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1 無鉛銲錫物料與組裝之研究摘要 隨著電子產品市場需求持續增加, 在半導體封裝與印刷電路板 (PCB) 組裝製程中使用之錫球與錫膏用量將急遽成長 一般銲料之成分多為錫鉛共融合金 ( 即 63Sn/37Pb), 而其中鉛含量已證實對人體免疫功能具嚴重負面影響 因而, 歐 美與日本等國之環保聯盟已訂定電子構裝製程中, 限制鉛含量的里程碑 由於歐 美與日本為我國電子產品之主要銷售市場, 此外, 國內亦不乏美 日筆記型電腦及手機代工 (OEM) 廠商, 此環保議題將對國內電子產業生產製程造成相當大之衝擊 相關廠商無不積極蒐集資料, 評估各種無鉛銲料並因應調整其生產製程 本研究與國內 外電子業界產學合作, 針對市場上提供之數種無鉛銲料系統進行評估, 並探討無鉛銲錫之實用性與其在製程上將面對之問題 研究內容包括無鉛銲錫濕潤特性分析, 及經過恆溫老化實驗後, 銲點機械強度之相關研究 研究結果顯示, 數種無鉛錫膏經多次迴流銲接後, 其濕潤特性並無明顯下降, 因此適用 PCB 雙面板製程及多次迴銲重工程序 此外, 錫 / 銀銲料於 225 ~249 溫度下, 能有效覆蓋直徑 60 mils 之銲墊表面 老化實驗結果指出, 無鉛銲料之共金 (Intermetallic) 厚度依老化時間增加明顯成長, 然而錫球之剪應力卻不隨老化時間增加而降低 本研究並發現, 無鉛銲錫在電子構裝及組裝製程中具有應用發展之潛力 ; 然而, 適用無鉛銲錫之助銲劑系統仍有待進一步設計改善 關鍵詞 : 綠色科技, 電子構裝,PCB 組裝製程, 無鉛銲錫, 老化實驗 1. 前言 隨著電子產品需求急劇成長, 估計未來在電子產品銲錫中使用鉛的消耗量將大增 以半導體封裝廠而言, 一些電子元件針腳的表面, 或球腳格狀陣列封裝元件 (Ball Grid Array;BGA ) 的錫球中, 均含有鉛的成分, 且在 PCB 生產過程中, 可能會在板上噴錫 系統組裝廠也在生產中使用錫膏來完成焊接, 而錫膏多含錫 / 鉛合金 雖然國內系統廠多具備研發能力, 但代工 (OEM) 仍是台灣經濟發展的重要資源, 而代工業需要依照客戶要求來生產 此外 OEM 的主力客戶, 多為歐 美及日本等國電子大廠, 此均為環保意識高漲的國家 且鉛中毒已證實將危害人體免疫功能 因此, 業者承受相當壓力, 無不積極收集無鉛銲錫相關資料以期有效提升製程能力 由於錫 / 鉛合金已經在電子廠的生產製程中, 使用了很多年, 因此於短期內更改使用無鉛銲錫, 此將面臨一些衝擊, 例如 PCB 可否承受高溫 此外, 專家需經由可靠度驗證以確定終端產品之可靠性 基於上述原因, 本研究將針對各合金系統, 蒐集市場上各種無鉛合金成分, 進行銲料的濕潤性及恆溫老化實驗後銲點強度的評估 2. 無鉛銲錫的濕潤性 在無鉛合金的評估中, 必須考慮不同材料組合, 常見的合金成分包括以下幾類 : 二元素合金系統 : 包含錫 (96.5)/ 銀 (3.5) 錫(99.3)/ 銅 (0.7) 錫(48)/ 鉍 (52) 等三種元素合金 三元素合金系統 : 包含錫 (95.5)/ 銀 (4) / 銅 (0.5) 及錫 (91.8)/ 銀 (3.3)/ 鉍 (4.8) 兩種元素合金 四元素合金系統 : 包含錫 (96.2)/ 銀 (2.5)/ 銅 (0.8)/ 銻 (0.5) 之元素合金, 又名 CASTIN 為評估無鉛銲料於 PCB 組裝製程中之適用性, 本研究包含三個部分 : 1. 有效分析無鉛合金的濕潤性 (Wetting) 2. 各種助銲劑對濕潤性造成的影響 3. 當銲墊尺寸受到限制時, 無鉛銲料之濕潤性研究

2 2.1 無鉛銲錫的濕潤特性在錫膏與銲接表面間, 要形成較佳的冶金 (Metallurgical) 結合力, 可從物料特性與製程參數兩方面來考慮 其中可能牽涉交互影響, 在物料特性方面, 需考慮銲錫合金 (Solder alloy) 助銲劑 (Flux) 銲墊的金屬成分(Pad metallurgy) 等 在製程參數方面, 則需考慮迴流銲接 (Reflow) 參數 銲接環境之氣體成分 ( 含氧量 ) 之設定等 為有效分析無鉛合金的濕潤特性 (Wettingability), 實驗敘述如下 : 1. 參數選擇 : 在合金的選擇上, 使用錫 / 銀 錫 / 銀 / 銅 CASTIN 等三種無鉛合金 銲墊表面之金屬成分則分別選擇銅墊覆以有機可銲性保護膜 (Cu Organic Solder Protection;OSP) 鎳/ 金與鎳 / 鈀等三種 同時在無鉛環境下以熱氣流銲接 2. 實驗方法 : 在銲墊表面塗佈助銲劑薄層並植入錫球 ( 如圖一所示 ), 在錫球成形處形成一個接觸角 ( 如圖二所示 ), 使用 3D 表面掃瞄儀來做夾角量測 ( 如圖三所示 ) 當錫/ 鉛銲料在銅 OSP 與鎳 / 金銲墊上之濕潤性優於其在鎳 / 鈀銲墊上之濕潤性 ( 見圖四 ) 再者, 經由多次迴流銲後, 濕潤特性並無明顯下降, 因此可應用於 PCB 雙面板製程及多次迴銲重工程序 圖四到圖六分別為不同的錫膏合金, 在各種銲墊上經過一到數次迴銲之後, 銲料擴散直徑數值之比較 圖一. 銲墊上塗佈助銲劑之情形 圖二. 接觸角量測圖 3. 表一為錫 / 銀 CASTIN 及錫 / 鉛等三種錫膏合金在不同銲墊上濕潤性所形成之接觸角數據 由表一得知, 使用銅 OSP 的銲墊時, 無鉛銲料的濕潤性比錫 / 鉛銲料明顯較差 使用鎳 / 金的銲墊, 無鉛合金中錫 / 銀與 CASTIN 兩種合金的濕潤性差異不大 以濕潤性而言, 無論是錫 / 銀合金 CASTIN 或錫 / 鉛合金, 使用鎳 / 金銲墊之濕潤性較其它兩種銲墊為佳 一般而言, 銲料迴銲後之擴散面積與銲點接合強度未必相關 此外, 鎳 / 鈀通常用於為 QFP 元件接腳鍍層, 而大部分的無鉛銲料均顯示, 塗佈在銅 OSP 的銲墊上濕潤性普遍較塗佈於其它銲墊低 4. 導致銅 OSP 濕潤性較其它銲墊表面金屬差之可能原因包括以下幾點 首先, 迴流溫度高的情況下, 銅容易發生氧化 ; 其次, 現階段使用之助銲劑系統並不適用於無鉛銲料, 由於助銲劑的沸

3 點較低以至於在無鉛銲料於迴銲濕潤期間, 大部分助銲劑多已揮發, 只有極少甚至是沒有助銲劑 來提升濕潤性 此外, 在無鉛合金與銅墊之介面, 因化學作用而形成共金 (Intermetallic), 此亦 將對濕潤性造成負面影響 因此, 對於無鉛銲料的濕潤能力, 應藉由改善助銲劑系統的設計著手 2.2 不同助銲劑造成的影響 由於助銲劑系統是影響濕潤性良莠的主要原因之一, 為分析助銲劑對濕潤性造成的影響, 本研究 規劃以下實驗, 敘述如下 : 1. 參數選擇 : 首先選擇四種不同助銲劑型號 : 兩種常見的助銲劑 (FluxA 與 FluxB) 適合含鉛量高 的錫膏之助銲劑 (FluxC) 以及另一種以環氧基樹脂為主要成分的助銲劑 (FluxD) 其次選擇兩種無鉛 合金 : 錫 / 銀及 CASTIN, 且均使用銅 OSP 的銲墊, 在氮氣環境下迴銲 ( 氧濃度 <150ppm) 2. 由圖七中含不同助銲劑成分的錫膏擴散比較, 顯示出 FluxD 的表現較其他種類的助銲劑稍微好 些, 而 FluxC 的效果很差, 且活化性低 因此實驗結果顯示, 對無鉛銲錫的濕潤性而言, 助銲劑 的選擇扮演重要的角色 3. 助銲劑殘餘物 : 若使用免清洗的助銲劑, 錫 / 鋅 / 鉍合金錫膏中的助銲劑多具有高活性, 而鋅本 身具有強腐蝕性, 且易氧化 若在氮氣下進行迴銲製程, 而用丙酮 (Acetone) 或異丙醇 (Isopropyl alcohol) 來清洗, 則在 PCB 銲點附近將產生白色的助銲劑殘餘物, 此將可能造成電子組裝上一些 重要的問題 Alloy Pad Metallurgy Wetting Angle (Degrees) Sn/Ag Cu OSP 45 Ni/Au 10 Ni/Pd 45 Sn/Ag/Cu/Sb Cu OSP 55 Ni/Au 6.5 Ni/Pd 34 Sn/Pb Cu OSP 33 Ni/Au 14 Ni/Pd 19 表一. 合金濕潤接觸夾角比較表 2.3 銲墊大小受到限制時上述實驗中銲墊尺寸未受限制, 本研究亦針對銲墊尺寸對無鉛銲料濕潤性之影響性進行分析 實驗樣本選擇銲墊直徑範圍為 30~70 mils( 千分之一英吋 ), 每隔 5 mils 差異取一樣本, 再加上 及 100 mil 樣本, 共 12 種銲墊尺寸樣本, 亦將錫球直徑固定為 30 mils 圖八是在三種不同直徑的銲墊上, 錫 / 銀合金迴銲後的擴散情形, 當銲墊直徑在 60 mils 時, 錫 / 銀合金能完全覆蓋銲墊 圖九則是在 80 mils 與 100mils 直徑的銲墊上, 錫 / 鉛合金之擴散情形, 當銲墊的直徑為 100 mils 時, 錫 / 鉛合金仍能完全覆蓋銲墊 而無鉛銲錫足以覆蓋直徑 60 mils 的銲墊, 對於 BGA/CSP 元件的技術而言已經足夠, 因此無鉛銲料濕潤性對此種技術來說並無嚴重問題點 然而, 在穿孔式元件需穿過較厚的 PCB 時, 錫膏的濕潤性則成為需要考慮的問題 圖八. 錫 / 銀合金迴銲後情形圖示

4 圖九. 錫 / 鉛合金迴銲後情形圖示 圖十. BGA 錫球強度測試設定圖 圖十一. 延性斷裂圖 圖十二. 脆性斷裂圖 3. 恆溫老化實驗 針對半導體封裝廠的 BGA 元件而言, 以無鉛合金為其錫球成分, 其銲點強度是否維持客戶要求水準, 亦是重要的一環 因此, 本研究進行固定溫度之老化實驗 (Aging), 視其剪應力強度是否發生衰減現象 實驗中使用三種不同的錫球合金 ( 錫 / 鉛 錫 / 銀及 CASTIN), 並選擇兩種常見的銲墊 ( 銅 OSP 鎳/ 金 ), 並分別在 125 及 150 兩種溫度下做老化實驗 再以萬能試驗機執行推力試驗, 於水平方向將錫球推至完全斷裂為止 測試過程中, 量測測試針頭對於錫球所施加的推力, 再進行失效模式探討, 並分析錫球可承受之最大剪應力 ( 見圖十 ) 將試片置於顯微鏡下觀察失效原因及破壞介面, 發現包含兩類失效模式, 分別敘述如下 :1. 延性斷裂 (Ductile failure): 在錫球本體受力而逐漸產生裂痕直至斷裂 圖十一為延性斷裂之情形, 造成斷裂所受之剪應力與測試針頭位移之關係如圖十三 (a) 所示 2. 脆性斷裂 (Brittle failure): 主要是在錫球與銲墊接合介面產生斷裂 圖十二為脆性斷裂之情形, 所受之剪應力與測試針頭位移之關係如圖十三 (b) 所示 比較圖十三 (a) 及 (b), 可發現到達最高剪應力時, 圖十三 (a) 的延性斷裂將造成應力逐漸消減, 而圖十三 (b) 之脆性斷裂情形則造成應力劇降 本實驗亦將銲墊形成方式列為考慮因素, 針對兩種不同開孔形式, 做無鉛合金錫球剪應力之比較 圖十四 (a) 與 (b) 分別為銲墊定義 (Pad defined) 與防銲層定義 (Mask defined) 之銲墊形成方式圖示, 兩者的差異在於前者開孔直徑較後者大, 因此對銲墊定義方式而言, 錫球與基板間的接觸面積較大, 其所能承受最大剪應力普遍高於後者 在使用銅 OSP 的銲墊與錫 / 銀合金的錫膏條件下, 圖十五 (a) 與 (b) 分別為針對兩種不同銲墊形成方式做老化實驗後, 剪應力強度的比較圖 實驗結果指出, 金屬介面之共金成長 ( Growthtrend) 與剪應力強度下降與否並無顯著關聯 在老化實驗中, 當溫度設定為 125 時, 失效模式均為延性斷裂而非脆性斷裂, 但當老化實驗超過 500 小時之後, 破壞模式開始由延性斷裂轉變為脆性斷裂 ; 若在相同情況下, 將老化環境溫度設定改為 150, 則失效模式為脆性斷裂之情形將會非常明顯

5 (a) (b) 圖十三. (a) 延性斷裂 (b) 脆性斷裂之剪應力圖示驗後, 剪應力強度的比較圖 4. 結論 研究結果顯示, 數種無鉛錫膏經多次迴流銲接後, 其濕潤特性並無明顯下降, 因此適用 PCB 雙面板製程及多次迴銲重工程序 此外, 錫 / 銀銲料於 225 ~249 迴銲溫度下, 能有效覆蓋直徑 60mils 之銲墊表面 老化實驗結果指出, 無鉛銲料之共金厚度依老化時間增加而明顯成長 然而, 錫球之剪應力強度卻不隨老化時間增加而降低 本研究並發現, 無鉛銲錫在電子構裝及組裝製程中具有應用發展之潛力 ; 然而, 適用無鉛銲錫之助銲劑系統仍有待進一步設計改善 若電子組裝使用無鉛製程, 需要考量的因素仍然很多, 例如無鉛合金選擇之成本考量及其他改變的可行性等 期待未來電子產業界之生產流程將全面使用無鉛製程, 以因應使環境污染降至最低之需求 5. 參考文獻 1. Shin, M. S., Kim, Y. H., Do, W. C., Ha, S. H. and B. Y. Min, Intermetallic formation in the Sn -Ag solder joints between Au Stud bumps and Cu pads and its effect on the chip shear Ss rength, Electronic Materials and Packaging, (2001). 2. Yang, S. T., Chung, Y., Kim, Y. H., Hong, B. H., Park, K. R., Song, H. G. and J. W. Moris Jr, Intermetallic growth between Sn-Ag-(Cu) solder and Ni, Electronic Materials and Packaging, (2001). 3. Zhu, Q., Sheng, M. and L. Luo, The effect of Pb contamination on the microstructure and mechanical properties of SnAg/Cu and SnSb/Cu solder joints in SMT, Soldering and Surface Mount Technology, 10, (2000). 4. Nakamura, Y., Y. Sakakibara, Y. Watanabe and Y. Amamoto, Microstructure of solder joints with electronic components in lead-free solders, Soldering and Surface Mount Technology, 10, (1988). 5. Miric, A. Z.and A. Grusd, Lead-free alloys, Soldering and Surface Mount Technology, 10, (1998). 6. 陳榮泰, 無鉛銲錫- 目前的全球走向, 表面黏著技術, 第三十四期,1-10 (2001)

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