Microsoft Word 熱處理年會－NDHU劉耀仁.doc

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坑始姚
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1 多次迴銲處理對添加過渡金屬元素 Sn-Ag-Cu BGA 錫球接點組織影響 The influence of multiple reflowing on the microstructure of the BGA joints with transition metal-containing Sn-Ag-Cu solders 劉耀仁 a* 宋振銘 a 賴逸少 b 邱盈達 b a 國立東華大學材料科學與工程學系, b Advanced Semiconductor Engineering Group (Central Labs) Yau-ren Liu a*, Jenn-ming Song a, Yi-shao Lai b, Ying-da Chiu b a Department of Materials Science and Engineering, National Dong-Hwa University, Hualien 97, Taiwan b Advanced Semiconductor Engineering Group (Central Labs), Kaohsiung 11, Taiwan. 摘要本研究針對 Sn-Ag-Cu BGA 錫球添加少量 Ni Co Zn ( 簡稱 SAC-Ni, SAC-Co, SAC-Zn) 對其與 Cu/Ni-P/ Au 基板進行多重迴銲後觀察銲點組織變化影響實驗結果顯示 SAC 及 SAC-Zn 接點介面主要生成簇晶狀 (Cu., Ni. ) Sn 5, 而 SAC-Zn 者有極微量之鋅 ( 約.1wt%) 固溶 ;SAC-Ni 接點介面於首次接合時生成則 (Cu., Ni. ) Sn 5, 經多次迴銲後轉為層狀之 (Ni., Cu.1 ) 3 Sn ;SAC-Co 接點介面生成含.5at%Co 之 (Cu., Ni. ) Sn 5, 形貌較連續圓鈍, 特別的是其 Ni-P 基材消耗較明顯,Ni 3 P 層則出現破碎情形關鍵字 : 無鉛銲錫錫銀銅多重迴銲 Abstract This study investigated the microstructural feature of the solder joints between Sn-Ag-Cu solders with a minor additive of Ni, Co or Zn (referred to as SAC, SAC-Ni, SAC-Co and SAC-Zn respectively) and the substrate of Cu/Ni/Au especially when subsequent to multi-reflowing. Experimental results show that druse-like (Cu., Ni. ) Sn 5 appeared at the interfaces of SAC and SAC-Zn joints, and that of the SAC-Zn dissolved with a trace amount of Zn (about.1wt%). As for SAC-Ni joints, phase transformation occurred. The interfacial compounds was (Cu., Ni. ) Sn 5 in the as-mounted condition and then changed to (Ni., Cu.1 ) 3 Sn layer after multi-reflow. A continuous (Cu., Ni. ) Sn 5 layer with the Co content of about.5at% was found at the interface of SAC-Co joints. Worthy of notice is that with the addition of Co the consumption of Ni-P substrate was greater than the other samples and the crystalline Ni 3 P layer adjacent to Ni-P substrate was discrete. Keyword: Lead-free solder, Sn-Ag-Cu, multiple reflow. 一前言在電子封裝之銲錫材料中以錫鉛合金最廣為受用, 因其穩定的機械性質良好之銲錫性且已使用多年, 該合金之各種性質大多已研發完整但因鉛屬於有害之重金屬, 容易對環境及人類造成傷害, 故日本及歐盟各國已陸續制訂相關法令, 例如歐盟所訂定之 WEEE 及 RoHS Directives 等規範, 開始施行電機電子廢棄物品之分類回收及限制多種有毒物質包含鉛的使用於是今日銲錫材料大多已改往無鉛銲錫開發, 目前發展中的無鉛銲料系統中, 以 Sn-Ag-Cu 系之應用最為廣泛 [1] 現今應用最廣的無鉛銲料錫銀銅合金(SAC) 其三元共晶組成範圍在 Sn-(3.~.7)wt% Ag-(.~1.7)wt%Cu, 共晶溫度約 17 C, 擁有不錯的機械性質與銲錫性但該合金仍存在一些待克服的難題, 例如熔點較高及過冷度較大研究指出較大的過冷度會使介金屬化合物 Ag 3 Sn 過度成長略高的 Ag 含量以及較慢的冷卻速率均可能有粗大板狀 Ag 3 Sn 初晶的出現, 容易造成應力集中與脆裂, 對銲點的熱疲勞壽命及可靠度有不良的影響 [] 對於上述缺點, 以冶金觀念添加合金元素予以改質為重要的改良方法 Suganuma 等人於 Sn-Ag-Cu 合金分別添加數種過

2 渡金屬元素, 對降低過冷度以及抑制與 Cu 基材介面金屬間相成長均有作用, 其中 Co 及 Ni 效果較為顯著 [3] 美國 lowa State University 的 Ames Lab 研究指出, Co 及 Fe 能有效細化組織抑制與 Cu 基材間 Cu Sn 5 的過度成長, 使銲點剪應力提升 [~] Chuang 及 Lin 等人以添加.7wt%Ni 及.1wt%Ge 的 Sn-Ag-Cu 合金與 Cu 基材銲點進行調查, 結果顯示添加 Ni 使得經浸鍍後 (dipped) 之介面生成物由扇貝狀 (scalloped) Cu Sn 5 轉為不規則狀之 (Cu, Ni) Sn 5 但此(Cu, Ni) Sn 5 在後續經 15 C 長時間時效處理下減緩了化合物成長的情形, 達到擴散阻礙層的效果 [7] Wang 等人指出, 在 Sn3.Ag.5Cu 銲球中添加.wt%Zn 能抑制介面介金屬化合物的成長 [1] 本實驗室先前研究添加過渡元素 Ni, Co, Zn 結果顯示添加 Ni 及 Co 能有效達到細化 Sn 樹枝晶, 並晶出大量介金屬化合物, 能有效抑制合金固化時的過冷度添加 Zn 對降低過冷度效果最大, 可將 SAC 將近 3 o C 之過冷度減少至 5 C 且添加 Zn 有粗大化 Sn 樹枝晶及增加共晶組織面積率的效果, 且 Zn 被發現固溶於共晶區域, 此複合效應使 SAC-Zn 擁有較佳的抗拉強度及延性 [] 有鑒於過渡元素添加對 SAC BGA 與 Ni 基材銲點組織並未有一通盤完整之研究探討, 本研究將製備 Sn-Ag-Cu-X(X=Ni, Co, Zn) 銲球, 並與 Cu/Ni-P/Au 基板進行迴銲接合, 並對其經多重迴銲 (multi-reflow) 之銲點組織進行定性與定量調查二實驗步驟本實驗使用的母合金成份為 Sn-3.3wt%Ag-.5wt% Cu, 利用真空電弧爐分別添加.5wt% Ni Co Zn 配製成 SAC- Ni SAC-Co SAC-Zn 四元合金, 並製備為直徑 7μm 之 BGA 錫球利用紅外線迴銲爐與 Cu/Ni-7wt%P/Au 基板升溫至 55 o C 下進行迴銲接合, 於峰值溫度持溫秒多次迴銲條件分別為一次三次六次以及十次, 經處理試片進行鑲埋研磨與拋光後, 以光學顯微鏡 (Optical Microscope, OM) 及掃描式電子顯微鏡 (Scanning Electron Microscope, SEM) EDS (Energy Dispersive X-ray) 及 EPMA(Electron Probe X-Ray Micro-Analyzer) 進行銲點組織觀察及分析三結果與討論圖一及圖二為銲錫球與 Cu/Ni/Au 基板接點微觀組織之橫截面與俯視圖在各組接點中觀察到之金相組織可分為兩大部分, 第一部分為錫球組織與散佈於其中之介金屬相 ; 第二部分則為介面反應所生成介金屬化合物四組錫球之基地均由初晶 β-sn 與 Sn-Ag 3 Sn 共晶組織所組成, 在添加第四元素的三組錫球接點中,SAC-Zn 之共晶區域固溶少量的 Zn, 而 SAC-Ni SAC-Co 則是晶出不同的介金屬化合物 SAC-Ni 中生成塊狀之 (Cu., Ni. ) Sn 5 和 (Ni., Cu.1 ) 3 Sn 兩種介金屬化合物, 如圖一 (b) 中黑色箭頭所指之處而 SAC-Co 銲錫球中則是生成不規則片狀之介金屬化合物, 經 EDS 分析成分約為 75at.%Sn- 17at.%Co - at.%(cu, Ni), 如圖一 (c) 黑色箭頭所示這些介金屬化合物因密度皆較基地大 ( 以 Cu Sn 5 為例, 其 ρ=.37.3g/cm 3, 大於共晶 Sn-Ag 之 7.3g/cm 3 ), 故在經過多重迴銲後會沉澱於銲錫球底部在介面介金屬化合物部分, 不論迴銲次數,SAC 與基板反應生成的介金屬化合物主要為簇晶狀 (Cu., Ni. ) Sn 5 ( 圖一 (a)) 值得注意的是,SAC 試片於 IMC 與 Ni-P 基材間發現兩層連續富 P 相 ( 圖二 ), 分別為靠近 IMC 之淺色扇貝狀之 Ni-P-Sn 層以及靠近基材之深色富 P 層經 EDS 分析, 淺色層成份約為 Ni-5 at.%p-at.%sn, 深色層成份約為 7at.%Ni-at.%P-at.% Sn 此深色富 P 層為迴銲過程中非晶 Ni-P 基材中的 Ni 朝介面端擴散, 使得 P 含量升高進而促使 Ni 3 P 相結晶淺色 Ni-P-Sn 層則是 Ni 3 P 固溶 Sn 而形成, 於本研究中僅在 SAC 銲點發現, 其他合金添加之銲點均僅觀察到 Ni 3 P 層, 且經過 1 次迴銲後依然不會出現本研究中 SAC-Ni 錫球中含 Ni 量與 Cu 含量相等, 介面金屬間相於接合態 (as mounted) 為 (Cu., Ni. ) Sn 5, 經迴銲後轉為 (Ni., Cu.1 ) 3 Sn ( 圖一 (b)) SAC-Co 錫球與基板反應生成較為圓鈍之 (Cu., Ni. ) Sn 5, 經 EPMA 成份定量分析確認其含 Co 量約在.5at% 左右此外, 還發現與 SAC-Co 錫球反應之 Ni-P 基材有局部內陷溝槽 (grooving) 現象, 該部位 Ni 3 P 則破碎不連續 ( 圖一 (c) 中圓圈處所示 ) 由圖二(b) 放大組織中觀察到 Ni-P 內陷處與介面 (Cu,Ni) Sn 5 溝槽處位

3 置相對稱的結果推測, 可能因該部位擴散速率較快, 造成 Ni-P 基材局部分解較嚴重, 此現象仍須進一步探討圖一 (d)sac-zn 試片之介面反應行為與 SAC 類似, 在錫球與基板的介面生成簇晶狀 (Cu, Ni) Sn 5, EMPA 分析結果顯示該化合物固溶極微量 Zn( 約.1at%) 圖三至圖五為迴銲次數對介面組織變化影響之定量數據圖三將介面 IMC 厚度對於處於迴銲峰值溫度 55 o C 之 holding time 進行做圖, 發現各試片 IMC 成長均與時間 1/ 次方成正比, 顯示顯示金屬間化合物成長為擴散控制於初接合狀態下,SAC-Co 及 SAC-Ni 之介面 IMC 厚度大於蔟晶狀之 SAC 及 SAC-Zn, 但當迴銲次數增加時, 後兩者之成長速率較快並於次迴銲後厚度略大於添加 Co 與 Ni 試片圖四 (a) 至 (d) 為 Ni-P 基材經不同迴銲處理後剩餘厚度, 經分析得知含 Co 試片之 Ni-P 消耗量最大, 反之 SAC-Zn 之 Ni-P 基材消耗量最少圖五為僅生成於 SAC 銲點介面之 Ni-P-Sn 層厚度與迴銲次數關係, 圖中顯示於初接合狀態下已有厚度僅數十奈米之 Ni-Sn-P 生成, 經 3 次迴銲後厚度增至約 nm, 其後隨迴銲次數繼續增加僅微幅增厚最近的報導提到,Ni-P-Sn 層相當脆弱, 為銲點接合強度的一大威脅, 且其生成與 Ni-P 基板中 P 含量之多寡有關 [11] 本研究中發現銲球成份亦影響該富 P 相之生成, 亦即過渡元素 Ni Co Zn 的添加抑制了 Ni-P-Sn 層的產生, 此效應可能因介面 IMC 之相轉變或合金元固溶, 造成 Sn 往 Ni 3 P 擴散速率變化有關四結論 1. 添加第四元素的三組錫球接點中,SAC-Zn 之共晶區域固溶少量的 Zn, 而 SAC-Ni 中生成塊狀之 (Cu., Ni. ) Sn 5 和 (Ni., Cu.1 ) 3 Sn 兩種介金屬化合物 SAC-Co 銲錫球中則是生成不規則片狀之介金屬化合物 75at.%Sn- 17at.%Co - at.%(cu, Ni) 這些介金屬化合物經過多重迴銲後會沉澱於銲錫球底部. 經多重迴銲介面處金屬間相反應層在 SAC 及 SAC-Zn 主要生成簇晶狀 (Cu., Ni. ) Sn 5, 且 SAC-Zn 者較厚並固溶微量的鋅 ;SAC-Co 接點介面生成較圓鈍之 (Cu.5, Ni., Co. ) Sn 5 ;SAC-Ni 則生成塊狀之 (Ni, Cu) 3 Sn 3. 在 Sn-3Ag-.5Cu 銲錫中添加.5wt% 的 Ni, 再多次迴銲後可將介面 IMC 由 (Cu, Ni) Sn 5 完全轉換為 (Ni, Cu) 3 Sn, 進而抑制 IMC 之成長而在 Sn-3Ag-.5Cu 中添加 Co, 其 IMC 有 Co 固溶可能使得基板中的 Ni 對 IMC 之擴散速率較快, 造成 Ni-P 基材局部分解嚴重. 於初接合狀態下,SAC-Co 及 SAC-Ni 之介面 IMC 厚度大於蔟晶狀之 SAC 及 SAC-Zn, 但當迴銲次數增加時, 後兩者之成長速率較快並於次迴銲後厚度略大於添加 Co 與 Ni 試片 5. 銲球成份亦影響該富 P 相之生成, 在本研究中證實過渡元素 Ni Co Zn 的添加抑制了 Ni-P-Sn 層的產生五參考文獻 1. N.-C. Lee, Strategy of converting to lead-free soldering, 電子產業無鉛銲錫製程研討會, 國立臺灣大學, Oct. 19,. D. W. Henderson, T. Gosselin, A. Sarkhel, S. K. Kang, W. K. Choi, D. Y. Shih, C. Goldsmith and K. J. Puttlitz, J. Mater. Res., 17 () K.S. Kim, S.H. Huh, and K. Suganuma, Materials Science and Engineering, A333 () I. E. Anderson, J. C. Foley, B. A. Cook, J. Harringa, R. L. Terpstra and O. Unal, J. Electron. Mater., 3(1) I. E. Anderson, B. A. Cook, J. Harringa and R. L. Terpstra, J.Electron. Mater., 31 () I. E. Anderson, B. A. Cook, J. Harringa and R. L. Terpstra, JOM, (June ) C. M. Chuang and K. L. Lin, J. Electron. Mater., 3(3) F.J. Wang, F. Gao, J. Electron. Mater., 35() 黃啟鋒, 國立東華大學碩士論文, 民國 95 年 1. SANG-WON KIM, J. Electron. Mater., 33() Y.C. Lin, J.G. Duh, Scripta Materialia 5 () 11-15

4 (a) (b) 圖二經次迴銲錫球與基板介面反應組織放大圖 : (a) SAC 及 (b) SAC-Co Thickness of interfacial IMC (μm) 5 3 SAC SAC-Ni SAC-Co SAC-Zn Time at peak temperature (sec 1/ ) 圖三介面 IMC 層厚度隨迴銲次數變化情形圖一經 1 次迴銲後銲錫球與基板介面反應微觀組織 (a)sac (b)sac-ni (c) SAC-Co (d)sac-zn

5 SAC1 SAC3 SAC SAC1 SAC1 SAC3 SAC SAC1 (a) SACN1 SACN3 SACN SACN1 SACN1 SACN3 SACN SACN1 Ni-Sn-P thickness (nm) 1 sac1 sac3 sac sac1 sac1 sac3 sac sac1 圖五 SAC 銲點介面 Ni-Sn-P 層厚度隨迴銲次數變化情形 (b) 1 1 SACC1 SACC3 SACC SACC1 SACC1 SACC3 SACC SACC1 (c) 1 1 SACZ1 SACZ3 SACZ SACZ1 SACZ1 SACZ3 SACZ SACZ1 (d) 圖四無電鍍 Ni-P 基材厚度與迴銲次數關係 (a)sac (b)sac-ni (c) SAC-Co (d)sac-zn

SAC305無鉛銲料與In-Cu基材迴銲接合可靠度之研究

SAC305無鉛銲料與In-Cu基材迴銲接合可靠度之研究 SAC305 無鉛銲料與 In/Ni/Cu 基材迴銲接合可靠度之研究羅紹誠 1 魏弘堯 1 顏怡文 1 2 李嘉平 1: 國立台灣科技大學材料科技研究所 2: 國立台灣科技大學化學工程研究所 * 連絡作者 :[email protected] 摘要本研究主要在探討 Sn-3.0 wt%ag-0.5 wt%cu (SAC305) 銲料與 In/Ni/Cu 基材, 在 160 下進行液