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研究生:卓致有
研究生(外文):Chih-Yu Cho
論文名稱:鍍錫層結構與錫鬚晶成長之研究
指導教授:謝克昌
指導教授(外文):Ker-Chang Hsieh
學位類別:碩士
校院名稱:國立中山大學
系所名稱:材料科學研究所
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:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:62
中文關鍵詞:銅錫合金鍍錫層結構錫鬚晶成長
外文關鍵詞:whisker growthtin grain structureCu6Sn5
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本實驗主要的焦點在導線架接腳上的電鍍錫,經由高溫加速使得銅錫合金起了相變化,使錫表面會有鬚晶的產生,長度可由幾micrometers到幾millimeters,由於現在元件接腳間距微細化(fine pitch),所以鬚晶長度可能超過接腳的間距,碰觸到兩旁接腳,造成IC的短路,進而使整個產品失效。此研究主要討論不同鍍錫層結構影響錫鬚成長(tin whisker growth )的因素,加以改善抑制其生長情形。不同鍍錫層結構的試片包含了晶粒(grain size)大小的不同、鍍錫層上下層結構的不同、晶界(grain boundary)排列方式的差異,經過加速測試(部分有前處理)之後,銅基材跟鍍錫層形成界金屬化合物(Cu6Sn5)所產生的壓應力對於錫鬚晶成長的情形。壓應力大,錫鬚晶密度(whisker density)就高。鍍錫層晶粒的大小影響到晶界排列的情形,而晶界排列的情形跟界金屬化合物形成有關,會影響到錫鬚晶成長。經過前處理,壓應力在grain growing過程中被釋放,就沒有錫鬚晶成長的情形。當晶界排列整齊有序時,利於界金屬化合物的形成,錫鬚晶成長的情況很明顯。而改變電鍍的方式,晶界排列會有明顯的差異,形成的界金屬化合物結構會有明顯不同,在經過壓應力的釋放後,可能只剩hillock的產生,而觀察不到whisker。
目錄
一、前言 …………………………………………………………………1
二、實驗理論 ……………………………………………………………2
2.1 What is whisker ………………………………………… 2
2.2 Intermetallic Compound (IMC) Formation …………… 3
2.3 Relieve Compressive Stress ……………………………3
2.4 Whisker Growth Mechanism ………………………………4
2.5 Factors of Whisker Growth ………………………………5
2.5.1 Substrate Effects ………………………………… 5
2.5.2 Grain Size and Shape …………………………… 6
2.5.3 Volume Change ………………………………………7
2.5.4 Plating thickness …………………………………8
2.5.5 Temperature …………………………………………9
參、實驗方法 ………………………………………………………… 10
3.1不同電鍍行為對whisker growth的影響………………… 11
3.1.1 試片準備 ………………………………………… 11
3.1.2 Whisker acc. test 前處理 ……………………… 12
3.1.3 whisker acc. test model ……………………… 12
3.2 Experiment points ……………………………………… 13
3.3 使用儀器 ………………………………………………… 14
3.3.1 Electron Probe X-ray Micro-Analysis JEOL JXA-8900R ………………………………………… 14
3.3.2 Focused Ion Beam(FIB) FEI 200 ………………… 14
3.3.3 X-ray Diffractometer SIEMENS D5000 ………… 15
四、結果與討論 ……………………………………………………… 17
4.1 比較時效處理對於whisker growth的影響…………… 17
4.2 grain size對於whisker的影響 ……………………… 18
4.3 鍍層grain structure的差異對whisker的影響 ……… 22
4.4 利用X-ray觀察是否有特定的Sn晶面影響錫鬚晶成長…24
4.5 whisker生長的位置 ……………………………………… 26
五、結論 ……………………………………………………………… 28
六、參考文獻 ………………………………………………………… 30






圖目錄
圖一、type A 經whisker acc. test後之IMC morphology…………………… 32
圖二、type B 經whisker acc. test後之IMC morphology……………………33
圖三、matte tin type B經不同溫度前處理及whisker acc. test之IMC morphology………………………………………………………………… 34
圖四、type A經whisker acc. test後之whisker growth……………………35
圖五、type B經whisker acc. test後之whisker growth……………………36
圖六、type B經whisker acc. Test後之whisker growth……………………37
圖七、type A經whisker acc. Test後之FIB photo………………………… 38
圖八、type A經150℃/5min前處理後再經過whisker acc. test之whisker growth……………………………………………………………………… 39
圖九、type A經150℃/15min前處理後再經過whisker acc. test之whisker growth……………………………………………………………………… 40
圖十、type b未經前處理再經whisker acc. test之whisker growth………41
圖十一、type B 經150℃/2min前處理再經whisker acc. test之whisker growth……………………………………………………………………… 42
圖十二、比較type A經過前處理後壓應力IMC structure與壓應力釋放現象
……………………………………………………………………………… 43
圖十三、type B經過前處理grain growth的情形………………………………44
圖十四、兩種不同的tin grain structure………………………………………45
圖十五、type A whisker growth的情形…………………………………………46
圖十六、type B whisker growth的情形…………………………………………47
圖十七、type C & type D IMC structure…………………………………………48
圖十八、type C & type D側面及表面whisker growth的情形…………………49
圖十九、type E經過55℃時效處理後之whisker growth………………………50
圖二十、type E經過150℃時效處理後之whisker growth……………………… 51
圖二十一、type F經過55℃時效處理後之whisker growth……………………52
圖二十二、type E經過55℃時效處理後之X-ray…………………………………53
圖二十三、type E經過150℃時效處理後之X-ray………………………………54
圖二十四、type F經過55℃熱時效處理後之X-ray………………………………55
圖二十五、type F經過150℃熱時效處理後之X-ray……………………………56
圖二十六、比較type E及F在150℃熱時效處理後,比對壓應力釋放現象跟
X-ray觀察Sn peak是否有所不同……………………………………57
圖二十七、type E在55℃經過300hr時效處理的X-ray繞射圖……………… 58
圖二十八、試片正面和側面粗糙度示意圖…………………………………………59
附錄 (JCPDS)
1.G. W. Stupian, “Tin Whiskers in Electronic Circuits,” Aerospace Technical Report, Number 92(2925)-7,1992

2.B.D. Dunn, “A Laboratory Study of Tin Whisker Growth,” European Space Agency STR-223, September 1987

3.K. N. Tu, “Cu/Sn Interfacial Reaction : Thin-Film Case Versus Bulk Case,” Materials Chemistry and Physics 46(1996) 217-223

4.R. A. Gagliano and M. E. Fine, “Growth of η Phase Scallops and Whiskers in Liquid Tin-Solid Copper Reaction Couples,” Lead-Free Solder 2001 June JOM

5.B. -Z. Lee and D. N. Lee, “Spontaneous Growth Mechanism of Tin Whiskers,” Acta mater, Vol. 46, No. 10, pp. 3701-3714, 1998

6.S. Koonce and S. Arnold, “Growth of Metal Whiskers”, Unknown Publisher, Dec. 8, 1952

7.D. Endicott and K. Kisner, “A Proposed Mechanism for Metallic Whisker Growth”, Proceedings of the 71st Annual AES Technical Conference, New York, NY, USA, July 16, 1984, 21 pp.

8.Chen Xu, Yun zhang, Chonglun Fan, and Joseph A. Abys, “Understanding Whisker Phenomenon-riving Force for the Whisker Formation”, APEX, Proceedings of the Technical Conference, pp. s06-1-1, Jan 2002

9.Jay A. Brusse, Gary J. Ewell, and Jocelyn P. Siplon, “Tin Whiskers: Attributes And Mitigation”, CARTS EUROPE 2002: 16th Passive Components Symposium

10.Guna. S. Selvaduray, “Understanding and Minimization of Tin Whiskers”, In Partial Fulfillments of Requirements for Course MatE 234

11.Rob Schetty, “Minimization od Tin Whisker Formation for Lead-Free Electronics finishing”, IPC Works Conference Proceeding, Mami, 2000

12.Chen Xu, Yun zhang, Chonglun Fan, and Joseph A. Abys, “Whisker Prevention”, APEX, Proceedings of the Technical Conference, 2003

13.Jong S. Kadesch and Jay Brusse, ”The Continuing Dangers of Tin Whiskers and Attempts to Control Them With Conformal Coating”,

14.Joseph Haimovich, “Cu-Sn Intermetallic Compound Growth in Hot-Air-Leveled Tin at and below 100℃”, AMP, Journal of Technology, Vol. 3 November, 1993

15.W. J. Choi, T. Y. Lee, and K. N. Tu, “Structure and Kinetics of Sn Whisker Growth on Pd-free Solder Finish”, Dept. of Materials Science and Engineering, UCLA, Los Angeles, CA 90095-1595
QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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