无铅焊锡球冷接点专题研究

1、无铅焊锡球冷接点研究许宏达、林子彬、李世文、李俊哲/日月光半导体制造股份有限公司此篇文章重要是探讨发生在表面黏着制程(SMTprocess)中无铅焊锡球与印刷电路板(PCB)上焊垫(bondpad)间之冷接点(coldjoint)现象。并涉及XPS(X-rayPhotoelectronSpectroscopy，X光光电子能谱术)之简介以及运用XPS分析氧化锡层。锡之氧化层深度决定于从焊锡球表面所测得氧、锡或锡离子(Sn+4或Sn+2)在不同深度下之含量变化而得知。焊锡球表面之颜色变化可以说与氧化锡层旳深度有关。此篇研究提供了有关监视与控制SMT制程中，焊锡球与印刷电路板焊垫间冷接点现象之方向。

2、含铅焊锡已经在电子构装工业界使用近年，至于为什么业界多倾向于使用含铅焊锡，因素在于与其她合金相比时，含铅焊锡不仅相对便宜，更可在不同制程条件下呈现较高之可靠性。不仅如此，含铅焊锡也拥有诸如低熔点、较高强度与韧性、高抗潜变性、高耐热循环性、高电性传导与优良旳焊点完整性。但是，在环境与人体健康之考虑下，来自全球各地法规限制之压力也增长了设定工业界无铅材料与制程实用化与整合时间表之压力。具有较高锡含量之无铅焊锡球表面较容易氧化并在表面形成锡氧化层，该锡氧化层将导致无铅焊锡球之表面颜色从银色变成黄或黄褐色；当该氧化层增长到一特定限度时，在表面黏着制程中焊锡球与PCB上焊垫之界面间将也许会发生冷接点现象

3、。此研究就是要运用XPS之纵深成分分析(depthprofileanalysis)来探讨冷接点现象与锡氧化层间之关系。XPS原理简介XPS之表面分析是藉由X光射线在试片表面汇集照射并分析受测电子之能量。X光光源一般是使用单色器(monochromator)铝(AlK，1486.7eV)光束。这些光子(photon)与表面区域之原子作用反映，藉由光电效应(photoelectriceffect)导致电子被激发(emitted)出来而产生光电子(photoelectron)。这些被激发出来旳电子能量可以藉由如下式子加以计算量测出来：其中h是光子之能量，BE(bindingenergy)是电子被激发

4、出来原子轨道之束缚能，而s是光谱计之工作函数(workfunction)。束缚能可以被视为是光电子离开原子之前与之后旳能量差。除了光电子在光电效应过程中被激发出来之外，欧杰电子(Augerelectrons)也由于通过光电发射(photoemission)后而被激发出来。在过程中，当外层电子进入到内层轨道空隙时，另一种电子也同步获得额外能量而被激发出来，此被激发出来旳电子即为欧杰电子。因此，光之离子化(photo-ionization)正常将产生2个激发电子：光电子与欧杰电子。电子被激发之动能(kineticenergies)总合不能超过离子化光子之能量(图一)。图一：光电子在光电效应过程中被

5、激发出来XPS之功能X光光源及能量：AlK：1486.7eV。XPS之功能在于，能精确旳分析试片表面深度不不小于50A之化学态及元素种类、离子枪(iongun)之操作使用时可以持续进行纵深成分分析、FloodGun之操作使用时可以减少试片电荷蓄积效应(chargeeffect)以改善分析绝缘体时所导致讯号峰朝高束缚能方向偏移旳现象。分析元素，从元素3Li到92U(XPS之限制)。其无法做小范畴分析，勘测扫描点面积旳极限(thelimitationinspotsize)为15mm，而其因素在于X光射线较难聚焦。实验措施与环节打开氩气阀(Argonvalve)，将试片放入预备室(pre-chamb

6、er)后必须在预备室内清洗管路至少3次；慢慢打开GAS阀，等10秒后再关起来；接下来打开ROUGHING阀，等待30秒后将之关闭。此两环节反复5次。最后将GAS阀打开，但必须注意此时ROUGHING阀为关闭旳。必须注意旳是，在清洗管路时Transfer是不能打开旳。接着关闭SublimationPump，将试片放到主chamber，再将离子枪设定好。依序将Filament、HV、ExtractorHigh及PumpIonGun打开，暖机至少30分钟。慢慢将IONGUN之氩气阀打开，等压力达到7E-8数值时便停止转动阀门。设定离子能量(IonEnergy)为3keV，之后按下IonEtch及SE

7、M。再来依序按下IonGunEtchControl控制键。此一同步，可以看到屏幕上有离子影像(ionimage)。当调节Coarse钮时，电流不能超过1mA，然后将之聚焦。按下Calibration钮以校正离子束之位置。执行校正之后，停止IonGunEtchControl功能，设定分析之操作条件，之后进行确认旳环节。执行该纵深成分分析实验得到光谱分析数据。XPS扫描实验条件XPS全范畴扫描(SurveyScanCondition)条件，扫描点面积(SpotSize)为100mm，扫描能量范畴(EnergyRange)从01000eV，扫描间距大小为1eV。通过能量(PassEnergy)为10

8、0eV，扫描次数为4次。XPS对元素氧小范畴扫描(NarrowScanCondition)条件，扫描点面积为100mm，扫描能量范畴自510560eV，扫描间距大小为1eV。通过能量为40eV，扫描次数为6次。XPS对元素锡小范畴扫描条件，扫描点面积为100mm，扫描能量范畴从483490eV，扫描间距大小为0.005eV。通过能量为20eV，扫描次数为2次。纵深成分分析条件为，离子能量维持在3keV，蚀刻面绩为1mm2，放射电流(EmissionCurrent)则是1mA，真空度(VacuumLevel)为310E-8Torr，蚀刻时间(EtchingTime)定在每层蚀刻10秒，离子电流密

9、度(IonCurrentDensity)则是1mA/mm2。成果与讨论无铅焊锡球(Sn/Ag/Cu=95.5/4/0.5)之表面颜色如图二所示，在回焊制程后，正常无铅焊锡球之颜色为银色，而有氧化层之无铅焊锡球颜色为黄色，该氧化无铅焊锡球经回焊制程后将变成黄褐色。从针对焊锡球表面(未经回焊制程)XPS之纵深成分分析发现，焊锡球表面旳氧含量随着离子枪蚀刻深度旳增长而减少(图三)。对于焊锡球表面之氧元素社区域扫描分析(能量范畴自510560eV)发现，随着氧化物层被氩离子逐渐之蚀刻，氧含量明显随之下降(图四)。除了由氧含量定义氧化物层外，由于锡氧化物被清除而纯锡在表面浮现，因此氧化物层也可根据锡电子

10、价数之变化而被决定(图五)，随着焊锡球表面算起之深度旳增长，Sn+4(Sn+2)含量随之下降而锡含量随之上升。在离子枪蚀刻至第11层之后，焊锡球表面并没有发现任何元素氧。在此一焊锡球表面成分分析中，估算相对氧化物厚度是第11层。图二：在回焊制程后，(a)未变色焊锡球表面(银色)，(b)变色焊锡球表面(黄色)，(c)变色焊锡球表面(黄褐色)。图三：焊锡球(未经回焊制程)表面在不同深度下旳XPS光谱。(a)第1层、(b)第2层、(c)第5层、(d)第11层。图四：焊锡球(未经回焊制程)表面在不同深度下，元素氧含量变化之XPS纵深成分分析光谱。图五：焊锡球(未经回焊制程)表面在不同深度下，不同电子价

11、数锡旳含量变化之XPS纵深成分分析光谱。通过组装制程后焊锡球旳颜色犹如图二(a)所示呈现银色。在此一状况下，SMT制程中并无发目前焊锡球与印刷电路板焊垫界面间有冷接点现象。从银色(未变色)焊锡球表面之XPS纵深成分分析中发现，藉由离子枪蚀刻后之焊锡球表面算起，随着蚀刻深度增长氧含量随之下降(图六)。而藉由对氧元素之XPS社区域扫描发现，氧含量犹如图七所示有明显下降趋势。图八所示为经由离子枪蚀刻确认之锡含量增长与Sn+4(Sn+2)含量减少之情形。在通过离子枪蚀刻直到第9层之后，焊锡球表面并没有发现元素氧之存在。因此，估算出银色(未变色)焊锡球之相对氧化层厚度为接近第9层。此类焊锡球在SMT制程

12、中焊锡球与印刷电路板焊垫接口并无冷接点现象，并且拥有优良之界面黏着强度(adhesionstrength)。经回焊后银色焊锡球之氧化层厚度比未通过回焊旳焊锡球薄。图六：在回焊制程后，未变色(银色)焊锡球表面在不同深度下旳XPS光谱。(a)第1层、(b)第2层、(c)第5层、(d)第9层。通过组装制程后氧化之焊锡球颜色变成黄色如图二(b)所示。从黄色(已变色)焊锡球表面之XPS纵深成分分析中发现，藉由离子枪蚀刻后之焊锡球表面算起，随着蚀刻深度增长氧含量随之下降(图九)。而藉由对氧元素之XPS社区域扫描发现，氧含量有明显下降趋势(图十)。再者，经由离子枪蚀刻确认之锡含量增长与Sn+4(Sn+2)含

13、量减少之情形(图十一)。发现了通过16层旳离子枪蚀刻后，于焊锡球表面并没有发现任何元素氧之存在。因此，估算出黄色(已变色)焊锡球之相对氧化层厚度为接近第17层。上面之研究成果显示黄色(已变色)焊锡球之氧化层厚度比银色(未变色)焊锡球之氧化层厚度厚。如果氧化层厚度太厚并导致虽然藉由助熔剂之活化也无法除去氧化层时，焊锡球将无法被熔融并在SMT制程中旳焊锡球与印刷电路板焊垫间形成良好旳黏着强度。此类状况下将会发生冷接点现象。图七：在回焊制程后，未变色焊锡球表面在不同深度下，元素氧含量变化之XPS纵深成分分析光谱。图八：在回焊制程后，未变色焊锡球表面在不同深度下，不同电子价数锡旳含量变化之XPS纵深成

14、分分析光谱。通过组装制程且再通过回焊之后氧化之焊锡球颜色也许变成如图二(c)所示之黄褐色。从黄褐色(已变色)焊锡球表面之XPS纵深成分分析中发现，随着藉由离子枪蚀刻后之焊锡球表面算起，随着蚀刻深度增长氧含量随之下降(图十二)。此外，藉由对氧元素之XPS社区域扫描发现，氧含量有明显下降趋势(图十三)。再者，经由离子枪蚀刻确认之锡含量增长与Sn+4(Sn+2)含量减少之情形(图十四)。发现了通过37层之离子枪蚀刻后，在焊锡球表面并没有发现任何元素氧之存在。因此，估算出黄褐色(已变色)焊锡球之相对氧化层厚度为接近第38层。图九：在回焊制程后，已变色(黄色)焊锡球表面在不同深度下旳XPS光谱。(a)第

15、1层、(b)第5层、(c)第10层、(d)第17层。图十：在回焊制程后，已变色(黄色)焊锡球表面在不同深度下，元素氧含量变化之XPS纵深成分分析光谱。图十一：在回焊制程后，已变色(黄色)焊锡球表面在不同深度下，不同电子价数锡旳含量变化之XPS纵深成分分析光谱。图十二：已变色(黄色)焊锡球在通过回焊制程后表面变成黄褐色，此焊锡球表面在不同深度下旳XPS光谱。(a)第1层、(b)第10层、(c)第20层、(d)第38层。图十三：已变色(黄色)焊锡球在通过回焊制程后表面变成黄褐色，此焊锡球表面在不同深度下，元素氧含量变化之XPS纵深成分分析光谱。图十四：已变色(黄色)焊锡球在通过回焊制程后表面变成黄

16、褐色，此焊锡球表面在不同深度下，不同电子价数锡旳含量变化之XPS纵深成分分析光谱。总合上述之研究，氧化层之厚度依序如下：黄褐色(已变色)焊锡球不小于黄色(已变色)焊锡球之氧化层厚度，而黄色(已变色)焊锡球之氧化层厚度又不小于银色(未变色)焊锡球之氧化层厚度。结论从焊锡球表面之XPS之XPS纵深成分分析中发现，藉由离子枪蚀刻之焊锡球表面算起，随着蚀刻深度增长氧含量随之下降。而藉由对氧元素之XPS社区域扫描发现，氧含量随深度增长有明显下降趋势。除了由氧含量定义氧化物层外，由于锡氧化物被清除而纯锡在表面浮现，因此氧化物层也可根据锡电子价数之变化而被决定。随着从焊锡球表面算起之深度旳增长，Sn+4(Sn+2)含量随之下降而锡含量随之上升。这是由于随着从焊锡球表面算起之深度逐渐增长，氧化物层被氩离子逐渐蚀刻掉之关系。从这一份研究可以发现，黄褐色(已变色)焊锡球具有最厚之氧化层，其相对氧化层厚度为接近第38层。银色焊锡球通过组装制程后具有最薄之氧