無鉛銲錫合金發展

近十餘年來的研究和努力，目前仍尚未有可以直接取代Sn-Pb銲 錫的無鉛銲錫材料，不過有數種具有替代潛力的無鉛銲錫合金組成，

分別受到國際間各單位所推薦。整體而言，到目前為止，無鉛銲錫合 金的發展可以分為兩類：

(1) 第一類為現存的二元無鉛替代合金包括含Sn的二元共晶 或非共晶合金，如Sn-Ag、Sn-Bi、Sn-Cu、Sn-Zn等，以及

不含Sn之無鉛合金，如In-Ag、In-Ga、In-Bi、Au-Ge等。

此類合金大多已實際應用在電子工業中。

(2) 第二類為在第一類的無鉛銲錫合金基礎上加以改良，改良 方式往往採用添加少量元素，如Ag、Cu、Bi、In、Sb、

Ge、P、Ni、Fe、Au、Ga、Co、RE，以期提高銲錫合金

的潤濕性能、接著強度、氧化抵抗能力、可靠度，以及降 低熔點等。

2.4.5.1 Al元素添加對無鉛銲錫合金的影響

在Al元素添加對銲錫合金影響的相關文獻中，較常看到的是以 Sn-Zn-Al或是Sn-Ag-Al的合金系統進行討論。在Sn-X(Zn-5Al)合金 中，增加Zn-5Al的含量將抑制Sn-Zn共晶結構的形成，且析出星狀的

富 Al 相 ， 其 中 ， 在 Sn-9(Zn-5Al) 合 金 中 析 出 Sn-39.2Zn-35.1Al

（SnZn3Al6，富Al相）[34]。

添加Al的Sn-9(Zn-5Al)合金對Cu基材有良好的潤濕性，其原因在 於其界面形成Cn-Zn-Al化合物[35]。Sn-9(Zn-5Al)添加Al有效地改善其 抗腐蝕性[36,37]。Sn-9(Zn-5Al)合金的高溫250°C抗氧化性優於純Sn、

Sn-Pb 共晶、Sn-9Zn共晶和相近於Sn-0.6Al合金；添加Al有助於其抗 氧化性，其原因在於Al的抗氧化性優於Zn，且降低Sn的氧化反應

提升Sn-9Zn合金的抗拉伸強度，但經自然時效後，Al與氧在界面析出

形 成 氧 化 物 而 降 低 其 拉 伸 性 質[40] 。 在 高 溫 時 效 後 以 TEM 觀 察 Sn-X(Zn-5Al)/Cu的界面，偵測到γ-Cu5Zn8（緊鄰銲錫端）和γ'-Cu9Al4

化合物，並在銲錫與γ-Cu5Zn8界面的Kirkendall孔洞（voids）形成破懷 的途徑[41]。

由上述微量元素對無鉛銲錫合金的影響研究結果，本研究為提升 具有低成本且目前廣受業界應用之Sn-0.7Cu合金之性能，嘗試以 Sn-0.7Cu合金為基礎材料，分別微量添加對銲錫合金性能有一定影響 能力之Ni及Al元素，探討微量Ni以及Al元素對Sn-0.7Cu合金界面反應 層之生長行為的影響，並進行75~150℃的高溫儲存實驗及銲點接伸試 驗，以評估其接合強度及可靠度。

2.4.5.2 Co元素添加對無鉛銲錫合金的影響

部份學者嘗試在合金中添加Co元素，其中由Sn-Co二元合金相圖 可知，Sn-Co合金中可形成CoSn2、CoS及Co3Sn2介金屬化合物，如圖 2-9所示[42]。此外，若以熱力學模式計算Sn-Co-Cu三元合金，可得到 其共晶組成為98.9%Sn，0.4%Co，0.7%Cu，如圖2-10所示[42]。此外，

Peng Sun[43]等人研究Co元素對Sn-Ag-Cu合金及Sn-Cu合金的影響，

其 可 發 現 將 少 許 的Co 含 量 加 入 至 Sn-Ag-Cu 銲 料 中 ， 會 使 原 本 Sn-Ag-Cu系統顯微組織結構細化的效果，而且使原本的Sn-Ag-Cu銲

料拉伸強度增加百分之五十。若把Sn-Cu-Co銲料和無電鍍鎳的基材作 銲接，則會發現在迴焊過後會生成CoSn2以及Cu6Sn5的介金屬化合物。

圖2-9 由熱力學模型計算出Sn-Co合金二元相圖

圖2-10 由熱力學模型計算出Sn-Cu-Co系統之共晶組成