4-1-3. Sn-Ag-Cu-8n-1Zn 與 Sn-Ag-Cu-8In-3Zn 銲錫合金之熱性
質分析
Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 合金固/液相線溫度為 188℃與 196℃之間，
Sn-3Ag-0.5Cu-8In-3Zn 合金固/液相線溫度為 192℃與 204℃之間，相較之下，添 加Zn 成份 3 wt%合金的在固相線溫度反而上升約 4℃，而液相線溫度上升約 8℃，故 Zn 成份之合金添加過多時並不會使熔點降低。
由上述6 種配方得知，Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 合金的固/液相線溫度為 188℃
與196℃，最為接近傳統鉛錫合金(Sn-37Pb)之熔點(183℃)。
4-2. Sn-Ag-Cu-In-Zn系銲錫合金之顯微結構觀察
Sn-Ag-Cu-In-Zn系銲錫合金之光學OM顯微組織，如圖18~24所示。
Sn-3Ag-0.5Cu銲錫合金顯微組織中發現其Ag3Sn化合物呈現塊狀均勻的分佈 於試片上，其看出明顯晶界間，如圖18所示。
Sn-3Ag-0.5Cu-4In-1Zn銲錫合金顯微組織中發現其Ag3Sn化合物因為Zn的添 加而呈現點狀均勻的分佈於試片上，如圖19所示。
Sn-3Ag-0.5Cu-4In-3Zn銲錫合金顯微組織中發現其Ag3Sn化合物因為Zn的添 加3 wt%而呈現針狀非均勻分散的分佈於試片上，亦有Ag-Zn金屬間化合物形 成，如圖20所示。
Sn-3Ag-0.5Cu-6In-1Zn銲錫合金顯微組織中發現其Ag3Sn化合物因為Zn的添 加而呈現點狀均勻的分佈於試片上，亦有Ag-Zn金屬間化合物形成較
Sn-3Ag-0.5Cu-4In-1Zn銲錫合金多且細緻，如圖21所示。
Sn-3Ag-0.5Cu-6In-3Zn銲錫合金顯微組織中發現其Ag3Sn化合物因為Zn的添 加3 wt%而呈現針狀非均勻分散的分佈於試片上，亦有Ag-Zn金屬間化合物形 成，如圖22所示。
Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn銲錫合金顯微組織中發現其Ag3Sn化合物因為Zn的添 加而呈現點狀均勻的分佈於試片上，亦有Ag-Zn金屬間化合物形成較
Sn-3Ag-0.5Cu-4In-1Zn銲錫合金多且細緻，如圖23所示。
Sn-3Ag-0.5Cu-8In-3Zn銲錫合金顯微組織中發現其Ag3Sn化合物因為Zn的添 加3 wt%而呈現針狀非均勻分散的分佈於試片上，亦有Ag-Zn金屬間化合物形 成，如圖24所示。
由上述配方來看添加1.0 wt.%Zn，使得Ag3Sn 均勻分散；當Zn 添加至3.0 wt.%時，則Ag3Sn 呈現非均勻針狀分佈。
4-3. Sn-Ag-Cu-In-Zn 合金與 Au /Ni-P /Cu 基板之接觸 角
在電子構裝中，銲錫扮演著接合基材與電子元件的角色，因此接合強度很重 要，而接觸角的優劣便主導了銲錫與基材之間的反應狀況，良好的接觸角代表在 界面處，銲錫和基材有充份的反應產生適當而不過厚的介金屬化合物，使得液態 銲錫合金可以完整的披覆在基材上。本實驗便是利用N2迴銲爐製作試片以期符 合一般業界作業模式並以二次元量測機(DENEET220)做接觸角量測，探討 Sn-Ag-Cu- In-Zn 合金中改變銦跟鋅含量，是否造成接觸角的改變。二次元量測 機(DENEET220)做接觸角量測其數據如表 12 所示。量測角度如圖 17 所示，
Sn-Ag-Cu-XIn-YZn(X=4、6、8 wt.%；Y=1、3 wt.%)等合金在 217°C 的迴焊環境 條件下對Au /Ni-P /Cu 基板之接觸角測量數據。由表中可看出合金對 Au /Ni-P /Cu 基板之接觸角隨著Zn 元素之添加而逐漸降上升，而再添加 In 元素後則逐漸降 低。Sn-Ag-Cu 的接觸角為 16.74° ；添加 1 wt.% Zn 元素與添加不同量 In 元素(4、
6、8 wt.%) 觸角分別為 25.04°、22.26° 和 16.97°；而添加 3 wt.% Zn 元素與添加 不同量In 元素(4、6、8 wt.%) 觸角分別為 27.97°、28.28° 和 24.16°。由此結果 可得知，添加In 元素可以降低 Zn 元素所造成潤濕性不佳的狀況，提高
Sn-Ag-Cu-In-Zn 合金對 Au /Ni-P /Cu 基板之潤濕性質。
4-4. Sn-Ag-Cu-In-Zn 合金銲錫與 Cu/Ni-P/Au 基板之材
料反應
本實驗藉由N2迴焊製程使得Sn-Ag-Cu-In-Zn合金銲錫和Au /Ni-P /Cu基板進 行結合，Sn-Ag-Cu-X In-Y Zn(X=4、6、8 wt.%；Y=1、3 wt.%)合金銲錫在接合過 程中會與接合墊金屬相互擴散，並生成大量的金屬間化合物。造成銲錫損壞的主 因之一。另一方面，Sn-Ag-Cu-In-Zn合金銲錫在實際應用時，長期處於高溫環境 中會使金屬間化合物繼續成長，進而可能導致銲錫之損壞，所以在製程和材料設 計上均應盡量避免過多界面反應之發生。本研究採用Au /Ni-P /Cu基板中以無電 鍍鎳磷層作為銅導電層和Sn-Ag-Cu-In-Zn合金銲錫間之擴散障礙層，表面鍍一極 薄的黃金層作為潤濕層。本研究分別探討N2迴焊過程以及時效熱處理過程，無電 鍍鎳磷層和Sn-Ag-Cu-In-Zn合金銲錫材料間之界面反應。此外，由於本Cu/Ni-P/Au 基板的黃金層極薄，其成分如表10所示，所以不探討其在N2迴焊和時效熱處理的 過程中與Sn-Ag-Cu-In-Zn合金銲錫所產生的相關的化學反應及其行為。
4-4-1. Sn-3Ag-0.5Cu合金銲錫與Cu/Ni-P/Au基板之材料反應
Sn-3Ag-0.5Cu合金銲錫在經過一次迴焊後其金屬間化合物分佈多集中於Ni 層周圍的(Cu,Ni)xSnx，而其銲錫合金內部組織粗造亦有柱狀體析出物，如圖25所 示(a)；而經過二次迴焊後其化合物分佈較為均勻內部組織呈現細緻化狀態，如圖 25所示(b)；迴焊一次加高溫時效100℃/100H處理過之試片內部組織呈現細緻化 狀態，但化合物分佈較二次迴焊少，如圖25所示(c)；迴焊兩次加高溫時效 100℃/100H處理過之試片內部組織呈現細緻化狀態，化合物分佈較二次迴焊多，
如圖25所示(d)。
由EDX(Energy Dispersive X-ray analysis)分析界面成份(圖26~29)，可知界面 部份為Ni-Sn化合物與少量Cu析出物。
4-4-2. Sn-3Ag-0.5Cu-4In-1Zn合金銲錫與Cu/Ni-P/Au基板之材
料反應
Sn-3Ag-0.5Cu-4In-1Zn合金銲錫在經過一次迴焊後其金屬間化合物分佈多集 中於Ni層周圍的(Cu,Ni)xSnx，而其銲錫合金內部組織粗造，晶界間也較粗大亦有 Ag與Zn析出物，如圖30所示(a)；而經過二次迴焊後其化合物分佈增大且內部組 織有呈現細緻化狀態，而其界面反應層相較迴焊一次來的厚，灰黑色區塊為Zn 氧化物，如圖30所示(b)；迴焊一次加高溫時效100℃/100H處理過之試片內部組 織呈現細緻化狀態，但化合物分佈較二次迴焊少，其界面反應層較於迴焊二次來 的薄，晶界間較細緻，如圖30所示(c)；迴焊兩次加高溫時效100℃/100H處理過之 試片內部組織呈現細緻化狀態，化合物分佈較二次迴焊多且細緻，如圖30所示 (d)。
由EDX(Energy Dispersive X-ray analysis)分析界面成份(圖31~34)，可知界面 部份為Ni-Sn化合物與少量Cu與Zn析出物。
4-4-3. Sn-3Ag-0.5Cu-4In-3Zn合金銲錫與Cu/Ni-P/Au基板之材
料反應
Sn-3Ag-0.5Cu-4In-3Zn合金銲錫在經過一次迴焊後其金屬間化合物分佈多集 中於Ni層周圍的(Cu,Ni)xSnx，而其銲錫合金內部組織粗造，晶界間也較粗大，其 黑色區塊為Zn析出物，如圖35所示(a)；而經過二次迴焊後其化合物分佈增大且 內部組織有呈現細緻化狀態，而其界面反應層與迴焊一次相近，界面部分黑色裂 紋為Zn氧化物，如圖35所示(b)；迴焊一次加高溫時效100℃/100H處理過之試片
內部組織呈現細緻化狀態，但化合物分佈較區域較均勻，其界面反應層較迴焊二 次厚，晶界較為細緻，如圖35所示(c)；迴焊兩次加高溫時效100℃/100H處理過之 試片內部組織呈現細緻化狀態，但有較多白色Sn-Ag化合物分佈於試片上，化合 物分佈較二次迴焊多且細緻，如圖35所示(d)。
由EDX(Energy Dispersive X-ray analysis)分析界面成份(圖36~39)，可知界面 部份為Ni-Sn化合物與少量Cu、Ag與Zn析出物。
4-4-4. Sn-3Ag-0.5Cu-6In-1Zn合金銲錫與Cu/Ni-P/Au基板之材
料反應
Sn-3Ag-0.5Cu-6In-1Zn合金銲錫在經過一次迴焊後其金屬間化合物分佈多集 中於Ni層周圍的(Cu,Ni)xSnx，而其銲錫合金內部組織粗造，晶界間也較粗大，其 白色區塊為Sn析出物，如圖40所示(a)；而經過二次迴焊後其化合物分佈增大且 內部組織有呈現細緻化狀態，而其界面反應層與相較迴焊一次來的明顯，如圖40 所示(b)；迴焊一次加高溫時效100℃/100H處理過之試片內部組織呈現細緻化狀 態，但化合物分佈較區域較均勻，其界面反應層較迴焊二次厚，晶界間較為細緻，
而細孔狀區塊為AgXSn化合物，如圖40所示(c)；迴焊兩次加高溫時效100℃/100H 處理過之試片內部組織呈現細緻化狀態，但有細小的白色Sn化合物分佈於試片 上，化合物分佈較二次迴焊細緻，晶界間也較為細緻，如圖40所示(d)。
由EDX(Energy Dispersive X-ray analysis)分析界面成份(圖41~44)，可知界面 部份為Ni-Sn化合物與少量Cu、Ag與Zn析出物。
4-4-5. Sn-3Ag-0.5Cu-6In-3Zn合金銲錫與Cu/Ni-P/Au基板之材
料反應
Sn-3Ag-0.5Cu-6In-3Zn合金銲錫在經過一次迴焊後其金屬間化合物分佈多集 中於Ni層周圍的(Cu,Ni)xSnx，而其銲錫合金內部組織粗造，晶界間也較粗大，其 出現少許白色顆粒，如圖45所示(a)；而經過二次迴焊後其化合物分佈有增大但內 部組織並未呈現細緻化狀態，而其界面反應層與相較迴焊一次並無明顯增加，而 出現許多白色顆粒(Zn,Ag)XSnX，如圖45所示(b)；迴焊一次加高溫時效100℃/100H 處理過之試片內部組織亦與一次迴焊後相近，白色顆粒較微細化，其界面反應層 並無增加，與一次迴焊後的晶界間差異並不明顯，如圖45所示(c)；迴焊兩次加高 溫時效100℃/100H處理過之試片內部組織並無呈現細緻化狀態，但有細小的白色 顆粒分佈於試片上，與一次迴焊後的晶界間差異並不明顯，如圖45所示(d)。
由EDX(Energy Dispersive X-ray analysis)分析界面成份(圖46~49)，可知界面 部份為Ni-Sn化合物與少量Cu、Ag與Zn析出物。
4-4-6. Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn合金銲錫與Cu/Ni-P/Au基板之材
料反應
Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn合金銲錫在經過一次迴焊後其金屬間化合物分佈多集 中於Ni層周圍的(Cu,Ni)xSnx，而其銲錫合金內部組織粗造，晶界間也較粗大，其 出現少許白色顆粒，如圖50所示(a)；而經過二次迴焊後其化合物分佈有增大但內 部組織呈現細緻化狀態，而其界面反應層與相較迴焊一次有明顯增加，如圖50 所示(b)；迴焊一次加高溫時效100℃/100H處理過之試片內部組織相叫一次迴焊 後來的細小，白色顆粒較微細化，其界面反應層並無增加，與一次迴焊後的晶界 間差異並不明顯，，如圖50所示(c)；迴焊兩次加高溫時效100℃/100H處理過之試 片內部組織呈現細緻化狀態，但有細小的白色顆粒分佈於試片上，與一次迴焊後
的晶界間差異並不明顯，但此試片上有過多的Sn化合物產生，如圖50所示(d)。
由EDX(Energy Dispersive X-ray analysis)分析界面成份(圖51~54)，可知界面 部份為Ni-Sn化合物與少量Cu、Ag與Zn析出物。
4-4-7. Sn-3Ag-0.5Cu-8In-3Zn合金銲錫與Cu/Ni-P/Au基板之材
料反應
Sn-3Ag-0.5Cu-8In-3Zn合金銲錫在經過一次迴焊後其金屬間化合物分佈多集 中於Ni層周圍的(Cu,Ni)xSnx，而其銲錫合金內部組織粗造，晶界間也較粗大，如 圖55所示(a)；而經過二次迴焊後其化合物分佈有增大但內部組織呈現細緻化狀 態，而其界面反應層與相較迴焊一次有明顯增加，亦有Zn析入Ni層中反應，如圖 55所示(b)；迴焊一次加高溫時效100℃/100H處理過之試片內部組織相叫一次迴 焊後來的細小，白色顆粒較微細化，其界面反應層並無增加，與一次迴焊後的晶 界間差異並不明顯，，如圖55所示(c)；迴焊兩次加高溫時效100℃/100H處理過之 試片內部組織呈現細緻化狀態，但有許多細小的白色顆粒分佈於試片上，相較於 一次迴焊後其晶界間較為細小，如圖55所示(d)。
由EDX(Energy Dispersive X-ray analysis)分析界面成份(圖56~59)，可知界面 部份為Ni-Sn化合物與少量Cu、Ag與Zn析出物。
表11 Sn-3Ag-0.5Cu-XIn-YZn 合金 DSC 熔點測試
Sample name Solidus Liquidus △T
Sn-3Ag-0.5Cu 208℃ 212℃ 4
Sn-3Ag-0.5Cu-4In-1Zn 204℃ 208℃ 4 Sn-3Ag-0.5Cu-4In-3Zn 192℃ 204℃ 12 Sn-3Ag-0.5Cu-6In-1Zn 196℃ 200℃ 4 Sn-3Ag-0.5Cu-6In-3Zn 196℃ 204℃ 8 Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 188℃ 196℃ 8 Sn-3Ag-0.5Cu-8In-3Zn 192℃ 204℃ 12
圖18 Sn-3Ag-0.5Cu 銲錫合金顯微組織圖
Ag3Sn
圖19 Sn-3Ag-0.5Cu-4In-1Zn 銲錫合金顯微組織圖
圖20 Sn-3Ag-0.5Cu-4In-3Zn 銲錫合金顯微組織圖
Ag3Sn
Ag3Sn
Ag-Zn
圖21 Sn-3Ag-0.5Cu-6In-1Zn 銲錫合金顯微組織圖
圖22 Sn-3Ag-0.5Cu-6In-3Zn 銲錫合金顯微組織圖
Ag3Sn
Ag-Zn
Ag3Sn
Ag-Zn
圖23 Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 銲錫合金顯微組織圖
圖24 Sn-3Ag-0.5Cu-8In-3Zn 銲錫合金顯微組織圖
Ag3Sn
Ag-Zn
Ag3Sn
Ag-Zn
表12 Sn-3Ag-0.5Cu-XIn-YZn 合金接觸角
Sample name 1 2 3 平均
Sn-3Ag-0.5Cu 15.94 16.5 17.78 16.74 Sn-3Ag-0.5Cu-4In-1Zn 25.73 25.34 24.04 25.04 Sn-3Ag-0.5Cu-4In-3Zn 26.83 29.41 27.66 27.97 Sn-3Ag-0.5Cu-6In-1Zn 23.00 21.76 22.02 22.26 Sn-3Ag-0.5Cu-6In-3Zn 27.29 29.04 28.52 28.28 Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 17.49 16.00 17.42 16.97 Sn-3Ag-0.5Cu-8In-3Zn 24.75 24.75 22.98 24.16
(a) (b)
(c) (d)
圖25 Sn-3Ag-0.5Cu 合金銲錫與 Cu/Ni-P/Au 基板之材料反應觀察
(a)迴焊一次(b)迴焊兩次(c) 迴焊一次加高溫時效 100℃/100h(d) 迴焊兩次加高溫 時效100℃/100h
Cu Cu
Cu Cu Ni Ni
Ni Ni
圖26 Sn-3Ag-0.5Cu 迴焊一次之界面成份分析
圖27 Sn-3Ag-0.5Cu 迴焊二次之界面成份分析 Ni 91.86％
Sn 73.83％
Sn 71.18％
Ag5.16％
Ni 76.8％
Sn15.17％
Cu 12.79％
Sn65.91％
圖28 Sn-3Ag-0.5Cu 迴焊一次加高溫時效 100℃/100h 之界面成份分析
圖29 Sn-3Ag-0.5Cu 迴焊二次加高溫時效 100℃/100h 之界面成份分析 Ni 15.19％
Cu25.13％
Sn59.68％
Sn 78.96％
Cu43.55％
Sn50.95％
Ni 41.34％
Sn53.73％
(a) (b)
(c) (d)
圖30 Sn-3Ag-0.5Cu-4In-1Zn 合金銲錫與 Cu/Ni-P/Au 基板之材料反應觀察 (a)迴焊一次(b)迴焊兩次(c) 迴焊一次加高溫時效 100℃/100h(d) 迴焊兩次加高溫時效
100℃/100h
Cu Cu
Cu Cu
Ni Ni
Ni Ni
圖31 Sn-3Ag-0.5Cu-4In-1Zn 迴焊一次之界面成份分析
圖32 Sn-3Ag-0.5Cu-4In-1Zn 迴焊二次之界面成份分析 Ag 4.2％
Sn65.95％
Cu 35.5％
Zn54.08％
Ag10.4％
Sn 66.82％
Ni7.59％
Ni14.9％
Sn51.0％
Zn 21.61％
Ag18.58％
Sn6.66％
Cu8.59％
Zn53.61％
Ag37.8％
Cu 31.18％
Zn53.96％
Ag11.43％
圖33 Sn-3Ag-0.5Cu-4In-1Zn 迴焊一次加高溫時效 100℃/100h 之界面成份分析
圖34 Sn-3Ag-0.5Cu-4In-1Zn 迴焊二次加高溫時效 100℃/100h 之界面成份分析 Zn 63.23％
Cu19.42％
Ag17.35％
Sn 87.97％
Zn 48.22％
Cu29.27％
Ag4.53％
Sn3.43％
Ni6.47％
Cu13.59％
Ag9.99％
Sn42.11％
(a) (b)
(c) (d)
圖35 Sn-3Ag-0.5Cu-4In-3Zn 合金銲錫與 Cu/Ni-P/Au 基板之材料反應觀察 (a)迴焊一次(b)迴焊兩次(c) 迴焊一次加高溫時效 100℃/100h(d) 迴焊兩次加高溫時效
100℃/100h
Cu Cu
Cu Cu
Ni Ni
Ni
Ni
圖36 Sn-3Ag-0.5Cu-4In-3Zn 迴焊一次之界面成份分析
圖37 Sn-3Ag-0.5Cu-4In-3Zn 迴焊二次之界面成份分析 Zn8.49％
Sn66.88％
Ni12.4％
Zn13.84％
Sn52.28％
Sn 49.97％
Ni33.96％
Zn13.33％
Ni24.09％
Zn12.73％
Sn53.09％
Cu7.29％
Zn48.94％
Ag36.73％
Zn0％
Sn64.47％
圖38 Sn-3Ag-0.5Cu-4In-3Zn 迴焊一次加高溫時效 100℃/100h 之界面成份分析
圖39 Sn-3Ag-0.5Cu-4In-3Zn 迴焊二次加高溫時效 100℃/100h 之界面成份分析 Ni34.53％
Cu15.06％
Sn47.04％
Cu10.04％
Zn54.65％
Ag31.41％
Cu7.07％
Zn42.75％
Ag33.41％
Zn 0％
Ag5.14％
Sn9.01％
(a) (b)
(c) (d)
圖40 Sn-3Ag-0.5Cu-6In-1Zn 合金銲錫與 Cu/Ni-P/Au 基板之材料反應觀察 (a)迴焊一次(b)迴焊兩次(c) 迴焊一次加高溫時效 100℃/100h(d) 迴焊兩次加高溫時效
100℃/100h
Cu Cu
Cu Cu
Ni Ni
Ni Ni
圖41 Sn-3Ag-0.5Cu-6In-1Zn 迴焊一次之界面成份分析
圖42 Sn-3Ag-0.5Cu-6In-1Zn 迴焊二次之界面成份分析 Cu28.11％
Zn52.01％
Ag12.70％
Ni12.87％
Cu16.85％
Sn63.89％
Ni54.75％
Sn26.1％
Cu30.72％
Zn46.65％
Ag5.19％
Sn5.45％
Zn15.32％
Sn77.13％
圖43 Sn-3Ag-0.5Cu-6In-1Zn 迴焊一次加高溫時效 100℃/100h 之界面成份分析
圖44 Sn-3Ag-0.5Cu-6In-1Zn 迴焊二次加高溫時效 100℃/100h 之界面成份分析 Cu25.25％
Zn53.14％
Ag11.35％
Sn7.43％
Ag9.6％
Sn76.59％
Zn0％
Sn62.5％
Ag7.95％
Sn41.83％
Ag7.85％
Sn66.46％
Ni8.34％
Cu16.12％
Zn9.87％
Sn49.96％
Zn0％
Ag61.3％
In25.33％
Ni9.36％
Sn74.49％
(a) (b)
(c) (d)
圖45 Sn-3Ag-0.5Cu-6In-3Zn 合金銲錫與 Cu/Ni-P/Au 基板之材料反應觀察 (a)迴焊一次(b)迴焊兩次(c) 迴焊一次加高溫時效 100℃/100h(d) 迴焊兩次加高溫時效
100℃/100h
Cu Cu
Cu Cu
Ni Ni
Ni Ni
圖46 Sn-3Ag-0.5Cu-6In-3Zn 迴焊一次之界面成份分析
圖47 Sn-3Ag-0.5Cu-6In-3Zn 迴焊二次之界面成份分析 Zn23.28％
Ag27.83％
Sn19.08％
Cu8.04％
Zn30.96％
Ag18.69％
Sn34.65％
Ni17.03％
Cu9.27％
Zn12.51％
Sn61.19％
Zn52.42％
Ag33.18％
Sn10.62％
Ni18.68％
Zn15.33％
Sn58.69％
Zn62.54％
Ag18.19％
Sn6.88％
Zn34.55％
Ag8.98％
Sn47.65％
Zn10.75％
Sn55.95％
Zn23.28％
Ag27.83％
Sn19.08％
Zn62.54％
Ag18.19％
Sn6.88％