過去在電子製造業中最常使用之銲錫材料為Sn-37Pb 共晶合金，因為此合金系統具有優異的機械性質且成本低廉。然而，研究發現鉛(Pb)為具有毒性之金屬，對環境及人體會造成危害，因此近年來歐、美以及日本等先進國家，紛紛對電子產品中鉛的使用加以規範及制定法律來限制使用，特別是對環境所造成的問題，不論是回收、資源再利用或各種無鉛替代技術的研究與開發，都被視為當務之急。如WEEE (Waste form Electrical and Electronic Equipment)與RoHS (The Restriction of Hazardous Substances in Electrical and Electronic Equipment)等法令的頒布。在無鉛銲錫的選擇方面，儘管目前尚無明確的選擇標準，但在諸多無鉛銲料中，近共晶之Sn-Ag-Cu 合金因具有低熔點，同時擁有優異的機械強度、延展性、抗潛變性與疲勞特性，所以被評選為目前最具發展潛力之無鉛銲錫系統，其中日本JEIDA (Japanese Electronic Industry Development Association)主Sn3Ag0.5Cu 合金系統，而歐盟則提出Sn3.8 Ag0.7Cu 合金系統，在眾多的合金系統中又以Sn3Ag0.5Cu 共晶合金目前最被廣泛應用，成為取代Sn-Pb 合金之最佳候選。
電子構裝(Electronic Package)是半導體產業中極為關鍵的一環，而在眾多構裝技術當中，球格陣列構裝(BGA)之銲錫材料因具有可重工(Reworkable)與自我對位(Self Alignment)等特性，因而成為構裝連線與元件接著最主要之方法。其中銲錫球接點的可靠度將決定球格陣列構裝的使用壽命，影響因素包括錫球成份、錫球尺寸與形狀、錫球銲墊形式與表面處理(Surface Finishes)、迴銲與時效條件等。目前的無鉛可銲性表面處理技術，可概略分為兩大類：有機塗層與金屬塗層。有機塗層為有機可銲性保護(Organic Solderability Preservative; OSP)，而金屬塗層則包括化鎳金(Electroless Nickel/Immersion Gold; ENIG)、浸鍍銀(Immersion Silver; ImAg)與浸鍍錫(Immersion Tin; ImSn)等。目前業界常用的有ENIG 與OSP 等兩種表面處理。影響銲錫球接點強度之因素有銲墊表面處理、銲錫合金、介金屬性質與製程參數等，因此為了解Sn3Ag0.5Cu銲錫與不同的處面處理銲墊經迴銲後(Asreflow)與經過恆溫時效熱處理對機械性質之影響，本文以Sn3Ag0.5Cu 銲錫與ENIG 、ImSn 、OSP 及Ni/Pd/Au（化鎳鈀金）等四種表面處理之銅銲墊進行接合，並導入不同於以往之機械特性量測方式（傳統推球(Ball Shear Test)）的抓球(Ball Pull Test)與快速推球(High-speed Ball Shear Test)試驗進行比較。
實驗方法
1. 試片製備
本研究主要使用昇貿科技股份有限公司所提供之Sn3Ag0.5Cu (wt.%)銲錫球，直徑為0.64 mm ，助銲劑則採用日本千住金屬工業所生產之WF-6400 水洗式助銲劑，將錫球植於四種不同表面處理基板(ImSn, ENIG, Ni/Pd/Au, OSP)上，利用熱風式迴銲爐進行迴銲，由於Sn3Ag0.5Cu 合金熔點約217~219°C ，所以迴銲曲線峰值溫度要高於熔點溫度，並於熔點以上溫度持溫約160秒，迴銲溫度曲線如圖一所示。為了解上述採用之植球迴銲條件（助銲劑種類、塗佈量、迴銲曲線）是否可使錫球順利接合於銲墊，本研究除以立體顯微鏡觀察是否所有錫球皆正確對位外，另外也針對部分錫球進行迴銲後之推球測試（推刀高度以迴銲後球高之1/10 為主，本實驗採60μm），結果發現其推球強度大約在10~11N 之間，相較於過去本研究室所使用之0.45mm 錫球，其推球強度大約為6~7N ，由此可知，本研究所採用之植球迴銲過程，可順利得到良好接合之試片。
圖一、Sn3Ag0.5Cu 球格陣列構裝迴銲溫度曲線
2. 時效試驗
3. 金相觀察
4. 剪強度試驗（推球（S））
5. 拉球試驗（抓球）
6. 快速推球試驗（HS）
（實驗方法可連結至原文參考）
結果與討論
1.ENIG 與Ni/Pd/Au 兩種表面處理基板上之銲錫球內未發現Cu6Sn5 介金屬，但是ImSn 及OSP 兩種基板經迴銲後，銲錫基地內可發現少量的Cu6Sn5 介金屬。可能是因為ENIG 與Ni/Pd/Au 兩種表面處理中皆含有Ni 鍍層，由過去的文獻可知Ni 鍍層對於銅銲墊之Cu 原子往銲錫基地的擴散可有效地抑制，而且會有少量的Ni 原子固溶至Cu6Sn5 內，而在接點界面形成(Cu,Ni)6Sn5 介金屬層。
經恆溫時效熱處理後，由接點界面可發現於ImSn 及OSP 兩種表面處理基板之Cu6Sn5 介金屬層隨時效時間增長而增厚，且由鬆散的結構變得更為緻密而連續。因ImSn 基板為銅銲墊上浸鍍錫，所以銅銲墊之Cu 原子可輕易擴散進入銲錫中；而OSP基板為銅銲墊上塗覆一層有機保護層，此有機材料於迴銲過程初期即被燒毀，因此Cu 原子亦可快速擴散進入銲錫中，所以銲墊的Cu 原子可輕易藉由擴散進入銲錫，進而在接點界面形成Cu6Sn5 介金屬層。當恆溫時效溫度較低(100°C)且時效時間較短時，於界面處僅生成Cu6Sn5 介金屬層，但是時效時間持續延長時，則於Cu6Sn5 介金屬層與Cu 銲墊之間會生成一層厚度較薄的Cu3Sn 介金屬層（時效時間大於500 小時）。當時效溫度較高(150°C)時，於較短的時效時間內（ 100 小時）即生成較厚的Cu3Sn 介金屬層，且隨時效時間增長Cu6Sn5與Cu3Sn 兩介金屬層會顯著地增厚。
2. 機械性質測試與破斷面觀察
銲錫球之接點可靠度性質測試主要分成傳統推球試驗(S)、抓球試驗與快速推球試驗(HS)等，由實驗結果可知，不論是推球強度或抓球強度，都有隨著恆溫時效時間增長而呈現下降的趨勢，時效溫度越高(150°C)，強度隨時效時間增長而降低的趨勢越明顯，如圖四所示。但是，四種不同表面處理基板對銲錫球之迴銲態(As-reflowed)的推球強度與抓球強度影響並不顯著；即使經過恆溫時效熱處理後，其推球與抓球強度仍未有太大的差異。另外，以迴銲態與溫度100 及150°C恆溫時效100 小時的試片進行快速推球試驗，實驗結果與推球試驗結果比較如表一所示。
圖四、恆溫時效熱處理對各種表面處理基材的影響：推球強度 (a) 100℃；(b) 150℃
表一、推球與快速推球對迴銲態與恆溫時效熱處理後之接點強度影響
銲錫球於迴銲過後，對於ENIG 、ImSn 與OSP 三種表面處理基板之快速推球與推球強度相差有限，但是在Ni/Pd/Au 表面處理基板之推球強度則低於快速推球強度甚多，這可能是Ni/Pd/Au 表面處理基板接點界面有較少的介金屬及孔洞所致。故Ni/Pd/Au 表面處理可有效的提升接點強度，特別是對於快速推球強度。銲錫球迴銲於Ni/Pd/Au 表面處理基板，經100°C/100 小時恆溫時效熱處理後，快速推球強度並未有顯著的下降（17.29 N 降至16.03 N），但是在150°C/100 小時恆溫時效後之快速推球強度則有大幅度下降（16.03 N降至11.28 N）。但是對ENIG 、ImSn 與OSP 三種表面處理基板經恆溫時效熱處理後對接點接合強度並未有太大的影響。圖五為銲錫球於二種表面處理基板上迴銲後，經推球及快速推球之接點破斷面形貌。
圖五、Sn3Ag0.5Cu 銲錫球於二種表面處理基板迴銲態經推球與快速推球之接點破斷形貌（箭頭方向為推球方向）
由推球破斷面可發現四種表面處理基板皆呈現延性破壞模式（存在大量韌窩(Dimple)），推測是推球刀具僅直接刮破穿過錫球，且一般銲錫球都具有相當好的延展性所致。所以比較無法反應出接點接合界面介金屬層的特性，僅能獲得銲錫球之剪切強度。而快速推球試驗後，相較於推球試驗，破斷面大都呈現脆性破斷的形貌，可能是推刀對銲錫球作快速推擠動作，而直接將銲錫球由銲墊上剝離，如此獲得之特性較能反應介金屬層與銅銲墊之接合性質。唯獨Ni/Pd/Au 表面處理之破斷面具有較多的延性破壞特徵。
結論
1. ImSn 與OSP 兩種表面處理基板迴銲後於接點接合界面生成Cu6Sn5 介金屬層，當恆溫時效時間增長或時效溫度增高時，於Cu6Sn5 介金屬層與銅銲墊間會生成Cu3Sn 介金屬層，此兩層介金屬皆會隨時效時間增長與溫度增高而增厚。
3. 四種表面處理基板之推球強度與抓球強度於迴銲態與恆溫時效熱處理後並無明顯差異，但是推球與抓球強度都會隨著恆溫時效溫度提高或時效時間增長而降低。
5. 推球試驗過程中銲錫球破壞吸收之能量高，且接點破斷面皆呈現延性破壞特徵；而快速推球試驗，銲錫球之破壞吸收能量則偏低，且接點破斷面多呈現脆性破壞特徵。
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作者： 鄭智元/ 工研院電光所
簡朝棋、陳衿良、莊東漢 / 台灣大學材料科學與工程學系
★本文節錄自「工業材料雜誌261期」，更多資料請見：https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=7173