博碩士論文 88321028 詳細資訊




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姓名 羅金龍( Jing-Long Luo)  查詢紙本館藏   畢業系所 化學工程與材料工程學系
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
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摘要(中) 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。
關鍵字(中) ★ 無鉛銲料
★ 球矩陣封裝
★ 界面反應
關鍵字(英) ★ 58Bi-42Sn
★ BGA
★ Au/Ni/Cu
論文目次 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
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指導教授 高振宏(C. Robert Kao) 審核日期 2001-6-29
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