無鉛焊錫球冷接點(diǎn)研究

1、無鉛銲錫球冷接點(diǎn)研究 許宏達(dá)、林子彬、李世文、李俊哲 / 日月光半導(dǎo)體製造股份有限公司此篇文章主要是探討發(fā)生在表面黏著製程(SMT process)中無鉛銲錫球與印刷電路板(PCB)上銲墊(bond pad)間之冷接點(diǎn)(cold joint)現(xiàn)象。並包含XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy，X光光電子能譜術(shù))之介紹以及利用XPS分析氧化錫層。錫之氧化層深度決定於從銲錫球表面所測得氧、錫或錫離子(Sn+4 或Sn+2)在不同深度下之含量變化而得知。銲錫球表面之顏色變化可以說與氧化錫層的深度有關(guān)。此篇研究提供了關(guān)於監(jiān)視與控制SMT製程中，銲錫球與印刷電路板銲墊間

2、冷接點(diǎn)現(xiàn)象之方向。含鉛銲錫已經(jīng)在電子構(gòu)裝工業(yè)界使用多年，至於為何業(yè)界多傾向於使用含鉛銲錫，原因在於與其他合金相比時，含鉛銲錫不僅相對便宜，更可在不同製程條件下展現(xiàn)較高之可靠性。不僅如此，含鉛銲錫也擁有諸如低熔點(diǎn)、較高強(qiáng)度與韌性、高抗?jié)撟冃?、高耐熱循環(huán)性、高電性傳導(dǎo)與優(yōu)良的銲點(diǎn)完整性。不過，在環(huán)境與人體健康之考量下，來自全球各地法規(guī)限制之壓力也增加了設(shè)定工業(yè)界無鉛材料與製程實(shí)用化與整合時間表之壓力。含有較高錫含量之無鉛銲錫球表面較容易氧化並在表面形成錫氧化層，該錫氧化層將導(dǎo)致無鉛銲錫球之表面顏色從銀色變成黃或黃褐色；當(dāng)該氧化層增加到一特定程度時，在表面黏著製程中銲錫球與PCB上銲墊之界面間將可能

3、會發(fā)生冷接點(diǎn)現(xiàn)象。此研究就是要利用XPS之縱深成分分析(depth profile analysis)來探討冷接點(diǎn)現(xiàn)象與錫氧化層間之關(guān)係。XPS原理介紹XPS之表面分析是藉由X光射線在試片表面聚集照射並分析受測電子之能量。X光光源通常是使用單色器(monochromator)鋁(Al K，1486.7 eV)光束。這些光子(photon)與表面區(qū)域之原子作用反應(yīng)，藉由光電效應(yīng)(photoelectric effect)導(dǎo)致電子被激發(fā)(emitted)出來而產(chǎn)生光電子(photoelectron)。這些被激發(fā)出來的電子能量可以藉由以下式子加以計算量測出來：其中 h是光子之能量，BE(bindin

4、g energy)是電子被激發(fā)出來原子軌道之束縛能，而s是光譜計之工作函數(shù)(work function)。束縛能可以被視為是光電子離開原子之前與之後的能量差。除了光電子在光電效應(yīng)過程中被激發(fā)出來之外，歐傑電子(Auger electrons)也因?yàn)榻?jīng)過光電發(fā)射(photoemission)後而被激發(fā)出來。在過程中，當(dāng)外層電子進(jìn)入到內(nèi)層軌道空隙時，另一個電子也同時獲得額外能量而被激發(fā)出來，此被激發(fā)出來的電子即為歐傑電子。因此，光之離子化(photo-ionization)正常將產(chǎn)生2個激發(fā)電子：光電子與歐傑電子。電子被激發(fā)之動能(kinetic energies)總合不能超過離子化光子之能量(圖

5、一)。圖一：光電子在光電效應(yīng)過程中被激發(fā)出來XPS之功能X光光源及能量：Al K：1486.7 eV。XPS之功能在於，能精確的分析試片表面深度小於50A之化學(xué)態(tài)及元素種類、離子槍(ion gun)之操作使用時可以持續(xù)進(jìn)行縱深成分分析、Flood Gun之操作使用時可以降低試片電荷蓄積效應(yīng)(charge effect)以改善分析絕緣體時所造成訊號峰朝高束縛能方向偏移的現(xiàn)象。分析元素，從元素3Li 到92U (XPS之限制)。其無法做小範(fàn)圍分析，勘測掃描點(diǎn)面積的極限(the limitation in spot size)為15mm，而其原因在於X光射線較難聚焦。實(shí)驗(yàn)方法與步驟打開氬氣閥(Arg

6、on valve)，將試片放入預(yù)備室(pre-chamber)後必須在預(yù)備室內(nèi)清洗管路至少3次；慢慢打開GAS閥，等10秒後再關(guān)起來；接下來打開ROUGHING閥，等待30秒後將之關(guān)閉。此兩步驟重複5次。最後將GAS閥打開，但必須注意此時ROUGHING閥為關(guān)閉的。必須注意的是，在清洗管路時Transfer是不能打開的。接著關(guān)閉Sublimation Pump，將試片放到主chamber，再將離子槍設(shè)定好。依序?qū)ilament、HV、Extractor High及Pump Ion Gun打開，暖機(jī)至少30分鐘。慢慢將ION GUN之氬氣閥打開，等壓力達(dá)到7E-8數(shù)值時便停止轉(zhuǎn)動閥門。設(shè)定離子

7、能量(Ion Energy)為3 keV，之後按下Ion Etch及SEM。再來依序按下Ion Gun Etch Control控制鍵。此一同時，可以看到螢?zāi)簧嫌须x子影像(ion image)。當(dāng)調(diào)整Coarse鈕時，電流不能超過1 mA，然後將之聚焦。按下Calibration鈕以校正離子束之位置。執(zhí)行校正之後，停止Ion Gun Etch Control功能，設(shè)定分析之操作條件，之後進(jìn)行確認(rèn)的步驟。執(zhí)行該縱深成分分析實(shí)驗(yàn)得到光譜分析資料。XPS 掃描實(shí)驗(yàn)條件XPS全範(fàn)圍掃描(Survey Scan Condition)條件，掃描點(diǎn)面積(Spot Size)為100mm，掃描能量範(fàn)圍(Ene

8、rgy Range)從0 1000 eV ，掃描間距大小為1 eV。通過能量(Pass Energy)為100 eV，掃描次數(shù)為4次。XPS對元素氧小範(fàn)圍掃描(Narrow Scan Condition)條件，掃描點(diǎn)面積為100mm，掃描能量範(fàn)圍自510 560 eV，掃描間距大小為1 eV。通過能量為40 eV，掃描次數(shù)為6次。XPS對元素錫小範(fàn)圍掃描條件，掃描點(diǎn)面積為100 mm，掃描能量範(fàn)圍從483 490 eV，掃描間距大小為0.005 eV。通過能量為20 eV，掃描次數(shù)為2次?？v深成分分析條件為，離子能量維持在3 keV，蝕刻面績?yōu)? mm2，放射電流(Emission Curre

9、nt)則是1 mA，真空度(Vacuum Level)為3×10E-8 Torr，蝕刻時間(Etching Time)定在每層蝕刻10秒，離子電流密度(Ion Current Density)則是1 mA / mm2。結(jié)果與討論無鉛銲錫球(Sn / Ag / Cu = 95.5 / 4 / 0.5)之表面顏色如圖二所示，在迴銲製程後，正常無鉛銲錫球之顏色為銀色，而有氧化層之無鉛銲錫球顏色為黃色，該氧化無鉛銲錫球經(jīng)迴銲製程後將變成黃褐色。從針對銲錫球表面(未經(jīng)迴銲製程)XPS之縱深成分分析發(fā)現(xiàn)，銲錫球表面的氧含量隨著離子槍蝕刻深度的增加而減少(圖三)。對於銲錫球表面之氧元素小區(qū)域掃描分

10、析(能量範(fàn)圍自510 560 eV)發(fā)現(xiàn)，隨著氧化物層被氬離子逐漸之蝕刻，氧含量明顯隨之下降(圖四)。除了由氧含量定義氧化物層外，由於錫氧化物被去除而純錫在表面出現(xiàn)，因此氧化物層也可依據(jù)錫電子價數(shù)之變化而被決定(圖五)，隨著銲錫球表面算起之深度的增加，Sn+4(Sn+2)含量隨之下降而錫含量隨之上升。在離子槍蝕刻至第11層之後，銲錫球表面並沒有發(fā)現(xiàn)任何元素氧。在此一銲錫球表面成分分析中，估算相對氧化物厚度是第11層。圖二：在迴銲製程後，(a)未變色銲錫球表面(銀色)，(b)變色銲錫球表面(黃色)，(c)變色銲錫球表面(黃褐色)。圖三：銲錫球(未經(jīng)迴銲製程)表面在不同深度下的XPS光譜。(a)第

11、1層、(b)第2層、(c)第5層、(d)第11層。圖四：銲錫球(未經(jīng)迴銲製程)表面在不同深度下，元素氧含量變化之XPS縱深成分分析光譜。圖五：銲錫球(未經(jīng)迴銲製程)表面在不同深度下，不同電子價數(shù)錫的含量變化之XPS縱深成分分析光譜。經(jīng)過組裝製程後銲錫球的顏色如同圖二(a)所示呈現(xiàn)銀色。在此一情況下，SMT製程中並無發(fā)現(xiàn)在銲錫球與印刷電路板銲墊界面間有冷接點(diǎn)現(xiàn)象。從銀色(未變色)銲錫球表面之XPS縱深成分分析中發(fā)現(xiàn)，藉由離子槍蝕刻後之銲錫球表面算起，隨著蝕刻深度增加氧含量隨之下降(圖六)。而藉由對氧元素之XPS小區(qū)域掃描發(fā)現(xiàn)，氧含量如同圖七所示有明顯下降趨勢。圖八所示為經(jīng)由離子槍蝕刻確認(rèn)之錫含量

12、增加與Sn+4(Sn+2)含量減少之情形。在經(jīng)過離子槍蝕刻直到第9層之後，銲錫球表面並沒有發(fā)現(xiàn)元素氧之存在。因此，估算出銀色(未變色)銲錫球之相對氧化層厚度為接近第9層。此類銲錫球在SMT製程中銲錫球與印刷電路板銲墊介面並無冷接點(diǎn)現(xiàn)象，並且擁有優(yōu)良之界面黏著強(qiáng)度(adhesion strength)。經(jīng)迴銲後銀色銲錫球之氧化層厚度比未經(jīng)過迴銲的銲錫球薄。圖六：在迴銲製程後，未變色(銀色)銲錫球表面在不同深度下的XPS光譜。(a)第1層、(b)第2層、(c)第5層、(d)第9層。經(jīng)過組裝製程後氧化之銲錫球顏色變成黃色如圖二(b)所示。從黃色(已變色)銲錫球表面之XPS縱深成分分析中發(fā)現(xiàn)，藉由離子

13、槍蝕刻後之銲錫球表面算起，隨著蝕刻深度增加氧含量隨之下降(圖九)。而藉由對氧元素之XPS小區(qū)域掃描發(fā)現(xiàn)，氧含量有明顯下降趨勢(圖十)。再者，經(jīng)由離子槍蝕刻確認(rèn)之錫含量增加與Sn+4(Sn+2)含量減少之情形(圖十一)。發(fā)現(xiàn)了經(jīng)過16層的離子槍蝕刻後，於銲錫球表面並沒有發(fā)現(xiàn)任何元素氧之存在。因此，估算出黃色(已變色)銲錫球之相對氧化層厚度為接近第17層。上面之研究結(jié)果顯示黃色(已變色)銲錫球之氧化層厚度比銀色(未變色)銲錫球之氧化層厚度厚。如果氧化層厚度太厚並導(dǎo)致即使藉由助熔劑之活化也無法除去氧化層時，銲錫球?qū)o法被熔融並在SMT製程中的銲錫球與印刷電路板銲墊間形成良好的黏著強(qiáng)度。此類情況下將會

14、發(fā)生冷接點(diǎn)現(xiàn)象。圖七：在迴銲製程後，未變色銲錫球表面在不同深度下，元素氧含量變化之XPS縱深成分分析光譜。圖八：在迴銲製程後，未變色銲錫球表面在不同深度下，不同電子價數(shù)錫的含量變化之XPS縱深成分分析光譜。經(jīng)過組裝製程且再經(jīng)過迴銲之後氧化之銲錫球顏色可能變成如圖二(c)所示之黃褐色。從黃褐色(已變色)銲錫球表面之XPS縱深成分分析中發(fā)現(xiàn)，隨著藉由離子槍蝕刻後之銲錫球表面算起，隨著蝕刻深度增加氧含量隨之下降(圖十二)。另外，藉由對氧元素之XPS小區(qū)域掃描發(fā)現(xiàn)，氧含量有明顯下降趨勢(圖十三)。再者，經(jīng)由離子槍蝕刻確認(rèn)之錫含量增加與Sn+4(Sn+2)含量減少之情形(圖十四)。發(fā)現(xiàn)了經(jīng)過37層之離子

15、槍蝕刻後，在銲錫球表面並沒有發(fā)現(xiàn)任何元素氧之存在。因此，估算出黃褐色(已變色)銲錫球之相對氧化層厚度為接近第38層。圖九：在迴銲製程後，已變色(黃色)銲錫球表面在不同深度下的XPS光譜。(a)第1層、(b)第5層、(c)第10層、(d)第17層。圖十：在迴銲製程後，已變色(黃色)銲錫球表面在不同深度下，元素氧含量變化之XPS縱深成分分析光譜。圖十一：在迴銲製程後，已變色(黃色)銲錫球表面在不同深度下，不同電子價數(shù)錫的含量變化之XPS縱深成分分析光譜。圖十二：已變色(黃色)銲錫球在經(jīng)過迴銲製程後表面變成黃褐色，此銲錫球表面在不同深度下的XPS光譜。(a)第1層、(b)第10層、(c)第20層、(

16、d)第38層。圖十三：已變色(黃色)銲錫球在經(jīng)過迴銲製程後表面變成黃褐色，此銲錫球表面在不同深度下，元素氧含量變化之XPS縱深成分分析光譜。圖十四：已變色(黃色)銲錫球在經(jīng)過迴銲製程後表面變成黃褐色，此銲錫球表面在不同深度下，不同電子價數(shù)錫的含量變化之XPS縱深成分分析光譜。總合上述之研究，氧化層之厚度依序如下：黃褐色(已變色)銲錫球大於黃色(已變色)銲錫球之氧化層厚度，而黃色(已變色)銲錫球之氧化層厚度又大於銀色(未變色)銲錫球之氧化層厚度。結(jié)論從銲錫球表面之XPS之XPS縱深成分分析中發(fā)現(xiàn)，藉由離子槍蝕刻之銲錫球表面算起，隨著蝕刻深度增加氧含量隨之下降。而藉由對氧元素之XPS小區(qū)域掃描發(fā)現(xiàn)，氧含量隨深度增加有明顯下降趨勢。除了由氧含量定義氧化物層外，由於錫氧化物被去除而純錫在表面出現(xiàn)，因此氧化物層也可依據(jù)錫電子價數(shù)之變化而被決定。隨著從銲錫球表面算起之深度的增加，Sn+4(Sn+2)含量隨之下降而錫含量隨之上升。這是由於隨著從銲錫球表面算起之深度逐漸增加，氧化物層被氬離子逐漸蝕刻掉之關(guān)係。從這一份研究可以發(fā)現(xiàn)，黃褐色(已變色)銲錫球具有最厚之氧化層，其相對氧化層厚度為接近第38層。銀色銲錫球經(jīng)過組裝製程後具有最薄之氧化層，其相對氧化層厚度為接近第9層。氧化層之厚度依序如下：