00133无铅焊锡球格数组构装制程与可靠度分析－子计划二：无铅焊锡球格数组构装变形之云纹干涉分析 (II)

行政院国家科学委员会补助专题研究计划成果报告无铅焊锡球格数组构装制程与可靠度分析子计划二:无铅焊锡球格数组构装变形之云纹干涉分析 (II) Deformation Analysis of Pb-free Solder Joints for Ball Grid Array Package via Moire Interferometry (II)计划类别：个别型计划 整合型计划计划编号：NSC 902216E157001执行期间：90年08月01日至91年07月31日计划主持人：方治国共同主持人：计划参与人员：陈瑞铭本成果报告包括以下应缴交之附件：赴国外出差或研习心得报告一份赴大陆地区出差或研习心得报告一份出席国际学术会议心得报告及发表之论文各一份国际合作研究计划国外研究报告书一份执行单位：中华技术学院机械系中华民国91 年 9 月 24 日- 1 -行政院国家科学委员会专题研究计划成果报告无铅焊锡球格数组构装变形之云纹干涉分析 (II)Deformation Analysis of Pb-free Solder Joints for Ball Grid ArrayPackage via Moire Interferometry (II)计划编号： NSC 89-2216-E-157-004执行期限： 90年8月1日至 91年7月31日主持人：方治国中华技术学院机械系一、中文摘要计划参与人员：陈瑞铭中华技术学院机械系thermal expansion (CTE) in ball-grid-arraypackages. The deformations in the module,本群体计划总体目标在于针对不同成 分 之 无 铅 焊 锡 应 用 于 球 格 阵 列 构 装(BGA) ， 建 立 制 程 所 需 之 回 焊 曲 线(Reflow temperature profiles)，并且评估其构装成品之可靠度。本子计划使用云纹(Moire)法针对不同无铅焊锡及不同回焊制程之 BGA构装，分析构装内热膨胀系数之差异造成之热变形：包括模块本体变形、锡球接点变形，以及模块与印刷电路板组合之变形。针对所探讨之不同无铅焊锡成分，本研究分三年进行，目前已完成第二年工作。整合本子计划测得之热应变及应力分布及子计划一之冷热循环与疲劳动态分析，确认热应变分布与热疲劳之相关性。本子计划之结果亦将提供子计划三、四中金脆及潜变破损机理之分析。各子计划交叉分析及可靠度综合评估结果，将作为总计划中制程之研究，以调整回焊温度曲线等制程参数。关键词：无铅焊锡、球格数组构装、云纹干涉、热变形AbstractThe main program is devoted toestablishingtemperatureprofilesforreflowing the solder balls and 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 firsttwoyearshasbeenfinished.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 studied 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、缘由与目的集成电路封装形式日新月异，封装成本有时比集成电路本身成本还高，因此价格和性能上的取舍直接冲击整个封装的细节部份。在封装技术的发展上1980年代Motorola 公司开发出球格数组陶瓷构装(Ceramic ball grid array, CBGA)后，接着开发球格数组塑料构装 (Plastic ball gridarray, PBGA) ， 将 印 刷 电 路 板 (Printed circuit board, PCB)技 术 应 于 基 板- 2 -(Substrate) ， 并 使 用 模 型 转 换 封 装(Transfer molding encapsulation)，不仅提高接脚密度、减小构装尺寸、缩短讯号延迟时间、节省电路板空间、更大幅提高良品率 (Yield)及降低成本。由于目前国内电子构装业者非常热衷投入 PBGA 之 生产，加上环保意识导引世界各大电子厂关于无铅焊锡的发展，其制程参数（如最佳回焊温度曲线）的建立及可靠度评估刻不容缓。因此本群体计划将分析各种不同成分之无铅焊锡球格数组构装 (BGA)之制程与可靠度。本子计划则着重在构装制程及使用中造成之热变形，将使用云纹法进行量测分析。电子构装由各种不同材料构成，他们具有不同的热膨胀系数 (Coefficient ofthermal expansion, CTE)。构装在制程及使用中，各组成材料由于温度升降所造成的变形率各不同。由于此种CTE的不均匀分布而造成之应力在第一层次 (First level)及第二层次 (Second level)构装中皆可能发生。在第一层次构装所引起的热变形主要是基板翘曲 (Warpage) Hassel, 1997;Wu et al., 1993，这是目前最困扰国内生产球格数组构装厂商之问题。第二层次构装的热变形原因则包括模块 (Module)与印刷电路板之间的总体性热膨胀系数不相匹配(Global CTE mismatch)，以及各界面间异种材料造成的局部性的热膨胀系数不相匹配(Local CTE mismatch)。以球格数组塑料构装而言，其芯片与塑料基板 (BT树脂)粘结处热膨胀系数的差异使得模块之芯片区域的热膨胀系数远低于芯片以外的区域。当球格数组模块与电路板组合时，模块之芯片区域与电路板之热膨胀差异甚大。总体性热膨胀系数不相匹配造成整个第二层次构装的翘曲，以及焊锡球顶部及底部的相对位移；局部性的热膨胀系数不相匹配则使焊锡球完成回焊的冷却过程中，由于其相邻材料的热膨胀系数较低，使焊锡球的收缩在界面处受到拘束而产生应变。由于球格数组构装与电路板仅由焊锡球联接，焊锡球之热变形使得构装在冷热变化的环境下极易受损，严重影响构装之可靠度。尤其因高科技之精进，构装小型化及高密度化，使得热梯度 (Thermal gradient)大为增加，以致应变集中之现象愈来愈严重。在构装之可靠度分析上，焊点之热疲 劳 是 一 重 要 考 虑 因 素 。 根 据 研 究Norris and Landzberg, 1969; Lau and Rice,1985显示：疲劳寿命是弹性应变及塑性应变之函数。假若构装内各处应变大小变化不大，可用有效应变 (Effective strain)或平均应变作为构装疲劳寿命模型之参数（例如以往大都使用有效剪应变）。然而当应变集中的程度严重时，则必须使用最大应变 (maximum strain)，否则将造成极大之误差。研究 Guo et al., 1993显示 ： 使 用 焊 锡 球 之 表 面 黏 着 (Surfacemount technology, SMT)构装的热应变大都集中于焊接点，并且最大应变远大于平均应变。所以在评估BGA构装接点疲劳寿命及破坏机制时，锡球内之应变分布、最大应变及其位置非常重要。 Choi等人1993以云纹法及其影像处理找出焊锡球接点 (Solder ball connect, SBC)在热负载下之全场应变，发现裂纹可能发生的危险地带与加速热循环 (Accelerated thermalcycling, ATC)疲劳试验结果相符。因此本 子 计 画 之 结 果 可 提 供 子 计 画 一 关 于BGA构装疲劳可靠度评估之重要参数。此外它并有助于 BGA构装破损分析（如子计划三、四）、验证有限单元法仿真构装分析所建之模型，以及有助于构装结构设计最佳化。在量测焊点之变形上，Hall 1984曾以应变规 (Strain gage)量测无铅CCCs(Ceramic chip carriers)与印刷电路板之间以焊柱接合之变形，在加速之反复温度循环下，其热应变甚至造成焊锡破裂及电性失效 (Electrical failures, opens)。使用应变规的缺点在于它只能量测单点变形，无法 获 得 全 场 位 移 (Whole-field displacements) 。并且由于封装技术的精进，焊锡球愈做愈小，应变之量测愈来愈困难。在实验方法中，云纹 (Moire)技术为少数可成功用来量测构装热变形的方法。云纹系一种物理现象，利用两组重迭- 3 -的栅线（试件栅与参考栅）相互遮光所出现的云纹条纹量测受力物体的位移场。其优点 Post et al., 1992包括：(1)实时量测，(2)位移量测灵敏度高，(3)空间解析度 (Spatial resolution)高（可量测微小区域 ） ， (4) 讯 杂 比 (Signal-to-noise ratio)高（条纹对比强，可视度佳）， (5)适用之位移、应变、及应变梯度范围大。利用云纹法量测电子构装之变形在文献中零星可见 Post and Wood, 1989；Guo et al., 1992，尤其是IBM公司曾针对焊球做过一些变形分析：例如 Guo等人1993曾以云纹干涉法量测SMT之第二层次封装的热变形。其多层陶瓷模块系利用焊球连接至Glass-epoxy印刷电路板。由焊球接点在热载 (Thermal loading)下之变形结果分析，他们认为其热变形可分为巨观效应 (Macro effect)及微观效应(Micro effect)：巨观效应系模块与印刷电路板间之CTE mismatch所造成；而微观效应则是由于焊球与模块间及焊球与印刷电路板间之 CTE mismatch造成之应力所产生。此外IBM公司Wu等人 1993亦曾以云纹干涉法量测 SMT与多层印刷电路板之热变形。其后关于云纹法之电子构装变形分析近年渐趋成熟 Han and Guo,1995; Han et al., 1995; Han and Guo, 1996;Han et al., 1996; Han 1997; Han and Guo,1997; Han, 1998; Wang et al., 1998；He etal., 1998，其中有许多是美国Motorola公司 参 与 之 研 究（ 例 如 原 服 务 于 IBM之Guo，后转任Motorola公司亚利桑那州半导体产品部门）。过去关于使用云纹法于电子构装之研究大都限于含铅焊锡，至于无铅焊锡球之分析则鲜有研究报告。由于对本群体计画将探讨无铅焊球用于BGA构装之制程与可靠度，其制程参数与含铅焊锡完全不同，因此热变形之分析必须重新建立。本子计划将针对不同成分无铅焊锡之 BGA构装、不同回焊制程，分析锡球接点、构装本体、模块与PCB之组合体的热变形。藉此亦将探讨基板翘曲 (Warpage)及相关应力问题。本子计划执行成果并可提供其它子计划之交叉分析及可靠度综合评估。尤其在子计划一探讨无铅焊锡BGA构装接点的冷热循环与疲劳动态分析中，由于疲劳寿命是弹性应变及塑性应变之函数，尤其在应变集中的程度严重时必须使用最大应变才能避免造成巨大误差，因此本子计划测得之构装体及接点实际之热应变及应力分布对子计划一之冷热循环与疲劳动态分析非常重要。此外本子计划之无铅焊锡球的热变形实测结果，包括锡球内之应变分布、最大应变及其位置，亦可提供子计划三、四中金脆及潜变破损机理之分析。各子计划交叉分析及可靠度综合评估结果，将作为总计划中制程之研究，以调整回焊温度曲线等制程参数。三、结果与讨论本专题之实验使用云纹干涉法量测无铅焊锡 BGA构装截面之平面内位移。首先在参考温度下于构装试件截面贴上光栅（ Grating-Thermal Loading ） 作 为 试 件栅。由于 BGA焊锡球甚小，须使用高密度光栅（e.g.至少1200 lines/mm）。利用加温炉改变构装环境温度，当构装产生热变形时，试件栅随之变形。此时利用一具雷 射 (Laser)产 生 两 束 同 调 (Coherent)准直光以一定角度照射试件以产生一虚拟参考栅 (Virtual reference grating)，其栅线密度为f = (2/) sin，其中为雷射光波长，为两束同调光之入射角。该参考栅与构装上的试件栅作用产生云纹条纹(Moire fringes)，经CCD摄影机摄取影像以供后处理。系统光路设计如图一所示。为得X与Y方向之位移场 (u,v)，将分别在水平面及垂直面以雷射光源产生两束准直光。水平面准直光产生之云纹代表X方向之位移场u,定出各条纹级次 Nx；垂直面准直光产生之云纹代表Y方向之位移场v,定出各条纹级次Ny。各点之平面内位移场 (u,v)可由下式得到：NxNyu =f, v=f.经过偏微分后可得应变如下：- 4 -=1Nx=1Ny,1993, “Solder 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可得各点之应力，或由云纹条纹密度找出应力集中区域（条纹较密者）。本专题研究完成对照组（使用含铅焊锡球）及无铅之Sn3.8Ag0.7Cu焊锡球于各种温度下 U场与V场之云纹干涉热变形分析。对照组系使用Motorola公司之86GTBGA Mechanical Sample进行实验。Motorola 86 GTBGA各种温度下单一含铅锡球之横向及纵向平均热应变(x,y)如 表 1 所 示 。 无 铅 焊 锡 方 面 ， 针 对Sn3.8Ag0.7Cu焊 锡 量 测 各 锡 球 之 热 应变，各锡球在不同温度下测得之横向及纵向热应变分别列于表2及表3。四、计划成果自评 本专题预定进行之云纹干涉热变形分析工作进度已完成。本子计划测得之构装体及接点实际之热应变及应力分布对子计画一之冷热循环与疲劳动态分析非常重要。此外本子计划之无铅焊锡球的热变形实测结果，包括锡球内之应变分布、最大应变及其位置，亦可提供子计划三、四中金脆及潜变破损机理之分析。各子计划交叉分析及可靠度综合评估结果，将作为总计划中制程之研究，以调整回焊温度曲线等制程参数。五、参考文献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 Consideration,”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, Lim, 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 Interconnections 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(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 ElectronicPackagingComponents: 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 DisplacementMeasurementMethods,” 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 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.” 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 Constant 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各焊锡球在不同温度下测得之横向热应变x()温度 焊锡球焊锡球焊锡球 焊锡球焊锡球焊锡球()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准直镜扩束镜XGratingCut BGAPackageCCD110 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各焊锡球在不同温度下测得之准直镜扩束镜图一云纹干涉法量测BGA构装热变形光路图纵向热应变y()温度 焊锡球焊锡球焊锡球 焊锡球焊锡球焊锡球()123456表1. Motorola 86 GTBGA（使用含铅焊锡）各种温度下单一锡球之平均应变温度()横向应变x()纵向应变y()401337.501051.28451393.231242.42501422.871518.52551519.891553.03601631.101626.98651759.871846.85701807.431898.15751910.711952.38802057.692070.7115 3479.6 3573.6 3777.9 3479.6 3889.0 3479.635 3777.9 3777.9 4265.3 4132.0 4612.5 4265.353 4265.3 4006.8 4958.4 4897.2 5289.0 4722.371 5360.5 5360.5 5509.4 5509.4 5833.5 5509.490 6398.0 6150.0 6450.0 6150.0 6611.3 6296.4110 7345.8 7147.3 7345.8 7083.5 7687.5 7345.8130 8934.1 8530.6 8476.0 7933.5 8815.0 8476.0150 9722.4 10017.0 9119.0 8623.4 10171.2 9722.4160 10578.0 10578.0 9722.4 8815.0 10663.3 10171.2170 11018.8 11398.7 10330.1 9444.6 11018.8 10578.0180 11018.8 12020.5 11018.8 9444.6 11666.9 11018.8190 12020.5 12020.5 11666.9 9916.9 12396.1 3479.6200 3479.6 3573.6 3777.9 3479.6 3889.0 4265.38590951001051101151201251301351401451501551601651701751801851901952002089.842332.852346.492431.822639.802845.742866.073039.773184.523235.893343.753400.423519.743647.733821.434012.504053.034115.384246.034580.484846.015015.635079.115459.182316.382397.662628.212697.372847.223153.853416.673534.483727.273796.304205.134338.624617.124617.124812.214951.695256.415359.485423.285694.445815.606029.416212.126446.54- 6 -