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无铅化制程挑战与未来趋势无铅化制程挑战与未来趋势无铅化制程挑战与未来趋势无铅化制程挑战与未来趋势
游善溥游善溥游善溥游善溥博士博士博士博士eric_yu@shenmao.com eric_yu@shenmao.com eric_yu@shenmao.com eric_yu@shenmao.com
技术服务处技术服务处技术服务处技术服务处////升贸科技升贸科技升贸科技升贸科技
2006200620062006----10101010----20 20 20 20
版权版权版权版权&&&&----#169;2005 #169;2005 #169;2005 #169;2005 Shenmao(cShenmao(cShenmao(cShenmao(c))))设计设计设计设计....版权所有版权所有版权所有版权所有....
内内内内 容容容容
无铅焊锡材料种类与特性介绍
–焊锡历史演进
–二元合金
–SAC合金系列
无铅化制程之挑战
–高温化制程: SMT/Wave焊接
–材料变异与挑战: 焊料/元件/PCB
–缺陷与对策
无铅焊锡材料未来趋势
–掉落试验可靠度
–低银化/SnxAgCu
–多元合金/SACNiGe/ SACX
–细小化趋势
结论
焊锡的历史演进焊锡的历史演进焊锡的历史演进焊锡的历史演进
动物饰品动物饰品动物饰品动物饰品
用银焊接用银焊接用银焊接用银焊接
杯子把手杯子把手杯子把手杯子把手
用焊接用焊接用焊接用焊接
Pb-Sn碗碗碗碗
收音机收音机收音机收音机1900年发表年发表年发表年发表
752年日本奈良大佛年日本奈良大佛年日本奈良大佛年日本奈良大佛
以以以以Pb-Sn焊接焊接焊接焊接
焊锡产品大量应焊锡产品大量应焊锡产品大量应焊锡产品大量应
用於电子产品用於电子产品用於电子产品用於电子产品1998
无铅焊锡无铅焊锡无铅焊锡无铅焊锡
量产量产量产量产
2006/72006/72006/72006/7
RoHSRoHSRoHSRoHS/WEEE/WEEE/WEEE/WEEE指屉执行指屉执行指屉执行指屉执行
水管用水管用水管用水管用
Sn-Pb合金合金合金合金
青铜器时代青铜器时代青铜器时代青铜器时代铁器时代铁器时代铁器时代铁器时代SiSiSiSi时代时代时代时代
锅子把手用锅子把手用锅子把手用锅子把手用
锡系合金焊接锡系合金焊接锡系合金焊接锡系合金焊接
殷商时代殷商时代殷商时代殷商时代
青铜器发现青铜器发现青铜器发现青铜器发现
明朝宋应星明朝宋应星明朝宋应星明朝宋应星
天工开物天工开物天工开物天工开物
利用焊锡补锅利用焊锡补锅利用焊锡补锅利用焊锡补锅
BC
4000
BC
2000
10000AD
1000
AD
2000
焊锡以电子材料焊锡以电子材料焊锡以电子材料焊锡以电子材料
在学术界研究在学术界研究在学术界研究在学术界研究
欧盟三大环保指屉规范欧盟三大环保指屉规范欧盟三大环保指屉规范欧盟三大环保指屉规范
来源∶SGS
WEEE: 废电机电子指屉
(Waste Electrical and Electronic
Equipment)
~针对十大废电机电子产品
~建立回收体系并达成法定之回收率(50 ~ 75%)
RoHS: 峤害物质限用指屉
(Restriction of Hazardous Substance)
~电子电机产品限/禁用六大化学物质
EuP: 能源使用产品生态化设计指屉
(Eco-Design Requirements for Energy
Using Products)
~针对使用能源之产品(运输工具除外)
~需以生命周期思维(Life Cycle Thinking)
~建立环境特性说明书(Eco-Profile)
哪些产品使用无铅焊锡材料哪些产品使用无铅焊锡材料哪些产品使用无铅焊锡材料哪些产品使用无铅焊锡材料
A. A. 锡锡锡锡锡锡锡锡棒棒棒棒棒棒棒棒Solder BarSolder Bar
B. B. 锡丝锡丝锡丝锡丝锡丝锡丝锡丝锡丝Solder WireSolder Wire
C. C. 锡球锡球锡球锡球锡球锡球锡球锡球Solder BallSolder Ball
D. D. 锡粉锡粉锡粉锡粉锡粉锡粉锡粉锡粉Solder PowderSolder Powder
E. E. 锡膏锡膏锡膏锡膏锡膏锡膏锡膏锡膏Solder PasteSolder Paste
F. BGAF. BGA锡球锡球锡球锡球锡球锡球锡球锡球BGA SphereBGA Sphere
焊锡的种类焊锡的种类焊锡的种类焊锡的种类
高融点焊锡
近Sn-Pb共
晶融点
焊锡
低融点焊锡
Pb-Sn-Ag ~ 300℃℃℃℃
Pb-Sn
Au-Sn 282℃℃℃℃(20Sn)
Sn-Sb 233/240 5Sb
含含含含PbPbPbPb焊锡焊锡焊锡焊锡无铅焊锡无铅焊锡无铅焊锡无铅焊锡
Sn-Ag 221℃℃℃℃3.5Ag
Sn-Zn 199℃℃℃℃9ZnPb free化Sn-Pb 183℃℃℃℃(37Pb)
Pb Free化
Sn-Pb-Bi
135/190℃℃℃℃
Sn-46Pb-8Bi
Pb free化
Sn-Bi 138℃℃℃℃58Bi
In-Ag 143℃℃℃℃3Ag
Sn-In 118℃℃℃℃52In
电子产品组装
Sn-Ag-Cu
Sn-Cu
Sn-Bi
半导体封装
Au-Sn
Bi
In
Bi
In
Sn-Cu 227℃℃℃℃0.7Cu
2006
三大主要无铅焊锡分类
低成本
低温
无铅二元合金之种类与特性无铅二元合金之种类与特性无铅二元合金之种类与特性无铅二元合金之种类与特性
高温制程,良好机械强度高温应用,波焊制程应用SnCuSnCuSnCuSnCu
最近SnPb熔点之焊锡系列,易氧化
与较差润湿性,需高活性助焊剂
低温焊锡应用,铝或铜焊接用SnZnSnZnSnZnSnZn
免助焊剂焊接,但是制程高温光电/微机电构装应用SnSnSnSn----Au Au Au Au
良好高温特性,优良抗热疲劳性高温焊锡应用,如汽车工业SnAgSnAgSnAgSnAg
良好制程特性,Pb有毒一般应用,最普遍应用焊锡SnSnSnSn----PbPbPbPb
改善SnSb焊锡机械特性,不能与锌
共用
一般应用Sn-Sb-Pb
无毒性,良好高温与润湿性高温或食品工业应用Sn-Sb
容易变形,需要高活性助焊剂低温焊锡应用,如散热片/模组用
散热锡膏
SnSnSnSn----Bi Bi Bi Bi
特性应用焊锡
合金状态图合金状态图合金状态图合金状态图((((相图相图相图相图) ) ) )
共晶点共晶点共晶点共晶点
合金特性合金特性合金特性合金特性
高低中低单价成本
优优佳零件推拉力
强度
佳可(呈现稍雾状)优(呈现光亮)光泽度
优优可避免bga零件
的void过大
可优可防立碑现象
优优佳吃锡性
优优佳扩散性
179℃179~183℃183℃熔点
Sn62/Pb36/A
g2.0锡膏
Sn62.8/Pb36.8
/Ag0.4 锡膏
Sn63/Pb37
锡膏
合金
项目
中低高单价成本
优优佳零件推拉力
强度
呈现雾状呈现雾状呈现雾状光泽度
大大大表面张力
尚可尚可优接合强度
尚可差尚可吃锡性
尚可差尚可扩散性
138℃187~197℃217~219℃熔点
Sn-Bi
低温锡膏
Sn-Zn-Bi
系列锡膏
Sn-Ag-Cu系
列锡膏
合金
项目
含铅合金组成无铅合金组成
常用无铅合金组成与性质常用无铅合金组成与性质常用无铅合金组成与性质常用无铅合金组成与性质
4
Sn-3.9Ag-0.6Cu
Sn-3.8Ag-0.7Cu
Alloy composition
Sn-5.0Sb
Sn-0.7Cu
Sn-3.5Ag
Sn-3.0Ag-0.5Cu
Sn-8.8Zn
Sn-8.0Zn-3.0Bi
Sn-58Bi
Melting point
(oC)
243/236
227/227
221/221
219/217
219/217
219/217
199/199
197/187
138/138
Specific gravity
7.3
7.4
7.4
7.4
7.4
7.4
7.3
7.3
8.7
Sn-37Pb183/1838.4
Tensile strength
(Kgf/mm2)
5.1
3.4
3.2
3.6
3.5
3.5
4.6
7.1
7.0
4.3
Elongation
(%)
35
28
30
38
37
37
37
23
12
32
Sn-3.5Ag-0.7Cu219/2177.43.638
Sn-3.5Ag-4.0In-0.5Bi211/1907.45.232
5
No.
1
2
3
10
11
12
13
6
8
Sn-3.5Ag-8.0In-0.5Bi206/1707.56.5309
7
面临之挑战
无铅无铅无铅无铅无铅无铅无铅无铅--------焊锡焊锡焊锡焊锡焊锡焊锡焊锡焊锡, , , , , , , , 元件与元件与元件与元件与元件与元件与元件与元件与PCBPCBPCBPCBPCBPCBPCBPCB表面处理之更换表面处理之更换表面处理之更换表面处理之更换表面处理之更换表面处理之更换表面处理之更换表面处理之更换
无卤无卤无卤无卤无卤无卤无卤无卤--------基板基板基板基板基板基板基板基板, , , , , , , , 印刷电路板耐燃剂之更换印刷电路板耐燃剂之更换印刷电路板耐燃剂之更换印刷电路板耐燃剂之更换印刷电路板耐燃剂之更换印刷电路板耐燃剂之更换印刷电路板耐燃剂之更换印刷电路板耐燃剂之更换
材料材料材料材料材料材料材料材料--------胶材等之耐温性胶材等之耐温性胶材等之耐温性胶材等之耐温性胶材等之耐温性胶材等之耐温性胶材等之耐温性胶材等之耐温性, , , , , , , , 吸湿性与热膨胀系数等特性之调整吸湿性与热膨胀系数等特性之调整吸湿性与热膨胀系数等特性之调整吸湿性与热膨胀系数等特性之调整吸湿性与热膨胀系数等特性之调整吸湿性与热膨胀系数等特性之调整吸湿性与热膨胀系数等特性之调整吸湿性与热膨胀系数等特性之调整
组装制程调整组装制程调整组装制程调整组装制程调整
晶片
PCB
Underfill
Molding
compound打线
焊锡凸块
PCB表面处理焊锡膏BGA植球
导线架电镀
BGA基板
晶片
1.使用好的电镀零件
2.提高锡膏的活性力
3.尽量避免混合制程/ 提高制
程温度与相关材料耐热性
1.电镀的品质不佳
2.锡膏的活性太弱
3.无铅元件混合有铅制程
零件端湿润状况不佳
1.强化较平部位的膜厚度
2.提高锡膏的活性力
1.Sn-Cu层显露出来
2.锡膏的活性太弱
焊锡的较平部位的湿
润扩散性不佳
1.强化基板的管理
2.提高锡膏的活性力
3.调整适当温度曲线
1.Pad的氧化太严重
2.锡膏的活性太弱
3.预热中氧化太严重
Pad的湿润扩散性不
佳
润湿性不足
1.使用适於开口宽度的焊锡
粒径的锡膏
2.检讨印刷条件,钢板,特
性等后,选择适当的锡膏
1.未使用适应於钢板开口的锡膏
2.焊锡膏的黏性和印刷条件不恰当
3.钢板的张力不足
4.钢板清洁次数或程度不足
焊锡接合的地方,焊
锡量不平均
焊锡量
不足
1.调整成适当的温度曲线
2.确实依据锡膏产品建议使用
方式与保存条件
3.配合建议的条件(22
~25℃,RH65%湿度以下)
1.温度曲线不适用(eg.最大温度低,
预热时间长).
2.锡膏已经恶质化
3.印刷环境不良(eg.高温多湿)
在不定点不定时的不
熔融
1.变更设计或提高回焊温度
2.确切量测该点回焊温度
1.基板的背面/附近有吸热性很大的
零件或较大金属焊垫
焊锡有一部份在固定
的地方不熔化
未熔融
对策可能原因不良内容不良项目
孔洞,锡须详述於后
制程不良原因与对策制程不良原因与对策制程不良原因与对策制程不良原因与对策
1.调整成正确的温度
2.加强Flux 的管理或活性
3.加强Flux 作业管理
4.使用乾燥机去除压缩空气中所含
油份或水份
1.预热中的氧化太大
2.Flux 已经恶质化或活性较弱
3.Flux 含水份
4.使用的压缩空气含有油份或水份
波焊
1.强化基板管理
2.调整适当的温度曲线与均温性
1.PCB Pad的氧化太大
2.加热过於急促/ 元件与PCB pad受
热差异大
熔於lead上的焊锡
往上爬
呈现
灯蕊状
1.使用黏著力较强的锡膏
2.调整设备
1.锡膏的黏著力太弱2.mounting时的
振动太大
Mounter上去之后
零件乱飞没装好
1.调整装载的精准度
2.调整设备
3.降低锡膏的活性力
1.mounting的精准度不佳
2.回焊炉的鍊条倾斜太大
3.因为活性太好,自行排
列的效果不佳
零件的位置没有接
合好
零件的位置不对
1.使用slump现象较小的锡膏2.印
刷量要适当
1.锡膏的slump太大
2.锡膏的印刷量太多
片状零件的侧面产
生焊锡球
1.调整成正确的温度
2.提高锡膏的活性
3.使用slump现象较小的锡膏
1.预热中的氧化太大
2.锡膏的活性较弱
3.锡膏的slump太大
Pad产生焊锡球锡珠
1.提高预热温度
2.调整各项印刷参数与开孔设计
3.提高装载精准度
1.Pad的氧化太大/不均
2.印刷量不平均
3.mounting时的差距(offset) 太大
片状零件的电极有
一方没接好,导致
零件竖立起来
立碑现象
制程不良原因与对策制程不良原因与对策制程不良原因与对策制程不良原因与对策
1.调整低残渣(固态含量较少)或
软质的锡膏
2.调整成适当的压力
1.助焊剂残渣黏住
2.PIN压太低
3.助焊剂残留太硬
PIN的接触不
良
ICT
检查
不良
1.调整成正确的温度
2.提高Flux 的活性
3.调整沾锡时间
4.调整适当输送速度
1.预热温度过高氧化太大
2.Flux 的活性较弱
3.沾锡时间过长
4.输送速度过快
零件脚或焊点
上有拉尖现象
锡尖
(波焊)
1.改善开口设计
2.加强PCB品管
3.调整治具设计或制程
4.改善喷涂量或Flux活性
5.调整最佳制程参数
1.开口尺寸设计不良
2.PCB表面处理品质不良
3.零件或PCB吸放热造成温差过大
4.Flux喷涂不足或活性不足
5.制程条件不佳(角度,温度,速度控制)
DIP零件焊点
爬锡不足
填孔率不足(波焊)
SMT
1.印刷量要适中,调整印刷
机参数或钢板开孔设计
2.使用slump现象较小的锡膏
波焊
1.提高Flux 活性能力
2.增加Flux 喷涂量
3.改善治具设计
SMT
1.锡膏的印刷量太多
2.焊锡膏的slump太大
波焊
1.Flux 活性太弱
2.Flux 喷涂量不足
3.治具设计不良
邻接的lead用
焊锡相连接起
来
架桥,短路
1.调整适当温度曲线
2.选用适当合金组成
3.调整设计
1.制程冷却速度控制不对
2.合金pasty range 太大并於凝固时严重偏析
3.设计不良导致焊点各区温差过大
焊点外观可以
看到明显裂痕
锡裂
对策可能原因不良内容不良项目
制程不良原因与对策制程不良原因与对策制程不良原因与对策制程不良原因与对策
波焊制程改善条件波焊制程改善条件波焊制程改善条件波焊制程改善条件
※※※※改善基板表面镀层品质改善基板表面镀层品质改善基板表面镀层品质改善基板表面镀层品质
※※※※选择品质良好之零件选择品质良好之零件选择品质良好之零件选择品质良好之零件
※※※※选择效能良好之助焊剂选择效能良好之助焊剂选择效能良好之助焊剂选择效能良好之助焊剂
※※※※FLUXFLUXFLUXFLUX涂怖量及涂怖均匀性控制涂怖量及涂怖均匀性控制涂怖量及涂怖均匀性控制涂怖量及涂怖均匀性控制
※※※※选择恰当选择恰当选择恰当选择恰当PROFILEPROFILEPROFILEPROFILE曲线曲线曲线曲线
※※※※输送速度要合适输送速度要合适输送速度要合适输送速度要合适
※※※※锡炉条件需掌握锡炉条件需掌握锡炉条件需掌握锡炉条件需掌握
※※※※减少预热区至锡波之距离减少预热区至锡波之距离减少预热区至锡波之距离减少预热区至锡波之距离
※※※※加强锡炉后方之冷却效率加强锡炉后方之冷却效率加强锡炉后方之冷却效率加强锡炉后方之冷却效率
治
具
治具
(c)Voiding mechanism
(a) One void
(b) Two voids
Solder Ball
(SnPb)
PCB
Solder(SnAgCu)
BGASEM 横截面横截面横截面横截面
BGA voiding
经过多种实验之后经过多种实验之后经过多种实验之后经过多种实验之后,,,,所得之经验值如下所得之经验值如下所得之经验值如下所得之经验值如下::::
产生voiding最多的组合为:
SnAgCu paste + SnPb components
产生voiding次多的组合为:
SnAgCu paste + SnAgCu components
产生voiding较少的组合为:
SnPb paste + SnPb components
实际案例
Bridge在加热过程中,水分子急速膨胀,导致气孔体积成长
BGA voiding
Types of Voids in Solder Joints
Intel
BGA voiding
The top of the
solder ball is not
melted yet
The top of the
solder ball is not
melted yet
Melted solder
paste
Contaminants
Solder pastePrior melting part
Fig. the melting condition caused while contaminants exist
Fig. the growth of large voidsFig. the beginning of melting and the
generation of the gases
Source : Hasegawa, microsoldering for BGA
Solder paste
Electric-
potential
corrosion is
easy to occur
on the Ni side
Cu 20μm
Ni 5μm
Au below
0.5μm
opening
Fig. SMT assembled state
before reflow
Fig. the cross section of
the electroplated layers
Fig. The place indicated by the arrows cools down first so the
open failure can occur easily.
Source : Hasegawa, microsoldering for BGA
BGA voiding
Sn whisker
Lead-free plating: Matte Sn, Sn-Bi or Sn-Cu
Sn whisker issue
Formation mechanism
Test Specification
NEMI (Test Method for Evaluation Tin Whisker Growth
on Plated Surfaces)
1. Temperature/Humidity: 65 ±5°C/87(+3/-2)% RH >
4000 h
2. Temperature Cycling: -55 or -40 (+0/-10)°C to 85
(+10/-0)°C > 1500 cycles (Air to air, 3 cycles/h)
3. Ambient conditions: >30 ±2°C and 60 (±3)% RH
SONY
1. Temperature/Humidity: 85°C/85% RH > 500 h
2. Thermal Cycling: -35°C~ 125°C > 500 cycles
DELL
1. Temperature/Humidity: 60°C/95% RH > 500 h
2. Thermal Cycling: -55°C~ 85°C > 500 cycles
Acceptable Criteria
1. NEMI: Whisker length < 45 ~ 67 m
2. E4: 240C Reflow
Sn whisker
Characteristics of PCB Surface Finish
Worse thermal resistance
Difficult to measure the thickness on
product
Simple process
Strong Sn/Cu solder joint
Low cost
OSP
Quick IMC growth
S/M peeling
Thiourea(odor and carcinogen)
Whisker issue
Simple process
Strong Sn/Cu solder joint
IMT
Sensitive to Cland S
Scratch issue
Simple process
Excellent wetting ability
Strong Sn/Cu solder joint
IMS
Complex process
High cost
Sn/Ni solder joint would be concerned
Wide application (touch pad, wire bonding
and assembly)
High resistance to oxidation
ENIG
ConcernsAdvantages
+++++++++++
copper
planar
organic
OSP
+++++Cost
+++++++Solderability
+++++++S/M liftingSn-Ag-Cu
Sn-Cu
Sn-Cu-Ni
+++++++Shelf life
shiny graywhitesilvergoldColor
non-planarplanarplanarplanarSurface
molten soldertin metalorganic silverE-less Ni/AuType
Pb-free HASLIMTIMSENIG
Proposed Lead Free Transition Scenario
GOAL: Lead Free Process
Package: LF terminals or totally
LF package
OEM: LF paste process
Backward Compatibility
Package: LF terminals or totally
LF package
OEM: Lead paste process
NOW: Current Process
Package: Lead terminals
OEM: Lead paste process
Forward Compatibility
Package: Lead terminals and
high temperature capability
OEM: LF paste process
Scenario 3
Scenario 2 ( The most realistic story)
Scenario 1
Backward Compatibility, Dual line
concerns, etc
The lead-free solder containing Bi, frequently causes Lift-off.
Correlation of the typical solder with Lift-off occurrence rates.(DIP-IC)
Type of solders
0
20
40
60
80
100Lift-off occurrence rate (%)
Sn-3.5Ag-0.75Cu
Sn-2.5Ag-1Bi-0.5Cu
Sn-2Ag-4Bi-0.5Cu-0.1Ge
Sn-0.7Cu-0.3Ag Sn-37Pb
t=1.2mm
t=1.6mm
Source : The 6th Jisso International Forum in Hsinchu Taiwan November, 2002 JEITA
Backward Compatibility ConcernBackward Compatibility Concern
Lead Free terminal BGA and SnPb solder pasteshow less
mechanical strength. Pad finish on the board may contribute to t
he problem.
BKM is needed.
Source: Fujitsu home page.
Source : A Comparative Study on Drop Test Performance of Fine Pitch BGA Assemblies
Using Pb-free and Tin-lead Solders, Flextronics, 2006 ECTC.
SAC387
Source : A Comparative Study on Drop Test Performance of Fine Pitch BGA Assemblies
Using Pb-free and Tin-lead Solders, Flextronics, 2006 ECTC.
Comparison of SAC vsSnPbin drops to
failure (MDBF). (G2=Group2, G4=Group4)
Source : A Comparative Study on Drop Test Performance of
Fine Pitch BGA Assemblies Using Pb-free and Tin-lead
Solders, Flextronics, 2006 ECTC.
Source : A Comparative Study on Drop Test Performance of Fine Pitch BGA Assemblies
Using Pb-free and Tin-lead Solders, Flextronics, 2006 ECTC.
Summaries
From this study, a new drop test method, board level free fall drop
(BFFD), was demonstrated using fine pitch CSP and BGA
assemblies using SAC and SnPb alloys. The first failure may be
within 30 drops for most large CSPs (body size >6mm), which is
similar to those in cellular phones using PFFD if no extra protection
(shielding) is used.
The impact of the solder alloy on the drop test performance was
found to be package and locationdependent.
The SAC solder is as good as SnPb for small packages but not as
good as SnPb solder for larger area array packages.
The strainplay a significant role in the drop test performance
comparison, and it is shown from this study that the SnPb
outperformed the SAC in the high strain region.
Source : A Comparative Study on Drop Test Performance of Fine Pitch BGA Assemblies
Using Pb-free and Tin-lead Solders, Flextronics, 2006 ECTC.
Copyright 2005 Shenmao(c) Design. All rights reserved.
Ag, Cu 含量对无铅锡银铜合
金特性之影响
Effect of thermal cycles on the failure rate of
Sn-xAg-0.5Cu (x 1, 2, 3, and 4) solder joints
on the Cu/Ni/Au pads.
Effect of thermal cycles on the failure rate of
Sn-xAg-0.5Cu (x 1, 2, 3, and 4) solder joints
on the Cu pads.
Effect of Silver Contenton Thermal Fatigue Life of
Sn-xAg-0.5Cu Flip-Chip Interconnects
Source :Journal of ELECTRONIC MATERIALS, Vol. 32, No. 12, 2003
Effect of Silver Contenton the Shear Fatigue Properties
of Sn-Ag-Cu Flip-Chip Interconnects
Journal of ELECTRONIC MATERIALS, Vol. 33, No. 4, 2004
Cyclic stress-strain curves for each
flip-chip joint.
Plastic displacement as a function of
total displacement.
Copyright 2005 Shenmao(c) Design. All rights reserved.
SnAgCu及SnAgCuNiGe
之特性比较
Patent Study
Ag%
Overview of SnAgCu Patent Coverage
Cu%
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
5Iowa
Senju
Fujielectric
3.5
USUS
JPJP
GMGM
JP: 3296289 Sn— 1≤Ag ≤4 — 0<Cu≤2.0— 0<Ni≤0.5 — 0<Ge≤0.1
UP: 6179935B1 Sn— 0<Ag≤4 — 0<Cu≤2 — 0<Ni≤1.0 — 0<Ge≤1.0
http://www.fujielectric.co.jp/solder/
Patent Study
Japan Patent No.3296289
U.S.A. Patent No.6179935B1
SAC Alloy
SnAgCu
SnAgCuNiGe
+ +
+ + + +
SAC Alloy + Ni + Ge
Ni Added:
Increasing Thermal Reliability,
High Temperature Resistant
GeAdded:
Oxidation Resistant
& Increasing Wetting Ability
Alloy Composition in this Study
SAC305(A company)
SAC305NiGe (PF610 in ShenMao)
0.0075±±±±0.00250.06±±±±0.023±±±±0.3<0.002<0.03<0.002
GeNiAgCdAsAl
<0.02<0.002<0.10.5±±±±0.2<0.12<0.05Balance
FeZnBiCuSbPbSn
0.0075±±±±0.00250.005±±±±0.0023±±±±0.3<0.002<0.03<0.002
GeNiAgCdAsAl
<0.02<0.002<0.10.5±±±±0.2<0.12<0.05Balance
FeZnBiCuSbPbSn
SAC305X (PF606 in ShenMao)
SAC305 weight gain 1.077%
PF610 weight gain 0.992%
Oxidation Resistant Test
Oxidation Resistance (test by TGA,
Φ0.45mm BGA)
PF610
SAC305
PF606
no color change
PF610
no color change
PF610
no color change
SAC305 (A company)
color change
SAC305 (SM sample)
color change
Φ0.45mm BGA at 175C Oven for 24Hrs
Reflowin-situObservation
SAC 305
PF606
SAC
PF610
SACNG
SP-5000DS
Solidification Feature
SAC305PF610
Appearance of 0603 Chip after Reflow(OM)
Chip on OSP Pad
PF606
1000 Hrs at 100C
Cu3Sn
Kirkendall voids
Coarse of Ag3Sn
Ag3Sn
as-received
SAC305
PF610
Cu6Sn5
IMC Observation of Different Pad Finish
BGA on Ag/Cu/FR4 (Φ0.4mm)
Ag=0.2um
Cu=25um
FR4
J. Electron. Mater. Feb (2006)
1000Hrs at 150C
(Cu0.9Ni0.1)6Sn5
Cu6Sn5
IMC Observation of Different Pad Finish
as-received
Au=0.5um
Ni=5um
Cu=25um
BT
BGA on Au/Ni/Cu/BT
J. Electron. Mater. Feb (2006)
Cu6Sn5
1000Hrs at 100C
(Ni,Cu,Au)3Sn4
AuSn4
SAC305
PF610
1000Hrs at 150C
AuSn4
(Cu,Ni,Au)6Sn5Ag3Sn
BGA Solder Ball shear test
0 500 1000
0
4
8
12ball shear force (nt)
aging time (hrs)
FR4 (Ag/Cu)
100 PF610
150 PF610
150 SAC305
100 SAC305
J. Electron. Mater. Feb (2006)
0 500 1000
0
4
8
12
ball shear force (nt)
aging time (hrs)
BT (Au/Ni/Cu)
100 PF610
150 PF610
100 SAC305
150 SAC305
NiNiNiNi添加对添加对添加对添加对SACSACSACSAC与与与与CuCuCuCu界面反应影响界面反应影响界面反应影响界面反应影响
固/固反应:
Sn-Ag-Cu
Sn-Ag+Ni
Sn-Ag-Cu+Ni
105℃℃℃℃-500h120℃℃℃℃-500h150℃℃℃℃-500h
Cu6Sn5Cu6Sn5+Cu3Sn
(Cu,Ni)6Sn5
Cu6Sn5+Cu3Sn
(Cu,Ni)6Sn5(Cu,Ni)6Sn5IMC Layer
IMC Layer
Aging
NiNiNiNi添加对添加对添加对添加对SACSACSACSAC与与与与CuCuCuCu界面反应影响界面反应影响界面反应影响界面反应影响
Sn-Ag及Sn-Ag-Cu与Cu基材接合(固/固)
Sn-Ag-CuSn-Ag+Ni/Sn-Ag-Cu+Ni
NiNiNiNi添加对添加对添加对添加对SACSACSACSAC与与与与CuCuCuCu界面反应影响界面反应影响界面反应影响界面反应影响
Sn-Ag及Sn-Ag-Cu与Cu基材接合(液/固)与时效(固/固)
→界面IMC层变化
Cu6Sn5(as reflow)→Cu6Sn5(短时间)→Cu6Sn5+Cu3Sn(长时间)
Sn-Ag+Ni及Sn-Ag-Cu+Ni与Cu基材接合(液/固)与时效(固/
固)→界面IMC层变化
(Cu,Ni)6Sn5(as reflow)→(Cu,Ni)6Sn5(短时间)→
(Cu,Ni)6Sn5(长时间)→(Cu,Ni)6Sn5+Cu3Sn(极长时间)
Ni添加抑制Sn与Cu间之固态扩散反应
→阻碍Solder/Cu间之IMC成长
Summaries
1. The merits of addition of Ni and Ge into SAC305 can be concluded
as below:
a. Better corrosion resistant ( potentiodynamic polarization)
b. Better oxidation resistant ( TGA)
c. Better soldering feature ( SMT Scope)
d. Finer solidification feature (OM & SEM)
e. Higher pull and shear stress ( bond tester)
2. For a longer heat -treatment
a. Addition of Ni,Ge can suppress the growth of IMC Cu3Sn
b. Addition of Ni,Ge can suppress the kirkendall effects
c. Addition of Ni,Ge can get a more uniform IMC Cu6Sn5
d. Addition of Ni,Ge can suppress the growth of IMC Ag3Sn
Copyright 2005 Shenmao(c) Design. All rights reserved.
Sn-xAg-0.5Cu-0.04Ni-0.01Ge无无无无
铅焊锡之性质及铜界面反应研究铅焊锡之性质及铜界面反应研究铅焊锡之性质及铜界面反应研究铅焊锡之性质及铜界面反应研究
高锡量SAC的溶铜速率比
T/L更快,多次喷锡或波焊
后PTH之孔缘甚至孔壁或孔
环等都可能被液锡吃掉.
四种常见金属在液锡中的
溶速(Dissolution Rate)分
别是:Ni 0.05μ"/sec,Cu
4.1μ"/sec,Ag 43.6μ"/
sec,Au 117.9μ"/sec
浸SC焊料20.1秒 浸SC焊料22.41秒 浸SC焊料35.6秒
Sn-3.0Ag-0.5Cu 250℃, 3.3 seconds
Source : 白蓉生TPCA 2005 Dec.
0.010.040.53.0BalSAC305NG
0.010.040.52.0BalSAC205NG
0.010.040.51.0BalSAC105NG
0.010.040.50.1BalSAC0105NG
0.010.040.50.01BalSAC00105NG
GeNiCuAgSnNo
表一:Sn-xAg-0.5Cu-0.04Ni-0.01Ge合金成份表(wt%)
表二:业界常用之无铅喷锡合金
227Sn-0.7Cu-0.05Ni
227Sn-0.7Cu
227Sn-0.3Ag-0.7Cu
217Sn-3Ag-0.5Cu
Melting point(℃)Alloy
200220240
50454035302520
SAC0105NG
SAC00105NG
SAC205NG
SAC105NG
SAC305NG
Heat Flow Endo Down(mW)
Temperature()℃
Sn-xAg-0.5Cu-0.04Ni-0.01Ge焊锡合金DSC分析图
Sn-xAg-0.5Cu-0.04Ni-0.01Ge合金显微组
织SEM照片(a)x=0.1,(b)x=1,(c)x=2,(d)x=3
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0
20
40
60
80
100
Ag Composition(wt%)
YS(MPa)
UTS(MPa)
EL(%)
Ag3Sn(%)
Ag含量对合金机械性质与Ag3Sn分布
量之关系图
05001000150020002500
6507007508008509009501000
Copper wire diameter( m)
Time(sec)
SAC00105NG
SAC0105NG
SAC105NG
SAC305NG
SAC305
铜线浸入时间与直径变化关系图
SAC0105NG
SAC105NG
SAC305
SAC305NG
Sn-0.3Ag-0.7Cu
Sn-0.7Cu-0.05Ni
SAC00105NG
0
0.010.020.030.040.050.060.070.080.09
Rate of Erosion(祄/s)
无铅焊锡合金之铜材咬蚀速率比较图
Copyright 2005 Shenmao(c) Design. All rights reserved.
微细焊锡粉岕之开发
何谓锡膏何谓锡膏何谓锡膏何谓锡膏
RosinOrganic AcidSolvent
含铅锡膏无铅锡膏
锡粉助焊剂
松香or 树脂活性剂溶剂2000倍3700倍
混合搅拌
Oxygen content limit
<200 ppmType 65
<180 ppmType 54
<150 ppmType 43
<130 ppmType 32
<120 ppmType 21
Oxygen ContentPowder TypeNo
Solder Powder size
5 microns15~5 microns15 micronsType6
15 microns25~15 microns25 micronsType5
20 microns38~20 microns38 micronsType4
20 microns45~25 microns45 micronsType3
20 microns75~45 microns75 micronsType2
10% maximum
less than
90% minimum
between
Less than 1%
Larger than
% of sample by weight-Nominal SizeGrade
J-STD-005 & IPC-TM-650 2.2.14 , 2.2.14.1
For heat sink
For SMT process
For Flip Chip process
Solder Powder Development
SEM Picture of Type 7Sn63/Pb37
Powder. Print at 80μμμμm Pitch
SEM Micrograph of Solder Bump
Deposits at 80 μμμμm Pitch
Source : Fraunhofer IZM
Case study
Important factors : Powder , FluxPowder , Flux
Application on Flip Chip Process
Type 5 Paste tested in customer site
12 inch wafer
6 inch wafer
Flip Chip vs. Wafer Level Package
Solder ball
for WLCSP
Solder paste
for wafer
bumping
Source : ASE
Finer powderSmaller ball
News about lead-free solders
The deadline for lead-free in EU, July 1, 2006
The deadline for lead-free in CN, Mar. 1, 2007
Sn-Zn-Al (199 C), Fujitsu, US patent 6361626
Sn-8Zn-3Bi (198 C), NEC and Sony
Sn-Zn-Ag-In (200 C), Panasonic (March 2004)
Sn-Ag-Cu-7In (204 C), Hitachi
无铅焊锡无铅焊锡无铅焊锡无铅焊锡可能的可能的可能的可能的未来走向未来走向未来走向未来走向
1.降低成本与作业温度将为首要考量.
2.在焊锡无银化立法前,SAC仍将为主流合金.短中期将以低银与多元添加为
主要发展方向.
3.针对各种不同需求的电子产品,不同的SnAgCu based合金将持续被采用,如
Fujitsu 的Sn-Ag-Cu-Ni-Ge, Hitachi的Sn-Ag-Cu-In与LG的Sn-Ag-Cu-Bi等.
4.用於元件端的高铅合金不受限於无铅法规之内.很有可能有越来越多的排外
条款出现.
5.除了SAC合金,Sn-Ag, Sn-Cu, Sn-Zn系合金仍有其生存空间.
6.更细小化焊锡粉岕与BGA锡球之需求.
7.更低含氧量或配合新制程/设备开发之焊锡材料亦将为未来之重点之一.
结结结结论论论论
THANKS!THANKS!
Q & AQ & A
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技术服务处技术服务处技术服务处技术服务处////升贸科技升贸科技升贸科技升贸科技
2006200620062006----10101010----20 20 20 20
版权版权版权版权&&&&----#169;2005 #169;2005 #169;2005 #169;2005 Shenmao(cShenmao(cShenmao(cShenmao(c))))设计设计设计设计....版权所有版权所有版权所有版权所有....
内内内内 容容容容
无铅焊锡材料种类与特性介绍
–焊锡历史演进
–二元合金
–SAC合金系列
无铅化制程之挑战
–高温化制程: SMT/Wave焊接
–材料变异与挑战: 焊料/元件/PCB
–缺陷与对策
无铅焊锡材料未来趋势
–掉落试验可靠度
–低银化/SnxAgCu
–多元合金/SACNiGe/ SACX
–细小化趋势
结论
焊锡的历史演进焊锡的历史演进焊锡的历史演进焊锡的历史演进
动物饰品动物饰品动物饰品动物饰品
用银焊接用银焊接用银焊接用银焊接
杯子把手杯子把手杯子把手杯子把手
用焊接用焊接用焊接用焊接
Pb-Sn碗碗碗碗
收音机收音机收音机收音机1900年发表年发表年发表年发表
752年日本奈良大佛年日本奈良大佛年日本奈良大佛年日本奈良大佛
以以以以Pb-Sn焊接焊接焊接焊接
焊锡产品大量应焊锡产品大量应焊锡产品大量应焊锡产品大量应
用於电子产品用於电子产品用於电子产品用於电子产品1998
无铅焊锡无铅焊锡无铅焊锡无铅焊锡
量产量产量产量产
2006/72006/72006/72006/7
RoHSRoHSRoHSRoHS/WEEE/WEEE/WEEE/WEEE指屉执行指屉执行指屉执行指屉执行
水管用水管用水管用水管用
Sn-Pb合金合金合金合金
青铜器时代青铜器时代青铜器时代青铜器时代铁器时代铁器时代铁器时代铁器时代SiSiSiSi时代时代时代时代
锅子把手用锅子把手用锅子把手用锅子把手用
锡系合金焊接锡系合金焊接锡系合金焊接锡系合金焊接
殷商时代殷商时代殷商时代殷商时代
青铜器发现青铜器发现青铜器发现青铜器发现
明朝宋应星明朝宋应星明朝宋应星明朝宋应星
天工开物天工开物天工开物天工开物
利用焊锡补锅利用焊锡补锅利用焊锡补锅利用焊锡补锅
BC
4000
BC
2000
10000AD
1000
AD
2000
焊锡以电子材料焊锡以电子材料焊锡以电子材料焊锡以电子材料
在学术界研究在学术界研究在学术界研究在学术界研究
欧盟三大环保指屉规范欧盟三大环保指屉规范欧盟三大环保指屉规范欧盟三大环保指屉规范
来源∶SGS
WEEE: 废电机电子指屉
(Waste Electrical and Electronic
Equipment)
~针对十大废电机电子产品
~建立回收体系并达成法定之回收率(50 ~ 75%)
RoHS: 峤害物质限用指屉
(Restriction of Hazardous Substance)
~电子电机产品限/禁用六大化学物质
EuP: 能源使用产品生态化设计指屉
(Eco-Design Requirements for Energy
Using Products)
~针对使用能源之产品(运输工具除外)
~需以生命周期思维(Life Cycle Thinking)
~建立环境特性说明书(Eco-Profile)
哪些产品使用无铅焊锡材料哪些产品使用无铅焊锡材料哪些产品使用无铅焊锡材料哪些产品使用无铅焊锡材料
A. A. 锡锡锡锡锡锡锡锡棒棒棒棒棒棒棒棒Solder BarSolder Bar
B. B. 锡丝锡丝锡丝锡丝锡丝锡丝锡丝锡丝Solder WireSolder Wire
C. C. 锡球锡球锡球锡球锡球锡球锡球锡球Solder BallSolder Ball
D. D. 锡粉锡粉锡粉锡粉锡粉锡粉锡粉锡粉Solder PowderSolder Powder
E. E. 锡膏锡膏锡膏锡膏锡膏锡膏锡膏锡膏Solder PasteSolder Paste
F. BGAF. BGA锡球锡球锡球锡球锡球锡球锡球锡球BGA SphereBGA Sphere
焊锡的种类焊锡的种类焊锡的种类焊锡的种类
高融点焊锡
近Sn-Pb共
晶融点
焊锡
低融点焊锡
Pb-Sn-Ag ~ 300℃℃℃℃
Pb-Sn
Au-Sn 282℃℃℃℃(20Sn)
Sn-Sb 233/240 5Sb
含含含含PbPbPbPb焊锡焊锡焊锡焊锡无铅焊锡无铅焊锡无铅焊锡无铅焊锡
Sn-Ag 221℃℃℃℃3.5Ag
Sn-Zn 199℃℃℃℃9ZnPb free化Sn-Pb 183℃℃℃℃(37Pb)
Pb Free化
Sn-Pb-Bi
135/190℃℃℃℃
Sn-46Pb-8Bi
Pb free化
Sn-Bi 138℃℃℃℃58Bi
In-Ag 143℃℃℃℃3Ag
Sn-In 118℃℃℃℃52In
电子产品组装
Sn-Ag-Cu
Sn-Cu
Sn-Bi
半导体封装
Au-Sn
Bi
In
Bi
In
Sn-Cu 227℃℃℃℃0.7Cu
2006
三大主要无铅焊锡分类
低成本
低温
无铅二元合金之种类与特性无铅二元合金之种类与特性无铅二元合金之种类与特性无铅二元合金之种类与特性
高温制程,良好机械强度高温应用,波焊制程应用SnCuSnCuSnCuSnCu
最近SnPb熔点之焊锡系列,易氧化
与较差润湿性,需高活性助焊剂
低温焊锡应用,铝或铜焊接用SnZnSnZnSnZnSnZn
免助焊剂焊接,但是制程高温光电/微机电构装应用SnSnSnSn----Au Au Au Au
良好高温特性,优良抗热疲劳性高温焊锡应用,如汽车工业SnAgSnAgSnAgSnAg
良好制程特性,Pb有毒一般应用,最普遍应用焊锡SnSnSnSn----PbPbPbPb
改善SnSb焊锡机械特性,不能与锌
共用
一般应用Sn-Sb-Pb
无毒性,良好高温与润湿性高温或食品工业应用Sn-Sb
容易变形,需要高活性助焊剂低温焊锡应用,如散热片/模组用
散热锡膏
SnSnSnSn----Bi Bi Bi Bi
特性应用焊锡
合金状态图合金状态图合金状态图合金状态图((((相图相图相图相图) ) ) )
共晶点共晶点共晶点共晶点
合金特性合金特性合金特性合金特性
高低中低单价成本
优优佳零件推拉力
强度
佳可(呈现稍雾状)优(呈现光亮)光泽度
优优可避免bga零件
的void过大
可优可防立碑现象
优优佳吃锡性
优优佳扩散性
179℃179~183℃183℃熔点
Sn62/Pb36/A
g2.0锡膏
Sn62.8/Pb36.8
/Ag0.4 锡膏
Sn63/Pb37
锡膏
合金
项目
中低高单价成本
优优佳零件推拉力
强度
呈现雾状呈现雾状呈现雾状光泽度
大大大表面张力
尚可尚可优接合强度
尚可差尚可吃锡性
尚可差尚可扩散性
138℃187~197℃217~219℃熔点
Sn-Bi
低温锡膏
Sn-Zn-Bi
系列锡膏
Sn-Ag-Cu系
列锡膏
合金
项目
含铅合金组成无铅合金组成
常用无铅合金组成与性质常用无铅合金组成与性质常用无铅合金组成与性质常用无铅合金组成与性质
4
Sn-3.9Ag-0.6Cu
Sn-3.8Ag-0.7Cu
Alloy composition
Sn-5.0Sb
Sn-0.7Cu
Sn-3.5Ag
Sn-3.0Ag-0.5Cu
Sn-8.8Zn
Sn-8.0Zn-3.0Bi
Sn-58Bi
Melting point
(oC)
243/236
227/227
221/221
219/217
219/217
219/217
199/199
197/187
138/138
Specific gravity
7.3
7.4
7.4
7.4
7.4
7.4
7.3
7.3
8.7
Sn-37Pb183/1838.4
Tensile strength
(Kgf/mm2)
5.1
3.4
3.2
3.6
3.5
3.5
4.6
7.1
7.0
4.3
Elongation
(%)
35
28
30
38
37
37
37
23
12
32
Sn-3.5Ag-0.7Cu219/2177.43.638
Sn-3.5Ag-4.0In-0.5Bi211/1907.45.232
5
No.
1
2
3
10
11
12
13
6
8
Sn-3.5Ag-8.0In-0.5Bi206/1707.56.5309
7
面临之挑战
无铅无铅无铅无铅无铅无铅无铅无铅--------焊锡焊锡焊锡焊锡焊锡焊锡焊锡焊锡, , , , , , , , 元件与元件与元件与元件与元件与元件与元件与元件与PCBPCBPCBPCBPCBPCBPCBPCB表面处理之更换表面处理之更换表面处理之更换表面处理之更换表面处理之更换表面处理之更换表面处理之更换表面处理之更换
无卤无卤无卤无卤无卤无卤无卤无卤--------基板基板基板基板基板基板基板基板, , , , , , , , 印刷电路板耐燃剂之更换印刷电路板耐燃剂之更换印刷电路板耐燃剂之更换印刷电路板耐燃剂之更换印刷电路板耐燃剂之更换印刷电路板耐燃剂之更换印刷电路板耐燃剂之更换印刷电路板耐燃剂之更换
材料材料材料材料材料材料材料材料--------胶材等之耐温性胶材等之耐温性胶材等之耐温性胶材等之耐温性胶材等之耐温性胶材等之耐温性胶材等之耐温性胶材等之耐温性, , , , , , , , 吸湿性与热膨胀系数等特性之调整吸湿性与热膨胀系数等特性之调整吸湿性与热膨胀系数等特性之调整吸湿性与热膨胀系数等特性之调整吸湿性与热膨胀系数等特性之调整吸湿性与热膨胀系数等特性之调整吸湿性与热膨胀系数等特性之调整吸湿性与热膨胀系数等特性之调整
组装制程调整组装制程调整组装制程调整组装制程调整
晶片
PCB
Underfill
Molding
compound打线
焊锡凸块
PCB表面处理焊锡膏BGA植球
导线架电镀
BGA基板
晶片
1.使用好的电镀零件
2.提高锡膏的活性力
3.尽量避免混合制程/ 提高制
程温度与相关材料耐热性
1.电镀的品质不佳
2.锡膏的活性太弱
3.无铅元件混合有铅制程
零件端湿润状况不佳
1.强化较平部位的膜厚度
2.提高锡膏的活性力
1.Sn-Cu层显露出来
2.锡膏的活性太弱
焊锡的较平部位的湿
润扩散性不佳
1.强化基板的管理
2.提高锡膏的活性力
3.调整适当温度曲线
1.Pad的氧化太严重
2.锡膏的活性太弱
3.预热中氧化太严重
Pad的湿润扩散性不
佳
润湿性不足
1.使用适於开口宽度的焊锡
粒径的锡膏
2.检讨印刷条件,钢板,特
性等后,选择适当的锡膏
1.未使用适应於钢板开口的锡膏
2.焊锡膏的黏性和印刷条件不恰当
3.钢板的张力不足
4.钢板清洁次数或程度不足
焊锡接合的地方,焊
锡量不平均
焊锡量
不足
1.调整成适当的温度曲线
2.确实依据锡膏产品建议使用
方式与保存条件
3.配合建议的条件(22
~25℃,RH65%湿度以下)
1.温度曲线不适用(eg.最大温度低,
预热时间长).
2.锡膏已经恶质化
3.印刷环境不良(eg.高温多湿)
在不定点不定时的不
熔融
1.变更设计或提高回焊温度
2.确切量测该点回焊温度
1.基板的背面/附近有吸热性很大的
零件或较大金属焊垫
焊锡有一部份在固定
的地方不熔化
未熔融
对策可能原因不良内容不良项目
孔洞,锡须详述於后
制程不良原因与对策制程不良原因与对策制程不良原因与对策制程不良原因与对策
1.调整成正确的温度
2.加强Flux 的管理或活性
3.加强Flux 作业管理
4.使用乾燥机去除压缩空气中所含
油份或水份
1.预热中的氧化太大
2.Flux 已经恶质化或活性较弱
3.Flux 含水份
4.使用的压缩空气含有油份或水份
波焊
1.强化基板管理
2.调整适当的温度曲线与均温性
1.PCB Pad的氧化太大
2.加热过於急促/ 元件与PCB pad受
热差异大
熔於lead上的焊锡
往上爬
呈现
灯蕊状
1.使用黏著力较强的锡膏
2.调整设备
1.锡膏的黏著力太弱2.mounting时的
振动太大
Mounter上去之后
零件乱飞没装好
1.调整装载的精准度
2.调整设备
3.降低锡膏的活性力
1.mounting的精准度不佳
2.回焊炉的鍊条倾斜太大
3.因为活性太好,自行排
列的效果不佳
零件的位置没有接
合好
零件的位置不对
1.使用slump现象较小的锡膏2.印
刷量要适当
1.锡膏的slump太大
2.锡膏的印刷量太多
片状零件的侧面产
生焊锡球
1.调整成正确的温度
2.提高锡膏的活性
3.使用slump现象较小的锡膏
1.预热中的氧化太大
2.锡膏的活性较弱
3.锡膏的slump太大
Pad产生焊锡球锡珠
1.提高预热温度
2.调整各项印刷参数与开孔设计
3.提高装载精准度
1.Pad的氧化太大/不均
2.印刷量不平均
3.mounting时的差距(offset) 太大
片状零件的电极有
一方没接好,导致
零件竖立起来
立碑现象
制程不良原因与对策制程不良原因与对策制程不良原因与对策制程不良原因与对策
1.调整低残渣(固态含量较少)或
软质的锡膏
2.调整成适当的压力
1.助焊剂残渣黏住
2.PIN压太低
3.助焊剂残留太硬
PIN的接触不
良
ICT
检查
不良
1.调整成正确的温度
2.提高Flux 的活性
3.调整沾锡时间
4.调整适当输送速度
1.预热温度过高氧化太大
2.Flux 的活性较弱
3.沾锡时间过长
4.输送速度过快
零件脚或焊点
上有拉尖现象
锡尖
(波焊)
1.改善开口设计
2.加强PCB品管
3.调整治具设计或制程
4.改善喷涂量或Flux活性
5.调整最佳制程参数
1.开口尺寸设计不良
2.PCB表面处理品质不良
3.零件或PCB吸放热造成温差过大
4.Flux喷涂不足或活性不足
5.制程条件不佳(角度,温度,速度控制)
DIP零件焊点
爬锡不足
填孔率不足(波焊)
SMT
1.印刷量要适中,调整印刷
机参数或钢板开孔设计
2.使用slump现象较小的锡膏
波焊
1.提高Flux 活性能力
2.增加Flux 喷涂量
3.改善治具设计
SMT
1.锡膏的印刷量太多
2.焊锡膏的slump太大
波焊
1.Flux 活性太弱
2.Flux 喷涂量不足
3.治具设计不良
邻接的lead用
焊锡相连接起
来
架桥,短路
1.调整适当温度曲线
2.选用适当合金组成
3.调整设计
1.制程冷却速度控制不对
2.合金pasty range 太大并於凝固时严重偏析
3.设计不良导致焊点各区温差过大
焊点外观可以
看到明显裂痕
锡裂
对策可能原因不良内容不良项目
制程不良原因与对策制程不良原因与对策制程不良原因与对策制程不良原因与对策
波焊制程改善条件波焊制程改善条件波焊制程改善条件波焊制程改善条件
※※※※改善基板表面镀层品质改善基板表面镀层品质改善基板表面镀层品质改善基板表面镀层品质
※※※※选择品质良好之零件选择品质良好之零件选择品质良好之零件选择品质良好之零件
※※※※选择效能良好之助焊剂选择效能良好之助焊剂选择效能良好之助焊剂选择效能良好之助焊剂
※※※※FLUXFLUXFLUXFLUX涂怖量及涂怖均匀性控制涂怖量及涂怖均匀性控制涂怖量及涂怖均匀性控制涂怖量及涂怖均匀性控制
※※※※选择恰当选择恰当选择恰当选择恰当PROFILEPROFILEPROFILEPROFILE曲线曲线曲线曲线
※※※※输送速度要合适输送速度要合适输送速度要合适输送速度要合适
※※※※锡炉条件需掌握锡炉条件需掌握锡炉条件需掌握锡炉条件需掌握
※※※※减少预热区至锡波之距离减少预热区至锡波之距离减少预热区至锡波之距离减少预热区至锡波之距离
※※※※加强锡炉后方之冷却效率加强锡炉后方之冷却效率加强锡炉后方之冷却效率加强锡炉后方之冷却效率
治
具
治具
(c)Voiding mechanism
(a) One void
(b) Two voids
Solder Ball
(SnPb)
PCB
Solder(SnAgCu)
BGASEM 横截面横截面横截面横截面
BGA voiding
经过多种实验之后经过多种实验之后经过多种实验之后经过多种实验之后,,,,所得之经验值如下所得之经验值如下所得之经验值如下所得之经验值如下::::
产生voiding最多的组合为:
SnAgCu paste + SnPb components
产生voiding次多的组合为:
SnAgCu paste + SnAgCu components
产生voiding较少的组合为:
SnPb paste + SnPb components
实际案例
Bridge在加热过程中,水分子急速膨胀,导致气孔体积成长
BGA voiding
Types of Voids in Solder Joints
Intel
BGA voiding
The top of the
solder ball is not
melted yet
The top of the
solder ball is not
melted yet
Melted solder
paste
Contaminants
Solder pastePrior melting part
Fig. the melting condition caused while contaminants exist
Fig. the growth of large voidsFig. the beginning of melting and the
generation of the gases
Source : Hasegawa, microsoldering for BGA
Solder paste
Electric-
potential
corrosion is
easy to occur
on the Ni side
Cu 20μm
Ni 5μm
Au below
0.5μm
opening
Fig. SMT assembled state
before reflow
Fig. the cross section of
the electroplated layers
Fig. The place indicated by the arrows cools down first so the
open failure can occur easily.
Source : Hasegawa, microsoldering for BGA
BGA voiding
Sn whisker
Lead-free plating: Matte Sn, Sn-Bi or Sn-Cu
Sn whisker issue
Formation mechanism
Test Specification
NEMI (Test Method for Evaluation Tin Whisker Growth
on Plated Surfaces)
1. Temperature/Humidity: 65 ±5°C/87(+3/-2)% RH >
4000 h
2. Temperature Cycling: -55 or -40 (+0/-10)°C to 85
(+10/-0)°C > 1500 cycles (Air to air, 3 cycles/h)
3. Ambient conditions: >30 ±2°C and 60 (±3)% RH
SONY
1. Temperature/Humidity: 85°C/85% RH > 500 h
2. Thermal Cycling: -35°C~ 125°C > 500 cycles
DELL
1. Temperature/Humidity: 60°C/95% RH > 500 h
2. Thermal Cycling: -55°C~ 85°C > 500 cycles
Acceptable Criteria
1. NEMI: Whisker length < 45 ~ 67 m
2. E4: 240C Reflow
Sn whisker
Characteristics of PCB Surface Finish
Worse thermal resistance
Difficult to measure the thickness on
product
Simple process
Strong Sn/Cu solder joint
Low cost
OSP
Quick IMC growth
S/M peeling
Thiourea(odor and carcinogen)
Whisker issue
Simple process
Strong Sn/Cu solder joint
IMT
Sensitive to Cland S
Scratch issue
Simple process
Excellent wetting ability
Strong Sn/Cu solder joint
IMS
Complex process
High cost
Sn/Ni solder joint would be concerned
Wide application (touch pad, wire bonding
and assembly)
High resistance to oxidation
ENIG
ConcernsAdvantages
+++++++++++
copper
planar
organic
OSP
+++++Cost
+++++++Solderability
+++++++S/M liftingSn-Ag-Cu
Sn-Cu
Sn-Cu-Ni
+++++++Shelf life
shiny graywhitesilvergoldColor
non-planarplanarplanarplanarSurface
molten soldertin metalorganic silverE-less Ni/AuType
Pb-free HASLIMTIMSENIG
Proposed Lead Free Transition Scenario
GOAL: Lead Free Process
Package: LF terminals or totally
LF package
OEM: LF paste process
Backward Compatibility
Package: LF terminals or totally
LF package
OEM: Lead paste process
NOW: Current Process
Package: Lead terminals
OEM: Lead paste process
Forward Compatibility
Package: Lead terminals and
high temperature capability
OEM: LF paste process
Scenario 3
Scenario 2 ( The most realistic story)
Scenario 1
Backward Compatibility, Dual line
concerns, etc
The lead-free solder containing Bi, frequently causes Lift-off.
Correlation of the typical solder with Lift-off occurrence rates.(DIP-IC)
Type of solders
0
20
40
60
80
100Lift-off occurrence rate (%)
Sn-3.5Ag-0.75Cu
Sn-2.5Ag-1Bi-0.5Cu
Sn-2Ag-4Bi-0.5Cu-0.1Ge
Sn-0.7Cu-0.3Ag Sn-37Pb
t=1.2mm
t=1.6mm
Source : The 6th Jisso International Forum in Hsinchu Taiwan November, 2002 JEITA
Backward Compatibility ConcernBackward Compatibility Concern
Lead Free terminal BGA and SnPb solder pasteshow less
mechanical strength. Pad finish on the board may contribute to t
he problem.
BKM is needed.
Source: Fujitsu home page.
Source : A Comparative Study on Drop Test Performance of Fine Pitch BGA Assemblies
Using Pb-free and Tin-lead Solders, Flextronics, 2006 ECTC.
SAC387
Source : A Comparative Study on Drop Test Performance of Fine Pitch BGA Assemblies
Using Pb-free and Tin-lead Solders, Flextronics, 2006 ECTC.
Comparison of SAC vsSnPbin drops to
failure (MDBF). (G2=Group2, G4=Group4)
Source : A Comparative Study on Drop Test Performance of
Fine Pitch BGA Assemblies Using Pb-free and Tin-lead
Solders, Flextronics, 2006 ECTC.
Source : A Comparative Study on Drop Test Performance of Fine Pitch BGA Assemblies
Using Pb-free and Tin-lead Solders, Flextronics, 2006 ECTC.
Summaries
From this study, a new drop test method, board level free fall drop
(BFFD), was demonstrated using fine pitch CSP and BGA
assemblies using SAC and SnPb alloys. The first failure may be
within 30 drops for most large CSPs (body size >6mm), which is
similar to those in cellular phones using PFFD if no extra protection
(shielding) is used.
The impact of the solder alloy on the drop test performance was
found to be package and locationdependent.
The SAC solder is as good as SnPb for small packages but not as
good as SnPb solder for larger area array packages.
The strainplay a significant role in the drop test performance
comparison, and it is shown from this study that the SnPb
outperformed the SAC in the high strain region.
Source : A Comparative Study on Drop Test Performance of Fine Pitch BGA Assemblies
Using Pb-free and Tin-lead Solders, Flextronics, 2006 ECTC.
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Ag, Cu 含量对无铅锡银铜合
金特性之影响
Effect of thermal cycles on the failure rate of
Sn-xAg-0.5Cu (x 1, 2, 3, and 4) solder joints
on the Cu/Ni/Au pads.
Effect of thermal cycles on the failure rate of
Sn-xAg-0.5Cu (x 1, 2, 3, and 4) solder joints
on the Cu pads.
Effect of Silver Contenton Thermal Fatigue Life of
Sn-xAg-0.5Cu Flip-Chip Interconnects
Source :Journal of ELECTRONIC MATERIALS, Vol. 32, No. 12, 2003
Effect of Silver Contenton the Shear Fatigue Properties
of Sn-Ag-Cu Flip-Chip Interconnects
Journal of ELECTRONIC MATERIALS, Vol. 33, No. 4, 2004
Cyclic stress-strain curves for each
flip-chip joint.
Plastic displacement as a function of
total displacement.
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SnAgCu及SnAgCuNiGe
之特性比较
Patent Study
Ag%
Overview of SnAgCu Patent Coverage
Cu%
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
5Iowa
Senju
Fujielectric
3.5
USUS
JPJP
GMGM
JP: 3296289 Sn— 1≤Ag ≤4 — 0<Cu≤2.0— 0<Ni≤0.5 — 0<Ge≤0.1
UP: 6179935B1 Sn— 0<Ag≤4 — 0<Cu≤2 — 0<Ni≤1.0 — 0<Ge≤1.0
http://www.fujielectric.co.jp/solder/
Patent Study
Japan Patent No.3296289
U.S.A. Patent No.6179935B1
SAC Alloy
SnAgCu
SnAgCuNiGe
+ +
+ + + +
SAC Alloy + Ni + Ge
Ni Added:
Increasing Thermal Reliability,
High Temperature Resistant
GeAdded:
Oxidation Resistant
& Increasing Wetting Ability
Alloy Composition in this Study
SAC305(A company)
SAC305NiGe (PF610 in ShenMao)
0.0075±±±±0.00250.06±±±±0.023±±±±0.3<0.002<0.03<0.002
GeNiAgCdAsAl
<0.02<0.002<0.10.5±±±±0.2<0.12<0.05Balance
FeZnBiCuSbPbSn
0.0075±±±±0.00250.005±±±±0.0023±±±±0.3<0.002<0.03<0.002
GeNiAgCdAsAl
<0.02<0.002<0.10.5±±±±0.2<0.12<0.05Balance
FeZnBiCuSbPbSn
SAC305X (PF606 in ShenMao)
SAC305 weight gain 1.077%
PF610 weight gain 0.992%
Oxidation Resistant Test
Oxidation Resistance (test by TGA,
Φ0.45mm BGA)
PF610
SAC305
PF606
no color change
PF610
no color change
PF610
no color change
SAC305 (A company)
color change
SAC305 (SM sample)
color change
Φ0.45mm BGA at 175C Oven for 24Hrs
Reflowin-situObservation
SAC 305
PF606
SAC
PF610
SACNG
SP-5000DS
Solidification Feature
SAC305PF610
Appearance of 0603 Chip after Reflow(OM)
Chip on OSP Pad
PF606
1000 Hrs at 100C
Cu3Sn
Kirkendall voids
Coarse of Ag3Sn
Ag3Sn
as-received
SAC305
PF610
Cu6Sn5
IMC Observation of Different Pad Finish
BGA on Ag/Cu/FR4 (Φ0.4mm)
Ag=0.2um
Cu=25um
FR4
J. Electron. Mater. Feb (2006)
1000Hrs at 150C
(Cu0.9Ni0.1)6Sn5
Cu6Sn5
IMC Observation of Different Pad Finish
as-received
Au=0.5um
Ni=5um
Cu=25um
BT
BGA on Au/Ni/Cu/BT
J. Electron. Mater. Feb (2006)
Cu6Sn5
1000Hrs at 100C
(Ni,Cu,Au)3Sn4
AuSn4
SAC305
PF610
1000Hrs at 150C
AuSn4
(Cu,Ni,Au)6Sn5Ag3Sn
BGA Solder Ball shear test
0 500 1000
0
4
8
12ball shear force (nt)
aging time (hrs)
FR4 (Ag/Cu)
100 PF610
150 PF610
150 SAC305
100 SAC305
J. Electron. Mater. Feb (2006)
0 500 1000
0
4
8
12
ball shear force (nt)
aging time (hrs)
BT (Au/Ni/Cu)
100 PF610
150 PF610
100 SAC305
150 SAC305
NiNiNiNi添加对添加对添加对添加对SACSACSACSAC与与与与CuCuCuCu界面反应影响界面反应影响界面反应影响界面反应影响
固/固反应:
Sn-Ag-Cu
Sn-Ag+Ni
Sn-Ag-Cu+Ni
105℃℃℃℃-500h120℃℃℃℃-500h150℃℃℃℃-500h
Cu6Sn5Cu6Sn5+Cu3Sn
(Cu,Ni)6Sn5
Cu6Sn5+Cu3Sn
(Cu,Ni)6Sn5(Cu,Ni)6Sn5IMC Layer
IMC Layer
Aging
NiNiNiNi添加对添加对添加对添加对SACSACSACSAC与与与与CuCuCuCu界面反应影响界面反应影响界面反应影响界面反应影响
Sn-Ag及Sn-Ag-Cu与Cu基材接合(固/固)
Sn-Ag-CuSn-Ag+Ni/Sn-Ag-Cu+Ni
NiNiNiNi添加对添加对添加对添加对SACSACSACSAC与与与与CuCuCuCu界面反应影响界面反应影响界面反应影响界面反应影响
Sn-Ag及Sn-Ag-Cu与Cu基材接合(液/固)与时效(固/固)
→界面IMC层变化
Cu6Sn5(as reflow)→Cu6Sn5(短时间)→Cu6Sn5+Cu3Sn(长时间)
Sn-Ag+Ni及Sn-Ag-Cu+Ni与Cu基材接合(液/固)与时效(固/
固)→界面IMC层变化
(Cu,Ni)6Sn5(as reflow)→(Cu,Ni)6Sn5(短时间)→
(Cu,Ni)6Sn5(长时间)→(Cu,Ni)6Sn5+Cu3Sn(极长时间)
Ni添加抑制Sn与Cu间之固态扩散反应
→阻碍Solder/Cu间之IMC成长
Summaries
1. The merits of addition of Ni and Ge into SAC305 can be concluded
as below:
a. Better corrosion resistant ( potentiodynamic polarization)
b. Better oxidation resistant ( TGA)
c. Better soldering feature ( SMT Scope)
d. Finer solidification feature (OM & SEM)
e. Higher pull and shear stress ( bond tester)
2. For a longer heat -treatment
a. Addition of Ni,Ge can suppress the growth of IMC Cu3Sn
b. Addition of Ni,Ge can suppress the kirkendall effects
c. Addition of Ni,Ge can get a more uniform IMC Cu6Sn5
d. Addition of Ni,Ge can suppress the growth of IMC Ag3Sn
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Sn-xAg-0.5Cu-0.04Ni-0.01Ge无无无无
铅焊锡之性质及铜界面反应研究铅焊锡之性质及铜界面反应研究铅焊锡之性质及铜界面反应研究铅焊锡之性质及铜界面反应研究
高锡量SAC的溶铜速率比
T/L更快,多次喷锡或波焊
后PTH之孔缘甚至孔壁或孔
环等都可能被液锡吃掉.
四种常见金属在液锡中的
溶速(Dissolution Rate)分
别是:Ni 0.05μ"/sec,Cu
4.1μ"/sec,Ag 43.6μ"/
sec,Au 117.9μ"/sec
浸SC焊料20.1秒 浸SC焊料22.41秒 浸SC焊料35.6秒
Sn-3.0Ag-0.5Cu 250℃, 3.3 seconds
Source : 白蓉生TPCA 2005 Dec.
0.010.040.53.0BalSAC305NG
0.010.040.52.0BalSAC205NG
0.010.040.51.0BalSAC105NG
0.010.040.50.1BalSAC0105NG
0.010.040.50.01BalSAC00105NG
GeNiCuAgSnNo
表一:Sn-xAg-0.5Cu-0.04Ni-0.01Ge合金成份表(wt%)
表二:业界常用之无铅喷锡合金
227Sn-0.7Cu-0.05Ni
227Sn-0.7Cu
227Sn-0.3Ag-0.7Cu
217Sn-3Ag-0.5Cu
Melting point(℃)Alloy
200220240
50454035302520
SAC0105NG
SAC00105NG
SAC205NG
SAC105NG
SAC305NG
Heat Flow Endo Down(mW)
Temperature()℃
Sn-xAg-0.5Cu-0.04Ni-0.01Ge焊锡合金DSC分析图
Sn-xAg-0.5Cu-0.04Ni-0.01Ge合金显微组
织SEM照片(a)x=0.1,(b)x=1,(c)x=2,(d)x=3
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0
20
40
60
80
100
Ag Composition(wt%)
YS(MPa)
UTS(MPa)
EL(%)
Ag3Sn(%)
Ag含量对合金机械性质与Ag3Sn分布
量之关系图
05001000150020002500
6507007508008509009501000
Copper wire diameter( m)
Time(sec)
SAC00105NG
SAC0105NG
SAC105NG
SAC305NG
SAC305
铜线浸入时间与直径变化关系图
SAC0105NG
SAC105NG
SAC305
SAC305NG
Sn-0.3Ag-0.7Cu
Sn-0.7Cu-0.05Ni
SAC00105NG
0
0.010.020.030.040.050.060.070.080.09
Rate of Erosion(祄/s)
无铅焊锡合金之铜材咬蚀速率比较图
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微细焊锡粉岕之开发
何谓锡膏何谓锡膏何谓锡膏何谓锡膏
RosinOrganic AcidSolvent
含铅锡膏无铅锡膏
锡粉助焊剂
松香or 树脂活性剂溶剂2000倍3700倍
混合搅拌
Oxygen content limit
<200 ppmType 65
<180 ppmType 54
<150 ppmType 43
<130 ppmType 32
<120 ppmType 21
Oxygen ContentPowder TypeNo
Solder Powder size
5 microns15~5 microns15 micronsType6
15 microns25~15 microns25 micronsType5
20 microns38~20 microns38 micronsType4
20 microns45~25 microns45 micronsType3
20 microns75~45 microns75 micronsType2
10% maximum
less than
90% minimum
between
Less than 1%
Larger than
% of sample by weight-Nominal SizeGrade
J-STD-005 & IPC-TM-650 2.2.14 , 2.2.14.1
For heat sink
For SMT process
For Flip Chip process
Solder Powder Development
SEM Picture of Type 7Sn63/Pb37
Powder. Print at 80μμμμm Pitch
SEM Micrograph of Solder Bump
Deposits at 80 μμμμm Pitch
Source : Fraunhofer IZM
Case study
Important factors : Powder , FluxPowder , Flux
Application on Flip Chip Process
Type 5 Paste tested in customer site
12 inch wafer
6 inch wafer
Flip Chip vs. Wafer Level Package
Solder ball
for WLCSP
Solder paste
for wafer
bumping
Source : ASE
Finer powderSmaller ball
News about lead-free solders
The deadline for lead-free in EU, July 1, 2006
The deadline for lead-free in CN, Mar. 1, 2007
Sn-Zn-Al (199 C), Fujitsu, US patent 6361626
Sn-8Zn-3Bi (198 C), NEC and Sony
Sn-Zn-Ag-In (200 C), Panasonic (March 2004)
Sn-Ag-Cu-7In (204 C), Hitachi
无铅焊锡无铅焊锡无铅焊锡无铅焊锡可能的可能的可能的可能的未来走向未来走向未来走向未来走向
1.降低成本与作业温度将为首要考量.
2.在焊锡无银化立法前,SAC仍将为主流合金.短中期将以低银与多元添加为
主要发展方向.
3.针对各种不同需求的电子产品,不同的SnAgCu based合金将持续被采用,如
Fujitsu 的Sn-Ag-Cu-Ni-Ge, Hitachi的Sn-Ag-Cu-In与LG的Sn-Ag-Cu-Bi等.
4.用於元件端的高铅合金不受限於无铅法规之内.很有可能有越来越多的排外
条款出现.
5.除了SAC合金,Sn-Ag, Sn-Cu, Sn-Zn系合金仍有其生存空间.
6.更细小化焊锡粉岕与BGA锡球之需求.
7.更低含氧量或配合新制程/设备开发之焊锡材料亦将为未来之重点之一.
结结结结论论论论
THANKS!THANKS!
Q & AQ & A
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