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
2.1 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
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 80 90 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
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
(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, 155-162 (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, 219-224 (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, 19-24 (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, 10-12 (1988). 5. Miric, A. Z.and A. Grusd, Lead-free alloys, Soldering and Surface Mount Technology, 10, 19-25 (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)