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研究生:邱銘彥
研究生(外文):Chiu, Ming-Yen
論文名稱:Sn8Zn3Bi無鉛銲錫塑膠及陶瓷球格陣列界面反應研究
指導教授:莊東漢莊東漢引用關係
學位類別:博士
校院名稱:國立臺灣大學
系所名稱:材料科學與工程學研究所
學門:工程學門
學類:材料工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:154
中文關鍵詞:球格陣列構裝Sn8Zn3Bi無鉛銲錫可靠度測試
外文關鍵詞:Ball Grid ArraySn8zn3Bi lead-free solderrelibility test
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在電子構裝中,共晶鉛錫銲錫合金用於用於連結晶片與外接導線的作用,同時具有傳輸訊號、散熱的作用,隨著環保意識的升高,因此有無鉛銲錫取代鉛錫合金已成為未來的趨勢,其中錫鋅鉍合金銲錫因為其熔點與共晶鉛接近、費用低、良好的機械性質,因此不失為未來無鉛銲錫的候選者之一。因應目前高頻高腳數的IC發展趨勢,球格陣列構裝(BGA)因其具有小型化、高腳數、傳遞訊號快、散熱快等優點,目前已成為電子構裝的主流之一。本實驗分為兩部分,一部份針對Sn8Zn3Bi銲錫與鎳、銀、金三種基板間的銲錫反應,探討其界面生成相的種類與型態,界面生成相的成長動力學及銲錫與基板間的潤溼性,另一部份為以Sn8Zn3Bi銲錫作為球格陣列的銲錫接點進行時效處理,利用推球的方式評估其可靠度,觀察其界面生成相種類與型態。
研究結果顯示,在銲錫反應方面, Sn8Zn3Bi/Ni銲錫反應溫度在350°C以下只生成平坦層狀的Ni5Zn21,當銲錫反應溫度在350°C以下時,會生成Ni5Zn21+ Ni35Zn22Sn43兩種界面生成相,整個銲錫反應溫度中,界面生成相均為界面控制機構所控制,其接觸角會隨著反應溫度增加而上升。Sn8Zn3Bi/Au/Cu/Al2O3的銲錫反應中, Au會快速溶進液態銲錫中,形成層狀的19-21mm的g2,金層消耗完, Zn原子繼續擴散與Cu鍍層反應形成g-Cu5Zn8相,其生成機制為一個混合型機構所控制,同時在g2/g-Cu5Zn8界面上會有g-(Au,Cu)5Zn8相伴隨著一些微裂縫形成, g-(Au,Cu)5Zn8相的生長機制會隨著反應溫度的上升而由擴散機制轉變為界面機制控制為一個擴散機構所控制。在Sn8Zn3Bi/Ag/ Al2O3上, 當反應溫度在325°C以下,會生成三種界面生成相分別為z、g、e三相,可以看出在銲錫反應進行中,會有Ag原子從基板上溶解出,而且在界面生成物中,Ag的濃度為z相<g相<e相。當溫度高於325°C,整個界面生成相變為e相,且當銲錫反應溫度上升時,e相中的Ag濃度會上升。
在球格陣列反應中,Au層在迴銲時就會形成條狀的白色g相且自界面剝離至液態銲錫中,當經過時效處理後,白色g相會轉變為灰色的g3相,此相變態不會影響銲錫推球強度。在Sn8Zn3Bi/Ni界面上形成Ni5Zn21的界面生長層,其生長為擴散機構所控制,成長活化能為51.8 kJ/mol。當時效溫度高於150°C時,Ni5Zn21厚度增加速率很快,同時推球強度也會大幅下降,而且推球破損型態會由銲錫球中的延性破裂到界面的脆性破裂, Sn-8Zn-3Bi作為無鉛銲錫接點所要注意的是適合的迴銲製程以及保護氣氛的控制,需使用較強的助銲劑以排除氧化物,組裝後元件之工作溫度最好小於150°C。在這些前提下,Sn-8Zn-3Bi銲錫不失為最佳的無鉛銲錫。
Eutectic Sn-Pb solder play an important role in electrical package industry due to its good mechanical properties, good signal transformation and good heat property. However, lead would damage the human and the environment, the Pb-free solder is the trend of the new generation solder. The Sn8Zn3Bi solder has some properties such as the melting point is close to the melting point of the eutectic Pb-Sn solder, good mechanical properties and low cost. The Sn8Zn3Bi solder become one of the new generation solders. The trend of the IC industry is small size, high density, high power, and high frequency. The Ball Grid Array (BGA) technology can fit the requirement of the IC industry, it becomes the most popular electrical package technology.
There are two parts in the experiment, one is the Sn8Zn3Bi solder reaction with Ni, Au, Ag substrates and the other is the Sn8Zn3Bi BGA reliability test with ball shear test. We discuss the morphology of interfacial product, the composition, the kinetic of the interfacial phase and the wettability of the Sn8Zn3Bi solder.
In the Sn8Zn3Bi/Ni solder reaction, only one interfacial phase (Ni5Zn21) was observed when the temperature blow 350°C. Above 350°C, there are two layer intermetallic compound (Ni5Zn21+ Ni35Zn22Sn43) formed in the Sn8Zn3Bi/Ni interface. The growth kinetic of the intermetallic compound during the whole temperature range is interface-controlled. In the wettability test, the contact angle would increase when the solder temperature decrease.
In the Sn8Zn3Bi/ Au/Cu/Al2O3 solder reaction, the Au layer would dissolved rapidly into the liquid Sn8Zn3Bi solder to form g2 phase with the thickness of 19-21mm. When the Au layer dissolved completely, Zn would reaction with Cu layer to form g-Cu5Zn8 intermetallics which growth kinetic is mixed controlled. Due to the diffusion of the Au atom, there is some void and g-(Au,Cu)5Zn8 phase formed in the g2/g-Cu5Zn8 interface.
In the Sn8Zn3Bi/ Ag/Al2O3 solder reaction, when the temperature blow 325°C, z、g、e three phase were observed in the interface, when the temperature above 325°C, only e phase formed in the interface.
In the BGA process, the Au layer would dissolve into the liquid solder and formed the g phase. After aging process, the g phase would transform to g3 phase, and the phase transfer would not affect the shear strength. Ni5Zn21 phase would formed in the interface. The growth kinetic of Ni5Zn21 phase is diffusion-controlled and the activation energy is 51.8 kJ/mol. When the aging temperature above 150°C, the fracture of the solder ball would become brittle because the thickness of Ni5Zn21 phase is too large. The Sn8Zn3Bi solder would be a good solder in the condition which are reflow in the N2 atmosphere and the work temperature is below 150°C.
目 錄
頁次
中文摘要………………………………………………………………….I
英文摘要……………………………………………………………….III
目錄…………………………………………………………………….V
圖目錄…………………………………………………………….…VIII
表目錄………………………………………………………………..XIII
壹、 前言...……………………………………………………………….1
貳、 文獻回顧……………………………………………………………6
2-1電子構裝簡介………………………………………………………..6
2-1-1 構裝之發展及其未來趨勢……………………………………...7
2-1-2 球格陣列構裝簡介…………………………………………….22
2-2無鉛銲錫之發展……………………………………………………29
2-2-1 無鉛銲錫之源由……………………………………………...29
2-2-2 各國之法令規範………………………………………………32
2-2-3 無鉛銲錫之發展……………………………………………...37
2-3 銲錫反應動力學…………………………………………………...43
2-3-1 界面機構控制反應…………………………………………...44
2-3-2 擴散機構控制反應…………………………………………...45
2-4銲錫潤濕性的評估與量測…………………………………………47
2-5電子構裝之可靠度分析……………………………………………52
2-6銲錫界面反應………………………………………………………57
參、 實驗方法…………………………………………………………..62
3-1 Sn-8Zn-3Bi銲錫反應研究……………………………………...….62
3-1-1 Sn-8Zn-3Bi銲錫與鎳基板之銲錫反應…………………….66
3-1-2 Sn-8Zn-3Bi銲錫與金厚膜基板之銲錫反應…………….…70
3-1-3 Sn-8Zn-3Bi銲錫與銀厚膜基板之銲錫反應……………….73
3-2 Sn-8Zn-3Bi銲錫球格陣列構裝研究……………………………....76
3-2-1球格陣列構裝之基板……………………………………….76
3-2-2 Sn-8Zn-3Bi銲錫球製作…………………………………….78
3-2-3 Sn-8Zn-3Bi銲錫球格陣列迴銲曲線之探討……………….80
3-3-4 Sn-8Zn-3Bi銲錫球格陣列塑膠構裝之研究……………….83
3-3-5 Sn-8Zn-3Bi銲錫球格陣列塑膠構裝之研究……………….87
肆、 結果與討論………………………………………………………..90
4-1 銲錫反應研究………………………………………………...90
4-1-1 Sn-8Zn-3Bi銲錫之特性…………………………………….90
4-1-2 Sn-8Zn-3Bi銲錫與鎳基板之銲錫反應……………………92
4-1-2-1 界面生成物的種類與型態………………………………92
4-1-2-2 界面生成物的成長動力學………………………………95
4-1-2-3 Sn-8Zn-3Bi銲錫在鎳基板的潤濕性…………………….96
4-1-2-4 綜合討論…………………………………………………97
4-1-3 Sn-8Zn-3Bi銲錫與金厚膜基板基板之銲錫反應……………...112
4-1-3-1 界面生成物的種類與型態………………………………..112
4-1-3-2 界面生成物的成長動力學………………………………..114
4-1-3-3 綜合討論…………………………………………………..115
4-1-4 Sn-8Zn-3Bi銲錫與銀厚膜基板基板之銲錫反應……………...121
4-1-4-1 界面生成物的種類與型態………………………………121
4-2 Sn-8Zn-3Bi銲錫球格陣列塑膠構裝研究………………………..128
4-2-1 完成迴銲製程之Sn-8Zn-3Bi銲錫球之界面反應研究…….131
4-2-2 完成時效反應之Sn-8Zn-3Bi銲錫球之界面反應研究…….132
4-2-3 界面生成物之成長動力學………………………………….134
4-2-4 Sn-8Zn-3Bi銲錫球之推球強度與時效處理之關係………...134
4-2-5 組裝後的Sn-8Zn-3Bi球格陣列構裝界面反應…………….135
4-2-6 綜合討論…………………………………………………….136
伍、結論……………………………………………………..148
陸、參考文獻………………………………………………………….150
附錄……………………………………………………………………154
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