實驗方法與控制因素

美國材料與試驗學會(American Society for Testing and Materials, ASTM) 中的的 F219-96(Reapproved 2000)規範[45]，該規範針對電子元件線徑小於 0.25mm 微細線，本實驗採用此規範，規範中與拉伸試驗試驗相關之規範，在 此提出做為本研究之準則，其內容如下：

1.實驗的線材不可有彎曲、折損。

2.取用線材之時每次需間隔 305mm 以上。

3.線材長度 254mm，拉伸速率 25.4mm/min。

4.試驗用夾具不可使線材滑動或損傷。

5.降伏強度取得定義為總伸長量 1%之時所承受的應力。

6.線材斷裂處距離夾具挾持處 12.7mm 範圍以內，試驗為無效。

7.不同條件的線材至少三次實驗平均值。

8.拉伸強度單位為 gf/(mg/200mm)或 kgf/cm² Note：單位變換

gf/(mg/200mm)=psi×0.003515/▲

psi=F/W×284.5×▲

kgf/cm²=psi×0.0703 psi=kgf/cm²×14.22 F=斷裂負載，gf

▲=材料密度，gm/cm³ W=材料的重量，mg/200mm

上述F219-96(Reapproved 2000)規範中的第 6 項，對於熱影響區的拉球試驗，

其斷裂位置位於熱影響區，而非熱影響區約 99%的長度同時受到拉力影響並 且造成塑性變形，熱影區的位置在底端因此無遵照此規範6。

進行拉伸試驗試片長度為 1cm 長，標距長度(Gauge Length)定義為 1cm，

圖4-7，根據規範 ASTM F21-96 (Reapproved 2000)，拉伸速率(Tensile Speed，

V)為 1mm/min 進行拉伸試驗，結果如圖 4-8~4-17。從結果中發現拉伸速率與 總伸長量(試片原長+變形量)的關係可找出應變率(Strain Rate)，或是拉伸速 率、試片原長量與工程應變的關係也可找出來，換算應變率為ε^• =10⁻⁴S⁻¹。分 別整理出表4-2。

圖4-7. 試片標距長度定義

0

0 0.015 0.03 0.045 0.06 0.075 0.09

Engineering Strain (mm/mm)

Engineering Stress (MPa)

AS-Drawn 25 ℃

Annealing Temperature 125 ℃ Annealing Temperature 200 ℃

圖4-8. 金線拉伸試驗，工程應力-應變圖(拉伸速率=1mm/min)

0 0.015 0.03 0.045 0.06 0.075 0.09 True Strain (mm/mm)

True Stress (MPa)

AS-Drawn 25 ℃

Annealing Temperature 125 ℃ Annealing Temperature 200 ℃

圖4-9. 金線拉伸試驗，真實應力-應變圖(拉伸速率=1mm/min) (應變率=10⁻⁴S⁻¹)

0

Annealing Temperature 125 ℃ Annealing Temperature 200 ℃

圖4-10. 銅線拉伸試驗，工程應力-應變圖(拉伸速率=1mm/min)

Room Temperature 25 ℃ Annealing Temperature 125 ℃ Annealing Temperature 200 ℃

圖4-11. 銅線拉伸試驗，真實應力-應變圖(拉伸速率=1mm/min) (應變率=10⁻⁴S⁻¹)

0 50 100 150 200

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 Engineering Strain (mm/mm)

Engineering Stress(MPa)

As-Drawn 25 ℃

Annealing Temperature 125 ℃ Annealing Temperature 200 ℃

圖4-12. 金球拉球試驗，熱影響區工程應力-應變圖

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 True Strain (mm/mm)

True Stress(MPa)

As-Drawn 25 ℃

Annealing Temperature 125 ℃ Annealing Temperature 200 ℃

圖4-13. 金球拉球試驗，熱影響區真實應力-應變圖 (拉伸速率=1mm/min)(應變率=¹⁰⁻⁴S⁻¹)

0

Annealing Temperature 125 ℃ Annealing Temperature 200 ℃

圖4-14. 銅球拉球試驗，熱影響區工程應力-應變圖

Room Temperature 25 ℃ Annealing Temperature 125 ℃ Annealing Temperature 200 ℃

圖4-15. 銅球拉球試驗，熱影響區真實應力-應變圖 (拉伸速率=1mm/min)(應變率=¹⁰⁻⁴S⁻¹)

0

Annealing Temperature 125 ℃ Annealing Temperature 200 ℃

圖4-16. 銅球二次燒球(2EFO)拉球試驗，熱影響區工程應力-應變圖

Room Temperature 25 ℃ Annealing Temperature 125 ℃ Annealing Temperature 200 ℃

圖4-17. 銅球二次燒球(2EFO)拉球試驗，熱影響區真實應力-應變圖 (拉伸速率=1mm/min)(應變率=¹⁰⁻⁴S⁻¹)

表4-.2 拉伸速率 1mm/min 應變率10⁻⁴S⁻¹之影響，真實應力-應變材料組成

Tensile Test V=1mm/min

Materials Properties E σ Y UTS n K ε ^F m

Unite Gpa Mpa Mpa Mpa mm/mm

Materials

Au Wire 25℃ 48.3 197 211 0.063 268 0.06 0.0071 Au Wire 125℃ 42.7 183 193 0.06 241 0.063 0.0084 Au Wire 200℃ 38.7 150 160 0.053 193 0.075 0.0091 Cu Wire 25℃ 82.8 129 203 0.37 532 0.078 0.011 Cu Wire 125℃ 77.1 120 201 0.36 521 0.134 0.0148 Cu Wire 200℃ 75.9 115 196 0.34 457 0.154 0.0183 Au Ball 25℃-HAZ 31.9 144 152 0.005 Au Ball 125℃-HAZ 24.3 134 147 0.007 Au Ball 200℃-HAZ 21.4 121 139 0.009 Cu Ball 25℃-HAZ 72.2 125 203 0.35 524 0.094 0.048 Cu Ball 125℃-HAZ 66.1 122 198 0.33 456 0.13 0.052 Cu Ball 200℃-HAZ 63.2 110 193 0.32 411 0.14 0.05 Cu 2EFO 25℃-HAZ 57.3 124 200 0.34 496 0.08 0.055 Cu 2EFO 125℃-HAZ 53.7 119 192 0.33 458 0.09 0.058 Cu 2EFO 200℃-HAZ 55.5 108 189 0.316 410 0.11 0.06

在銅線銲線接合數值模擬中，以銲接接觸速度(Contact Velocity，C/V) 約0.3~0.6mil/ms 之設定，其接觸速度參照原機台上之設定，然而與真實銲 接速度或相關設定仍有差距。C/V=0.3mil/ms 其銲針衝擊位移(Impact Displacement)為 7.62

µ m

與衝擊時間(Impact Time)為 1ms，圖 4-18，為銲 針位移方向，換算方式：

C/V=0.3mil/ms=(Impact Displacement)/(ImpactTime)=7.62mm/s

圖4-18.銲線接合數值模擬中銲針位移方向

因此材料受到拉伸速率的狀況也必須與銲接接觸速度一致，材料在快速拉 伸將造成變形量不同，應變率同時升高，材料特性因此影響改變。在萬用 拉伸試驗機 INSTRON 3365 型中，向上位移的十字夾頭是給予拉伸速率 (Tensile Test，V=mm/min)，以下的拉伸實驗定義拉伸速率為配合銲接接觸 速度：

C/V=7.62mm/s =457.2mm/min=V

拉伸速率為457.2mm/min 進行拉伸試驗，由於拉伸速率過快對極細的線材 不易記錄負載與位移的曲線，因此將機台的資料擷取率提升至100Hz，接 著分兩階段拉伸速率控制：第一段使十字夾頭微量位移，第二階段拉伸速 率 為 457.2mm/min ， 方 可 記 錄 負 載 與 位 移 的 曲 線 數 據 ， 結 果 如 圖 4-19~4-28 ， 當 拉 伸 速 率 提 高 與 所 得 應 變 的 改 變 換 算 成 應 變 率 為

1

60

⁻2 ⁻

•

= S

ε

。應變率為

ε

^•

= 60

⁻²

S

⁻¹可得知它介於在不計慣性力影響範圍 內，屬於擬靜態(Quasi-Static)問題。應變率的加快造成機械性質的改變。

圖4-19. 金線拉伸試驗，工程應力-應變圖(拉伸速率=457.2mm/min) (應變率=

60

⁻²

S

⁻¹)

0 50 100 150 200 250 300

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 True Strain (mm/mm)

True Stress (MPa)

As-Drawn 25 ℃

Annealing Temperature 125 ℃ Annealing Temperature 200 ℃

圖4-20. 金線拉伸試驗，真實應力-應變圖(拉伸速率=457.2mm/min)

圖4-21. 銅線拉伸試驗，工程應力-應變圖(拉伸速率=457.2mm/min) (應變率=

60

⁻²

S

⁻¹)

0 50 100 150 200 250 300

0 0.05 0.1 0.15 0.2

True Strain (mm/mm)

True Stress(MPa)

As-Drawn 25 ℃

Annealing Temperature 125 ℃ Annealing Temperature 125 ℃

圖4-22. 銅線拉伸試驗，真實應力-應變圖(拉伸速率=457.2mm/min) (應變率=

60

⁻²

S

⁻¹)

圖4-23. 金球拉球試驗，熱影響區工程應力-應變圖 (拉伸速率=457.2mm/min)(應變率=

60

⁻²

S

⁻¹)

0 25 50 75 100 125

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

True Strain (mm/mm)

True Stress(MPa)

As-Drawn 25 ℃

Annealing Temperature 125 ℃ Annealing Temperature 200 ℃

圖4-24. 金球拉球試驗，熱影響區真實應力-應變圖

圖4-25. 銅球拉球試驗，熱影響區工程應力-應變圖 (拉伸速率=457.2mm/min)(應變率=

60

⁻²

S

⁻¹)

0 50 100 150 200 250

0 0.05 0.1 0.15 0.2

True Strain (mm/mm)

True Stress (MPa)

Room Temperature 25 ℃ Annealing Temperature 125 ℃ Annealing Temperature 200 ℃

圖4-26. 銅球拉球試驗，熱影響區真實應力-應變圖 (拉伸速率=457.2mm/min)(應變率=

60

⁻²

S

⁻¹)

圖4-27. 銅球二次燒球(2EFO)拉球試驗，熱影響區工程應力-應變圖 (拉伸速率=457.2mm/min)(應變率=

60

⁻²

S

⁻¹)

0 50 100 150 200 250

0 0.05 0.1 0.15 0.2

True Strain (mm/mm)

True Stress (MPa)

Room Temperature 25 ℃ Annealing Temperature 125 ℃ Annealing Temperature 200 ℃

圖4-28. 銅球二次燒球(2EFO)拉球試驗，熱影響區真實應力-應變圖

表4-3. 拉伸速率 457.2mm/min 應變率60⁻²S⁻¹之影響，真實應力-應變材料組成

Tensile Test V=457.2mm/min Materials Properties E σ Y UTS n K ε ^F m C P

Unite Gpa Mpa Mpa Mpa mm/mm

Materials

Au Wire 25℃ 32 230 249 0.078 291 0.112 0.056 540 2.35 Au Wire 125℃ 27.8 221 240 0.076 287 0.117 0.052 578 2.27 Au Wire 200℃ 25.8 203 232 0.057 266 0.122 0.061 503 2.04 Cu Wire 25℃ 49 148 247 0.48 631 0.157 0.081 1232 2.26 Cu Wire 125℃ 43 130 244 0.47 601 0.164 0.12 1571 4.09 Cu Wire 200℃ 40 125 235 0.45 516 0.176 0.13 1307 3.13 Au Ball 25℃-HAZ 14.4 91 97 0.03

Au Ball 125℃-HAZ 13.8 82 84 0.028

Au Ball 200℃-HAZ 12.24 70 75 0.02

Cu Ball 25℃-HAZ 39.4 160 233 0.46 590 0.13 0.133 1333 2.75 Cu Ball 125℃-HAZ 33 147 221 0.449 578 0.136 0.145 1475 4.31 Cu Ball 200℃-HAZ 29 135 216 0.434 567 0.144 0.154 1440 2.85 Cu 2EFO 25℃-HAZ 35 150 217 0.442 490 0.115 0.143 1148 3.66 Cu 2EFO 125℃-HAZ 30 144 213 0.434 467 0.118 0.146 1067 2.71 Cu 2EFO 200℃-HAZ 25 139 198 0.419 437 0.123 0.167 1174 2.98

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