無鉛銲錫合金性質需求

無鉛銲錫合金需具備能替代錫鉛合金的各種銲錫性質，如熔點、

潤濕性、導電性、熱膨脹係數、機械性、疲勞性及抗腐蝕性等。

2.2.1 熔點

以電子構裝的角度而言，熔點是無鉛銲錫合金設計的首要考量，

銲錫的接合溫度通常是高於熔點20-30°C，熔點溫度將決定其應用系

統的最高工作溫度及最低製程溫度。Sn-37Pb合金的共晶溫度為 183°C，Sn-Zn合金的熔點為198℃與Sn-Pb共晶溫度十分接近，Sn-Cu、

Sn-Ag及Sn-Ag-Cu合金之共晶溫度則高於200℃。Sn-Bi合金則具有較 低的共晶溫度，約為139℃[11~15]。

2.2.2 潤濕能力

不同材質的基板或不同基板與元件引腳的表面處理，其與銲錫間 的表面張力亦不同。銲錫的表面張力亦會隨著添加的元素及含量而 異。整體而言，銲錫的潤濕角大小受到許多因素的影響，包含銲錫合 金組成、基材表面狀況(材質、表面處理、粗糙度、清潔度)、潤濕時

[16]。少量的雜質添加亦會對潤濕行為產生很大的影響[17]。如添加 力。一般定義接觸角接近0 度為完全潤濕(Perfect Wetting)，0度到30

度 為 良 好 潤 濕(Good Wetting) ， 30 度 到 90 度 為 不 良 潤 濕 (Bad Wetting) ，超過90度則為不潤濕(Nonwetting)。

2.2.3 熱膨脹係數

銲錫合金連接不同元件材料，銲錫接點若使用在熱循環之環境 時，其熱膨脹係數為決定應力與應變的重要因素[19]。若銲錫與基材

（如Cu與Fe-42Ni）有相近的熱膨脹係數，則其應力與應變較小[12]。

2.2.4 機械性質

1. 剪力強度（Shear strength）：剪力強度受介金屬化合物、微結構

及測試條件的影響，在不同的應變速率下，剪強度會有相當程度 的差異。如在150°C經300小時以上，Sn-3.8Ag-0.7Cu/Cu界面的剪 力強度明顯優越於Sn-3.8Ag-0.7Cu/Ni-P/Cu界面[20]。

2. 疲勞性能：疲勞係指材料抵抗循環負荷失效的能力，分為等溫疲 勞和熱疲勞，等溫疲勞是指在一定溫度下的失效行為，而熱疲勞 則為在溫度變化環境下的疲勞失效行為。構裝接點中，疲勞可引 發裂縫的產生和生長，疲勞壽命取決於裂縫的產生和擴展前的應 力循環次數。即使循環應力低於材料的屈服強度，在接點中的缺 陷和顯微組織不均勻的地方仍可能產生應力集中，從而導致變形 不均勻，最終發生裂縫迅速產生和擴展。

3. 伸長率（Elongation）與抗潛變性（Creep resistance）：伸長率是 銲錫的重要性質之一，因為韌性較佳的銲錫具有較高的抗疲勞 性。材料的韌性除與在應變循環下的破壞量有關係外，亦是應變 速率的函數。若比較在20°C及100°C 下1000小時後破裂所需之應 力值，Sn-3.5Ag優於Sn-36Pb-2Ag及Sn-40Pb [21]。將1wt%Zn加入 Sn-3.5Ag系合金除了可提高強度與韌性外，亦升高其抗潛變性 [22]。

4. 拉伸性能：當基板彎曲時，銲點可能遭受拉伸應力作用，為確保 銲點能承受拉伸變形而不失效，銲錫材料的拉伸強度、降伏強度 以及楊氏係數則為一個重要的參考指標。伸長率也是銲錫材料的 重要性質之一，因為較高的韌性代表具有較高的抗疲勞特性。材 料的韌性除與在每一個應變循環下的破壞量有很大的關係外，亦 是應變速率的函數。

2.2.5 附著強度

銲錫作為接點材料必須具備良好的附著性，才能使其在使用過程 中不因外力而損壞。當銲錫與基材結合時，由於界面化學反應會生成 介金屬化合物，使機械強度減少，因此有必要對界面之附著強度進行 研究。在Sn-3.5Ag合金添加0.5~ 1.0 wt%銅，可提高其附著強度[23]。

2.2.6 表面張力

不同的基板其與銲錫間的界面張力亦不同。銲錫的表面張力會隨 著添加的元素及含量而異。銲錫合金的表面張力降低，將有助於其潤 濕性質的改善，如加入Pb、Bi、Sb時，可降低液態錫與氣相間的表面 能。

2.2.7 界面反應

與基材的界面反應（Interfacial reaction）: 介金屬化合物的產生

以及基材的溶入銲錫，都會影響銲錫的可靠度。在電子工業中，與銲 錫接觸之基材大多是銅，因此多以銅為基材進行研究。

1. 介金屬化合物（Intermetallic compound，IMC）的生成：介金屬 化合物常在銲錫與基材界面生成，適度的化學反應可以強化界面 的鍵結，但因其導電性不佳且具有脆性，生成量太多反而會破壞 界面結合強度，因此經過高溫長時間時效作用之後，其破壞之處 經常都發生在界面的介金屬化合物層。在共晶Sn-Pb/Cu界面 [14] ，這些介金屬化合物主要是Cu3Sn及Cu6Sn5。Sn-Ag銲錫合金 [24] 的 顯 微 結 構 中 析 出 粒 狀 Ag3Sn 化 合 物 ， 在 Sn-Ag/Cu 及 Sn-Pb-Ag/Cu界面[25]，經過長時間時效作用，則會生成Cu-Sn介 金屬化合物。

2. 在熔融銲錫與基材接觸時之基材溶出，會對微結構造成 以下之影響：

(1) 改變合金組成，影響熔點。

(2) 大部分溶進的金屬，冷卻時以純金屬或化合物的型態析出。

例如50°C 時1wt%銅溶入共晶Sn-Bi中可減緩合金之粗化現

象，可能是因在界面上的微小介金屬化合物之顆粒抑制晶界 的成長[26]。

(3) 化合物相及固溶原子影響材料之凝固。如在共晶Sn-Bi合金

添加0.001%鈷（Co），可抑制銅基材的溶出，並使其微結構 粗大化。

2.2.8 氧化能力

銲錫金屬，在一般使用環境下也很容易氧化，氧化速率會對電子 構裝之元件壽命與穩定性造成影響。

2.2.9 抗腐蝕性

銲錫合金在潮濕或空氣污染下必須能夠抗腐蝕。典型的腐蝕測試 環境包括暴露在含有NO2、H2S和Cl2的氛圍；而銲錫元件也不適在高 溫及高濕環境下使用以免腐蝕。