00134無鉛焊錫球格數(shù)組構(gòu)裝制程與可靠度分析－子計劃三：無鉛焊錫球格數(shù)組構(gòu)裝接點(diǎn)之金脆損害機(jī)理分析(II)

1、行政院國家科學(xué)委員會專題研究計劃成果報告無鉛焊錫球格數(shù)組構(gòu)裝制程與可靠度分析子計劃三無鉛焊錫球格數(shù)組構(gòu)裝接點(diǎn)之金脆損害機(jī)理分析(ii)計劃編號：nsc 90-2216-e-008-010執(zhí)行期限：90 年 8 月 1 日至 91 年 7 月 31 日主持人：林景崎中央大學(xué)機(jī)械工程研究所教授參與研究人員：張顧耀中央大學(xué)機(jī)械工程研究所碩士研究生蕭文助中央大學(xué)機(jī)械工程研究所碩士研究生一、中文摘要本研究首先探討銅導(dǎo)線上鍍鎳/金對遷移性之影響。銅導(dǎo)線表面電鍍 5m 鎳后，隨即電鍍 0.1 1.0m 金，之后在蒸餾水及(nh4)2so4 水溶液中，施以 5v 偏壓，進(jìn)行遷移研究。結(jié)果顯示：表層鍍鎳/金之銅

2、導(dǎo)線，同樣具有抑制銅遷移之效果。但此鍍鎳/金銅導(dǎo)線在 250c 持溫 300 秒后，抗遷移性顯著減弱。在0.01m (nh4)2so4水溶液中進(jìn)行陽極動態(tài)極化掃描及定電位陽極反應(yīng)，配合esca 表面分析，得知金在(nh4)2so4 水溶液中不會發(fā)生反應(yīng)，因此鎳/金鍍層能夠有效地抑制銅遷移。為了探討金層對于bga焊接點(diǎn)強(qiáng)度影響，先在鍍鎳(5m)銅焊墊上電鍍0.1 1.2m 金層，再分別與 sn-37pb、sn-0.7cu及 in-48sn 焊球進(jìn)行回焊，回焊后即進(jìn)行剪力量測，結(jié)果顯示：隨著金鍍層愈厚，sn-37pb 焊料的強(qiáng)度愈差，而 sn-0.7cu 及in-48sn 焊料的強(qiáng)度則些微增強(qiáng)。關(guān)

3、鍵詞：銅電解質(zhì)遷移、鍍鎳/金銅導(dǎo)線、陽極極化、sn-0.7cu 焊料、in-48sn焊料及剪應(yīng)力強(qiáng)度abstractthe effect of ni/au coatings on theelectrolytic migration of copper conductorsthe thickness of the au-coats from 0.1 to 1.0m on the 5m-ni coated copperconductors. however, the inhibition is lessefficient when the ni/au-coated conductorshave b

4、een heat-treated at 250 for 300seconds.electrochemical polarization such as potentiodynamicandpotentiostaticexperiments were conducted. the escaanalysis on the anode indicates that gold isun-reactiveforni/au-coatedcopperconductors in the 0.01m (nh4)2so4 solution.the effect of au coatings on the join

5、tstrength of ball grid array (bga) was investigated by comparing the shear strengthof the soldered system where sn-37pb,sn-0.7cu and in-48sn solders had beenreflowed and soldered, respectively, onto theau-deposited ni/cu pads. the thickness ofau-deposits is ranging from 0.1 to 1.2m and that for ni-c

6、oat is 5m. solder sn-37pbdepicts a slight diminish in ball shearstrength with increasing the thickness of gold coat from 0.1 m to 1.0m. however, thestrength decreases drastically as the thicknessof the gold coat is exceeding 1.2m. incontrast hand, the two lead-free systemshas been studied. the migra

7、tion of the shows a slight improvement in ball shearcopper conductors in dionized water, 0.01mnacl and (nh4)2so4 solutions at a bias of5v was inhibited by coating a layer of au inthickness of 0.1 1.0m. the migrationinhibition is more efficient with increasing1strength with increasing the thickness o

8、f thegold coat.keywords: copper electrolytic migration,ni/au-coated copper conductors, anodicpolarization, sn-0.7cu solder, in-48sn solderand shear strength.ni/0.7au)在3600秒內(nèi)未量測出遷移電流。圖1中曲線ni/0.1au及ni/0.7au分別代0.3cuat bias 5v二、計劃緣由與目的目前 bga 的銅焊墊(pads)表面均須先電鍍 ni 層再電鍍 au 層。ni 層的主要功用是提供一平整的表面。此外 ni 與焊料互溶或

9、反應(yīng)的速率較低，因此 ni 成為一優(yōu)良的擴(kuò)散障礙層(diffusion barrier)1。表層鍍 au層的功用有二，第一是防止氧化，第二是增加焊料與焊墊間的潤濕(wetting)效果。0.250.20.150.10.050-0.050in deionized water5nini/0.1au, ni/0.7au, ni/0.1au(h), ni/0.7au(h)123time (ks)4由于銅有電解質(zhì)遷移的特性2，就電化學(xué)觀點(diǎn)，鎳為活性鈍化金屬，表面氧化后生成鈍化膜具有防蝕性能3；金則為貴重金屬，在一般情況不易發(fā)生氧化，同樣具有防蝕作用。本研究嘗試在銅導(dǎo)線上鍍鎳/金，來阻止銅之電解質(zhì)遷移。另

10、外，比較鍍鎳/金之銅導(dǎo)線熱處理前后之遷移現(xiàn)象。隨著環(huán)保意識的提升，電子產(chǎn)品改用無鉛焊錫的呼聲日益高張。無鉛焊錫均以錫為基底再加入其它合金元素來取代鉛而成4，目前主要以sn-ag、sn-cu、sn-in、sn-zn及sn-bi此五種二元合金系統(tǒng)為主。sn-pb焊球與鍍鎳/金之bga銅墊在回焊后之接點(diǎn)強(qiáng)度主要受鍍金層厚度影響。在本實(shí)驗(yàn)室先前的研究中發(fā)現(xiàn)sn-3.5ag焊球的接點(diǎn)強(qiáng)度比sn-37pb焊球強(qiáng)。本研究之目的在探討鍍金層對于sn-0.7cu及in-48sn焊球圖1.純銅導(dǎo)線、鍍鎳之銅導(dǎo)線及鍍鎳/金之銅導(dǎo)線在去離子水中施加5v電壓下電流密度對時間的關(guān)系圖。表銅導(dǎo)線電鍍5m鎳后，隨即分別電鍍0

11、.1及0.7m金。圖 1 中 曲 線 ni/0.1au(h) 及 ni/0.7au(h)分別代表試片ni/0.1au及ni/0.7au經(jīng)250c加溫 300s后所得之測試結(jié)果。經(jīng)熱處理后，同樣未偵測出遷移電流。圖 2 中顯示：銅導(dǎo)線(曲線 cu)在 0.01m(nh4)2so4水溶液中施加5v偏壓下經(jīng)20秒電流密度急驟上升；表層鍍鎳 5m 之銅導(dǎo) 線 ( 曲 線5 n i ) 則 隨 著 時 間 增 加 電 流25at bias 5vcuin 0.01m (nh4)2so4之焊接點(diǎn)強(qiáng)度之影響。三、結(jié)果3.1.鍍鎳/金之銅導(dǎo)線在熱處理前后之抗遷移性圖1中顯示：銅導(dǎo)線(曲線cu)在去離子水中施加5

12、v偏壓下經(jīng)670秒電流密度急驟20151050015nini/0.1auni/0.1au(h)ni/0.7au(h)ni/0.7au234上升；相較之下，表層鍍鎳5m之銅導(dǎo)線(曲線 5ni) 則隨著時間增加電流密度緩慢上升；表層鍍鎳/金之銅導(dǎo)線(曲線ni/0.1au及2time (ks)圖2. 純銅導(dǎo)線、鍍鎳之銅導(dǎo)線及鍍鎳/金之銅導(dǎo)線在 0.01m (nh4)2so4水溶液中施加 5v 電壓下電流密度對時間的關(guān)系圖。 current densit y (ma/cm 2 ) current densit y (ma/cm 2 )(a)(b)nini3sn4pb-richsn-richni3sn4

13、(a)(b)ausn4ausn4圖3.sn-37pb焊料與電鍍(a) 0.1m及(b) 1.0m金厚度的鍍鎳之銅焊墊回焊后界面處之sei 剖面圖。密度逐漸上升；表層鍍鎳/金之銅導(dǎo)線(曲線ni/0.1au 及 ni/0.7au)其電流密度隨著時間增加而逐漸上升，并且隨鍍金厚度增加而減小。若維持固定時間，電流密度大小比較如下：cu5nini/0.1auni/0.7au。圖 2 中曲線 ni/0.1au(h)及 ni/0.7au(h)分別代表試片ni/0.1au及ni/0.7au經(jīng)250c 加溫 300s 后所得之測試結(jié)果。經(jīng)熱處理后，電流曲線皆較未熱處理之曲線陡峭。顯然 250c 加溫 300s

14、會使鍍鎳/金之銅導(dǎo)線在(nh4)2so4水溶液中的抗遷移性變?nèi)酢?.2.鍍金層對 sn-0.7cu 與 in-48sn bga 焊料回焊后之接點(diǎn)強(qiáng)度影響圖 3(a)(b)分別為鍍金層 0.1及1m與sn-37pb焊球回焊后界面處之sei剖面圖。圖中顯示在回焊后在界面處生成ni3sn4，并且隨鍍金厚度增加而減少。圖4(a)(b)分別為鍍金層 0.1 及1m 與sn-37pb焊球回焊后3圖4. sn-37pb焊料與電鍍(a) 0.1m及(b) 1.0m金厚度的鍍鎳之銅焊墊回焊后焊料中之sei剖面圖。焊球中之sei剖面圖。圖中顯示在回焊后金溶解于焊料中而形成ausn4，且分散于焊料內(nèi)。比較圖4(a)

15、與(b)，發(fā)現(xiàn)隨鍍金厚度增(a)cu-sn-ni-aunicu(b)cu-sn-ni-au圖5. sn-0.7cu焊料與電鍍(a) 0.1m及(b) 1.0m金厚度的鍍鎳之銅焊墊回焊后界面處之sei剖面圖。(a)(b)auin2auin2nicu成auin2且隨鍍金厚度增加而稍微增厚。圖7為sn-37pb焊球、sn-0.7cu 焊球及in-48sn 焊 球 分 別 與 電 鍍 0.1、 0.5、 1.0 及1.2m金層之 ni(5m)/cu焊墊經(jīng)回焊后之剪力推球平均值結(jié)果比較。圖中顯示：sn-37pb焊球之剪應(yīng)力強(qiáng)度隨鍍金厚度增加而稍微減小。當(dāng)鍍金厚度為1.2m時，剪應(yīng)力強(qiáng)度明顯降低；sn-0

16、.7cu焊球之剪應(yīng)力 強(qiáng) 度 隨 鍍 金 厚 度 增 加 而 逐 漸 增 加 ；in-48sn焊球之剪應(yīng)力強(qiáng)度隨鍍金厚度增加而稍微增強(qiáng)。四、討論4.1.鍍鎳/金之銅導(dǎo)線在熱處理前后之抗遷圖6. in-48sn焊料與電鍍(a) 0.1m及(b) 1.0m金厚度的鍍鎳之銅焊墊回焊后界面處之sei 剖面圖。加，ausn4的量增多且形狀變大。圖 5(a)(b) 分 別 為 鍍 金 層 0.1 及 1m 與sn-0.7cu 焊 球 回 焊 后 界 面 處 之 sei 剖 面圖。圖中顯示在界面處形成cu-sn-ni-au相且隨鍍金厚度增加而減少。圖6(a)(b)分別為鍍金層0.1及 1m與 in-48sn

17、焊球回焊后界面處之sei剖面圖。圖中顯示在界面處形14移性圖8顯示純銅導(dǎo)線、鍍鎳之銅導(dǎo)線及鍍鎳 / 金 之 銅 導(dǎo) 線 在 熱 處 理 前 后 在 0.01m (nh4)2so4水溶液中之陽極極化曲線。電位在-0.039vsce與0.2vsce之間時，純銅導(dǎo)線(曲線cu)之電流密度隨電位增加而持續(xù)增加；當(dāng)電位高于0.2vsce時，電流密度則并不隨電位增加而逐漸增加。為了了解純銅導(dǎo)線的陽極腐蝕行為，于是分別在電位0.1vsce及 0.5vsce下進(jìn)行定電位腐蝕1800秒，之后利用esca進(jìn)行陽極表面膜分析。在0.1vsce1210864200after reflow100 m/s0.511*st

18、d.sn-0.7cusn-37pbin-48sn1.51.51.20.90.60.30-0.3ni/0.1auni/0.1au(h)5nicuau thickness (m)圖7.sn-37pb、sn-0.7cu及in-48sn焊料與不同-8-6-4log i (acm-2)-20鍍金厚度的鍍鎳之銅焊墊回焊后之抗剪力抗度關(guān)系圖。4圖8.純銅導(dǎo)線、鍍鎳之銅導(dǎo)線及鍍鎳/金之銅導(dǎo)線在0.01m (nh4)2so4水溶液中之陽極動態(tài)極化掃描。 average shear strengh (n) e vs. sce (v)時 ， 表 面 膜 之 組 成 為 cuoh 及 cu2o ； 在0.5vsce時

19、，表面膜之組成為cuoh、cu2o、cu(oh)2及cuo。在 cu 極 化 曲 線 上 ， 自 -0.039vsce至0.1vsce電位區(qū)間，陽極電流隨電位增加而增加，此為銅的溶解且形成cuoh及cu2o5。cu cu+ + e-250000200000150000100000500000at 0.8vsceau (4f)ni/0.1au938883ni/0.1au(h)78esce = 0.279 + 0.0591 log cu+(4-1)cu+ + h2o = cuoh + h+binding energy (ev)圖9.試片ni/0.1au及ni/0.1au(h)在相對于參考電極k =

20、 1 10-42cu + h2o cu2o + 2h+ + 2e-esce = 0.230 - 0.0591 ph (4-2)(4-3)0.8v定電位極化1800秒后對試片表面進(jìn)行au元素esca分析。然而cuoh為不穩(wěn)定化合物，容易轉(zhuǎn)變成cu2o6。當(dāng)電位高于0.152 vsce時，cu2o會氧化成cu(oh)2及cuo。cu2o + h2o 2cuo + 2h+ + 2e-esce = 0.428 - 0.0591 ph (4-4)cu2o + 3h2o 2cu(oh)2 + 2h+ + 2e-esce = 0.506 - 0.0591 ph (4-5)300002800026000240

21、00861at 0.8vsceni (2p3/2)858855852849圖8中曲線5ni及ni/0.1au分別在電位0.315vsce及0.317vsce時，均出現(xiàn)一電流峰。之后對鍍5 m鎳之銅導(dǎo)線分別在電位-0.03 vsce及 0.6 vsce下進(jìn)行定電位腐蝕1800秒，之后利用esca進(jìn)行陽極表面膜分析。在-0.03 vsce時，表面膜之組成為ni、nio及ni(oh)2；在0.6 vsce時，表面膜之組成為ni、nio、ni(oh)2、cuoh、cu2o、cu(oh)2及 cuo。結(jié)合純銅之陽極腐蝕行為，可知此電流峰是由于表面生成cu(oh)2及cuo。為了了解熱處理對于鍍鎳/金之銅

22、導(dǎo)線32000300002800026000861binding energy (ev)(a) ni/0.1auat 0.8vsceni (2p3/2)858855852binding energy (ev)(b) ni/0.1au(h)849的影響，于是在電位0.8 vsce時，對試片ni/0.1au及ni/0.1au(h)進(jìn)行定電位腐蝕5圖10.試片(a) ni/0.1au及(b) ni/0.1au(h)在相對于參考電極0.8v定電位極化1800秒后對試片表面進(jìn)行ni元素esca分析。 counts au (4f 5/2 ) au (4f 7/2 ) c oun ts c oun ts n

23、i 2 o 3 ni(oh) 2 nio nio (multiplet)53000430003300023000at 0.8vscecu 2p3/2由esca分析結(jié)果得知，熱處理后的試片，其陽極表面較易生成鎳的氧化物，因而 使 得 銅 容 易 擴(kuò) 散 至 表 面 形 成 cuoh 、cu2o、cu(oh)2及cuo。因此熱處理后的試片，其電流密度較大，因而降低鍍鎳/金之銅導(dǎo)線的抗遷移性。4.2.鍍金層對sn-0.7cu與in-48sn bga焊947942937932927料回焊后之接點(diǎn)強(qiáng)度影響53000430003300023000binding energy (ev)(a) ni/0.1a

24、uat 0.8vscecu 2p3/2hung等 人7在 研 究 鍍 金 層 厚 度 對sn-pb 焊料之可靠度影響時，分別以 0.2、0.45 及 0.78m 等三種金層厚度之 bga 基板與sn-pb焊球進(jìn)行回焊，回焊完即進(jìn)行剪力推球測試。結(jié)果顯示：最厚的金層(0.78m)試片具有最高的抗剪力推球值，他們認(rèn)為是金層厚度愈厚，均勻散布在焊料中之 ausn4愈多所致。而 mei 等人8認(rèn)為當(dāng)焊錫中金的濃度增加時，焊錫強(qiáng)度亦隨之增加，但當(dāng)超過 3 wt.%時，反而脆化，947942937932927即為金脆。在本研究中，則顯示當(dāng)金層厚binding energy (ev)(b) ni/0.1au

25、(h)圖11. 試片(a) ni/0.1au及(b) ni/0.1au(h)在相對于參考電極0.8v定電位極化1800秒后對試片表面進(jìn)行cu元素esca分析。1800秒，之后利用esca進(jìn)行陽極表面膜分析。圖9、圖10及圖11分別為試片ni/0.1au及 ni/0.1au(h) 表 面 au 、 ni 及 cu 元 素 的esca分析結(jié)果。由au元素的esca分析結(jié)果(圖9)得知：熱處理使得陽極表面膜金的含量降低；由ni元素的esca分析結(jié)果(圖10)得知：試片ni/0.1au的表面膜上未偵測出ni元素，而試片ni/0.1au(h)的表面膜上生成nio、ni(oh)2及ni2o3；由cu元素的

26、esca分析結(jié)果(圖11)得知：無論有無熱處理，陽極表面皆生成cuoh、cu2o、cu(oh)2及cuo，然而熱處理后的試片，其表面銅的氧化物含量較多(尤以cu2o最明顯)。6度超過 1.2m(即 0.2 wt.%)時，sn-37pb 焊球的剪應(yīng)力強(qiáng)度有明顯地降低，主要是由于ausn4會隨鍍金厚度增加而增大，當(dāng)ausn4過大時，反而使強(qiáng)度降低。在 lee 等人9的研究報告中指出：在回焊后，金以兩種形式存在于 sn-ag-cu 焊料中，分別為 ausn4(顆粒狀)或 cu-sn-au 三元相。在本研究中，由于ausn4散布于焊料中且其形狀為顆粒狀，而且其含量隨著金層厚度增加而增加，因而有散布強(qiáng)化

27、效果，因此 sn-0.7cu 焊料的剪應(yīng)力強(qiáng)度逐漸增加。對于 in-48sn 合金而言，在回焊后，金會與銦發(fā)生反應(yīng)形成 auin2，造成焊錫中銦的含量稍減，因此焊球的強(qiáng)度隨著金層厚度增加，而稍微增加。五、結(jié)論 c ounts cuoh cu 2 o cuo cu(oh) 2 c ounts cuoh cu 2 o c u o cu(oh) 21. 銅導(dǎo)線鍍鎳/金后具有抑制銅遷移之作用。但熱處理后之試片，其抗遷移性變差。2. 由于金在 0.01m (nh4)2so4并不發(fā)生反應(yīng)，因而能有效抑制銅遷移。但熱處理后的試片，其陽極表面較易生成鎳的氧化物，因而使得銅容易擴(kuò)散至表面形成cuoh、cu2o、cu(oh)2及 cuo，因此降低鍍鎳/金之銅導(dǎo)線的抗遷移性。3.sn-37pb 焊料與 sn-0.7cu 焊料之剪力強(qiáng)度不相上下，但 in-48sn 焊料則遠(yuǎn)低