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

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題名:	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
作者:	羅金龍;Jing-Long Luo
貢獻者:	化學工程與材料工程研究所
關鍵詞:	無鉛銲料;球矩陣封裝;界面反應;58Bi-42Sn;BGA;Au/Ni/Cu
日期:	2001-06-29
上傳時間:	2009-09-21 12:19:29 (UTC+8)
出版者:	國立中央大學圖書館
摘要:	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。
顯示於類別:	[化學工程與材料工程研究所] 博碩士論文

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