无铅焊锡球冷接点研究

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1、無鉛铝錫球冷接點硏究許宏達、林子彬、李世文、李俊哲/口月光半導體製造股份有限公司此篇文章主要是探討發生在表面黏著製程(SMTprocess)中無鉛錦錫球與印刷電路板(PCB)上铝墊(bondpad)間之冷接點(coldjoint)現象。並包含XPS(X-rayPhotoelectronSpectroscopy，X光光電了能譜術)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錦錫球表面所測得氧、錫或錫離子(Sn+4或Sn+2)在不同深度下之含量變化而得知。鋅錫球表面之顏色變化可以說與氧化錫層的深度有關。此篇

2、硏究捉供了關於監視與控制SMT製程中，錦錫球與印刷電路板鋅墊間冷接點現象之方向。含鉛錦錫已經在電子構裝工業界使用多年，至於爲何業界多傾向於使用含鉛鋅錫，原因在於與其他合金相比時，含鉛錦錫不僅和對便宜，更可在不同製程條件下展現較高之可靠性。不僅如此，含鉛錦錫也擁有諸如低熔點、較高強度與韌性、高抗潛變性、高耐熱循環性、高電性傳導與優良的錦點完整性。不過，在環境與人體健康之考量下，來自全球各地法規限制之壓力也增加了設定工業界無鉛材料與製程實用化與整合時間表之壓力。含有較高錫含量之無鉛錦錫球表面較容易氧化並在表面形成錫氧化

3、府，該錫氧化府將導致無鉛铝錫球之表面顏色從銀色變成黃或黃褐色；當該氧化層增加到一特定程度時，在表面黏著製程中錦錫球與PCB上錦墊之界面間將可能會發生冷接點現象。此硏究就是要利用XPS之縱深成分分析(depthprofileanalysis)來探討冷接點現象與錫氧化層間之關係。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)^8(AlKa，1486.7eV)光束。這些光子(photon)與表面區域之原-了作用反應，藉由光電效應(

4、photoelectriceffect)導致電了被激發(emitted)出來而產生光電子(photoelectron)°這些被激發出來的電子能量可以藉由以下式子加以計算量測出來：L1其中hv是光了之能量5BE(bindingenergy)是電子被激發出來原-了軌道之朿縛能，而。s是光譜計之工作函數(workfunction)。朿縛能可以被視爲是光電子離開原子之前與之後的能量差。除了光電了在光電效應過程中被激發出來之外，歐傑電-了(Augerelectrons)也因爲經過光電發射(photoemission)後而被激

5、發出來。在過程中，當外府電了進入到內層軌道空隙時，另一個電了也同時獲得額外能量而被激發出來，此被激發出來的電子即爲歐傑電了。因此，光之離了化(photo-ionization)lE常將產生2個激發電子：光電子與歐傑電子。電子被激發之動能(kineticenergies)總合不能超過離了化光了之能量(圖一)。［圖一：光電子在光電效應過程中被激發出來］XPS之功能X光光源及能量：AlKa:1486.7eV。XPS之功能在於，能精確的分析試片表面深度小於50A之化學態及元素種類、離子槍(iongun)之操作使用時可以持續

6、進行縱深成分分析、FloodGun之操作使用時可以降低試片電荷蓄積效應(chargeeffect)以改善分析絕緣閤時所造成訊號峰朝高束縛能方向偏移的現象。分析元素，從元素3Li到92U(XPS之限制)。其無法做小範圍分析，勘測掃描點面積的極限(thelimitationinspotsize)爲15mm‘而其原因在於X光射線較難聚焦。實驗方法與步打開氟氣閥(Argonvalve)，將試片放入預備^(pre-chamber)®必須在預備室內清洗管路至少3次：慢慢打開GAS閥5等10秒後再關起來；接下來打開ROUGHIN

7、G閥，等待30秒後將之關閉。此兩步驟重複5次。最後將GAS閥打開，但必須注意此時ROUGHING閥爲關閉的。必須注意的是，在清洗管路時Transfer是不能打開的。接著關閉SublimationPump，將試片放到主chamber、再將離-了槍設定好。依序將Filament、HV、ExtractorHigh及PumpIonGun打開，暖機至少30分鐘。慢慢將IONGUN之氫氣閥打開，等壓力達到7E・8數値時便停止轉動閥門。設定離子能量(IonEnergy)爲3keV，之後按下IonEtch及SEM。再來依序按下Io

8、nGunEtchControl控制鍵。此一同時，可以看到螢幕上有離子影像(ionimage)。當調整Coarse鈕時，電流不能超過1mA，然後將之聚焦。按下Calibration鈕以校正離了朿之位置。執行校正之後，停止IonGunEtchControl功能，設定分析之操作條件，之後進行確認的步驟。執行該縱深成分分析實驗得到光譜分析資料。XPS掃描實驗條件XP