晶片尺寸級無鉛焊點在不同焊墊表面處理下的可靠度分析

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研究生：	張簡千琳 Chien-Lin Chang Chien
論文名稱：	晶片尺寸級無鉛焊點在不同焊墊表面處理下的可靠度分析 Reliability Analysis of Lead free CSP solder joint under different surface finishing
指導教授：	葉銘泉 Ming-Chuen Yip
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 動力機械工程學系 Department of Power Mechanical Engineering
論文出版年：	2005
畢業學年度：	93
語文別：	中文
論文頁數：	103
中文關鍵詞：	無鉛錫球、表面處理、IMC生成、剪力推球、四點循環彎矩、熱循環測試、可靠度分析
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兩種晶片尺寸等級(CSP)大小的無鉛焊墊(ENIG與OSP)與常見的無鉛焊料(Sn/Ag3.8-4.0/Cu0.5-0.7)的結合可靠度被探討。透過對PCB版的設計，來達到對焊點做四點循環彎矩(four point cyclic bending)與熱循環(thermal cycle)等測試。有鑒於四點循環彎矩的文獻記載並不多，因此先做剪力推球強度與IMC(intermetallic compound)生成分析，作為一個基本的參照。四點循環彎矩實驗的過程中同時考量了含有IMC生成的試片，以及在高溫環境中做測試等因素。實驗的數據以雙參數韋伯分布做分析(two-parameter Weibull distribution)，配合斷面分析與破壞面的成分分析，進而了解在不同測試條件下主導破壞的因素。熱循環測試用中，在一定的週次數後，以正向拉開，量測其殘餘強度，並紀錄其電阻值的變化情形，最後觀察其破壞模式的變化。以本實驗的結果來看OSP表面處理是具有比較好的可靠度。

Abstract
The combinations of one kind lead free solder(Sn/Ag3.8-4.0/Cu0.5-0.7) and two kinds of surface finishing (OSP and ENIG) were investigated. By suitable design of PCB board, the analyze of single joint reliability during the four point cycle bending could be monitored and recorded in real time. The pads used for four point cyclic bending test are 400um in diameter. However, the pads used in thermal cycle aging test are 350um in diameter. The pad size is very small. The effect of IMC (intermetallic compound)growth and the situation of high temperature testing environment are taken into consideration in this investigation.
The cycle date of four point cyclic bending was analyzed by using two-parameter Weibull distribution. The result of shear test and four point cyclic bending test showed that the OSP pad is batter than ENIG pad in all test situation. However, the OSP pad had thicker IMC layer. The IMC growth layer will become a weaker layer and cause the damage area flatter and brittle.
The pull residual strength will be stable after two hundred cycles of thermal cycle aging. The fracture mode changed from smooth to coarsing during the thermal aging. However, the resistance of two kinds of pads did not have significant change.

表目錄
圖目錄
一. 導論…………………………………………………………………1
 1.1構裝形式的演進……………………………………………………1
 1.2晶片尺寸封裝CSP(Chip Scale Package)…… …………………1
  1.2.1.晶圓級晶方尺度構裝(wafer level chip scale           package;WLCSP)
 1.3無鉛製程……………………………………………………………4
  1.3.1.各國相關法規與進程…………………………………………4
二. 研究動機……………………………………………………………6
三. 文獻回顧……………………………………………………………8
 3.1 PCB表面處理工藝…………………………………………………8
  3.1.1.有機保護膜(Organic Solderability Preservatives,     OSP）……8
  3.1.2.浸鍍銀與浸鍍錫(Immersion/Silver or Tin)……………9
 3.2對應不同表面處理IMC的生成反應………………………………9
 3.3強度與破壞面的分析……………………………………………10
 3.4錫球內部孔洞(void)對CSP或BGA焊點可靠度的影響…………11
 3.5焊點熱循環測試…………………………………………………12
 3.6 JEDEC( Joint Electron Device Engineering Council)與IPC(Association Connecting Electronics Industries)……………13
  3.6.1.JESD22-B117(BGA Ball Shear)……………………………14
  3.6.2.IPC/JEDEC-9702 (Monotonic Bend Characterization of Board-Level Interconnects)………………………… ……………14
  3.6.3.JESD22-A104-B(Temperature Cycling)………………… 15
  3.6.4.IPC-2221(Generic ardStand on Printed Board Design)  ………15

四. 理論基礎…………………………………………………………16
 4.1可靠度理論………………………………………………………16
  4.1.1 失效機率密度函數…………………………………………16
  4.1.2 失效累積分佈函數…………………………………………16
  4.1.3 可靠度函數…………………………………………………17
  4.1.4 韋伯分佈函數(Weibull Distribution)…………………17
  4.1.5 浴缸曲線(Bathtub Curve)………… ……………………18
 4.1.6 雙參數-韋伯分布函數………………………………………18
 4.2 擴散理論及金屬間化合物(IMC)………………………………20
五. 研究方法…………………………………………………………23
 5.1試片組成…………………………………………………………24
  5.1.1 試片改進過程………………………………………………24
 5.2實驗設備…………………………………………………………27
  5.2.1微拉伸測試系統… …………………………………………27
  5.2.2剪力推球系統………………………… ……………………29
  5.2.3研磨/抛光機…………………………………………………29
  5.2.4紅外線迴焊爐(IR reflow oven)………… ………………29
 5.2.5高溫烤箱(熱風循環烘箱)……………………………………29
 5.2.6光學金相顯微鏡………………………………………………30
 5.2.7掃瞄式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope)……30
 5.2.8低阻計(Milliohm Meter)……………………………………31
 5.2.9溫度溼度循環烘箱(Temperature/Humidity Chamber)……31
 5.3IMC實驗方法[31]………… ……………………………………32
  5.3.1IMC試片製作(即剪力推球試片)……………………………32
  5.3.2IMC成長實驗及剪力推球測試………………………………32
  5.3.3金相觀察……………………………………… ……………33
5.4四點彎矩實驗方法………………………………… ……………34
  5.4.1試片製作……………………………………… ……………34
  5.4.2四點循環彎矩實驗………………………………… ………34
5.5熱循環實驗方法…………………………… ……………………36
  5.5.1試片製作………………………………………… …………36
  5.5.2熱循環實驗…………………… ……………………………36
  5.5.2.1 殘餘強度測試……………………………………………36
六.結果與討論……………………………………………………… 37
 6.1 IMC實驗與剪力推球測試………………………………………37
 6.1.1 IMC成長機制…………………………………………………37
 6.1.2 IMC擴散係數…………………………………………………39
 6.1.3 剪力推球強度………… ……………………………………40
6.2 四點循環彎矩測試………………………………………………42
6.2.1 可靠度分析(雙參數韋伯分布)………………………………43
6.2.2 電阻值量測……………………………………………………44
6.2.3 磁滯現象………………………………………………………44
6.2.4 不同表面處理下的比較………………………………………45
6.2.5 金像的觀察……………………………………………………47
6.2.6 破壞面的EDX成分分析………………… ……………………48
6.3 熱循環測試………………………………………………………49
6.3.1 殘餘拉力強度…………………………………………………49
6.3.2 電阻值紀錄……………………………………………………51



七. 結論………………………………………………………………52
 7.1 IMC實驗與剪力推球測試………………………………………52
 7.2四點循環彎矩測試………………………………………………52
 7.3熱循環測試………………………………………………………53
八.參考文獻…… ……………………………………………………54
表目錄
表2.1無鉛焊料候合金系與特徵[4]…………………………………57
表3.1熱循環測試建議的溫度範圍 [21,pp.5]………………… …58
表3.2焊墊表面處理建議 [22,pp.20]………………………………58
表5.1 AIM(Sn/Ag3.8-4.0/Cu0.5-0.7)規格…………………… …59
表5.2南亞樹酯BT印刷電路板板材規格…….………………………60
表6.1 IMC的厚度(µm)與老化(aging)時間的關係…………………61
表6.2 常溫下(25℃)老化與高溫(150℃)老化的剪力強度測試......................................................61
表6.3 OSP表面處理下可靠度分析比較…………………………… 62
表6.4 ENIG表面處理下可靠度分析比較……………………………62
表6.5不同表面處理在不同熱循環周次時間點的殘餘強度(kgf)比較63
表6.6 ENIG表面處理在不同熱循環時間點的電阻值………………63
表6.7 OSP表面處理在不同熱循環時間點的電阻值…………………63

圖目錄
圖1.1封裝的演進[1, pp.290]……………………… ………………64
圖1.2不同構裝尺寸之比較[1,pp.291]………………………………64
圖1.3 CSP的種類[1,pp.282]…………………………………………65
圖3.1 PCB不同表面處理的製造流程[6]………………… …………65
圖3.2 JEDEC STANDARD-BGA Ball Shear[19,pp.4]……… ………66
圖3.3推球試驗的破壞模式分類[19,pp.6]…………………… ……66
圖3.4四點彎矩測試架構圖[20,pp.2]………………………… ……67
圖3.5四點彎矩測試的破壞模式分類[20,pp.8]…………… ………67
圖3.6四點彎矩測試的破壞模式分類[24, pp.8]……………………68

圖4.1最弱環模式[24,pp.106]…………………… …………………68
圖4.2浴缸曲線(Bathtub Curve) [25]………………………………68
圖5.1實驗流程圖與試片規劃圖………………………………………69
圖5.2 FBGA 32Mb與64Mb Daisy Chain矽晶片與相對照的PCB圖(上視透視圖，初始試片樣版圖)[28]………………………………………70
圖5.3初始試片完成圖…………………………………………………70
圖5.4第一次改進與第二次改進試片樣版圖…………………………71
圖5.5第一次改進與第二次改進試片完成圖(正面與反面圖)………71
圖5.6  第一次改進的試片上，右邊是壞在錫球，左邊則是壞在焊墊 與銅箔面………………………………………………………… ……72
圖5.7  SMD與NSMD[29,pp.3]…………………………………………72
圖5.8  印刷電路板製造流程[30,pp.80]……………………………73
圖5.9  Instron 8848微拉伸試驗機[27]……………………………73
圖5.10 氣動式夾具…………………………………………74
圖5.11 微拉伸試驗機外掛溫/溼度控制箱……………………………74
圖5.12 研磨/抛光機……………………………………………… 74
圖5.13高溫烤箱………………………………………………………74
圖5.14低阻計與四點量測方法………………………………………75
圖5.15溫度溼度循環烘箱……………………………………………75
圖5.16[31] 剪力推球試片製作流程圖…………………………… 75
圖5.17[31] 剪力推球試片示意圖(2x4陣列)………………………76
圖5.18[31] 四點循環彎矩與熱循環試片示意圖(2x4陣列)………76
圖5.19四點循環彎矩與熱循環試片組合圖與完成圖………………77
圖5.20夾具與四點循環彎矩試片在夾具上…………………………77
圖5.21四點循環彎矩夾頭(cross head)行進曲線圖行進曲線圖(三角       波)…………………………………………………………78
圖5.22殘餘剪力強度(Lap shear)測試夾具與轉接組合圖… ……78
圖5.23熱循環測試溫度曲線圖………………………………………79
圖5.24殘餘拉力強度(pull)測試夾具與轉接組合圖………………79
圖6.1常溫下(25℃)老化與高溫(150℃)老化的剪力強度測試……80
圖6.2剪力推球破壞面觀察……………………………… …………80
圖6.3 OSP表面處理的IMC成分分析…………………………………81
圖6.4 IMC的厚度與老化(aging)時間的關係………………………82
圖6.5 ENIG的表面處理下，IMC的成分分析………………… ……83
圖6.6 IMC厚度與時間的1/2次方關係……………………… …… 84
圖6.7常溫下(25℃)老化與高溫(150℃)老化的剪力強度測試.............84
圖6.8由0至1000小時剪力推球破壞面觀察…………………………85
圖6.9 ENIG表面處理在25℃下的四點循環彎矩(電阻值變化與韋伯分布)…………………………………………………………………… 86
圖6.10 ENIG表面處理在120℃下的四點循環彎矩測試(電阻變化與韋伯分布)……………………………………………………………… 87
圖6.11 ENIG表面處理在1000小時老化後的四點循環彎矩測試(電阻變化與韋伯分布)…………………………………………………………88
圖6.12 OSP表面處理在25℃下的四點循環彎矩測試(電阻值變化與韋伯分布)…………………………………………………………………89
圖6.13OSP表面處理在120℃下的四點循環彎矩測試(電阻變化與韋伯分布)……………………………………………………………………90
圖6.14 OSP表面處理在1000小時老化後的四點循環彎矩測試(電阻變化與韋伯分布)…………………………………………………………91
圖6.15 在不同振幅下的遲滯環………………………………………92
圖6.16不同壽命時期的遲滯環……………………………… ………93
圖6.17 Isotropic hardening rule與Kinematic hardening rule[37]……94
圖6.18 Bauschinger Effect[36] ………………………………………94
圖6.19振幅與周次數曲線……………………………………………95
圖6.20相同測試條件下，兩種表面處理的比較……………………96
圖6.21經過500cycle熱循環測試後正向拉開後的金像斷面………97
圖6.22循環彎矩後的破壞斷面(常溫與高溫)………………………97
圖6.23循環彎矩測試後的斷面(IMC)………………………………98
圖6.24四點循環彎矩測試後的斷面EDX分析(常溫與高溫)………98
圖6.25受過高溫老化後ENIG試片，四點循環彎矩測試後的斷面EDX分析………………………………………………………………………99
圖6.26受過高溫老化後OSP試片，四點循環彎矩測試後的斷面EDX分析………………………………………………………………………100
圖6.27兩種表面處理在不同熱循環周次時間點的殘餘強度比較…100
圖6.28 ENIG表面處理在不同熱循環時間點，殘餘強度與位移的關係
圖6.29 OSP表面處理在不同熱循環時間點，殘餘強度與位移的關係
圖6.30正向拉開後SEM斷面圖………………………………………103
圖6.31 ENIG表面處理在不同熱循環時間點的電阻值……………104
圖6.32 OSP表面處理在不同熱循環時間點的電阻值…………… 104

                                

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