【毕业学位论文】锡球合金成份对BGA封装可靠度的研究

國高雄大學電機工程學系(研究所) 碩士文 錫球合成份對 裝可靠之研究 of of 究生：王聰銘 撰 指導教授：施明昌 博士 中華民國九十八一月 i 誌 謝 首先感謝指導教授施明昌博士，在這細心的教導，與我們研究討並指引我們正確的研究方向，使我在這段期間中學生獲多。師對研究的嚴謹與堅持是我們學習的典範。 另外亦感謝日月光的郭峻誠、魏昭敏同仁大協助並提供相關專業知、實驗據與文獻，讓本文得以如期完成。並感謝王頌斐處長及已職的陳裕文副當初鼓我報考產碩班，過程中俊洋經與吳勝郁副的指導與支持，及整個隊夥伴在工作上的協助。因為有你們的體及幫忙，使得本文能夠完整而嚴謹。 最後，謹以此文給我摯愛的父母，有你們的支持，得以讓我順完成學業，謝謝你們，我愛你們。 球合成份對 裝可靠之研究 指導教授：施明昌博士（教授） 國高雄大學電機工程所 學生：王聰銘 國高雄大學電機工程所 摘要 由於錫球在封裝中所扮演訊號傳遞的角色，而如何使錫球在消費者使用過程中，是在正常使用或者是受到外衝擊的條件下，能保持錫球完整性是此研究的主要目標。本文針對半導體封裝中錫球材成份部份做一些探討，錫球在封裝製程中佔很重要的一個角色，錫球負責訊號的傳遞，只要錫球損壞，將會導致晶片無法輸入或輸出訊號而導致整個元件功能失效。本文以封裝業界評估錫球可靠的方式做一些深入的探討，進而比較出何種球成份合組合、添加何種屬元素，能有效提升錫球可靠，延長使用時效，避免錫球掉。 關鍵字：球柵陣封裝、錫球合成份、多重迴焊試驗、錫球推測試、錫球測試、介屬化合物 of of s): an of in it is to of is on of in to by A of of of 審訂書 .謝 .文摘要 .英文摘要 .目 .目 .目 .一章 緒 .研究背景 .研究動機 .研究方法 .二章 球柵陣 裝製程簡介 .球柵陣 裝發展與目的 .球柵陣 裝製程介紹 .三章 球柵陣封裝元件 驗方式及實驗分析簡介 .錫球與基板黏著強的評估與實驗程 .錫球黏著強的評估指標與實驗項目簡介 . 推球、球及球衝擊試驗之簡介 . 掃瞄電子顯微鏡 (表面介屬化合物 (.四章 實驗結果與分析 .刮球試驗 .球試驗 .v 推球試驗 .錫球抗氧化試驗 .球衝擊試驗 .五章 結與未展望 .結 .未展望 .考文獻 .目 表 同合成份比之熔點 . 11 表 各種錫球合成份表 . 13 表 各種合成份與基板種實驗組合 . 14 表 錫球黏著強的評估指標 . 15 表 球衝擊試驗相關模組與測試條件 . 20 表 同合成份迴焊後所產生之 成物 . 23 表 各種合成份刮球試驗結果 . 24 表 以 球治具於 板，在同迴焊次後之球最小值 . 28 表 以 球治具於 板，在同迴焊次後之球最小值 . 30 表 以 球治具於 板，在同迴焊次後之球平均值 . 32 表 以 球治具於 板，在同迴焊次後之球平均值 . 34 表 以 球治具於 板，在同迴焊次後之球最小值 . 36 表 以 球治具於 板，在同迴焊次後之球最小值趨勢圖. 38 表 以 球治具於 板，在同迴焊次後之球平均值 . 40 表 以 球治具於 板，在同迴焊次後之球平均值 . 42 表 以 球治具，在 板上球後基板殘錫況分佈表 . 44 表 以 球治具，在 板上球後基板殘錫況分佈表 . 44 表 以 球治具於 板，在同迴焊次後之推球最小值 . 46 表 以 球治具於 板，在同迴焊次後之推球最小值 . 47 表 以 球治具於 板，在同迴焊次後之推球平均值 . 48 表 以 球治具於 板，在同迴焊次後之推球平均值 . 49 以 球治具，在 板上，推球後基板殘錫況分佈表 . 50 表 以 球治具，在 板上，推球後基板殘錫況分佈表 . 50 表 同錫球成份於 板上，在經過多次迴焊後 . 54 表 球衝擊試驗組合 . 76 表 球衝擊試驗結果. 77 表 球衝擊試驗結果. 78 表 球衝擊試驗結果表面殘錫統計 . 79 表 排名評比比較表 . 81 目 圖 裝成品圖 . 2 圖 錫球於覆晶產品構裝中之示意圖 . 8 圖 錫球於實際覆晶產品構裝中之剖面圖 . 8 圖 黏球步驟一、沾助焊劑 . 10 圖 黏球步驟二、沾助焊劑到基板 . 10 圖 黏球步驟三、取錫球 . 10 圖 黏球步驟四、置錫球 . 10 圖 迴焊溫圖 . 11 圖 助焊劑清洗機程圖 . 12 圖 板剖面示意圖 . 14 圖 推、球機外觀圖 . 17 圖 推球示意圖 . 17 圖 球示意圖 . 17 圖 推球後基板球墊表面之殘錫判斷圖 . 18 圖 球後基板球墊表面之殘錫判斷圖 . 19 圖 時間(與(N) 之上升關係曲線 . 21 圖 球衝擊示意圖 . 22 圖 球衝擊後基板球墊斷面示意圖 . 22 圖 板+球在 球結果 . 25 圖 板+球在 10X 球結果 . 25 圖 板 +球在 球結果 . 26 圖 板 +球在 10X 球結果 . 26 以 球治具於 板，在同迴焊次後之球最小值趨勢圖 . 28 圖 以 球治具於 板，在同迴焊次後之球最小值趨勢圖. 30 圖 以 球治具於 板，在同迴焊次後之球平均值趨勢圖 . 32 圖 以 球治具於 板，在同迴焊次後之球平均值趨勢圖. 34 圖 以 球治具於 板，在同迴焊次後之球最小值趨勢圖 . 36 圖 以 球治具於 板，在同迴焊次後之球最小值趨勢圖. 38 圖 以 球治具於 板，在同迴焊次後之球平均值趨勢圖 . 40 圖 以 球治具於 板，在同迴焊次後之球平均值趨勢圖. 42 圖 以 球治具，在同迴焊次後之球強趨勢圖 . 43 圖 以 球治具，在同迴焊次後之球強趨勢圖 . 43 圖 以 球治具於 板，在同迴焊次後之推球最小值趨勢圖 . 46 圖 以 球治具於 板，在同迴焊次後之推球最小值趨勢圖. 47 圖 以 球治具於 板，在同迴焊次後之推球平均值趨勢圖 . 48 圖 以 球治具於 板，在同迴焊次後之推球平均值趨勢圖. 49 0 次迴焊後，同錫球成份與 板在 40X 與 200X 高倍顯微鏡下之放大圖. 51 圖 10 次迴焊後，同錫球成份與 板在 40X 與 200X 高倍顯微鏡下之放大圖 . 52 圖 0 次迴焊後，同錫球成份與 板在 40X 與 200X 高倍顯微鏡下之放大圖 . 52 圖 10 次迴焊後，同錫球成份與 板在 40X 與 200X 高倍顯微鏡下之放大圖 . 52 圖 同錫球成份於 板上，在經過多次迴焊後 變化 . 54 圖 同錫球成份於 板上，在經過多次迴焊後 變化比較. 55 圖 球 + 板次迴焊 . 56 圖 球 + 板三次迴焊 . 56 圖 球 + 板五次迴焊 . 57 圖 球 + 板十次迴焊 . 57 圖 球 + 板次迴焊 . 58 圖 球 + 板三次迴焊 . 58 圖 球 + 板五次迴焊 . 59 圖 球 + 板十次迴焊 . 59 圖 球 + 板次迴焊 . 60 圖 球 + 板三次迴焊 . 60 圖 球 + 板五次迴焊 . 61 圖 球 + 板十次迴焊 . 61 圖 球 + 板次迴焊 . 62 圖 球 + 板三次迴焊 . 62 xi 球 + 板五次迴焊 . 63 圖 球 + 板十次迴焊 . 63 圖 球 + 板次迴焊 . 64 圖 球 + 板三次迴焊 . 64 圖 球 + 板五次迴焊 . 65 圖 球 + 板十次迴焊 . 65 圖 球 + 板次迴焊 . 66 圖 球 + 板三次迴焊 . 66 圖 球 + 板五次迴焊 . 67 圖 球 + 板十次迴焊 . 67 圖 球 + 板次迴焊 . 68 圖 球 + 板三次迴焊 . 68 圖 球 + 板五次迴焊 . 69 圖 球 + 板十次迴焊 . 69 圖 球 + 板次迴焊 . 70 圖 球 + 板三次迴焊 . 70 圖 球 + 板五次迴焊 . 71 圖 球 + 板十次迴焊 . 71 圖 球 + 板次迴焊 . 72 圖 球 + 板三次迴焊 . 72 圖 球 + 板五次迴焊 . 73 圖 球 + 板十次迴焊 . 73 圖 球 + 板次迴焊 . 74 圖 球 + 板三次迴焊 . 74 圖 球 + 板五次迴焊 . 75 圖 球 + 板十次迴焊 . 75 1第一章 緒 究背景 在半導體製程和封裝技術的發達下，由從桌上型或筆記型電腦中 片組和繪圖晶片組、網通訊無線網訊轉接處器以及手機晶片組，從普及看，幾乎人人會使用到 3C電腦 ( 通訊 (消費性電子 (相關產品，而這些產品無與半導體封裝製程有關。 為滿足發展的需要，在原有封裝模式的基礎上，又增添新的模式 球柵陣封裝 稱為錫球陣封裝或錫腳封裝體。 裝技術已經在筆記型電腦的記憶體、主機板晶片組等大規模積體電的封裝域得到廣泛的應用。比如我們所熟知的 片組以及 是採用這一封裝技術的產品。 裝技術有這樣一些特點 I / O 導線雖然增多，但導線間距並小，因而提升組裝；雖然它的功增加，但 改善它的電熱性能；濃和重較以前的封裝技術有所減少，信號傳輸延遲小，使用頻大大提升，可靠性高。過 裝仍然存在著佔用基板面積較大的問題。 隨著以 主的電腦系統性能的總體大幅提升趨勢，人們對於記憶體的性能和性能要求也日趨嚴苛。因此，人們要求記憶體封裝加嚴格，以支援大容的記憶體晶片，同時也要求記憶體封裝的散熱性能好，以適應越越快的核心頻。毫無疑問的是，進展太大的 記憶體封裝技術也越越適用於高頻、高速的新一代記憶體的封裝需求，新的記憶體封裝技術也應運而生。 採用 技術封裝的記憶體，可以使所有電腦中的 憶體在體積變的情況下記憶體容提升到三倍， 比，具有小的體積，好的散熱性能和電性能。裝技術使每平方英寸的儲存有很大提升，採用 裝技術的記憶體產品在相同容下，體積只有 裝的三分之一；另外，與傳統 裝模式相比，裝模式有加快速和有效的散熱途徑。 2圖 裝成品圖 究動機 由於錫球在封裝中所扮演訊號傳遞的角色，而如何使錫球在消費者使用過程中，是在正常使用或者是受到外衝擊的條件下，能保持錫球完整性是此研究的主要目標。 我們知道， 3C 產品運用相當廣泛，而每種電子產品又需要有一定的可靠能，克服人為或非人為的外在環境因素造成對產品的衝擊。舉： 電腦包括桌上型及筆記型電腦，有些使用者習慣關電腦，特別是應用在一些大型企業或科技公司的中央電腦，是能被關機的，在這種長時間的運作下，如果錫球強足，很容造成 件功能失效，導致消費者抱怨。 通訊(：一般，被運用到最廣範的就是動電話，而動電話最怕的就是外衝擊或摔地面，相信很多人有小心手機摔到地上的經驗，運氣好的話頂多是表面刮傷而內部功能正常，最怕的就是拿起後，開機。所以，消費者會對各品牌手機有特別的評價，一定有人，某某手機品牌很耐用、耐摔，某某手機品牌耐用、一摔就壞。如此，手機的耐用、耐摔性，很容左右消費者購買的意願。 消費性電子 (此商品就為廣泛，包含一般家電用品、電視、遊戲機、位像機、音響、身聽等。品質的好壞、使用壽命及保固期限的長短，會左右其銷售。 本文針對半導體封裝中錫球材成份部份做一些探討，錫球在封裝製程中佔很重要的一個角色，錫球負責訊號的傳遞，只要錫球損壞，將會導致晶片無法輸入或輸出訊號而導致整個元件功能失效。 究方法 本文之研究重點，以封裝業界評估錫球可靠的方式做一些深入的探討，進而比較出何種球成份合組合、添加何種屬元素，能有效提升錫球可靠，延長使用時效，避免錫球掉。 5第二章 裝製程簡介 裝發展與目的 隨著半導體產業蓬勃快速發展，件設計趨勢朝向高腳與多功能的發展，而 件外觀亦朝向輕、薄、短、小的方向演變，在世界環境保護政策推下，許多封裝材使用的限制，如種種，因此造成封裝製程上多重的挑戰。譬如，無鉛、無鹵素封裝材的選用，疊晶封技術開發，高密線、凸塊、錫球製程挑戰，小球徑錫球使用、薄型化封裝造成的翹曲問題等問題，是當前業界所遭遇的難題。 由於矽晶片尺寸相當微小且結構也相當脆弱，必須給予一種方法“包裝它，以防止運用過程中，外在及環境因素造成晶片受損，避免物性破壞及化學性侵蝕作業發生，以確保訊號與功能的傳送。所以， 裝即在保護 片，包括晶圓之晶片割 黏晶、焊線 封膠植錫球，其目的包含： 1. 提供承載與結構保護功能，保護 片，避免物性破壞及化學性侵蝕。 2. 提供能的傳遞逕與晶片的訊號分佈。 3. 避免訊號延遲的產生，影響系統的運作。 4. 提供有效散熱途徑，增加晶片散熱能。 球柵陣技術是使用基板與錫球取代傳統的導線釘架，提供較佳的組裝、較優的電子成型性及較高的 I/O 密。所謂 裝乃是指單一晶片或多晶片以打線 捲帶式覆晶的封裝方式和基板導線相接，最後再將基板另外一面，透過傳統表面焊接技術之 6迴焊植上錫球，以面積陣分佈方式作為 件訊號輸入及輸出端。 裝技術有這樣一些特點I / O 導線雖然增多，但導線間距並小，因而提升組裝；雖然它的功增加，但 改善它的電熱性能；濃和重較以前的封裝技術有所減少，信號傳輸延遲小，使用頻大大提升，可靠性高。過 裝仍然存在著佔用基板面積較大的問題。 裝技術已經在筆記型電腦的記憶體、主機板晶片組等大規模積體電的封裝域得到廣泛的應用。比如我們所熟知的 X、 片組以及 是採用這一封裝技術的產品。 隨著以 主的電腦系統性能的總體大幅提升趨勢，人們對於記憶體的性能和性能要求也日趨嚴苛。因此，人們要求記憶體封裝加嚴格，以支援大容的記憶體晶片，同時也要求記憶體封裝的散熱性能好，以適應越越快的核心頻。毫無疑問的是，進展太大的 記憶體封裝技術也越越適用於高頻、高速的新一代記憶體的封裝需求，新的記憶體封裝技術也應運而生。 採用 技術封裝的記憶體，可以使所有電腦中的 憶體在體積變的情況下記憶體容提升到三倍， 比，具有小的體積，好的散熱性能和電性能。裝技術使每平方英寸的儲存有很大提升，採用 裝技術的記憶體產品在相同容下，體積只有 裝的三分之一；另外，與傳統 裝模式相比，裝模式有加快速和有效的散熱途徑。 是因應低成本、高腳、高運算速、單位晶片多功能和較小的元件尺寸而被研發出的，相較於傳統的引腳封裝，備多優點，成為封裝主： 1. 較小的封裝尺寸 由於 用“面積分佈陣錫球界面接合而是用“周邊引腳接合，使得 有較高的接合密，即高腳，和較小的腳位面積 7，加上基板為未被包覆，使得封裝後之厚小於 裝型式約 3050%。 2. 無引腳化 錫球代替接腳接，避免因測試、彎腳、對位準所造成之生產損失。 3. 高表面黏著組裝 由於焊墊設計和焊錫技術的使用，低在傳統塑膠封裝上損失的三個主要因素：1因翹曲或引腳共面所造成之開；2因焊錫橋接所造成之接點短；3因封裝置放錯位或移動所造成之開或短。 4. 高產能 因容