Lead Free Solder for Flip Chip

Zhenwei Hou & R. Wayne Johnson

Laboratory for Electronics Assembly &

Packaging – Auburn University

162 Broun Hall, ECE Dept.

Auburn, AL 36489 USA

334-844-1880

johnson@eng.auburn.edu

Erin Yaeger, Mark Konarski & Larry Crane

Loctite Corporation

1001 Trout Brook Crossing

Rocky Hill, CT 06067 USA

860-571-2599

Larry_Crane@loctite.com

Abstract

The electronics industry is moving to replace lead in electronic assemblies. The driving

factors are potential legislation, primarily in Europe, and global market pressures for more

environmentally friendly products. The search for a ‘drop-in’ solder alloy replacement has been

ongoing for more than 10 years and none have been found. The current industry trend is to use

the eutectic (or near eutectic) Sn-Ag-Cu alloy. The melting point of this alloy (~217

o

C) is

significantly higher (34

o

C) than eutectic Sn-Pb (183

o

C). This will impact the assembly process. In

addition, the lead-free alloys have a higher modulus than eutectic Sn-Pb. This may change the

stress distribution during thermal cycle testing, affecting reliability and failure modes. This paper

examines the assembly process for flip chip die with Sn-Ag-Cu solder bumps and initial reliability

testing.

Key Words: Flip Chip, Lead-free, Assembly, Reliability

Introduction

The elimination of lead in electronics

assembly has been discussed since 1990.

Initially, the driving force was a proposed

legislative ban in the U.S. At the time no

solder alloy replacement alloys were

identified and the legislation was dropped

under strong pressure from the electronics

industry. However, increasing restrictions on

hazardous materials in landfills, recycling

requirements and manufacturer

responsibility for products from ‘cradle-to-

grave’ have kept the topic of lead in the

mind of manufacturer’s. Today, with

proposed legislation in Europe and global

competitive market pressures, particularly in

Japan, the elimination of lead in many, if not

all, electronic products appears imminent.

The successful introduction of electronic

products assembled with lead-free solders

belies the arguments that it can not be done.

However, just because some assembly

types and reliability requirements can be

satisfied with lead-free solder, does not

translate to all products and all reliability

requirements. Much work remains to be

done.

One of the first challenges to the

industry was the selection of a replacement

solder alloy. The National Center for

Manufacturing Sciences (NCMS) concluded

in 1997, after a major four year research

effort that there were no ‘drop-in’

replacements for eutectic Sn-Pb [1]. The

International Tin Research Institute (ITRI) [2]

and the National Electronics Manufacturing

Initiative [3] are both recommending the Sn-

Ag-Cu eutectic (or near eutectic) alloy for

reflow solder applications. Momentum does

appear to be building for this alloy selection.

The Sn-Ag-Cu eutectic has a melting point

of ~217

o

C, significantly higher than eutectic

Sn-Pb (m.p. 183

o

C). This will require higher

peak reflow temperatures that may in turn

impact fluxes and flux residue. For flip chip

applications, the interaction between the

underfill and the flux residue may degrade

thermal cycle and thermal shock reliability.

The higher Young’s modulus of the Sn-Ag-

Cu alloy (46 GPa versus 33 GPa for eutectic

Sn-Pb) will also alter the stress distribution

on the assembly, potentially impacting

reliability and failure mechanisms.

This paper examines the assembly

process for flip chip die with Sn-Ag-Cu alloy

bumps and initial thermal shock testing. Die

with eutectic Sn-Pb solder were used for

controls in the experiments.