，

在凹面區域為壓縮應力，其他部分為未刻意施加應力 區域。

3.1 不同應力區域對於鬚晶生長之影響

引腳之彎曲會在電鍍過程中產生三個不同受力區域，分 別為無應力、拉張應力以及壓縮應力。本研究將針對於此三 種應力條件分析。由圖二可以明顯的發現，圖中分為兩區 域，在圖二(A)區域為引腳遭受拉伸應力，圖二(B)中為無刻 意施加應力，明顯發現在拉張應力區域，錫鬚晶的數目遠遠 小於無施加應力的區域。

在圖二中比較無刻意施加應力與產生拉張應力之錫鬚 晶成長之比較圖，在拉張應力區域中可以發現些許的裂紋，

裂紋沿著錫表面氧化的某些晶粒能夠成為提供消除應力的 源頭。所在拉張應力區域中，殘留應力能夠藉由裂紋的形成 而釋放。但仍然會有錫鬚晶的生成，主要是當錫原子從鄰近 的晶粒往能夠產生應力消除之晶粒中擴散時，錫晶粒將會通 過裂紋擠壓出來形成錫鬚晶。

在圖三中為無刻意施加應力與產生壓縮應力之錫鬚晶 成長之比較圖。在圖三(A)中，為無刻意施加應力區域，其 錫鬚晶數目遠遠小於圖三(B)施加壓縮應力區域。在壓縮應 力區域明顯較無刻意施加應力區域有較多及較密集的錫鬚

晶生成，主要相信在在電鍍過程中，因引腳表面之形狀，造 成在凹面區域中錫原子彼此間互相擠壓，造成一預應力於鍍 層表面，在時效過程中，藉由錫鬚晶的生長釋放此應力。而 在拉伸區域，在電鍍過程中，在鍍層表面之密度將會較小於 壓縮應力區域，其所產生之預應力會小於壓縮應力區域以及 未刻意施加應力區域。

圖二 不同應力對於錫鬚晶生長之影響，在區域 A 為遭受拉 伸應力區域；在區域B 為無刻意施加應力區域。

圖三 不同應力狀態對於錫鬚晶之影響在圖 (A)為無刻意施 加應力區域；(B)為遭受壓縮應力區域。

3.2 應力誘發對於不同電流密度之影響

不同電流密度會造成鍍層之結構及晶粒型態之不同，

因為電流密度表示單位面積上所通過之電流通量大小，而此 通量大小將會影響鍍浴中添加劑的吸著與晶核沉積。當電流

密度越大時，單位面積通過之電流量較大，此時鍍浴中的添 加劑粒子會快速吸附在陰極基材上，而鍍浴中的金屬離子會 在基材表面沉積形成晶核，並且成長。所以當電流密度大 時，吸附速度較快，表面成核時間相近，晶核會一起成長為 大小較一致的晶粒。

如圖四所示，在低電流密度其鍍層之晶粒型態呈現較為 鬆散且不規則狀。當電流密度增加時，鍍層之晶粒型態將轉 為較為緻密，並隨著電流密度的增加，錫鬚晶有越來越難形 成的趨勢，當電流密度達到15ASD 時，幾乎沒有錫鬚晶的 出現或是錫鬚晶才要從錫鍍層表面生長。

圖四 不同電流密度對晶粒型態之影響：(A)為電流密度 5ASD 電鍍之錫鍍層；(B)為電流密度 10ASD 電鍍之錫 鍍層；(C)為電流密度 15ASD 電鍍之錫鍍層。

電流密度所造成不同晶粒型態及鍍層厚度對於錫鬚晶的 生成有強烈的影響，在低電流密度時，造成較為鬆散且較薄 的鍍層，此條件下錫鬚晶容易生長，在長度方面與密度方面

都遠遠大於高電流密度。這是因為在低電流密度條件下，鍍 層較薄其相對所造成之氧化層亦較為薄弱。鍍層與基材間之 殘留應力相較下顯得較容易釋放出來，形成錫鬚晶。同時研 究結果顯示，在不同應力誘發條件下，改變電流密度與無刻 意施加應力狀態下並無太大的差異性。

3.3 應力誘發於不同熱處理溫度、時間之影響

若電流密度固定時，將試片放在不同溫度的環境下，固 定時間做時效處理，觀察不同溫度以及不同誘發應力對鬚晶 成長狀況的差異。

觀察各溫度短時間與長時間熱處理對錫鬚晶生成影響 的差異，本研究結果顯示，對於長時間的熱處理可以使錫銅 介面有足夠的時間發生介面反應，產生介金屬層。介金屬相 沿著晶界移動，較小尺寸的晶粒會形成較大的壓縮應力。此 外，大尺寸的鍍錫層，熱力學上比較安定，不容易發生再結 晶。因此，要在大晶粒的錫鍍層中長出錫鬚晶比在小晶粒錫 鍍層困難許多。

熱處理溫度對於鬚晶生長的影響，對於高溫處理之錫鍍 層相對於低溫處理之錫鍍層之錫鬚晶有較短小的尺寸，如圖 五所示。在較高溫度的熱處理程序下，表面錫鍍層因為溫度 升高而傾向均質化，均質化的過程有助於將鍍層與基材間的 殘留應力慢慢釋放且消除。但是在高溫熱處理程序下，必須 考慮到錫鍍層與銅基材間的界面會有界面反應發生，衍生出 介金屬相生成的問題，介金屬化合物會在基材中形成另一個 無法完全抵銷的應力來源，在錫-銅界面的介金屬層會隨著 熱處理時間與溫度的增加而變厚。其主要機制為在錫銅介面 處之應力的來源為兩層間的界面。隨著時間增加，錫-銅界 面的介金屬相剛形成，較薄的介金屬層可以在界面形成暫時 的阻障層，此時表面的錫層雖然會受到應力作用，但是因為 錫擴散到銅造成之應力可抵消由銅基材往錫擴散造成之應 力，所以由介金屬相對錫層所造成之張力還不至於太大。錫 層的厚度相較於銅基材而言是非常薄，當錫擴散到銅達到飽 和時，銅還是會繼續往錫層的方向擴散。隨著界面反應持續 發生，導致錫-銅的介金屬層往錫層的方向生長，故當介金 屬層的厚度持續增加到一定程度時，內部應力的來源主要由 介金屬相提供，會對錫層產生一個無法抵銷的壓應力，為了 釋放這些壓應力，鬚晶會加速生長。

另外，應力誘發對於不同熱處理溫度、時間之影響，不 論是拉張應力或是壓縮應力，其研究結果與在無刻意施加應 力之區域並沒有太大的差異。

圖五 低溫及高溫時效熱處理對錫鬚晶之影響：(A)為 10ASD 在60℃時效 100 小時之 SEI 影像圖；(B)為 10ASD 在 120℃時效 100 小時之 SEI 影像。

4. 結論

在本研究中，主要試探討模擬真實引腳元件實際操作所 產生應力誘發錫鬚晶之觀察，以期望能找到抑制或延緩鬚晶 生長的最佳加工條件，減輕鬚晶問題所造成的破壞及損失。

結果顯示，對於彎曲之引腳會產生拉張、壓縮應力，在壓縮 應力處明顯較拉張應力處或是無刻意施加應力區域有較多 以及較長之錫鬚晶的產生；在固定電鍍時間及固定時效時間 但不同之電流密度下，在低電流密度有較多以及較長之錫鬚 晶的生長，在高電流密度錫鬚晶在相同條件下才正要從錫表 面層生長；在不同熱處理溫度，鍍層與基材的殘留應力可以 藉由高溫來均質化來慢慢釋放並消除，但是隨熱處理時間的 增加，介金屬化合物會在介面處形成另一個無法完全抵銷的 應力來源，在高溫下只能夠延遲錫鬚晶的生成。另外，應力 誘發對於電流密度以及不同熱處理溫度、時間之影響，不論 是拉張應力或是壓縮應力，其研究結果與在無刻意施加應力 之區域並沒有太大的差異。

誌謝

本研究感謝台灣科技大學材料中心 廖勝權先生於場發 掃描式電子顯微鏡（FE-SEM）之協助。

參考文獻

[1] P. Zarrow, Circuit Assembly, p.18-20 (1999)

[2] W. J. Choi, T. Y. Lee, K. N. Tu, N. Tamura, R. S. Celestre, A.

A. MacDowell, T. T. Sheng, Y. Y. Bong, and L. Nguyen, 52nd Electro. Comp. and Tech., May 28-31, San Diego, pp.628-633, CA (2002)

[3] http：//nepp.nasa.gov/whisker/

[4] K. N. Tu：Interdiffusion and reaction in bimetallic Cu-Sn thin films, Acta Metallurgica, 21, pp. 347-354 (1973)

[5] K. N. Tu and R. D. Thompson：Kinetics of Interfacial Reaction in Bimetallic Cu-Sn Thin Films, Acta metall., 30, pp.947-952 (1982)

[6] K. N. Tu and J. C. M. Li：Spontaneous whisker growth on lead-free solder finishes, Materials Science and Engineering A, 409, pp. 131-139 (2005)

[7] C. Xu, Y. Zhang, C. L. Fan, and J. A. Abys：Driving Force for the Formation of Sn Whiskers: Compressive Stress—Pathways for Its Generation and Remedies for Its Elimination and Minimization, IEEE Transactions on Electronics Packaging Manufacturing, 28, pp.31-35 (2005) [8]K. N. Tu：Cu/Sn interfacial reactions: Thin-film case versus bulk case, Materials Chemistry and Physics, 46, pp. 217-223 (1996)