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研究生:施伯錚
研究生(外文):Po-Cheng Shih
論文名稱:錫銀銅系無鉛銲錫與Cu/Ni-P/Au基板之界面接合行為
論文名稱(外文):Interfacial Bonding Behavior between Sn-Ag-Cu Series Lead-free Solders and Cu/Ni-P/Au Substrate
指導教授:林光隆
指導教授(外文):Kwang-Lung Lin
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:材料科學及工程學系碩博士班
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:2003
畢業學年度:91
語文別:中文
論文頁數:93
中文關鍵詞:無鉛銲錫剪力強度介金屬化合物界面反應
外文關鍵詞:lead free solderintermetallic compoundsshear strengthinterfacial reaction
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本研究係探討錫銀銅系無鉛銲錫與Cu/Ni-P/Au基板的界面接合行為,包括錫銀銅系銲錫球與基板間之剪力強度與界面的材料反應。錫銀銅系銲錫球的組成分別是Sn-3.2Ag-0.5Cu以及Sn-3.5Ag-0.5Cu-
0.07Ni-0.01Ge,利用剪力強度試驗機量測銲錫合金與Cu/Ni-P/Au基板間之剪力強度,並經過不同時間之時效熱處理,探討熱處理時間與銲錫組成對剪力強度之影響,並藉由材料間界面反應分析,進一步探討影響界面結合行為之可能因素。
剪力強度試驗分析顯示,在未經時效熱處理條件下,錫銀銅鎳鍺銲錫球的平均剪力強度稍大於錫銀銅銲錫球,顯示微量元素Ni,Ge的添加有助於剪力強度之提升,破斷面皆發生在銲錫球上;當經過不同時間之時效熱處理後,其剪力強度隨著時效熱處理時間之增加而有下降的趨勢,但錫銀銅鎳鍺銲錫球的平均剪力強度約等於錫銀銅銲錫球,顯示微量元素Ni,Ge的添加效應已不復在,破斷面亦發生在銲錫球上,破斷面的表面形態顯示此種破斷特性為延性破斷 ( Ductile fracture )。
由錫銀銅與錫銀銅鎳鍺銲錫與Cu/Ni-P/Au基板界面反應分析得知,在界面有兩種介金屬化合物生成,晶粒較大且呈現角錐狀的是(Cu,Ni)6Sn5介金屬化合物,在(Cu,Ni)6Sn5介金屬化合物周圍的則是鬚晶狀(Ni,Cu)3Sn4介金屬化合物,而在銲錫內則有顆粒細長狀及長板狀之Ag3Sn介金屬化合物生成,經過長時間(1000小時)之時效熱處理後,(Ni,Cu)3Sn4及Ag3Sn介金屬化合物則有晶粒成長的現象,(Cu,Ni)6Sn5化合物晶粒成長現象則不明顯,在銲錫內以及界面間之介金屬化合物其組成無明顯改變,並無觀察到其他介金屬化合物。
Abstract
The interfacial bonding behavior between Sn-Ag-Cu series lead-free solders and Cu/Ni-P/Au substrates were investigated in this work, which includes the shear strength measurement and interfacial reaction. The solder compositions are Sn-3.2Ag-0.5Cu and Sn-3.5Ag-0.5Cu-0.07Ni- 0.01Ge (in wt%). The shear strength was investigated with a shear strength tester and the influences of thermal aging time and the composition of the solder on the shear strength were also studied. Furthermore, the possible factors of affecting interfacial bonding behavior were discussed relating to interfacial reaction.
The shear strength test data revealed that the average value of shear strength of Sn-3.5Ag-0.5Cu-0.07Ni-0.01Ge solder is slightly higher than that of Sn-3.2Ag-0.5Cu solder after reflowed. Hence the addition of Ni, Ge can enhance the shear strength of solder ball attachment. On the other hand, as thermal aging time increased, the shear strength was decreased, and the average shear strength in the two solder systems are quite close. Therefore, the influences of the addition of Ni, Ge on shear strength seemed not evident after thermal aging treatment. The ductile fracture surface occurred in the solder after reflow and aging.
The results of interfacial analysis revealed that there are two intermetallic compounds formed at the interface. One is pyramid-shape (Cu, Ni)6Sn5 and the other is (Ni, Cu)3Sn4. Moreover, the Ag3Sn IMC of the particle and plate shapes can be observed in the solder alloy. After long-term thermal aging, (Ni, Cu)3Sn4 and Ag3Sn coarsened but (Cu, Ni)6Sn5 not, meanwhile the composition of IMCs almost kept constant and no other new IMC formed at the interface or in the solder alloy.
中文摘要..................................................................... Ⅰ
英文摘要..................................................................... Ⅱ
總目錄...................................................................... .Ⅲ
表目錄....................................................................... Ⅴ
圖目錄....................................................................... Ⅵ
第壹章、簡介……………………………………………………… 1
1-1 無鉛銲錫之發展及電子構裝上之應用…………….………. 1
1-2 無鉛銲錫材料及其性質…………………………….………. 5
1-3 銲錫接合之界面反應……………………………….…….. 7
1-3-1 鎳-錫系統………..……………………………..….. 9
1-3-2 銅-錫系統……………...………….…………….... 9
1-4 潤濕現象………………………………………………….. 13
1-4-1 可銲錫性與助熔劑的功能……………………..….. 15
1-5 研究目的…………………………………………….………. 23
第貳章、實驗方法與步驟…………………………….…………. 24
2-1 實驗構想…………………………………………………… 24
2-2 銲錫球與基板之接合……………………………………….24
2-2-1 BGA基板之製備..…………….……………………. 24
2-2-2 銲錫球之製備…….………………………………………. 27
2-2-3 銲錫球與基板間之黏合固定…………………………..….27
2-2-4 重流製程…………………………………………………...27
2-3 錫銀銅系銲錫合金與Cu/Ni-P/Au基板的界面反應分析….32
2-3-1 界面介金屬化合物之表面形態分析………………….32
2-3-2 界面介金屬化合物之成份分析……………………….32
2-4 銲錫球之剪力強度試驗...…………………………………32
2-4-1 重流後銲錫球之剪力強度試驗……...………………32
2-4-2 時效熱處理後銲錫球之剪力強度試驗……………….35
第參章、結果與討論……………………………………………….37
3-1 銲錫球之接合強度………………………………………….37
3-1-1 重流後銲錫球之表面形態…………………………….37
3-1-2 重流後銲錫球之剪力強度試驗分析………………….37
3-1-3 時效熱處理後銲錫球之剪力強度試驗分析………….40
3-1-4 破斷現象探討………………………………………….48
3-2 銲錫球與Cu/Ni-P/Au基板之材料反應…………...………50
3-2-1 重流後界面介金屬化合物之表面形態……...………50
3-2-2 時效熱處理後界面介金屬化合物之表面形態…….…53
3-2-3 重流後界面介金屬化合物之分析………………….……. 65
3-2-4 時效熱處理後界面介金屬化合物之分析………………...78
第肆章、結論……………………………………………………….85
參考文獻…………………………………………………………….86
誌謝………………………………………………………………….92
自述………………………………………………………………….93
表目錄
表1-1 開發新銲錫材料所須考量之材料特性……………………2
表1-2 部份已被發表之無鉛銲錫材料及其元素組成……………3
表1-3 Ni-Sn系統之介金屬化合物………………………………11
表1-4 不同的接觸角與潤濕行為的關係……………………….16
表1-5 助熔劑的化學性質……………………………………….22
表2-1 錫銀銅系銲錫合金蝕刻液之組成.………………………34
表3-1 錫銀銅、錫銀銅鎳鍺銲錫球之剪力強度……………….39
表3-2 錫銀銅、錫銀銅鎳鍺銲錫球在不同時效條件
下之剪力強度…....................................... 43
圖目錄
圖1-1 鎳-錫相平衡圖……………………………..……..…………10
圖1-2 銅-錫相平衡圖……………………………………………… .12
圖1-3 液滴在基材受三力作用達平衡時之示意圖..………….... 14
圖1-4 銲錫過程添加助熔劑(flux),助熔劑清除基材表面污物(氧
化膜),使銲錫與基材產生潤濕現象......................... 18
圖1-5 (a)不添加助熔劑時,(b)添加助熔劑時固相、液相、氣相
三者之間的界面張力之示意圖................................19
圖1-6 松香結構及其化學反應............................. 20
圖2-1 本實驗流程圖...................................... 25
圖2-2 本實驗所採用的BGA基板(上視圖)......................26
圖2-3 本實驗BGA基板的橫截面結構圖........................28
圖2-4 本實驗用以將銲錫球與銲錫墊對位之模具………………….29
圖2-5 銲錫球與基板對位接合之步驟……………………………….30
圖2-6 本實驗之重流曲線圖………………………………………….33
圖2-7 剪力測試時推刀和銲錫球的幾何形狀……………………….36
圖3-1 重流溫度240℃、重流時間30秒後,在室溫下自然冷卻後
銲錫球的表面狀況 (a) Sn-3.2Ag-0.5Cu (b) Sn-3.5Ag- 0.5Cu-0.07Ni-0.01Ge..................................... 38
圖3-2 重流溫度240℃之錫銀銅銲錫球之破斷面(a)於銲錫球上
(b)為R區域之放大,(c)為破斷面橫截面圖................... 41
圖3-3 重流溫度240℃之錫銀銅鎳鍺銲錫球之破斷面
(a)於銲錫球上,(b)為L區域之放大,(c)為破斷面橫截面圖..... 42
圖3-4 在150℃、100個小時時效熱處理後之銲錫球之破斷面
(a)錫銀銅銲錫球,(b)為P區域之放大,(c)錫銀銅鎳鍺
銲錫球,H區域為推刀痕跡(d)為Q區域之放大............... .. 44
圖3-5 在150℃、200個小時時效熱處理後之銲錫球之破斷面
(a)錫銀銅銲錫球,(b)為A區域之放大,(c)錫銀銅鎳鍺
銲錫球,(d)為B區域之放大..................................45
圖3-6 在150℃、500個小時時效熱處理後之銲錫球之破斷面
(a)錫銀銅銲錫球,(b)為C區域之放大,(c)錫銀銅鎳鍺
銲錫球,(d)為D區域之放大..................................46
圖3-7 在150℃、1000個小時時效熱處理後之銲錫球之破斷面
(a)錫銀銅銲錫球,(b)為E區域之放大,(c)錫銀銅鎳鍺
銲錫球,(d)為F區域之放大…………………………….. ........47
圖3-8 錫銀銅、錫銀銅鎳鍺銲錫球在不同時效熱處理條件下與
平均剪力強度的關係…………………………....................49
圖3-9 重流溫度240℃,Cu/Ni-P/Au基板與錫銀銅銲錫材料界面
的介金屬化合物之表面形態(上視圖),(a)銲錫墊上之介
金屬化合物, (b)角錐狀介金屬化合物-α ,(c)鬚晶狀介
金屬化合物................................................51
圖3-10 重流溫度240℃,Cu/Ni-P/Au基板與錫銀銅鎳鍺銲錫材料
界面的介金屬化合物之表面形態(上視圖),(a)銲錫墊上
之介金屬化合物, (b)角錐狀介金屬化合物β及其周圍之
鬚晶狀介金屬化合物........................................52
圖3-11 重流溫度240℃,Cu/Ni-P/Au基板與錫銀銅銲錫材料界
面的介金屬化合物之表面形態(側視圖),(a)角錐狀介金
屬化合物,(b)角錐狀化合物周圍之鬚晶狀介金屬化合物
(c)長板狀介金屬化合物.....................................54
圖3-12 重流溫度240℃,Cu/N-P/Au基板與錫銀銅鎳鍺銲錫材料
界面的介金屬化合物之表面形態(側視圖),(a)角錐狀介
金屬化合物X及其周圍之鬚晶狀介金屬化合物Y,和在
銲錫內的顆粒狀介金屬化合物,(b)在銲錫內之長板狀介
金屬化合物................................................55
圖3-13 長板狀介金屬間化合物與角錐狀介金屬化合物之間的接
觸情形,(a)錫銀銅銲錫,(b)錫銀銅鎳鍺銲錫…………......... 56
圖3-14 錫銀銅銲錫在重流溫度240℃、經過時效熱處理後的界面
介金屬化合物的表面形態─上視圖 (a)時效100小時(b)
時效200小時(c)時效500小時(d)時效1000
小時 .................................................. 57
圖3-15 錫銀銅鎳鍺銲錫在重流溫度240℃、經過時效熱處理後的
界面介金屬化合物的表面形態─上視圖 (a)時效100小時
(b)時效200小時,(c)時效500小時,(d)時效1000
小時……………………………………..........................59
圖3-16 錫銀銅銲錫在重流溫度240℃、經過時效熱處理後的界
面介金屬化合物的表面形態─側視圖 (a)(b)時效100
小時,(c)(d)時效200小時,(e)(f)時效500小時,
(g)(h)時效1000小時........................................61
圖3-17 錫銀銅鎳鍺銲錫在重流溫度240℃、經過時效熱處理後
的界面介金屬化合物的表面形態─側視圖 (a)(b)時效
100小時,(c)(d)時效200小時,(e)時效500小時,
(f)時效1000小時...........................................63
圖3-18 重流溫度240℃、重流時間15秒且未熱處理的Ni-P/Sn-
3.2 Ag-0.5Cu試片之橫截面金相圖與其元素之掃描分
析(a)Sn(b)Cu(c)Ni.........................................66
圖3-19 重流溫度240℃、重流時間15秒且未熱處理的Ni-P/Sn-
3.5 Ag-0.5Cu-0.07Ni-0.01Ge試片之橫截面金相圖與
其元素之掃描分析(a)Sn(b)Cu(c)Ni...........................67
圖3-20 存在於無電鍍鎳磷層和錫銀銅銲錫界面介金屬化合物
(上視圖) (a)角錐狀介金屬化合物,(b) N晶體之EDS
成分分析圖譜............................................ 68
圖3-21 存在於無電鍍鎳磷層和錫銀銅鎳鍺銲錫界面介金屬化
合物(側視圖) (a)角錐狀介金屬化合物,(b) T晶體之
EDS成分分析圖譜……………………………………............. 69
圖3-22 Sn-Cu-Ni 三元相圖……………………………..………….70
圖3-23 Cu6Sn5晶體結構中{10̅0}結晶面之示意圖.............72
圖3-24 重流後Sn-3.2Ag-0.5Cu與基板間之鬚晶狀介金屬化合物
之表面形態及其EDS圖譜分析................................ 73
圖3-25 重流後Sn-3.5Ag-0.5Cu-0.07Ni-0.01Ge與基板間之鬚晶
狀介金屬化合物之表面形態及其EDS圖譜分析…………...........74
圖3-26 不同銲錫材料與基板間(Ni,Cu)3Sn4化合物之大小在
(Cu,Ni)6Sn5 化合物附近之變化情形 (a)Sn-3.2Ag-0.5Cu
(b)Sn-3.5Ag-0.5Cu-0.07Ni-0.01Ge………………....... .......75
圖3-27 Ag-Sn 相圖........................................77
圖3-28 s與d能帶之能量密度及電子填充情形,A表示Ni,
而B為Cu之情形.............................................79
圖3-29 Sn-3.5Ag-0.5Cu-0.07Ni-0.01Ge在時效1000個小時後
與基板間之面掃描分析圖 (a)SEM圖 (b)Ag原子 (c)
Cu原子 (d)Sn原子 (e)Ni原子................................81
圖3-30 經時效1000小時、150℃,Sn-3.5Ag-0.5Cu-0.07Ni-
0.01Ge銲錫材料與基板間介金屬化合物觀察 (a)在銲
錫與基板間生成之角錐狀與鬚晶狀介金屬化合物與銲錫
內之介金屬化合物,(b)銲錫內介金屬化合物B之EDS
圖譜分析..................................................82
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