00131无铅焊锡球格数组构装接点之潜变破损分析(第二).doc

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1、行 政 院 国 家 科 学 委 员 会 专 题 研 究 计 画 成 果 报 告无铅焊锡球格数组构装接点之潜变破损分析 (第二年)Creep Fracture Analysis of Pb-free Solder Ball Grid Array Package( Second Year )计划编号：NSC 90-2216-E-216-001执行期限：90 年 08 月 01 月至 91 年 07 月 31 月主持人：叶明勋中华大学机械工程学系计划参与人员：杨正之、江荣泰、林信逸中华大学机械工程学系一、中文摘要本期研究探讨铟元素对 Sn-In-Ag三元无铅合金在不同温度下机械性质的影响。实验结果显

2、示：铟可以降低Sn-Ag 合金的熔点，然而当Sn-In-Ag三元合金中铟的含量超过 15%以上，则因有高微硬度值的富铟相出现，而对 Sn-In-Ag 三元合金的抗拉强度及延伸 率 产 生 显 着 的 影 响 。 Sn-15(20)In-2.8Ag合金的破断面呈现出窝状组织其中并有片状破损的富铟相，这是因为材料破损的起源从富铟相与-锡基底开始的缘故。关键词：无铅焊料、Sn-In-Ag 三元合金、潜变Abstract The effects of indium on themechanicalpropertiesofternarySn-In-Ag solders have been reporte

3、d bytensile test at various homologous1temperatures in this study. Indiumdepresses the melting temperature ofSn-3.5Ag solder. However, a hardIn-rich phase was formed when theindium content was raised to 15 pct,which affected the ultimate tensile strengths and elongation of the ternarySn-In-Ag alloys

4、. A dimple structurewith flat plate-like facets of In-rich phase was found on the fracturedsurfaces of Sn-15 (20) In-2.8Ag solders, which indicated that an initial crack had nucleated locally at the In-rich/-matrix interface.Keywords ： Pb-free Solder 、 Ternary Sn-In-Ag alloys、Creep二、前言球格数组（Ball Grid

5、 Array, BGA）构装由于能提供高脚数 IC 组件构装需求 1 , 2，已成为现今电子构装的主流技术之一。目前有关 BGA 构 装 之 可靠 度 分 析 的 相 关 文 献3 - 8仍 以 采用 传 统 铅 锡 合 金 焊 料 为 主 。然而铅在电子产业的广泛应用一直 饱受环保团体的强烈质疑，因此无铅焊料的研发与应用，成为现今电子构装产业不 容忽视的重要问题 9 , 1 0。上期研究结果显现出 Sn-20In-2.8Ag 合金有适当的熔化范围与良好的机械性质1 1，本期将持续上期研究结果，继续对不同含铟量的 Sn-In-Ag 合金之高温机械性质进行研究，做为研发这些无铅焊料应用在BGA构

6、装的可行性；此外，针对现今使用的 Sn-3.5Ag 无铅焊料完成之BGA构装成品进行高温潜变性能评估。三、实验方法实验使用的无铅焊料为自行熔炼的Sn-10In-2.8Ag 、Sn-15In-2.8Ag及Sn-20In-2.8Ag 合金。将成分元素依重量百分比封入石英管中，在 600电炉中熔炼12hr，待铸体凝固后辊轧成1mm 厚片材。为消除合金中之偏析组织，片状 Sn-In-Ag 合金试片裁剪成狗骨头状的拉伸试片（图 1），再分别封入石英管中，经过 95，100hr 均质化处理，空冷后备用。焊料的机械性质以拉伸试验机在 10-3mm/sec拉伸速率与不同 Homologous 温度=Tk/Tm

7、，其中 Tk：试验温度(K)，Tm：材料熔点绝对温度(K)下获取合金的应力-应变曲线，破断面则用 SEM 加以观察分析。无铅焊锡球格数组构装，则使用Sn-3.5Ag共晶合金锡球，其尺寸为400m 20m。潜变试片制作是将破2损分析锡球接着于焊垫上，再用回焊炉进行回焊（图2）。确认接合无缺限后，用对位仪将另一芯片对位接着，实施二次回焊而成。四、结果与讨论图 3 为 Sn-In-Ag 三元合金的 DSC曲线分析结果，显示Sn-Ag 合金中添加 10%的铟元素，将可有效降低 Sn-Ag合金的熔点。持续增添铟含量虽能使Sn-Ag 合金熔点再降低，但铟含量超过15%以上，则Sn-In-Ag 三元合金中会

8、出现微硬度值高的富铟相。在 不 同Homologous温 度 、10-3mm/sec拉伸速率下，Sn-In-Ag三元合金的应力-应变曲线示于图4。合金 的 流 变 应 力(flow stress)随Homologous 温度的升高而降低，延伸率则随温度的升高而增加。在=0.796环境下，Sn-10In-2.8Ag合金的延伸率约为 158%，而 Sn-20In-2.8Ag 合金的延 伸 率 则 降 至82% 。 这 是 因 为Sn-15(20)In-2.8Ag合金中出现的富铟相，导致 Sn-In-Ag 合金机械性质的改变，材料破坏的起源就从这富铟相 /锡基底开始（图 5）。图 6 是 Sn-3.

9、5Ag 无铅焊锡球格阵列构装在不同温度、110-4 mm/sec 拉伸速率下的负荷位移量变化曲线，图 中 纵 轴 代 表 单 颗 锡 球 所 承 受 的 荷重。锡球的荷重与芯片构装位移量，均随测试温度升高而降低，这现象与Sn-3.5Ag共晶合金块材的拉伸试验结果不同，Sn-3.5Ag共晶合金块材的抗拉强度随测试温度升高而降低，但延伸率则随测试温度的升高而增大。 SEM 破断面显示，Sn-3.5Ag 无铅焊锡球格数组构装的破断处都发生在锡球本体。Sn-3.5Ag锡球的破坏呈现出沿晶潜变破坏特征。试片有明显的孔洞在粒界处形成，且孔洞数量随着测试温度的升高而增加；随着拉伸应力的增加，粒界形成的细小孔

10、洞逐渐扩大并联结，直至材料断裂(图 7)。五、结论1.铟元素可以降低Sn-Ag合金的熔点，然而当 Sn-In-Ag 三元合金中铟的含量超过15%以上，则因有高微硬度值的富铟相出现，而对 Sn-In-Ag 三元合金的抗拉强度及延伸率产生显著的影响。2.在=0.796 环境下，Sn-10In-2.8Ag合 金 的 延 伸 率 约 为158% ， 而Sn-20In-2.8Ag合金的延伸率则降至82%。3. Sn-15(20) In-2.8Ag 合金的破断面呈现出窝状组织其中并有片状破损的富铟相，这是因为材料破损的起源从富铟相与-锡基底开始的缘故。4. Sn-3.5Ag 无铅焊锡球格数组构装的锡球荷重

11、与芯片构装位移量，均随测试温度升高而降低，这现象与Sn-3.5Ag共晶合金块材的拉伸试验结果不同。重要文献：1. J.J. Liu, H. Berg, Y. Wen, S.Mulgaonker, R. Bowlby and A. Mawer, Plastic Ball Grid Array ( PBGA)overview, .3Materials Chemistry and Physics, Vol.40, 1995,236-244.2. J. Lau, J. Miremadi, J. Gleason, R.Haven, S. Ottoboni and S. Mimura,No Clean M

12、ass Reflow of Large PlasticBall Grid Array Packages,Circuit World, Vol. 20, No. 3, 1994,15-22.3. S.M. Sze, VLSI Technology, 2ndEdition, 1988, McGraw-Hill, New York4. R.R. Tummala and E.J. Rymaszewski,Microelectronics Packaging Handbook,Van Nostrand Reinhold, 19895. R. Darveaux, K. Banerli, A. Mawera

13、nd G. Dody,Reliability of Plastic Ball Grid ArrayAssembly,Ball Grid Array Technology, ed. by J.H.Lau, McGraw-Hill, Inc., 1998, 379-4426. J.H. Lau and Y.-H., Pao,Solder, Joint Reliability of BGA, CSP, Flip Chip, and Fine Pitch SMTAssemblies,Ch. 5, McGraw-Hill, Inc., 1997, 153-2187. R. Rorgren, P.-E.

14、Tegehall and P. Carlsson,Reliability of BGA Packages in anAutomotive Environment,J . of SMT, April, 1998, 36-448. L.Y. Yang and Y.C. Mui,Solder Joint Reliability Study for PlasticBall Grid Array Packages,Int. Microelectronics and PackagingSociety, 1998, 100-1089. P.T. Vianco and D.R. Frear,Issues in

15、 the Replacement ofLead-Bearing Solders,JOM, July, 1993,14-19.10. W.L. Winterbottom, Converting to Lead-Free Solders: AnAutomotive Industry Perspective,JOM, July, 1993,20-24.11. M.S. Yeh, Evaluation of theMechanical Properties of a TernarySn-20In-2.8Ag Solder,Journal of Electronic Materials, Vol. 31

16、,No. 9, 2002, pp. 953-956.6013 .5155 013 .540R.T. =0.689 =0.796(a)图 1.拉伸试片尺寸图图 2.无铅焊锡球格数组构装Sn-20In-2.8Ag170.8194.9+2006040200604000=0.68940R.T.=0.689 =0.79640R.T.80Strain (%)80Strain (%)120120(b)(c)160160Sn-15In-2.8Ag186.6205.120 =0.796+004080Strain (%)120160Sn-10In-2.8Ag100150193.3213.2+200025图 4.

17、Sn-In-Ag 三元合金的应力-应变曲线(a)Sn-10In-2.8Ag、(b) Sn-15In-2.8Ag、(b)Temperature ( )图 3. Sn-In-Ag 三元合金 DSC 曲线分析4Sn-20In-2.8Ag 12 R 4 R 1 Ds c (m W) St ress (MP a) St ress (MP a) St ress (MP a)2016128400.01000.47525500.8Elongation (mm)1.21.6图 5. Sn-In-Ag 合金破坏面图 6. Sn-3.5Ag 无铅焊锡球格数组构装的负荷位移量变化曲线 图 7. Sn-3.5Ag 无铅焊锡球格数组构装在不同温度下锡球破坏之 SEM 观察 (a)25、(b)50、(c)75、(d)100 5 S tre ss (K g)