Sn-Ag-Cu焊球亮球形成原因.docx

Sn-Ag-Cu焊球亮球形成原因摘 要：在BGA封装领域，绿色无铅焊料Sn-Ag-Cu系合金由于良好的可靠性成为业界无铅焊料的主流。但在应用过程中，发现Sn-Ag-Cu焊球在封装前及封装后在光学显微镜下或肉眼下均出现亮球。本文选取Sn-Ag-Cu合金系列的Sn1.0Ag0.5CuNi和Sn3.0Ag0.7CuNi作为研究对象，通过SEM图片研究视觉上亮球产生的条件和类型。然后对目标区域使用SEM,EDX，Ar+ sputtering及金相分析手段，对其表面氧化/污染程度，不同含量的Ag,Cu和Ni对亮球的影响的比较,发现Ni对低Ag合金SAC105ND具有细化作用，SAC105ND的亮球比例极低，固化后表面由(Cu,Ni)6Sn5组成，其亮球形成是由于焊球表面氧化/污染。Ag对SAC合金亮球的发生具有决定性影响，Ag含量的升高使固化由多元共晶转为融晶，固化后表面金相由少量(Cu,Ni)6Sn5和大量Ag3Sn构成，亮球发生几率升高。关键词：Sn-Ag-Cu合金；亮球；氧化；融晶；Ag3SnSn-Ag-Cu Shiny Solder Ball Formation CauseAbstract: In BGA assembly area, Sn-Ag-Cu alloy system is regarded as the mainstream of Lead-free solderball due to its outstanding reliability performance. In practice, there are some shiny ball happened before and after assembly under observation by naked eye or optical microscope. In this paper, study on solder ball shiny portion and classify shiny type for Sn1.0Ag0.5CuNi and Sn3.0Ag0.7CuNi. By using SEM,EDX,Ar+ sputtering and phase diagram method, target solder ball surface was analyzed in term of their oxidation/contamination level, alloy element content and its impact on shiny case. The result shows that low Ag content alloy occurs very few shiny ball which mainly due to ball oxidation/contamination, while high Ag content SAC alloy has higher shiny ball because Ag turn solidation from cotectic to eutectic which surface mainly consist of Ag3Sn compositionKey Words: Sn-Ag-Cu;Shiny Ball;Oxidation;Eutectic;Ag3Sn0 引言在现代半导体产业链上，封装是其中必不可少的重要环节。随着下游消费市场对环境，器件便携性，功耗，性能等多方面的要求的提升，半导体行业正按照摩尔定律不断改进技术，推进产业持续向前发展。在BGA封装领域，Sn-Pb焊料以其优异的性能和低廉的成本长期作为电子组装焊接中的主要焊接材料。但由于铅及其化合物等有毒物质对生活环境带来极大的危害，绿色的无铅焊料已经成为替代品。Sn-Ag-Cu 系的合金由于良好的可靠性和可焊性成为业界绿色无铅焊料的主流。在满足环境要求的同时，目前的无铅焊料相比有铅焊料在很多方面依然存在缺陷或不足，比如材料脆性，弹性，抗机械性能，热冲击方面1。其中在实际使用中，无铅焊球在原料级或BGA封装后出现亮球现象。本文针对Sn-Ag-Cu合金焊球，首先选取合金组合Sn1Ag0.5CuNi(以下简称SAC105ND，ND代表nickel doped)和Sn3Ag0.7CuNi（以下简称SAC307ND）作为研究对象，分析通常焊球呈现的典型表面状态。通过对焊球出现的亮球, 从原料氧化，表面粗糙度，金相结构，各种合金元素对亮球产生的影响进行详细分析。通过SEM照片，EDX元素分析,金相分析等手段，全面了解无铅焊球亮球产生的原因。1 焊球表面状态1.1 光学显微镜下焊球表面焊球在制造厂生产、检验后以密闭的罐装形式包装，以防止运输，存储过程中的氧化。来料检验室，将密闭的罐装打开，将焊球放置在40X光学显微镜下观察。在显微镜下（如图1所示），可以观察到部分焊球呈现亮球现象（Shiny Ball），大部分焊球呈现表面亚光状态（称之为暗球，或Matte Ball）。图1 SAC307ND球体表面外观1.2 电子显微镜下焊球的表面状态将焊球来料排列规整放置在电子显微镜（SEM）下观察，可以看到类似于光学显微镜下看到的亮球和暗球。从电子显微镜下，可以更清楚看到亮球所对应的焊球表面的形貌，亮球部分的表面异常平整而暗球整个表面的形态均匀且略微粗糙（如图2所示）。图2 SAC105ND和SAC307ND球体表面的形貌从SEM图片可以看到，光学显微镜下的亮球的表面并非完全一致，其中部分表面是完全平整的（在光线下反光呈现所谓的亮球），另外也有部分是粗糙的表面形貌（光线下呈现暗球状）。对于光线下视觉上呈现亮球的焊球，用Ar+粒子轰击清理焊球表面后用SEM局部放大检查焊球个体整个表面，可以观察到亮球实际由三种形貌类型的表面组成（如图3所示）：1）粗糙区域,即暗区。2）很小面积的亮区，在常规光学显微镜下很难与暗区区分出来。3）扩展的大面积亮区，这就是在显微镜下看到的亮球的主要部分图3 Ar+轰击焊球表面后，SEM对比亮区，暗区表面特征2 影响亮球表面形成的原因通常焊球来料大部分（超过99%）呈现暗球状态，表面粗糙度均匀一致。对于出现的亮球，如上观察表面呈现三类形貌特征的区域。对三种类型的表面，通过表面氧化/污染程度的检测，合金各元素含量对亮球形成的分析，充分理解焊球出现亮球的主要原因。2.1 氧化和污染分析用SEM和EDX方法分别检测各个目标区域（暗区及小面积亮区，大面积亮区）的氧化和污染程度，比较不同形貌区域间的氧化/污染程度。2.1.1 小面积亮区和暗区如图4所示，小面积亮区和暗区之间的氧化程度非常接近。两部分的元素含量分布也非常的相似，说明在固化过程中这两部分几乎在同一时间固化形成2。对于SAC105ND和SAC307ND合金，他们都有同样规律。图4 小面积亮区（黄色）和暗区（绿色）氧化程度比较2.1.2 扩展的大面积亮区相对小亮区，不同的合金的大面积亮区的氧化程度不同。对合金SAC105ND(如图5左所示): 大面积亮区相对于暗区（粗糙区域）而言其氧化程度非常轻微。在有限空间里先固化的金属部分氧化程度相对后固化部分更高2。这说明SAC105ND大面积亮区部分是在暗区域固化形成后生成的。可以推论大面积亮区形成的原因可能是由于在回流焊过程中的基板高速移动效应导致球体表面（最外层）实际上并没有完全融化。这是因为在球体表面存在一层薄薄的氧化物和污染物，它们的存在导致焊料具有更高的熔点。这大面积亮区部分的氧化程度相对于球体的其他部分要轻微的多，它在SBA回流焊过程中基本没有融化和固化的过程，也就是说这部分还是在焊球制造过程中形成的部分。对合金SAC307ND, (如图5右所示):大面积亮区跟暗区的氧化程度几乎一样。这说明两块区域基本是在同一时间固化形成。图5 封装后的SAC105ND和SAC307ND焊球的氧化程度所以SAC105ND的大面积亮区是由于氧化层的表面效应，在SBA回流焊过程中的氧气含量对亮区的形成的影响。因此，我们在实际生产中（炉区氧含量控制在100PPM以下）总是有随机不规则几率的亮区发生（如图6 左上区域）。当我们用没有氧含量控制得炉子，可以观察到几乎没有亮区的产生（如图6 右上区域）。这就是额外的氧气含量导致更高程度的氧化，较厚的氧化层（nm等级）在SBA回流焊过程中不再被冲破，融化的球体合金也不会到达表面重新固化形成大面积亮区部分。对于SAC307ND合金，没有以上类似现象发生。它的大面积亮区事件与回流焊过程中的氧含量程度无关（如图6所示）。图6 SAC105ND和SAC307ND焊球不同氧含量SBA后亮球比较2.2 Ni含量的影响通过对四种不同合金焊球的SEM球体表面状态照片直接对比（如图7所示），可以观察到如下现象1）1%Ag:总的来说，1%Ag焊球球体表面都或多或少有一些大面积亮区。但额外添加的微量Ni (SAC105ND)的焊球表面均匀，其大面积亮区出现的几率大幅减少，亮球发生率几乎为零。2）3%Ag: 无论有还是没有添加Ni元素，3%Ag合金焊球的大面积亮区的分布规律都一样。因此，Ni在3%Ag 合金中对表面态形成没有关键作用。对于同为1%Ag的合金SAC105和SAC105ND，SAC105焊球进料时也总是发现一定数量的亮球而SAC105ND焊球在进料时却鲜有亮球发现(参见图7)。研究发现，对于低Ag含量的SAC合金，镍元素的表面细化作用明显3，因此SAC105ND的大面积亮区发生率非常低。图7 含镍焊球与无镍焊球外观的比较2.3 Cu含量的影响按照焊球的Ag含量和不同Cu含量的合金焊球拍摄的图片排列如下（见图8所示）。Cu的总含量在0到0.1%的范围内，Cu对焊球表面态的影响并不明显。图8 不同Cu含量的SAC焊球外观的比较2.4 Ag含量的影响Ag含量对焊球表面形态具有决定性的影响（如图9所示）。SAC105焊球中仅有极少数的亮球出现，而对于高Ag含量的SAC305或SAC405其亮球含量比例竟然高达50%以上。图9 不同Ag含量的SAC焊球外观3 讨论以上的观察可以看到Ag含量直接影响亮球比例。亮球发生几率随着合金中Ag含量的升高而明显升高。对比合金SnAgCu相图，可以发现随着Ag含量的增加，合金的金相位置上移导致熔点升高（如图10所示）。图10 SnAgCu相图我们可以通过对焊球表面金相的详细研究可以深入理解亮球产生的机理。对焊球表面进行电镜扫描和元素分析（如图11所示），可以看到SAC105ND和SAC307ND球体表面的小面积亮区部分和粗糙部分的表面金相基本一样。对以上两种合金焊球而言，它们的暗区（粗糙部分）金相是由b-Sn阵列组成4，我们用Ar+轰击去除小面积亮区部分球表面材料几个纳米后，可以看到材料组分是由(Cu,Ni)6Sn55多元共晶沉积而成。综合分析来看，SAC105ND 和SAC307ND的主要分别在于b-Sn颗粒尺寸的大小不同（分别为平均10m和5m）6，这种表现是随着合金中Ag含量的而变化。图11 SAC105ND和SAC307ND的小面积亮区及暗区Ar+轰击前后表面态用同样的分析方法比较SAC105ND和SAC307ND焊球表面中大面积亮区部分。图12的SEM图片显示两者表面具有相似的粗糙度。图12 SAC105ND和SAC307ND的大面积亮区SEM图片比较通过用Ar+轰击去除球表面最外层材料，我们用SEM可以看到金相沉积物的分布状况（如图12下所示）。SAC105ND和SAC307ND的(Cu,Ni)6Sn5沉积物的尺寸相差很大。SAC105ND的b-Sn结构中覆盖着一层(Cu,Ni)6Sn5的沉积物，说明这个区域可能是由于多元共晶固化而成。对SAC307ND的分析显示较少量的(Cu,Ni)6Sn5沉积物，这个区域大部分覆盖着Ag3Sn沉积物。这说明SAC307ND的表面是由于融晶过程的固化而成。由于Ag含量的升高，合金SAC的熔点升高，表面结晶由多元共晶转为融晶状态，形成的金属化和物为少量的(Cu,Ni)6Sn和大量的Ag3Sn。因此高Ag含量的合金发生亮球几率大大高于低Ag合金。4 结论小面积亮区和暗区部分金属化合物和表面形态类似，在视觉上呈现亮球的主要原因是扩展的大面积亮区部分。Cu元素对焊球的亮球发生率无影响。Ni对低Ag合金SAC105ND具有细化作用，对高Ag合金SAC307ND无明显作用。低Ag含量的合金SAC105ND的亮球比例非常低，多元共晶固化后表面金相由(Cu,Ni)6Sn5组成，加上Ni元素对金相的细化作用，其亮球发生概率极低。亮球形成是由于焊球表面氧化/污染所致。Ag对SAC合金亮球的发生具有决定性影响。随着Ag含量的升高，SAC307ND焊球熔点升高固化由多元共晶转为融晶，固化后表面金相由少量(Cu,Ni)6Sn5和大量Ag3Sn构成，亮球发生几率升高。参考文献1 张莎莎,张亦杰,马乃恒等.Sn-Ag-Cu系无铅焊料性能研究进展J.热加工工艺,2010,39(1)：124126.2 巫建华.BGA焊点可靠性工艺研究