晶片级微细铜导线与无铅焊锡特性
成大微奈米科技研究中心 高中職科學教師奈米科技研究經驗培育計畫
晶片級微細銅導線與無鉛銲錫特性 心得報告
張弘智
『鉛(Pb)是電子產品中焊錫的主要成份之一』,隨著電機、電子、資訊產品的普及,大量使用鉛錫合金做為導線銲接的主要材料,使用鉛合金有兩個原因:第一是價格便宜,就錫(Sn)而言,它的價格是鉛的10倍,一般含有95%錫的無鉛錫線就比有含鉛的錫線成本貴了3~4倍。第二是銲接容易,無鉛焊料的熔點比含鉛高30?,溫度提高,不僅電能增加,工廠機器的損耗也隨之提高,加上錫也較不容易銲接。因此Pb-Sn合金就一直被廣泛的應用在焊接材料上。
既然鉛錫合金好用又便宜,為何要改成「無鉛」銲錫呢,根據美國環境保護署指出,鉛及其化合物是17種嚴重危害人類壽命與自然環境的化學物質之一,人體內若存有過量的鉛金屬,將會導致神經和再生系統紊亂、發育遲緩、血色素減少,並引發貧血和高血壓以及消化系統等疾病。因此,在環保意識高漲的歐盟率先宣佈:2008年所有新的電子設備上市時,都要達到無鉛的要求,因電子產品淘汰速度過快,還通過「廢電機電子設備指令」規定所有在歐洲進行銷售的電子、電器產品製造商,必須回收廢棄電子產品,以避免電子產品遭淘汰時,鉛會隨之污染土地、水源。根據統計,全球每年使用銲接電子產品的鉛有六萬公噸,這些鉛隨著現代人過分依賴電子產品而污染大地,所以大家才開始警覺到應該使用無鉛的電子、電器產品,改採環保綠色產品,留給子孫一個乾淨的地球,雖然有些技術問題極待克服,也要有「雖千萬人,吾往矣,」的勇氣。
在「晶片級微細銅導線與無鉛銲錫特性」的課程中,一顆顆看似不起眼的小小無鉛錫球,卻充滿著無數的學問,有鉛錫球與無鉛錫球如圖1.所示。首先是無鉛環保小錫球的製造,在充滿氮氣(N2)的容器中,利用電熱機制設備,使熔融液態錫金屬變成一顆顆大小均等的微米級錫球,製程條件的溫度、壓力、速度都會改變球的形狀與粒徑,以及表面粗糙度,為了得到改善,就須從Sn-Ag-Cu合金相圖著手研究。在晶片級導線的焊接應用方面,數以千計一根根細小的銅線(20µm),其線寬比頭髮直徑還細,整齊排列在晶片的四周,如圖2.所示,又要以用無鉛錫球加以接合,當然不是「黏住」就好,還得通過拉力測試,讓電子產品能承受某種程度的衝擊性;焊接時,由於無鉛的焊接性不良,不同材料之熱膨脹係數也不同,溫度改變時會造成焊接處的內應力,銲點顏色也會改變,不再像含有鉛合金那麼光亮,一大堆的材料問題有待解決。
在教授細心的從表面形貌、接點組織的微觀性質、接合處的成份分析、各處的微硬度比較、斷裂界面的觀察等等問題,利用金屬材料的專業知識及先進的研究設備,加上
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無限的耐心,追根究底探討產品發生不良的原因,逐一抽絲剝繭,把問題一一解決,也爲工業與多家廠商解決無數的難題,另外,也從其他資料得知,材料系教授林光隆也研發出含五種元素「錫、鋅、銀、鋁、鎵」的無鉛錫球,完全符合歐盟規定,在製程上也不必更改設備,節省大筆成本和時間,為台灣電機電子零組件創造非常大的利益,可見教授群的用心。
圖1.有鉛錫球與無鉛錫球之SEM外觀圖 圖2.晶片級導線的焊接應用方面
圖片來源:上課資料 圖片來源:上課資料
由於環保意識得抬頭,未來對於產品的環保要求,勢必會越來愈嚴苛,所以在設計產品時,應將綠色要求的概念植入在設計內,包括選擇的原料、產品和製程,甚至回收都能採取綠色的思考,爲環境盡一份心力,別再傷害地球。
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