00133無鉛焊錫球格數(shù)組構(gòu)裝制程與可靠度分析－子計劃二：無鉛焊錫球格數(shù)組構(gòu)裝變形之云紋干涉分析 (II)

1、行政院國家科學(xué)委員會補助專題研究計劃成果報告無鉛焊錫球格數(shù)組構(gòu)裝制程與可靠度分析子計劃二:無鉛焊錫球格數(shù)組構(gòu)裝變形之云紋干涉分析 (ii) deformation analysis of pb-free solder joints for ball grid array package via moire interferometry (ii)計劃類別：個別型計劃 整合型計劃計劃編號：nsc 902216e157001執(zhí)行期間：90年08月01日至91年07月31日計劃主持人：方治國共同主持人：計劃參與人員：陳瑞銘本成果報告包括以下應(yīng)繳交之附件：赴國外出差或研習(xí)心得報告一份赴大陸地區(qū)出差或研習(xí)

2、心得報告一份出席國際學(xué)術(shù)會議心得報告及發(fā)表之論文各一份國際合作研究計劃國外研究報告書一份執(zhí)行單位：中華技術(shù)學(xué)院機械系中華民國91 年 9 月 24 日- 1 -行政院國家科學(xué)委員會專題研究計劃成果報告無鉛焊錫球格數(shù)組構(gòu)裝變形之云紋干涉分析 (ii)deformation analysis of pb-free solder joints for ball grid arraypackage via moire interferometry (ii)計劃編號： nsc 89-2216-e-157-004執(zhí)行期限： 90年8月1日至 91年7月31日主持人：方治國中華技術(shù)學(xué)院機械系一、中文摘要計劃

3、參與人員：陳瑞銘中華技術(shù)學(xué)院機械系thermal expansion (cte) in ball-grid-arraypackages. the deformations in the module,本群體計劃總體目標(biāo)在于針對不同成 分 之 無 鉛 焊 錫 應(yīng) 用 于 球 格 陣 列 構(gòu) 裝(bga) ， 建 立 制 程 所 需 之 回 焊 曲 線(reflow temperature profiles)，并且評估其構(gòu)裝成品之可靠度。本子計劃使用云紋(moire)法針對不同無鉛焊錫及不同回焊制程之 bga構(gòu)裝，分析構(gòu)裝內(nèi)熱膨脹系數(shù)之差異造成之熱變形：包括模塊本體變形、錫球接點變形，以及模塊與印

4、刷電路板組合之變形。針對所探討之不同無鉛焊錫成分，本研究分三年進行，目前已完成第二年工作。整合本子計劃測得之熱應(yīng)變及應(yīng)力分布及子計劃一之冷熱循環(huán)與疲勞動態(tài)分析，確認熱應(yīng)變分布與熱疲勞之相關(guān)性。本子計劃之結(jié)果亦將提供子計劃三、四中金脆及潛變破損機理之分析。各子計劃交叉分析及可靠度綜合評估結(jié)果，將作為總計劃中制程之研究，以調(diào)整回焊溫度曲線等制程參數(shù)。關(guān)鍵詞：無鉛焊錫、球格數(shù)組構(gòu)裝、云紋干涉、熱變形abstractthe main program is devoted toestablishingtemperatureprofilesforreflowing the solder balls and

5、 reliabilityevaluation. in this subprogram, moire interferometry technique is used to measurethe thermomechanical deformations thatresult from mismatches of the coefficient of solderballs,andthemodule-pcbassemblies will be investigated. this is athree-year project. the research for the firsttwoyears

6、hasbeenfinished.the relationship between strain distribution andthermalfatiguewillbeinvestigated according to the results from this project andthe first subprogram. the results of thisproject will also facilitate the analysis offailure mechanism of gold-embrittlementand creep in solder joints studie

7、d in the 3rdand 4th subprograms. integrating the resultsfrom thefoursubprograms,themanufacturing parameters for ball grid arraypackages can be further adjusted andascertained.keywords: pb-free solder, ball grid arraypackage, moire interferometry,thermal deformation二、緣由與目的集成電路封裝形式日新月異，封裝成本有時比集成電路本身成本

8、還高，因此價格和性能上的取舍直接沖擊整個封裝的細節(jié)部份。在封裝技術(shù)的發(fā)展上1980年代motorola 公司開發(fā)出球格數(shù)組陶瓷構(gòu)裝(ceramic ball grid array, cbga)后，接著開發(fā)球格數(shù)組塑料構(gòu)裝 (plastic ball gridarray, pbga) ， 將 印 刷 電 路 板 (printed circuit board, pcb)技 術(shù) 應(yīng) 于 基 板- 2 -(substrate) ， 并 使 用 模 型 轉(zhuǎn) 換 封 裝(transfer molding encapsulation)，不僅提高接腳密度、減小構(gòu)裝尺寸、縮短訊號延遲時間、節(jié)省電路板空間、更大幅

9、提高良品率 (yield)及降低成本。由于目前國內(nèi)電子構(gòu)裝業(yè)者非常熱衷投入 pbga 之 生產(chǎn)，加上環(huán)保意識導(dǎo)引世界各大電子廠關(guān)于無鉛焊錫的發(fā)展，其制程參數(shù)（如最佳回焊溫度曲線）的建立及可靠度評估刻不容緩。因此本群體計劃將分析各種不同成分之無鉛焊錫球格數(shù)組構(gòu)裝 (bga)之制程與可靠度。本子計劃則著重在構(gòu)裝制程及使用中造成之熱變形，將使用云紋法進行量測分析。電子構(gòu)裝由各種不同材料構(gòu)成，他們具有不同的熱膨脹系數(shù) (coefficient ofthermal expansion, cte)。構(gòu)裝在制程及使用中，各組成材料由于溫度升降所造成的變形率各不同。由于此種cte的不均勻分布而造成之應(yīng)力在第一

10、層次 (first level)及第二層次 (second level)構(gòu)裝中皆可能發(fā)生。在第一層次構(gòu)裝所引起的熱變形主要是基板翹曲 (warpage) hassel, 1997;wu et al., 1993，這是目前最困擾國內(nèi)生產(chǎn)球格數(shù)組構(gòu)裝廠商之問題。第二層次構(gòu)裝的熱變形原因則包括模塊 (module)與印刷電路板之間的總體性熱膨脹系數(shù)不相匹配(global cte mismatch)，以及各界面間異種材料造成的局部性的熱膨脹系數(shù)不相匹配(local cte mismatch)。以球格數(shù)組塑料構(gòu)裝而言，其芯片與塑料基板 (bt樹脂)粘結(jié)處熱膨脹系數(shù)的差異使得模塊之芯片區(qū)域的熱膨脹系數(shù)遠低

11、于芯片以外的區(qū)域。當(dāng)球格數(shù)組模塊與電路板組合時，模塊之芯片區(qū)域與電路板之熱膨脹差異甚大?？傮w性熱膨脹系數(shù)不相匹配造成整個第二層次構(gòu)裝的翹曲，以及焊錫球頂部及底部的相對位移；局部性的熱膨脹系數(shù)不相匹配則使焊錫球完成回焊的冷卻過程中，由于其相鄰材料的熱膨脹系數(shù)較低，使焊錫球的收縮在界面處受到拘束而產(chǎn)生應(yīng)變。由于球格數(shù)組構(gòu)裝與電路板僅由焊錫球聯(lián)接，焊錫球之熱變形使得構(gòu)裝在冷熱變化的環(huán)境下極易受損，嚴重影響構(gòu)裝之可靠度。尤其因高科技之精進，構(gòu)裝小型化及高密度化，使得熱梯度 (thermal gradient)大為增加，以致應(yīng)變集中之現(xiàn)象愈來愈嚴重。在構(gòu)裝之可靠度分析上，焊點之熱疲 勞 是 一 重 要

12、考 慮 因 素 。 根 據(jù) 研 究norris and landzberg, 1969; lau and rice,1985顯示：疲勞壽命是彈性應(yīng)變及塑性應(yīng)變之函數(shù)。假若構(gòu)裝內(nèi)各處應(yīng)變大小變化不大，可用有效應(yīng)變 (effective strain)或平均應(yīng)變作為構(gòu)裝疲勞壽命模型之參數(shù)（例如以往大都使用有效剪應(yīng)變）。然而當(dāng)應(yīng)變集中的程度嚴重時，則必須使用最大應(yīng)變 (maximum strain)，否則將造成極大之誤差。研究 guo et al., 1993顯示 ： 使 用 焊 錫 球 之 表 面 黏 著 (surfacemount technology, smt)構(gòu)裝的熱應(yīng)變大都集中于焊接點，并

13、且最大應(yīng)變遠大于平均應(yīng)變。所以在評估bga構(gòu)裝接點疲勞壽命及破壞機制時，錫球內(nèi)之應(yīng)變分布、最大應(yīng)變及其位置非常重要。 choi等人1993以云紋法及其影像處理找出焊錫球接點 (solder ball connect, sbc)在熱負載下之全場應(yīng)變，發(fā)現(xiàn)裂紋可能發(fā)生的危險地帶與加速熱循環(huán) (accelerated thermalcycling, atc)疲勞試驗結(jié)果相符。因此本 子 計 畫 之 結(jié) 果 可 提 供 子 計 畫 一 關(guān) 于bga構(gòu)裝疲勞可靠度評估之重要參數(shù)。此外它并有助于 bga構(gòu)裝破損分析（如子計劃三、四）、驗證有限單元法仿真構(gòu)裝分析所建之模型，以及有助于構(gòu)裝結(jié)構(gòu)設(shè)計最佳化。在量

14、測焊點之變形上，hall 1984曾以應(yīng)變規(guī) (strain gage)量測無鉛cccs(ceramic chip carriers)與印刷電路板之間以焊柱接合之變形，在加速之反復(fù)溫度循環(huán)下，其熱應(yīng)變甚至造成焊錫破裂及電性失效 (electrical failures, opens)。使用應(yīng)變規(guī)的缺點在于它只能量測單點變形，無法 獲 得 全 場 位 移 (whole-field displacements) 。并且由于封裝技術(shù)的精進，焊錫球愈做愈小，應(yīng)變之量測愈來愈困難。在實驗方法中，云紋 (moire)技術(shù)為少數(shù)可成功用來量測構(gòu)裝熱變形的方法。云紋系一種物理現(xiàn)象，利用兩組重迭- 3 -的柵線

15、（試件柵與參考柵）相互遮光所出現(xiàn)的云紋條紋量測受力物體的位移場。其優(yōu)點 post et al., 1992包括：(1)實時量測，(2)位移量測靈敏度高，(3)空間解析度 (spatial resolution)高（可量測微小區(qū)域 ） ， (4) 訊 雜 比 (signal-to-noise ratio)高（條紋對比強，可視度佳）， (5)適用之位移、應(yīng)變、及應(yīng)變梯度范圍大。利用云紋法量測電子構(gòu)裝之變形在文獻中零星可見 post and wood, 1989；guo et al., 1992，尤其是ibm公司曾針對焊球做過一些變形分析：例如 guo等人1993曾以云紋干涉法量測smt之第二層次封

16、裝的熱變形。其多層陶瓷模塊系利用焊球連接至glass-epoxy印刷電路板。由焊球接點在熱載 (thermal loading)下之變形結(jié)果分析，他們認為其熱變形可分為巨觀效應(yīng) (macro effect)及微觀效應(yīng)(micro effect)：巨觀效應(yīng)系模塊與印刷電路板間之cte mismatch所造成；而微觀效應(yīng)則是由于焊球與模塊間及焊球與印刷電路板間之 cte mismatch造成之應(yīng)力所產(chǎn)生。此外ibm公司wu等人 1993亦曾以云紋干涉法量測 smt與多層印刷電路板之熱變形。其后關(guān)于云紋法之電子構(gòu)裝變形分析近年漸趨成熟 han and guo,1995; han et al., 19

17、95; han and guo, 1996;han et al., 1996; han 1997; han and guo,1997; han, 1998; wang et al., 1998；he etal., 1998，其中有許多是美國motorola公司 參 與 之 研 究（ 例 如 原 服 務(wù) 于 ibm之guo，后轉(zhuǎn)任motorola公司亞利桑那州半導(dǎo)體產(chǎn)品部門）。過去關(guān)于使用云紋法于電子構(gòu)裝之研究大都限于含鉛焊錫，至于無鉛焊錫球之分析則鮮有研究報告。由于對本群體計畫將探討無鉛焊球用于bga構(gòu)裝之制程與可靠度，其制程參數(shù)與含鉛焊錫完全不同，因此熱變形之分析必須重新建立。本子計劃將針對

18、不同成分無鉛焊錫之 bga構(gòu)裝、不同回焊制程，分析錫球接點、構(gòu)裝本體、模塊與pcb之組合體的熱變形。藉此亦將探討基板翹曲 (warpage)及相關(guān)應(yīng)力問題。本子計劃執(zhí)行成果并可提供其它子計劃之交叉分析及可靠度綜合評估。尤其在子計劃一探討無鉛焊錫bga構(gòu)裝接點的冷熱循環(huán)與疲勞動態(tài)分析中，由于疲勞壽命是彈性應(yīng)變及塑性應(yīng)變之函數(shù)，尤其在應(yīng)變集中的程度嚴重時必須使用最大應(yīng)變才能避免造成巨大誤差，因此本子計劃測得之構(gòu)裝體及接點實際之熱應(yīng)變及應(yīng)力分布對子計劃一之冷熱循環(huán)與疲勞動態(tài)分析非常重要。此外本子計劃之無鉛焊錫球的熱變形實測結(jié)果，包括錫球內(nèi)之應(yīng)變分布、最大應(yīng)變及其位置，亦可提供子計劃三、四中金脆及潛變

19、破損機理之分析。各子計劃交叉分析及可靠度綜合評估結(jié)果，將作為總計劃中制程之研究，以調(diào)整回焊溫度曲線等制程參數(shù)。三、結(jié)果與討論本專題之實驗使用云紋干涉法量測無鉛焊錫 bga構(gòu)裝截面之平面內(nèi)位移。首先在參考溫度下于構(gòu)裝試件截面貼上光柵（ grating-thermal loading ） 作 為 試 件柵。由于 bga焊錫球甚小，須使用高密度光柵（e.g.至少1200 lines/mm）。利用加溫爐改變構(gòu)裝環(huán)境溫度，當(dāng)構(gòu)裝產(chǎn)生熱變形時，試件柵隨之變形。此時利用一具雷 射 (laser)產(chǎn) 生 兩 束 同 調(diào) (coherent)準直光以一定角度照射試件以產(chǎn)生一虛擬參考柵 (virtual refe

20、rence grating)，其柵線密度為f = (2/) sin，其中為雷射光波長，為兩束同調(diào)光之入射角。該參考柵與構(gòu)裝上的試件柵作用產(chǎn)生云紋條紋(moire fringes)，經(jīng)ccd攝影機攝取影像以供后處理。系統(tǒng)光路設(shè)計如圖一所示。為得x與y方向之位移場 (u,v)，將分別在水平面及垂直面以雷射光源產(chǎn)生兩束準直光。水平面準直光產(chǎn)生之云紋代表x方向之位移場u,定出各條紋級次 nx；垂直面準直光產(chǎn)生之云紋代表y方向之位移場v,定出各條紋級次ny。各點之平面內(nèi)位移場 (u,v)可由下式得到：nxnyu =f, v=f.經(jīng)過偏微分后可得應(yīng)變?nèi)缦拢? 4 -=1nx=1ny,1993, “sold

21、er ball connect (sbc) assembliesxfx, 1yfyunderthermal loading: i.deformationmeasurement via moire interferometry, and itsinterpretation”, ibm j. res. develop., 37(5), 635-xy=nx+ny .647.2 fyxhall,p.m.,1984,“forces,moments,and使用 constitutive equation可得各點之應(yīng)力，或由云紋條紋密度找出應(yīng)力集中區(qū)域（條紋較密者）。本專題研究完成對照組（使用含鉛焊錫球）及

22、無鉛之sn3.8ag0.7cu焊錫球于各種溫度下 u場與v場之云紋干涉熱變形分析。對照組系使用motorola公司之86gtbga mechanical sample進行實驗。motorola 86 gtbga各種溫度下單一含鉛錫球之橫向及縱向平均熱應(yīng)變(x,y)如 表 1 所 示 。 無 鉛 焊 錫 方 面 ， 針 對sn3.8ag0.7cu焊 錫 量 測 各 錫 球 之 熱 應(yīng)變，各錫球在不同溫度下測得之橫向及縱向熱應(yīng)變分別列于表2及表3。四、計劃成果自評 本專題預(yù)定進行之云紋干涉熱變形分析工作進度已完成。本子計劃測得之構(gòu)裝體及接點實際之熱應(yīng)變及應(yīng)力分布對子計畫一之冷熱循環(huán)與疲勞動態(tài)分析非

23、常重要。此外本子計劃之無鉛焊錫球的熱變形實測結(jié)果，包括錫球內(nèi)之應(yīng)變分布、最大應(yīng)變及其位置，亦可提供子計劃三、四中金脆及潛變破損機理之分析。各子計劃交叉分析及可靠度綜合評估結(jié)果，將作為總計劃中制程之研究，以調(diào)整回焊溫度曲線等制程參數(shù)。五、參考文獻choi, h.-c., guo, y., lafontaine, w., and lim, c.k.,1993, “solder ball connect (sbc) assembliesunder thermal loading: ii. strain analysis via image processing, and reliability co

24、nsideration,”ibm j. res. develop., 37(5), 649-659.guo, y., chen, w., and lim, c.k., 1992, “experimental determination of thermal strainsin semiconductor packaging using moireinterferometry,” proceedings of the asme/jsmejoint conference on electronic packaging, sanjose, california, 779-784.guo, y, li

25、m, c.k., chen, w.t., and woychik, c.g.,displacements during thermal chamber cycling of leadless ceramic chip carriers soldered toprinted boards,”ieee transactionsoncomponents, hybrids,and manufacturingtechnology, 37(4), 314-327.han, b., 1997, “deformation mechanism of two-phase solder column interco

26、nnections under highly accelerated thermal cycling condition: an experimental study,” j. electronic packaging,trans. asme, 119, 189-196.han, b., 1998, “recent advancements of moire andmicroscopic moire inerferometry for thermaldeformationanalyses ofmicroelectronicsdevices,”experimental mechanics, 38

27、(4), 278-288.han, b. and guo, y., 1995, “thermal deformation analysis of various electronic packagingpruducts by moire and microscopic moire interferometry”, j. electronic packaging, trans. asme, 117, 185-191.han, b. and guo, y., 1996, “determination of effect coefficient of thermal expansion of ele

28、ctronicpackagingcomponents: a whole-fieldapproach,”ieee transactions on components, packaging, and manufacturing technology-part b, 19, 240-247.han, b., guo, y., lim, c.k., and caletka, d., 1996, “verification of numerical models used in microelectronicspackagingdesignbyinterferometric displacementm

29、easurementmethods,” j. electronic packaging, trans. asme,118, 157-163.hassel, p.b., 1997, “shadow moire techniqueevaluates bga substrate warpage,”advanced packagings guide to emerging technologies,march/april.he x., zou d., liu, s., and guo y., 1998, “phase-shifting analysis in moire interferometry

30、and its applications in electronic packaging,” opt. eng.,37(5), 1410-1419.lau, j.h. and rice, d.w., 1985, “solder joint fatiguein surface mount technology, state of the art,”solid stare technol., 28, 91-104.norris, k.c. and landzberg, a.h., 1969, “reliability of controlled collapse interconnections.

31、” ibm j.res. develop., 12(3), 266-271.post, d., han, b., and ifju, p., 1994, high sensitivity moire: experimental analysis for mechanics andmaterials, springer-verlag, new york.wang, j., lu, m., zou, d., and liu, s., 1998,“investigation of interfacial fracture behavior ofaflip-chip package undera co

32、nstant concentrated load.,ieee transactions oncomponents, packaging, and manufacturing - 5 -technology-part b, 21(1), 79-86.wu, t.y., guo, y., and chen, w.t., 1993, “thermal-mechanical strain characterization for printedwiring boards,”ibm j. res. develop., 37(5), 621-634.z表2. sn3.8ag0.7cu各焊錫球在不同溫度下測

33、得之橫向熱應(yīng)變x()溫度 焊錫球焊錫球焊錫球 焊錫球焊錫球焊錫球()12345615 2335.5 2295.3 2295.3 2256.4 2218.8 2377.235 2662.5 2560.1 2420.5 2420.5 2465.3 2560.153 2894.0 2773.4 2716.8 2832.4 2610.3 2773.471 3247.0 3025.6 2936.6 2958.3 2852.7 3095.990 3630.7 3247.0 3273.6 3273.6 3120.1 3413.5lasermirror準直鏡擴束鏡xgratingcut bgapackagec

34、cd110 4034.1 3647.3 3647.3 3550.0 3442.9 3840.1130 4437.5 3973.9 3993.8 3803.6 3750.0 4226.2150 4643.9 4294.4 4341.0 4160.2 4075.3 4671.1160 4754.5 4437.5 4590.5 4248.7 4294.4 4754.5170 4870.4 4590.5 4754.5 4437.5 4341.0 4870.4180 4930.6 4754.5 4870.4 4590.5 4437.5 4930.6190 5120.2 4870.4 4992.2 4754.5 4512.7 4992.2200 5220.6 4992.2 5120.2 4840.9 4754.5 5120.2表3. sn3.8ag0.7cu各焊錫球在不同溫度下測得之準直鏡擴束鏡圖一云紋干涉法量測bga構(gòu)裝熱變形光路圖縱向熱應(yīng)變y()溫度 焊錫球焊錫球焊錫球 焊錫球焊錫球焊錫球()123456表1. motorola 86 gtbga（使用含鉛焊錫）各種溫度下單一錫球之平均應(yīng)變溫度()橫向應(yīng)變x()縱向應(yīng)變