跳到主要內容

簡易檢索 / 詳目顯示

回結果列表
研究生： 羅金龍
Jing-Long Luo
論文名稱： 58Bi-42Sn無鉛銲料與球矩陣封裝中Au/Ni/Cu墊層界面反應之研究
指導教授： 高振宏
C. Robert Kao
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 化學工程與材料工程學系
Department of Chemical & Materials Engineering
畢業學年度： 89
語文別： 中文
論文頁數： 128
中文關鍵詞： 無鉛銲料 、球矩陣封裝 、界面反應
外文關鍵詞： 58Bi-42Sn, BGA, Au/Ni/Cu
相關次數： 點閱：9  下載：0 
分享至:
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報

    • 球矩陣封裝（BGA）是現今最主要封裝方式，球矩陣封裝上的墊層與銲錫球接合取代傳統導線架接腳，球矩陣封裝墊層的表面處理以Au/Ni為主。全球無鉛化的環保訴求促使Pb-Sn在未來將遭禁用，改以無鉛銲料取代。因此無鉛銲料與BGA墊層接合反應是值得深入探討。
    本論文進行58Bi-42Sn（wt.）無鉛銲料銲錫球與Au/Ni/Cu墊層界面反應的實驗。實驗內容包括迴銲實驗（Reflow）以及迴銲反應完的熱處理實驗（Aging）。
    在迴銲實驗中，經金相觀察發現迴銲初期液態58Bi-42Sn銲錫球與Au/Ni墊層界面會生成兩層介金屬。經EPMA組成分析判定為Au-Ni-Bi-Sn四元介金屬與AuSn2。隨後AuSn2會迅速轉變為Au-Ni-Bi-Sn並掉入銲錫球內部。最後，Au/Ni墊層的Au層從界面消失，使的Au/Ni墊層中Ni層與58Bi-42Sn銲錫球直接接觸。
    在熱處理實驗中，將58Bi-42Sn銲錫球與Au/Ni進行迴銲完成後，置於不同溫度下熱處理（80℃、100℃、120℃、130℃），熱處理時間由20小時~6,400小時。經金相觀察發現熱處理完後銲錫球與墊層界面會生成兩層介金屬，經EPMA分析判定為Au-Ni-Bi-Sn及Ni3Sn4。此時界面處Au-Ni-Bi-Sn是來自原先位於銲錫球內部的Au-Ni-Bi-Sn。界面處Au-Ni-Bi-Sn含有較多的Ni，因此推論Au-Ni-Bi-Sn回到界面的目的是獲取較多的Ni。
    在熱處理時界面會生成兩層介金屬，除了Au-Ni-Bi-Sn四元介金屬外，還有Ni3Sn4。墊層中的Ni與銲錫球中的Sn生成Ni3Sn4。經由動力學計算證明介金屬Ni3Sn4的生長機制為擴散控制。以Arrhenius equation計算Ni3Sn4的生長活化能為172KJ/mol。
    增長熱處理時間至Ni層全部轉變為介金屬時，即Ni3Sn4與Au/Ni墊層下的Cu層直接接觸。Cu層會開始參與介金屬生成，於Cu層與介金屬Ni3Sn4界面生成兩層介金屬，經EPMA分析判定為Cu3Sn及Cu6Sn5。同時Cu會進入介金屬Ni3Sn4層內部，將部分Ni3Sn4轉化成(Cu1-x-yNixAuy)6Sn5，使原本層狀介金屬Ni3Sn4變為Ni3Sn4與(Cu1-x-yNixAuy)6Sn5混合相。
    為更確認Au-Ni-Bi-Sn回到界面的原因。本論文以經過迴銲-熱處理後的58Bi-42Sn銲錫球與Au/Ni墊層，重複進行迴銲-熱處理。金相觀察重複迴銲-熱處理實驗。發現迴銲完成時，界面處層狀Au-Ni-Bi-Sn會分離成小塊狀並掉入銲錫球內部。熱處理完時小塊狀Au-Ni-Bi-Sn又會回到界面生成層狀Au-Ni-Bi-Sn。經EPMA分析得知迴銲完成，掉入銲錫球內部Au-Ni-Bi-Sn中Ni所佔原子百分比約為2.5 at. %，熱處理完時回到界面生成層狀Au-Ni-Bi-Sn中Ni所佔原子百分比約為12.5 at. %。由此判定Au-Ni-Bi-Sn回到界面的目的是獲取較多的Ni。
    介金屬厚度過厚會影響銲點機械性質。為尋找減緩介金屬生長速度的方法，本論文進行添加微量金屬實驗，在58Bi-42Sn銲錫球內添加微量金屬（Ni、Cu）。添加微量金屬的58Bi-42Sn與Au/Ni墊層迴銲完成後，進行熱處理反應。金相觀察熱處理完成後銲錫球與墊層界面，發現添加微量金屬Ni可減緩熱處理時介金屬Au-Ni-Bi-Sn生長速度，添加微量金屬Cu熱處理時可抑制界面介金屬Au-Ni-Bi-Sn及Ni3Sn4生成，而以生長速度緩慢的(Cu1-x-yNixAuy)6Sn5代替。本論文發現添加微量金屬方法可減緩介金屬生長速率，藉此增加58Bi-42Sn銲錫球使用時的可靠度。

    目 錄............................................................................................. I 圖 目 錄.......................................................................................... IV 表 目 錄........................................................................................ VIII 符號目錄............................................................................................X 第 一 章 緒論 1.1 研究背景.................................................................................. 1 1.1.1 微電子封裝.................................................................... 1 1.1.2 球矩陣封裝(BGA).......................................................... 5 1.1.3 銲接............................................................................... 8 1.1.4 無鉛銲料.......................................................................11 1.1.5 58Bi-42Sn 無鉛銲料......................................................13 1.1.6 界面接合反應...............................................................15 1.2 研究目的.................................................................................17 第 二 章 文獻回顧 2.1 58Bi-42Sn 銲料文獻回顧.........................................................18 2.1.1 58Bi-42Sn 銲料.............................................................18 2.1.2 58Bi-42Sn 銲料與不同基材（Au、Ni、Cu）個別界面反 應...........................................................................................25 2.2 Au/Ni/Cu 墊層與其他銲料反應...............................................34 2.2.1 37Pb-63Sn 銲料與Au/Ni/Cu 墊層反應..........................34 2.2.2 96.5Sn-3.5Ag 銲料與Au/Ni/Cu 墊層反應.....................38 2.3 實驗規劃.................................................................................40 第 三 章 實驗步驟與方法 3.1 實驗設備.................................................................................41 3.1.1 實驗用Au/Ni/Cu 墊層....................................................41 3.1.2 實驗用58Bi-42Sn 銲錫球製備.......................................42 3.1.3 實驗迴銲曲線(Reflow Profile) .......................................44 3.1.4 實驗前Au/Ni/Cu 墊層準備，及植上銲錫球..................45 3.2 實驗步驟.................................................................................47 3.2.1 迴銲反應(Reflow) 實驗步驟..............................................47 3.2.2 熱處理反應(Aging) 實驗步驟........................................49 3.3 金相處理.................................................................................51 3.4 試片分析.................................................................................52 3.4.1 光學顯微鏡(OM)觀察........................................................52 3.4.2 掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察...........................................52 3.4.3 電子探測分析儀(EPMA)組成分析.....................................52 第 四 章 迴銲實驗、熱處理實驗結果 4.1 迴銲實驗結果..........................................................................54 4.1.1 迴銲初期SEM 界面金相觀察........................................55 4.1.2 迴銲完成後SEM 界面金相觀察....................................57 4.1.3 迴銲結果整理................................................................59 4.2 熱處理實驗結果......................................................................60 4.2.1 熱處理後SEM 界面金相觀察........................................60 4.2.2 相同熱處理溫度、不同熱處理時間SEM 界面金相觀察 比較........................................................................................62 4.2.3 相同熱處理時間、不同熱處理溫度SEM 界面金相觀察 比較........................................................................................66 4.2.4 介金屬Ni3Sn4生長動力學.............................................69 4.2.5 四元介金屬Au-Ni-Bi-Sn 之生成....................................77 4.2.6 熱處理至Cu 層開始參與反應.......................................79 4.2.7 各相組成EPMA 分析....................................................82 第 五 章 重複迴銲-熱處理實驗及添加微量金屬實驗 5.1 重複迴銲-熱處理實驗.............................................................94 5.2 58Bi-42Sn 銲錫球內部添加Ni 實驗......................................100 5-3 58Bi-42Sn 銲錫球內部添加Cu 實驗.....................................106 5.4 配置Au-Ni-Bi-Sn 合金..........................................................111 第 六 章 討論 6.1 迴銲結果討論..........................................................................113 6.2 熱處理結果討論......................................................................114 6.2.1 熱處理對共晶結構影響...............................................114 6.2.2 熱處理條件對介金屬厚度影響....................................114 6.2.3 Au-Ni-Bi-Sn 回到界面機制之探討..............................115 6.2.4 Ni3Sn4生長動力學.......................................................116 6.2.5 熱處理至Cu 開始參與反應.........................................119 6.2.6 介金屬厚度控制...........................................................119 第 七 章 結論 7.1 迴銲反應（Reflow）結論....................................................121 7.2 熱處理反應（Aging）結論..................................................122 參考文獻.........................................................................................126

    [BAK]H. Baker, ASM Handbook v.3: Alloy Phase Diagrams,
    ASM, Materials Park, OH, p.2335, 1992.
    [BLA] H. D. Blair, T. Y. Pan and J. M. Nicholson, J.Elec.
    Comp. and Tech. Conf., p.259, 1998.
    [BRA]J. D. Braun, ASM Transactions Quarterly, 56, p.870,
    1963.
    [DOD]G. Dody and T. Burnette, Surf. Mount. Tech., p.39,
    May, 1996.
    [FRE]D. D. Frear,W. B.Jones, and K. R. Kinsman, Solder
    Mechanics: A State of the Art Assessment, TMS, PA,1995.
    [GLA1]J. Glazer, Int. Mater. Rev., 40, p.65, 1995.
    [GLA2]J. Glazer, J. Electron. Mater., 23, p.693, 1994.
    [GRE]J. B. Greaves Jr., in Proc. Conf. Nepcon West,
    Anaheim, CA, 1993.
    [HAR1]W. B. O’Hara and W. C. Lee, Surf. Mount. Tech.,
    p.44, Jan, 1996.
    [HAR2]W. B. O’Hara and W. C. Lee, Int. J. Microcircuits
    and Elect. Packaging, 19, p.190, 1996.
    [HO]C. E. Ho, Y. M. Chen, and C. R. Kao, J. Electron.
    Mater., 28, p.1231, 1999.
    [KAN1]S. K. Kang and V. Ramachandran, Scripta Metall., 14,
    p.421, 1980.
    [KAN2]S. K. Kang, R. S. Rai and S. Purushothaman, J.
    Electron. Mater., 25, p.1113, 1996.
    [KAO1]C. R. Kao，「清潔生產研討會」講義，中央大學，p.18，
    2001。
    [KAO2]C. R. Kao, Mater. Sci. Eng. A, 238, p.196, 1997.
    [KAY]P. J. Kay and C. A. MacKay, Trans. Inst. Matel.
    Finishing, 51, p.85, 1973.
    [LEE1]M. S. Lee, C. M. Liu and C. R. Kao, J. Electron.
    Mater., 28, p.57, 1999.
    [MAN]H. H. Manko, Solder and Soldering, McGraw-Hill, 1992.
    [MAS]T. B. Massalski et al. (eds.): Binary Alloy Phase
    Diagrams, Materials Park, OH, ASM Inter., 1986.
    [MEL]C. Melton, JOM, 45, p.33, 1993.
    [NCM]Lead-Free Solder Project Final Report, NCMS Report
    0401RE96, National Center for Manufacturing Sciences,
    Ann Arbor, Michigan, 1997.
    [OHS]T. Oshaki, Proc.40th Electronic Comp. Conf., p.1,
    1990.
    [POW]Tamar A. Powers, T. J. Singler and J. A. Clum, J.
    Electron. Mater., 23, p.8, 1994.
    [RAE]C. H. Raeder, L. E. Felton, D. B.Knorr, G. B.
    Schmeelk, and D. Lee, IEEE/CHMT int''l Electronics
    Manufacturing Technology Symposium, p.119, 1993.
    [RAE2]C. H. Raeder, L. E. Felton, V. A. Tanzi and D. B.
    Knorr, J. Electron. Mater., 23, p.611, 1994.
    [RAH]A.Rahn, The Basics of Soldering, John Wiely &
    Sons, New York, 1993.
    [SHO]R. H. Short and G. P. Evans, Assem. Eng., 31, p.44,
    1988.
    [STE]J. J. Stephens, Internal Memorandum, Sandia National
    Laboratories, Albuquerque, NM, March 2, 1989.
    [SUG]K. Suganuma, Scripta Mater., 38, p.1333, 1998.
    [TWT]J. H. Lau (ed.), Ball grid array technology, McGraw-
    Hill, New York, 1995.
    [VIA]P. T. Vianco, A. C. Kilgo and R. Grant, J. Electron.
    Mater., 24, p.1493, 1995.
    [WAS1]R. J. Wassink, Soldering in Eelectronics,
    Electrochemical Pub. Ltd., 1984.
    [WAS2]R. J. Wassink, Soldering in Eelectronics, 2nd ed.,
    Electrochemical Pub. Ltd., 1989.
    [WIL]R. W. Wild, Technical Report 171200408, IBM Federal
    Systems Division Laboratory, Owego, NY, 1971.
    [何政恩]何政恩、高振宏，中國材料學會2000年年會論文集，[H-02]，
    2000。
    [李明勳]李明勳碩士論文，中央化工所，1998。
    [徐敏雯]徐敏雯碩士論文，中央機械所，2001。
    [陳 琪]陳 琪 碩士論文，中央化工所，1999。
    [劉家明]劉家明碩士論文，中央化工所，2000。
    [蕭本俐]蕭本俐碩士論文，中央化工所，2000。

    QR CODE
    :::