莊東漢臺灣大學：材料科學與工程學研究所吳惠敏Wu, Hui-MinHui-MinWu2007-11-262018-06-282007-11-262018-06-282006http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/55340本研究以添加不同含量的Bi元素在Sn3Ag0.5Cu銲錫內作為研究對象，除了針對銲錫本身微結構觀察之外，並與Au/Ni(P)/Cu接墊作接點界面反應與機械性質研究。 實驗結果顯示，當Bi的含量添加到3wt%時，銲錫內部可觀察到微量的純Bi析出，Bi含量達到6wt%時，觀察到Sn基地內的Bi析出量越多。而在熔點方面，Bi可以降低熔點溫度，且隨著Bi含量的添加，硬度與拉伸強度上升，但伸長率下降。 在球格陣列構裝方面，Sn3Ag0.5Cu在時效150℃時，銲錫內的AuSn4介金屬轉變成(Au,Ni)Sn4，界面介金屬成分也轉變為 (Cu,Ni,Au)6Sn5。而在添加Bi的Sn3Ag0.5Cu系列，在界面處有發現(Cu,Ni,Au)3Sn4介金屬生成。在總體界面介金屬厚度而言，與電鍍 Ni研究100相較，因在無電鍍Ni層之間有富P之Ni層與Ni3(Sn,P)薄層，為IMC/ Ni3(Sn,P)/P-rich Ni/Ni(P)，而此Ni3(Sn,P)薄層可視為Ni的擴散阻礙層，故厚度較為薄。在剪力強度方面，Sn3Ag0.5Cu有時效軟化問題，添加微量Bi後剪力強度增加且時效後呈現穩定剪力強度值，但當添加達到3wt%以後，破斷面會由延性破壞轉為脆性破壞。摘要…………………………………………………………………… I 目錄 Ⅱ 圖目錄 V 表目錄 XⅡ 壹、研究動機 1 貳、理論與文獻回顧 5 2-1 電子構裝技術簡介 5 2-1-1 球格陣列構裝的發展 8 2-1-2球格陣列構裝的主要破壞因素 10 2-1-3無鉛銲錫的發展 12 2-1-4印刷電路板之表面處理 14 2-2鉛錫合金與常見無鉛銲錫相關文獻 17 2-2-1 Sn-Pb銲錫的金脆現象 17 2-2-2常見二元無鉛銲錫特性 19 2-2-3常見三元無鉛銲錫特性 20 2-2-4添加第四元元素之無鉛銲錫研究 22 2-2-4-1無鉛銲錫添加Bi元素之研究 22 2-2-4-2 無鉛銲錫添加In、Co、Fe、Sb、Ni、Ga之研究 25 2-2-5球格陣列構裝接點可靠度 28 參、實驗規劃及方法 39 3-1無鉛銲錫選用與配置 39 3-2基板選用 40 3-3主要使用儀器設備： 40 3-4球格陣列構裝試驗 41 3-4-1銲錫球之迴銲試驗 41 3-4-2銲錫球之高溫儲存試驗 42 肆、結果與討論 48 4-1 Sn-3Ag-0.5Cu-XBi銲錫之研究 48 4-1-1 Sn-3Ag-0.5Cu-XBi銲錫合金之熔點 48 4-1-2 Sn-3Ag-0.5Cu-XBi銲錫合金之硬度與拉伸強度 49 4-2 Sn-3Ag-0.5Cu-XBi銲錫之球格陣列構裝研究 50 4-2-1 Sn-3Ag-0.5Cu銲錫之球格陣列構裝研究 50 4-2-2 Sn-3Ag-0.5Cu-1Bi銲錫之球格陣列構裝研究 55 4-2-3 Sn-3Ag-0.5Cu-3Bi銲錫之球格陣列構裝研究 57 4-2-4 Sn-3Ag-0.5Cu-6Bi銲錫之球格陣列構裝研究 60 4-2-5 添加Bi對界面介金屬厚度影響 61 4-3 Sn-3Ag-0.5Cu-XBi之推球強度 62 4-3-1 Sn-3Ag-0.5Cu之推球強度 62 4-3-2 Sn-3Ag-0.5Cu-XBi之推球強度 63 伍、結論 112 陸、參考文獻 114 附錄、論文發表 124 圖目錄 圖2-1 電子構裝的4個層次 31 圖2-2覆晶接合之特性 31 圖2-3 Direct Chip Attach (DCA)之示意圖 32 圖2-4 銲錫球自動對位示意圖 32 圖2-5依承載基板而分類的球格陣列構裝 33 圖2.7 推球試驗示意圖 37 圖2.8 推球試驗的破壞模式分類 38 圖3-1 本實驗所使用的銲錫之DSC曲線： (a) Sn-3Ag-0.5Cu 、(b) Sn-3Ag-0.5Cu-1Bi、(c) Sn-3Ag-0.5Cu-3Bi、(d)Sn-3Ag-0.5Cu-6Bi 43 圖3-2 SM 2000 CXE 熱風迴銲爐 44 圖3-3 DAGE 4000 接點強度試驗機 44 圖3-4 MTS-Tytron 250微小負荷試驗機 45 圖3-5銲錫球之迴銲實驗流程 46 圖3-6 銲錫球之高溫儲存試驗流程圖 47 圖4-1 Sn-Bi二元相圖 67 圖4-2迴銲前四種銲錫金相顯微組織：(a)Sn-3Ag-0.5Cu (b)Sn-3Ag-0.5Cu-1Bi (c)Sn-3Ag-0.5Cu-3Bi (d)Sn-3Ag-0.5Cu-6Bi 68 圖4-3 Sn-3Ag-0.5Cu銲錫迴銲後的錫球 69 圖4-4 Sn-3Ag-0.5Cu銲錫接點與Au/Ni(P)/Cu銲墊迴銲後的界面金相 69 圖4-5 Sn-3Ag-0.5Cu銲錫接點與Au/Ni(P)/Cu銲墊迴銲後，在100℃下不同時間之界面金相組織圖：(a)100小時 (b)300小時 (c)500小時 (d)700小時 (e)1000小時 70 圖4-6 Cu6Sn5界面介金屬在型態上，由扇貝狀逐漸平坦化之示意圖 71 圖4-7 Sn-3Ag-0.5Cu銲錫接點與Au/Ni(P)/Cu銲墊迴銲後，在100℃下不同時間之銲錫內部顯微組織圖：(a)100小時；(b)300小時；(c)500小時；(d)700小時；(e)1000小時 72 圖4-8 Sn-3Ag-0.5Cu銲錫接點與Au/Ni(P)/Cu銲墊迴銲後，在125℃下不同時間之界面金相組織圖：(a)100小時；(b)300小時；(c)500小時；(d)700小時；(e)1000小時 73 圖4-9 Sn-3Ag-0.5C迴銲後，在時效條件125℃1000小時下界面介金屬產生的裂紋 74 圖4-10 Sn-3Ag-0.5Cu銲錫接點與Au/Ni(P)/Cu銲墊迴銲後，在125℃下不同時間之銲錫內部顯微組織圖：(a)100小時；(b)500小時；(c)700小時；(d)1000小時 75 圖4-11 Sn-3Ag-0.5Cu銲錫接點與Au/Ni(P)/Cu銲墊迴銲後，在150℃下不同時間之界面金相組織圖：(a)100小時；(b)300小時；(c)500小時；(d)700小時；(e)1000小時 76 圖4-12 Sn-3Ag-0.5Cu銲錫接點迴銲後， Ni(P)層產生凹洞(Cavity)，時效條件: (a)150℃300小時、(b) 150℃700小時 77 圖4-13 Sn-3Ag-0.5Cu銲錫接點時效後，在銲錫與Ni(P層)間產生富P相與Ni-Sn-P相 78 圖4-14 Sn-Ni-P之EDX 78 圖4-15 Sn-3Ag-0.5Cu銲錫接點與Au/Ni(P)/Cu銲墊迴銲後，在150℃下不同時間之銲錫內部顯微組織圖：(a)100小時；(b)500小時；(c)700小時；(d)1000小時 79 圖4-16 Sn-3Ag-0.5Cu-1Bi銲錫接點與Au/Ni(P)/Cu銲墊迴銲後的界面金相圖 80 圖4-17 Sn-3Ag-0.5Cu-1Bi銲錫接點與Au/Ni(P)/Cu銲墊迴銲後，在100℃下不同時間之界面金相組織圖：(a)100小時；(b)300小時；(c)500小時；(d)700小時；(e)1000小時 81 圖4-18 Sn-3Ag-0.5Cu-1Bi銲錫接點在時效溫度100℃下，界面介金屬產生裂紋：(a)300小時；(b)1000小時 82 圖4-19 Sn-3Ag-0.5Cu-1Bi銲錫接點與Au/Ni(P)/Cu銲墊迴銲後，在100℃下不同時間之銲錫內部顯微組織圖：(a)100小時；(b)300小時；(c)500小時；(d)700小時；(e)1000小時 83 圖4-20 Sn-3Ag-0.5Cu-1Bi銲錫接點與ENIG Au/Ni(P)/Cu銲墊迴銲後，在125℃下不同時間之界面金相組織圖：(a)100小時；(b)300小時；(c)500小時；(d)700小時；(e)1000小時 84 圖4-21 Sn-3Ag-0.5Cu-1Bi銲錫接點與Au/Ni(P)/Cu銲墊迴銲後，在125℃下不同時間之銲錫內部顯微組織圖：(a)100小時；(b)300小時；(c)700小時；(d)1000小時 85 圖4-22 Sn-3Ag-0.5Cu-1Bi銲錫接點與Au/Ni(P)/Cu銲墊迴銲後，在150℃下不同時間之界面金相組織圖：(a)100小時；(b)300小時；(c)500小時；(d)700小時 86 圖4-23 Sn-3Ag-0.5Cu-1Bi銲錫接點與Au/Ni(P)/Cu銲墊迴銲後，在150℃下不同時間之銲錫內部顯微組織圖：(a)100小時；(b)300小時；(c)500小時；(d)700小時；(e)1000小時 87 圖4-24 Sn-3Ag-0.5Cu-3Bi銲錫接點與Au/Ni(P)/Cu銲墊迴銲後的界面金相圖 88 圖4-25 Sn-3Ag-0.5Cu-3Bi銲錫接點與Au/Ni(P)/Cu銲墊迴銲後，在100℃下不同時間之界面金相組織圖：(a)100小時；(b)300小時；(c)500小時；(d)700小時；(e)1000小時 89 圖4-26 Sn-3Ag-0.5Cu-3Bi銲錫接點與Au/Ni(P)/Cu銲墊迴銲後，在100℃下不同時間之銲錫內部顯微組織圖：(a)100小時；(b)300小時；(c)500小時；(d)700小時；(e)1000小時 90 圖4-27 Sn-3Ag-0.5Cu-3Bi銲錫接點與Au/Ni(P)/Cu銲墊迴銲後，在125℃下不同時間之界面金相組織圖：(a)100小時；(b)300小時；(c)500小時；(d)700小時；(e)1000小時 91 圖4-28 Sn-3Ag-0.5Cu-3Bi銲錫接點與Au/Ni(P)/Cu銲墊迴銲後，在125℃下不同時間之銲錫內部顯微組織圖：(a)100小時；(b)300小時；(c)500小時；(d)700小時；(e)1000小時 92 圖4-29 Sn-3Ag-0.5Cu-3Bi銲錫接點與Au/Ni(P)/Cu銲墊迴銲後，在150℃下不同時間之界面金相組織圖：(a)100小時；(b)300小時；(c)500小時；(d)700小時；(e)1000小時 93 圖4-30 Sn-3Ag-0.5Cu-3Bi銲錫接點與Au/Ni(P)/Cu銲墊迴銲後，在150℃下不同時間之銲錫內部顯微組織圖：(a)100小時；(b)300小時；(c)500小時；(d)700小時；(e)1000小時 94 圖4-31 Sn-3Ag-0.5Cu-6Bi銲錫接點與Au/Ni(P)/Cu銲墊迴銲後的界面金相圖 95 圖4-32 Sn-3Ag-0.5Cu-6Bi銲錫接點與Au/Ni(P)/Cu銲墊迴銲後，在100℃下不同時間之界面金相組織圖：(a)100小時；(b)300小時；(c)500小時；(d)700小時；(e)1000小時 96 圖4-33 Sn-3Ag-0.5Cu-6Bi銲錫接點與Au/Ni(P)/Cu銲墊迴銲後，在100℃下不同時間之銲錫內部顯微組織圖：(a)100小時；(b)300小時；(c)500小時；(d)700小時 97 圖4-34 Sn-3Ag-0.5Cu-6Bi銲錫接點與Au/Ni(P)/Cu銲墊迴銲後，在125℃下不同時間之界面金相組織圖：(a)100小時；(b)300小時；(c)700小時；(d)1000小時 98 圖4-35 Sn-3Ag-0.5Cu-6Bi銲錫接點與Au/Ni(P)/Cu銲墊迴銲後，在100℃下不同時間之銲錫內部顯微組織圖：(a)100小時；(b)700小時；(c)1000小時 99 圖4-36 Sn-3Ag-0.5Cu-6Bi銲錫接點與Au/Ni(P)/Cu銲墊迴銲後，在150℃下不同時間之界面金相組織圖：(a)100小時；(b)300小時；(c)700小時；(d)1000小時 100 圖4-37 Sn-3Ag-0.5Cu-6Bi銲錫接點與Au/Ni(P)/Cu銲墊迴銲後，在150℃下不同時間之銲錫內部顯微組織圖：(a)300小時；(b)700小時；(c)1000小時 101 圖4-38迴銲後界面介金屬厚度與含Bi量之曲線圖 102 圖4-39 Sn-3Ag-0.5Cu銲錫球之剪力強度值 103 圖4-40 Sn-3Ag-0.5Cu銲錫接點經剪力試驗後之破斷面：(a)迴銲後、(b)時效條件100℃，500小時、(c)時效條件150℃，1000小時 104 圖4-41 Sn-3Ag-0.5Cu銲錫球之硬度值 105 圖4-42 Sn-3Ag-0.5Cu-1Bi銲錫球之剪力強度值 105 圖4-43 Sn-3Ag-0.5Cu-1Bi銲錫接點經剪力試驗後之破斷面：(a) 時效條件100℃，700小時、(b)時效條件125℃，1000小時、(c)時效條件150℃，1000小時 106 圖4-44 Sn-3Ag-0.5Cu-1Bi銲錫球之硬度值 107 圖4-45 Sn-3Ag-0.5Cu-3Bi銲錫球之剪力強度值 107 圖4-46 Sn-3Ag-0.5Cu-3Bi銲錫接點經剪力試驗後之破斷面，時效條件：(a)100℃，500小時、(b) 100℃，1000小時、(c) (d) 150℃，100小時 108 圖4-47 Sn-3Ag-0.5Cu-3Bi銲錫接點之破斷面 109 圖4-48 Sn-3Ag-0.5Cu-3Bi銲錫球之硬度值 109 圖4-49 Sn-3Ag-0.5Cu-6Bi銲錫球之剪力強度值 110 圖4-50 Sn-3Ag-0.5Cu-6Bi銲錫球之硬度值 110 圖4-51 Sn-3Ag-0.5Cu-6Bi銲錫接點經剪力試驗後之破斷面，時效條件：(a)100℃，100小時、(b) 125℃，500小時、(c) 125℃，1000 (d) 150℃，700小時 111 表目錄 表2-1PBGA之優缺點 33 表2-2 常見的無鉛銲錫種類 34 表2-3為一些國外大廠目前所使用的無鉛銲錫種類 35 表2-4為銲錫在不同環境下與不同基材表面處理之間的匹配程度 35 表2-5添加微量Bi含量對Sn-3Ag-0.5Cu的熔點之影響 36 表2-6添加微量Bi含量對Sn-3Ag-0.5Cu的機械性質之影響 36 表4-1四種銲錫熔點範圍 66 表4-2四種銲錫之硬度與拉伸強度值 66 表4-3 Sn-3Ag-0.5C-XBi銲錫內，Sn基地之含Bi量 68en-USSn3Ag0.5Cu-xBi 球格陣列構裝Sn3Ag0.5Cu-xBi BGAthesis