擴散機構控制反應

第二章文獻探討

2.3 界面反應動力學

2.3.2 擴散機構控制反應

0.5

，且回歸曲線將不會通過零點。遇到此種情形時，當考慮界面是否有混合控制機構

( Mixed Controlled Mechanism )

的情形發生。此外在銲錫界面反應中，高溫所形成的界面介金屬相與低溫不相同，也會造成反應機構或活化能的改變，以上這些情形在討論反應的機構時均應考慮。

2.4 無鉛銲錫合金系統 2.4.1 Sn-Cu

Sn-Cu

共晶合金的組成為

99.3Sn-0.7Cu

，熔點較高，大約在

227

℃，

最早被使用在水管的銲接，一般常應用在汽車工業等銲接工作溫度較高的情況。

Sn-Cu

合金系統的無鉛銲錫合金中，

Cu

的含量通常都不會超過

3 wt.%

，若是含

Cu

量超過

3 wt.%

時液相線會急速上升，造成兩相區寬度快速增加，因此超過

3 wt.%

含

Cu

量的

Sn-Cu

合金應用上即受到

限制。

Sn-Cu

合金之機械性質較其他無鉛銲錫合金差，甚至比

Sn-Pb

合金還差，因此如果要將

Sn-Cu

合金應用在電子工業上，那麼就必須利用微結構的控制來改善其機械性質。一般常用的方法是在錫基質內散佈細微且穩定的第三相來強化機械性質。

2.4.2 Sn-Ag

Sn-Ag

系統中，共晶

96.5Sn-3.5Ag

銲錫是有可能取代傳統

Sn-Pb

合金的其中之一，因為

Sn-Ag

共晶與傳統

Sn-Pb

合金比較，其具有較好的

延展性

(Ductility)

、抗潛變性

(Creep Resistance)

與熱阻性

(Thermal Resistance)

，還有對

Au

的溶入有很大的容忍度，就算在溶入

5 wt.%Au

的情形下還是保有良好的延展性

;

相對的，傳統

Sn-Pb

合金在溶入

5 wt.%Au

時，伸長率則會急速下降表現出脆性的行為。但共晶

Sn-Ag

合金的缺點為熔點較高，約在

221

℃，因此在使用上受到限制，一般應用於較高溫的銲接環境，其潤濕性質也比

Sn-Pb

合金差。添加

In

與

Bi

可以降低熔點溫度與改善潤濕性質，但是會增加成本並且添加

Bi

會使疲勞壽命明顯降低。

2.4.3 Sn-Bi

Sn-Bi

合金的共晶組成為

43Sn-57Bi

，共晶溫度為

138

℃，因為熔點低所以在組裝製程上是有利的，且與

Sn-Pb

合金類似，無介金屬相的存在。與傳統

Sn-Pb

合金比較，共晶

Sn-Bi

具有較高的抗拉強度，其抗潛變性也較

Sn-Pb

合金優異

[24]

，在

20~60

℃時其剪切強度與

Sn-Pb

合金相近，但在

100

℃時機械性質較

Sn-Pb

合金差，隨著應變率增加

Sn-Bi

合金伸長率之降低較

Sn-Pb

合金快，以及高含量

Bi

會使合金的彈性降低，而且在承受剪變時會出現應變軟化的現象，耐疲勞性也不如

Sn-Pb

合金。

Sn-Bi

合金在熱時效的期間微結構會明顯的有粗化的現

象，此種在高溫時不穩定的微結構，可以藉由混入細微的散佈粒子進入共晶

Sn-Bi

合金來抑制。

當

Bi

含量增加時，基材與熔融銲錫間的表面張力會增加，因為

Cu

不會與

Bi

反應，所以增加

Bi

含量會使

Sn

與

Cu

基材之間形成介金屬化合物之動能增加，導致銲錫與基材間的表面張力增加。因此，潤濕的速率可以藉由熔融銲錫與基材間的界面能來控制

[25]

。但因為

Bi

原子比

Cu

原子與

Sn

原子還要大，所以當

Bi

原子偏析至界面處時會造成局部原子排列斷裂，使界面處的鍵結減弱而引起界面脆化

[26]

。

2.4.4 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

2.4.5 微量Zn元素添加對無鉛銲錫合金的影響

無鉛銲錫合金中添加微量

Zn

元素之相關研究方面，在

Sn-Ag-Cu

共熔合金中添加微量的

Zn

元素，可以發現微量的

Zn

元素有效的降低

Cu

Sn

及

Ag

Sn

等介金屬化合物在

Cu

基地的產生，並且改變介面反應的微結構組織

[27]

，如

Cho, Kang, Shih, and Lee

等人的研究報告完整的指出，當加入

0.4 wt.%Zn

元素到

Sn-0.7Cu

及

Sn-3.8Ag-0.7Cu

的共熔合金中，可有效的降低

Cu

Sn

介金屬化合物的產生，並且抑制了銲點中空孔的產生

[28]

。而在

Sn-3.5Ag

合金中添加

Zn

元素後，添加

1.0 wt.%Zn

元素可以提升降伏應力和最大拉伸應力，此外，雖然應變無法改善，

但其熔點可由

221

℃下降為

217

℃；另一方面，添加

0.5 ~1.0 wt.%Zn

元素，可使

Ag

Sn

化合物均勻細化而改善其機械性質，惟獨

Zn

元素增加至

2.0 wt.%

時，其

Ag

Sn

顆粒為非均勻的分散且粗大化，造成應力集中而在銲錫中形成裂痕，故其降伏應力較

Sn-3.5Ag-(0.5~1.0)Zn

為低

[3]

。此外，相關研究顯示添加

Zn

元素至

Sn-0.7Cu

共晶合金中雖然會產生

Cu

Sn

11形成非常態的相平衡，並降低其合金的抗潛變性，但當加入

0.5 wt.%

的

Zn

形成的

Sn-0.7Cu-0.5Zn

合金後可大幅提昇合金的硬度及降伏應力

[29]

。

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

Zn

元素，探討微量

Zn

元素對

Sn-0.7Cu

合金界面反應層之生長行為及銲點強度的影響，並進行

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。

2.5 電子構裝之可靠度分析

IC

測試主要分為晶圓測試

(Wafer Probing)

及成品測試

(Final

Testing)

兩部分，其中晶圓測試是在

IC

尚未封裝前以探針做簡單的功

能測試，以避開不良品，減少不必要的封裝成本投入；成品測試是在

IC

封裝後用於確認

IC

功能、速度、容忍度、電力消耗屬性是否正常，

因此電子構裝可靠度測試的項目及複雜度也較晶圓測試來的多及複雜，所使用的測試機台也較為高階，對各家

IC

廠而言，代表著商譽是否能夠持續累積，而不至於有不良品落於客戶手中。在晶圓測試的部分可以由晶圓製造廠完成，或是由客戶自己、或交由專業測試廠承做。而成品測試部分，有不少比例是留在客戶自己完成，交由專業測試廠的比重則依產品屬性的不同，則其考量點為時間效益

(Time to Market)

、價格成本的考量。

在電子構裝測試部分，可靠度

(Reliability)

是一個非常重要的指標，可靠度可以定義為一個電子元件或電子組裝產品在其設計的使用

將一個電子元件或一個電子構裝的故障率

(Failure Rate)

繪出，可以得到一個浴缸曲線，整個曲線可以分為三個部分，分別為早夭期

(Infant Mortality)

；穩定期

(Steady-State)

；耗損期

(Wearout)

。早夭期主要為製造過程中產生之偶發性缺陷，在使用初期即導致產品故障，因實際缺陷品數量會逐漸隨著時間消耗，失效率會呈逐漸降趨勢；穩定期為電子元件或組裝產品在某一段時間內的故障率維持一定；耗損期為電子元件或一個電子組裝產品在某一個時間內的故障率會持續增加，一直到所有產品全部故障為止。

對可靠度影響最直接的為環境因子如溫度變化、溫度、濕度、機

械應力、電壓及輻射

…

等，針對構裝元件可靠度的評估方式，美國軍方或英國

British Telecom

等公家單位皆制訂標準流程，如

Military

Standard 883E

或從軍事規格衍生出相類似的可靠度測試規範，如

JEDEC

、

IPC

，其他如

AT&T

、

Ericson

、

Siemens

、

IBM

等公司本身均有發展相關電子產品或元件可靠度規範。不論是政府或是私人的測試規範，評估的方法流程主要是建立在實際應用環境下回收之使用數據及過去加速測試結果進行修正改善所得的經驗法則。

可靠度測試主要是針對構裝元件在各種的使用環境下進行模

擬，以得到發生失效現象及失效率同時經由測試期間所產生的破壞模式、位置及機制的分析，可以進一步改善設計、材料及製程參數，以

強化可靠度效能。下面介紹一些常用的加速可靠度測試：

1.

前處理

(Precondition Test)

主要是模擬構裝元件在開始使用前所經歷的運輸、儲存、迴銲

…

等過程所感受的應力。

2.

溫度循環測試

(Thermal Cycling Test)

利用構裝結構不同材料膨脹係數差異，加強其因為溫度快速變化所產生的熱應力對元件造成劣化影響，測試溫度由最嚴苛的

-55

℃至

150

℃到溫和的

0

℃至

100

℃皆有。

3.

熱衝擊測試

(Thermal Shock Test)

和溫度循環測試一般，因為膨脹係數差異所引起的劣化作用，

主要差別為升降溫速率較為快速及高低溫區域停留時間較短，

大步採用雙槽液態升降溫的方式以快速達到恆溫狀態。

4.

熱功率循環測試

(Power Cycling Test)

測試構裝元件因開關所引起之溫度變化。最高接點溫度多控制在

120

℃至

150

℃之間。

5.

恆溫恆濕偏壓設計

(Temperature/Humidity/Bias Test)

測試構裝元件在潮濕環境的抗蝕性，在高溫

(85

℃

)

及高濕度

(85%RH)

環境下反覆施加正負電壓

(5V)

於元件上，加速內部金屬腐蝕速率，通常測試時間為

1000

小時。

6.

壓力釜設計

(Pressure Cook Test)

判斷元件本身抗濕抗蝕的能力，在

121

℃、

2

大氣壓飽和蒸氣壓力下進行長時間的浸泡測試，時間為

96-168

小時，主要破壞機制是由於封閉不良而導致晶片金屬線路腐蝕及環境污染問題所造成。

7.

高溫高壓未飽和蒸氣加速測試

(Highly Accelerated Stress Test)

為快速進行的嚴苛環境測試的方法，在

130

℃

/85%

相對濕度下，將測試槽內水蒸氣壓提升至遠高於構裝內部水氣的狀況，

進行濕氣對構裝完整性評估。

8.

高溫儲存測試

(High Temperature Storage Test)

用於判斷電子元件在長期高溫作用下構裝元件劣化狀況，通常測試方法為在未外加電壓下進行

150

℃

/1008

小時的烘烤。

表

2-2

為一個總整理，在加速測驗結束後，需要評估構裝元件失

表

2-2

為一個總整理，在加速測驗結束後，需要評估構裝元件失

在文檔中 Sn-0.7Cu-xZn無鉛銲錫合金之界面反應及銲點強度研究 (頁 27-0)

第二章 文獻探討

2.3 界面反應動力學

2.3.2 擴散機構控制反應

0.5

( Mixed Controlled Mechanism )

Sn-Cu

99.3Sn-0.7Cu

227

Sn-Cu

Cu

3 wt.%

Cu

3 wt.%

3 wt.%

Cu

Sn-Cu

Sn-Cu

Sn-Pb

Sn-Cu

Sn-Ag

96.5Sn-3.5Ag

Sn-Pb

Sn-Ag

Sn-Pb

(Ductility)

(Creep Resistance)

(Thermal Resistance)

Au

5 wt.%Au

;

Sn-Pb

5

wt.%Au

Sn-Ag

221

Sn-Pb

In

Bi

Bi

Sn-Bi

43Sn-57Bi

138

Sn-Pb

Sn-Pb

Sn-Bi

Sn-Pb

[24]

20~60

Sn-Pb

100

Sn-Pb

Sn-Bi

Sn-Pb

Bi

Sn-Pb

Sn-Bi

Sn-Bi

Bi

Cu

Bi

Bi

Sn

Cu

[25]

Bi

Cu

Sn

Bi

[26]

Sn-Pb

1.

Sn

Sn-Ag

Sn-Bi

Sn-Cu

Sn-Zn

Sn

In-Ag

In-Ga

第二章文獻探討