博碩士論文 943204013 詳細資訊




以作者查詢圖書館館藏 以作者查詢臺灣博碩士 以作者查詢全國書目 勘誤回報 、線上人數:10 、訪客IP:35.173.234.140
姓名 張智強(Chih-Chiang Chang)  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 Cu濃度對銲接時墊層消耗速率及界面反應的影響
(Dissolution and Interfacial Reaction between Cu and Sn-Ag-Cu Solders)
相關論文
★ Au濃度Cu濃度體積效應於Sn-Ag-Cu無鉛銲料與Au/Ni表面處理層反應綜合影響之研究★ 規則氧化鋁模板及鎳金屬奈米線陣列製備之研究
★ 電化學沉積法製備ZnO:Al奈米柱陣列結構及其性質研究★ 溼式蝕刻製程製備矽單晶奈米結構陣列及其性質研究
★ 氣體電漿表面改質及濕式化學蝕刻法結合微奈米球微影術製備位置、尺寸可調控矽晶二維奈米結構陣列之研究★ 陽極氧化鋁模板法製備一維金屬與金屬氧化物奈米結構陣列及其性質研究
★ 水熱法製備ZnO, AZO 奈米線陣列成長動力學以及性質研究★ 新穎太陽能電池基板表面粗糙化結構之研究
★ 規則準直排列純鎳金屬矽化物奈米線、奈米管及異質結構陣列之製備與性質研究★ 鈷金屬與鈷金屬氧化物奈米結構製備及其性質研究
★ 單晶矽碗狀結構及水熱法製備ZnO, AZO奈米線陣列成長動力學及其性質研究★ 準直尖針狀矽晶及矽化物奈米線陣列之製備及其性質研究
★ 奈米尺度鎳金屬點陣與非晶矽基材之界面反應研究★ 在透明基材上製備抗反射陽極氧化鋁膜及利用陽極氧化鋁模板法製備雙晶銅奈米線之研究
★ 準直矽化物奈米管陣列、超薄矽晶圓與矽單晶奈米線陣列轉附製程之研究★ 尖針狀矽晶奈米線陣列及凖直鐵矽化物奈米結構之製備與性質研究
檔案 [Endnote RIS 格式]    [Bibtex 格式]    [相關文章]   [文章引用]   [完整記錄]   [館藏目錄]   [檢視]  [下載]
  1. 本電子論文使用權限為同意立即開放。
  2. 已達開放權限電子全文僅授權使用者為學術研究之目的,進行個人非營利性質之檢索、閱讀、列印。
  3. 請遵守中華民國著作權法之相關規定,切勿任意重製、散佈、改作、轉貼、播送,以免觸法。

摘要(中) 由於SnAgCu 系列銲料有很多不同組成,而以何種組成為最理想,目
前並無定論,且現今在電子封裝中最常使用表面處理層為OSP/Cu 與
Au/Ni,其中由於OSP/Cu 表面處理層價格低廉。因此本研究將探討當銲錫
球與Cu 墊層相接時,SnAgCu 系列銲料中Cu 濃度所扮演的腳色。而且現
今電子產品發展走向輕薄短小的趨勢,使得IC 晶片邁向高I/O 數的趨勢,
因此銲點的縮小更是勢在必行,所以縮小銲點所造成的影響也很重要。因
此本研究之總目標是去深入了解不同體積與不同Cu 濃度之SnAgCu 銲錫球
與OSP/Cu 發生反應時每一階段的現象及其機制。
本研究之目的是在探討SnAgCu系銲料之Cu濃度與體積變化對銲接反
應與介金屬生長形態的影響。本實驗係以760、500 μm 兩種不同直徑的銲
錫球,來對開孔600 μm 的Cu 墊層進行銲接反應。其中SnAgCu 銲錫球的
Cu 濃度分別為0、0.3、0.5 及0.7 wt.%,並且所選用的廻銲頂溫是235℃。
廻銲時間設定為90 秒並且分別進行1~5 次的廻銲,在廻銲過後觀察其反應
結果的截面積與上視圖,並且以掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron
Microscope, SEM, HITACHI S-3000N)觀察界面的介金屬型態,並以電子微
探儀(Electron Probe Microprobeanalyzer, EPMA, JEOL JXA-8500F)進行各相
組成分析,並利用推球機(XYZTEC CONDOR-100)在不同迴銲條件下測試
其銲點的剪力強度。
而由反應結果的微結構圖與數據可以發現銲錫球所消耗的Cu 墊層厚度
與界面介金屬的生長厚度主要是受到不同Cu 濃度銲錫球、廻銲時間與銲料體積的影響。其中銲錫球中初始的Cu 濃度高低,主要會改變Cu 墊層與熔
融銲料間的濃度梯度,進而導致不同的溶解驅動力,而使Cu 墊層溶解速率
發生改變,而界面介金屬晶粒也隨之成長。不同的廻銲時間,會使得界面
介金屬厚度與晶粒大小明顯的有所變化,而最後利用質量平衡可以發現
到,無論初始銲錫球中Cu 濃度的高低,在不同次數的廻銲後銲錫球中Cu
濃度皆會因為達到溶解 平衡而維持在一定值。
另外已有研究指出,在 Cu3Sn/Cu 界面會產生一連續的Kirkendall’s
Voids。而此一連續的Kirkendall’s Voids 會導致Solder/Cu 界面的脆化而使
銲點剪力強度的下降,本實驗室曾經發現到在SnAgCu 系銲料中添加微量
的Ni 成分在長時間的反應下,可以有效抑制Cu 端的Cu3Sn 生成。並由
SnCuNi 三元相圖可知微量Ni 成份的添加會使得Cu 在Sn 中的溶解極限快
速下降,因此在本研究中會另外進一步的探討當銲料中添加微量Ni 成份對
於Cu墊層消耗厚度和界面介金屬型態與厚度以及對迴銲後Cu濃度的影響。
此研究主要是利用組成Sn3Ag0.5Cu0.02Ni 直徑分別為300、400、600、
760μm 的銲錫球與開孔600μm 的Cu 基材相接後在235℃頂溫下經過1~5
次的迴銲後,觀察其界面反應結果與測試其銲點的剪力強度。
此研究發現微量的Ni 成份的添加其界面生成之介金屬為
(Cu1-xNix)6Sn5。並可以有效的的降低Cu 在Sn 中的溶解極限,而使得界面
介金屬形狀會由貝殼狀轉變成菱柱狀,且會促使大量的介金屬在界面析
出,並在界面的介金屬觀察到有些微孔隙的生成。有趣的Ni 的添加對於
Cu 墊層的消耗厚度並無太大影響。現今電子封裝業走向輕薄短小的趨勢,
因此銲點的縮小是可以預見的,而在本研究中當含Ni 銲點體積縮小時,其界面介金屬厚度會隨之下降,Cu6Sn5 中溶Ni 量也有下降的趨勢,而且介金
屬的形狀也由結晶顆粒較大的菱柱狀轉變為結晶顆粒較小的貝殼狀。亦即
添加Ni 成分的銲點體積的不同會影響界面生成物其生長型態的轉變,因此
當未來銲點持續縮小時,含Ni 銲點體積大小對於界面反應也會有所影響。
摘要(英) In electronic packing, the dissolution of thin film under-bump
metallizations (UBMs) and surface finishes in molten lead-free solders is one of
the most important processing concerns. Due to a higher melting temperatures
and richer Sn content, molten lead-free solder such as SnAgCu tend to dissolve
the UBMs and surface finishes at faster rates than the eutectic SnPb. The
SnAgCu solder are a series of lead-free solders with broad compositions. The
OSP/Cu surface finish is the most common and important for solder pad and
bumps in industry now. One of the important reasons for using Cu in packaging
assemblies is that it provides good electrical conductivity. Therefore, the overall
objective is to study in depth the reaction between the SnAgCu solders with
various Cu concentrations, solder ball volume and the OSP/Cu.
In this study, solder balls of different concentrations Sn3AgxCu
(x=0/0.3/0.5/0.7wt.%) and different diameters, 500 μm or 760 μm were
employed to study the influence of solder volume as well as the Cu
concentration. The solder pad had the OSP/Cu surface finish. The pad opening
diameter was 600 μm. The solder balls were placed on pad, and then reflowed
for 90–450 sec at peak reflow temperature of 235℃. The microstructureal
analyses of samples were obtained using a SEM, and the composition of
reaction product was identified by JEOL JXA-87600SX electron microprobe
(EPMA).
It was found that the Cu concentration and solder ball volume in the SnAgCu ternary solder has very strong effect on the Cu consumption thickness
and compound formation in solder joints with the OSP/Cu surface finish. The
different Cu concentration in the SnAgCu ternary solder changed the Cu
concentration gradient and dissolution driving force between molten-solder and
Cu pad. The interfacial IMC layers thickness and grain size increased with
increasing number of reflow times. From mass balance of Cu, whatever initial
Cu concentration in the SnAgCu ternary solder ball the Cu concentration will
reach dissolution equilibrium to maintain constant at various reflow times. The
results of this study suggested that a high Cu-content SnAgCu solder should be
used to prevent the chip failed due to molten solder dissolved nearly all the Cu
from the Cu pad.
關鍵字(中) ★ 無鉛銲料
★ 界面反應
★ 消耗速率
★ 銅濃度
關鍵字(英) ★ interface reaction
★ Lead-free Solder
★ Cu concentration
★ dissolution rate
論文目次 中文摘要 I
英文摘要 IV
目 錄 VI
圖 目 錄 VIII
表 目 錄 XVI
第 一 章 緒論
1.1 研究背景 01
1.1.1 微電子封裝 01
1.1.1.1 電子構裝目的 01
1.1.1.2 電子構裝四層次 04
1.1.1.3 球矩陣封裝(BGA) 07
1.1.2 銲接 12
1.1.3 無鉛銲料 19
1.1.3.1 無鉛銲料現況 19
1.1.3.2 SnAgCu無鉛銲料 24
1.2 研究目的 26
第 二 章 文獻回顧
2.1 Sn/Ni界面反應 27
2.1.1 SnAgCu與Ni之Cu濃度效應 31
2.1.2 SnAgCu與Ni之體積效應 33
2.2 Sn/Cu界面反應 36
2.2.1 Sn/Cu 固-液界面反應 36
2.2.2 Sn/Cu 固-固界面反應 44
2.2.3 含Ni銲料與Cu基材之界面反應 45
2.3 剪力強度測試文獻回顧 50
2.3.1 銲點可靠度 50
2.3.2 37Pb-63Sn錫球剪力強度 50
2.3.2 SnAgCu錫球剪力強度 53
2.4 實驗規劃 55
2.4.1 金相實驗規劃 55
2.4.2 剪力強度實驗規劃 57
第 三 章 實驗步驟與方法
3.1 實驗預備 58
3.1.1 銲料的組成 58
3.1.2 實驗用OSP/Cu墊層 61
3.1.3 實驗用迴銲曲線(Reflow Profile) 63
3.2 實驗步驟 66
3.2.1 迴銲前BGA試片準備,及植上銲錫球 66
3.2.2 迴銲反應(Reflow) 實驗步驟 66
3.2.3 多次迴銲(Multiple-Reflow)實驗步驟 67
3.3 試片處理、金相觀察及分析 67
3.3.1 試片之金相處理 67
3.3.2 光學顯微鏡(OM)觀察 69
3.3.3 掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察 69
3.3.4 電子探測分析儀(EPMA)組成分析 70
3.4 剪力強度分析 72
3.4.1 剪力強度測試程序 72
第 四 章 實驗結果
4.1 SnAgCu銲料中不同Cu含量的影響(一) 76
4.1.1 迴銲後SEM界面金相觀察 76
4.2 SnAgCu銲料中不同Cu含量的影響(一) 87
4.2.1 迴銲後SEM界面金相觀察 87
4.3 不同體積大小的SnAgCu銲錫球的影響 98
4.3.1 迴銲後SEM界面金相觀察 98
4.4 添加微量Ni銲料在多次迴銲後對於界面的影響 111
4.4.1 迴銲後SEM界面金相觀察 112
4.5 不同體積大小對添加微量Ni銲料的界面的影響 119
4.5.1 迴銲後SEM界面金相觀察 120
4.6 剪力強度測試 128
第 五 章 討論與結論
5.1 銲錫球Cu濃度的影響 131
5.2 迴銲次數的影響 132
5.3 銲錫球體積的影響 133
5.4 添加Ni成分的影響 135
5.5 銲錫球體積對添加Ni成分的影響 136
5.6 剪力強度測試 138
參考文獻 139
參考文獻 [AND] I. E. Anderson, and J. L.Harringa, Journal of Electronic Materials, Vol. 35, No. 1, 2006.
[BAD1] W. Bader, Welding J., 48(12), p. 551, 1969.
[BAD2] W. Bader, in: Proceedings of the Conference on Physical Metallurgy, Metal Joining, St. Louis, MO, Oct. 16–17, TMS/AIME, Warredale, USA, 1980.
[BAD3] S. Bader, W. Gust, H. Hieber, Acta Metall. Mater., 43(1), p. 329, 1995.
[BAR] F. Bartels and J. W. Morris, JR., Journal of Electronic Materials, Vol. 23(8), pp. 787-790, 1994.
[CHE] Y. C. Chen, S. J. Lee and C. C. Lee, IEEE Trans. On CPMT, 5, pp. 206-210, 1994.
[CHE] W.T. Chen, C.E. Ho, and C.R. Kao, Journal of Electronic Materials, Vol. 17, No. 2, 2002
[CHI] Chien-Sheng Huang, Guh-Yaw Jang, and Jenq-Gong Duh , Journal of Electronic Materials, Vol. 33, No. 4, 2004
[CHOI] W. K. Choi, S. K. Kang, Y. C. Sohn and D. Y. Shih, Electronic Components and Technology Conference, p.1190, 2003
[CHU] C. M. Chuang, and K. L. Lin, Journal of Electronic Materials, 32, p. 1426, 2003
[CIR] Circuits Assembly, IC Insights, 1999.
[COY] R. J. Coyle, P. P. Solan, A. J. Serafino, and S. A. Gahr, Proceedings of 50th Electronic Components and Technology Conference, Las Vegas, NV, USA, September, p.160, 2000.
[DOD] G. Dody and T. Burnette, Surf. Mount. Tech., p.39, May, 1996.
[ERN] C. Ernhart and S. Scarr, presented at the ACYF research conference, New Directions in Child and Family Research, 1991.
[FJE] H. Fjellvag, A. Kjekshus, Acta Chem. Scand., Ser. A: Phys. Inorg. Chem., A40, p. 23, 1986.
[GLA] J. Glazer, Int. Mater. Rev., 40, p. 65, 1995.
[GUR] D. Gur and M. Bamberger, Acta Meter., 46, p. 4917, 1998.
[HAI] J. Haimovich, Welding Research Supplement, Vol. 68(3), pp. 102s-111s, 1989.
[HAR1] W. B. O’Hara and W. C. Lee, Surf. Mount. Tech., p.44, January 1996.
[HAR2] W. B. O’Hara and W. C. Lee, Int. J. Microcircuits and Elect. Packaging, 19, p.190, 1996.
[HAY] A. Hayashi, C. R. Kao and Y. A. Chang, Scripta Materialia, Vol. 68(3), pp. 37(4), pp. 393-398, 1997.
[HO1] C. E. Ho, R. Y. Tsai, Y. L. Lin and C. R. Kao, Journal of Electronic Materials, Vol. 31, No. 6, 2002
[HO2] C. E. Ho, R. Y. Tsai, Y. L. Lin and C. R. Kao, Chemistry of Materials, Vol. 14, No. 3, 2002
[HO3] C. E. Ho, Y. W. Lin, S. C. Yang, C. R. Kao, and D. S. Jiang, Journal of Electronic Materials, 35, p.1017, 2006.
[HUA] M. L. Huanga, T. Loeher, A. Ostmann and H. Reichl, Applied Physics Letters, 86, p. 181908, 2005
[HWA] C.W. Hwang, J.G. Lee, K. Suganuma, H. Mori, Journal of Electronic Materials, 32, p. 52, 2003.
[IPC] IPC Roadmap for Lead-Free Electronics Assemblies, 2nd draft, IPC, Northbrook, IL, November 1999.
[ISL] M.N. Islam, Ahmed Sharif, and Y.C. Chan, Journal of Electronic Materials, 34(2), Jan, p. 143-149, 2005.
[JEI] W. Jeitschko, B. Jaberg, Acta Crystallogr., Sect. B: Struct. Crystallogr. Cryst. Chem., B38, p. 598, 1982.
[KAN1] S. K. Kang and V. Ramachandran, Scripta Metall., 14, p. 421, 1980.
[KAN2] S. K. Kang, R. S. Rai and S. Purushothaman, Journal of Electronic Materials, 25, p. 1113, 1996.
[KAO1] C. R. Kao, Materials Science and Engineering A, 238, p. 196, 1997.
[KAO2] C. E. Kao,「清潔生產研討會」講義,中央大學,p. 18, 2001。
[KAO3] C. R. Kao, Materials Science and Engineering, 238, pp. 196-201, 1997.
[LAU] T. Laurila, V. Vuorinen, and J. K. Kivilahti, Materials Science and Engineering, R49, p.1, 2005.
[LEE1] M. S. Lee, C. M. Liu and C. R. Kao, Journal of Electronic Materials, 28, p. 57, 1999.
[LEE2] N. C. Lee,「1998 先進電子封裝技術趨勢研討會」講義,新竹,p. 81,1998。
[LEE3] N. C. Lee, Soldering and Surface Mount Tech., 6, p. 65, 1997.
[LEE4] J. S. Lee and K. Mukherjee, Materials Science and Engineering, A117, pp.167-173, 1989.
[LEE5] C. C. Lee, C. Y. Wang and G. Matijasevic, IEEE Trans. on CPMT, 3, (1994), pp. 595-599.
[LU] S. W. Lu, R. H. Uang, K. C. Chen, H. T. Hu, L. C. Kung, and H. C. Hung, IEEE/CPMT International Electronic Manufacturing Technology Symposium, p.127, April, 1999.
[MAR] Z. Marinkovic and V. Simic, Thin Solid Films, Vol. 98, pp. 95-100, 1982.
[MAS] T. B. Massalski, Binary Alloy Phase Diagrams, second ed., ASM International, Materials Park, Ohio, 1990.
[MAT] G. Matijasevic, Y. C. Chen and C. C. Lee, The International Journal of Microcircuits and Electronic Packaging, 17, pp. 108-117, 1994.
[Moon] K.-W. Moon, W.J. Boettinger, U.R. Kattner, F.S. Biancaniello, and C.A. Handwerker, Journal of Electronic Materials, Vol. 29, p.1122, 2000
[MOR] J. E. Morris, Workshop, The Design and Processing Technology of Electronic Packaging, 1997.
[NEM] National Electronics Manufacturing Initiative (NEMI) Lead-Free Readiness Task Force Report, NEMI, 1999.
[OH] M. Oh, Doctoral Dissertation, Lehigh University, 1994.
[PLU] W. J. Plumbridge, J. Mater. Sci, 31, p. 2501, 1996.
[QI] G. Qi, M. He, Z. Chen, in: Proceedings of the Yazawa International Symposium, 1(2-6), Mar, p. 1173, 2003.
[RON] K.J. Ronka, F. J. J. Van Loo, J. K. Kivilahti, Metallurgical and Materials Transactions A, 31, p.1951-2956, 1998.
[SAU1] N. Saunders and A. P. Miodownik, ASE International, Materials Park, Ohio, pp. 2-166, 1992.
[SCH] G. Schwitzgebel, R. Mildenberger, Berichte der Bunsen-Gesellschaft., 101, p. 1742, 1997.
[SHA1] A. Sharif, Y. C. Chan, Materials Science and Engineering B, 106, p126-131, 2004
[SHA2] A. Sharif, Y. C. Chan, Journal of Electronic Materials, 34(1), Jan, p. 46-52, 2005.
[SO] A. C. K. So, Y. C. Chan and J. K. L. Lai, IEEE Trans. Comp. Packg. Manuf. Tech. B, 20, pp. 161-166, 1997.
[TSA1] J. Y. Tsai, Y. C. Hu, C. M. Tsai, and C. R. Kao, Journal of Electronic Materials, 32, p. 1203, 2003.
[TU1] K. N. Tu, Acta Metall., 21, pp. 347-354, 1973.
[TU2] K. N. Tu, Acta Metall., 30, pp. 947-952, 1982.
[TU3] K. N. Tu, Mat. Chem. and Phys., 46, pp. 217-223, 1996.
[WAS1] R. J. Wassink, Soldering in Eelectronics, Electrochemical Pub. Ltd., p. 99, 1984.
[WAS2] R. J. Wassink, Soldering in Eelectronics, 2nd ed., Electro-chemical Pub.
[YOO1] J. W. Yoon, S. B. Jung, Surf. Coat. Technol., 200(14-15), p. 4440-4447, 2006.
[YOO2] J. W. Yoon, S. W. Kim, S. B. Jung, J. Alloys Compd., 392, p 247-252, 2005.
[YOO3] J. W. Yoon, S. W. Kim, S. B. Jung, J. Alloys Compd., 385, p. 192, 2004.
[YOO4] J. W. Yoon, S. B. Jung, J. Alloys Compd., 396, p. 122-127, 2005.
[ZEN] K. Zeng, K. N. Tu, Materials Science and Engineering, R38, p.55-105, 2002.
[ZHA1] F. Zhang, M. Li, C. C. Chum, C. H. Tung, J. Mater. Res., 18, p. 1333, 2003.
[ZHA2] F. Zhang, M. Li, C. C. Chum, K. N. Tu, J. Mater. Res., 17, p. 2757-2760, 2002.
[張淑如] 張淑如,“鉛對人體的危害”, 勞工安全衛生簡訊, 第12期, p.17, 1995。
[黃家緯] 黃家緯碩士論文, 成功大學材料科學及工程研究所, 2000。
[賴玄金] 賴玄金, 電子與材料, 第8期, p.111, 2000。
[梁元彰] 梁元彰,“無鉛銲錫合金概況”, 電腦與通訊, 第90期, p.45, 2000。
[陳國銓] 陳國銓, IC封裝技術, 工業材料, 第158期, p.78, 2000。
[謝宗雍] 謝宗雍, 陳力俊,“微電子材料與製程”, 中國材料科學學會, p.385, 2000。
[林安宏] 林安宏碩士論文, 中央大學化學工程研究所, 2001。
[蕭麗娟] 蕭麗娟碩士論文,國立中央大學化工所,2002。
[彭錢塘] 彭錢塘,“電路板無鉛銲墊之現況”, 電路板會刊, 第12期, p.75,
[咎世蓉] 咎世蓉, “無鉛銲錫之可靠度試驗”, 電子與材料, 第9期, p.96。
指導教授 鄭紹良、高振宏
(S. L. Cheng、C. Robert Kao)
審核日期 2007-7-12
推文 facebook   plurk   twitter   funp   google   live   udn   HD   myshare   reddit   netvibes   friend   youpush   delicious   baidu   
網路書籤 Google bookmarks   del.icio.us   hemidemi   myshare   

若有論文相關問題,請聯絡國立中央大學圖書館推廣服務組 TEL:(03)422-7151轉57407,或E-mail聯絡  - 隱私權政策聲明