5.1.1 Sn-8.5Zn-0.5Ag-xAl 合金熱行為
圖 八 所 示 為 Sn-8.5Zn-0.5Ag-0.1Ga-xAl
合金經 DSC 量測所獲得熱及溫度變化曲
線。從曲線中可觀察到，每一合金在加熱過 程中，最大吸熱峰 (endothermic peak) 後都 有延伸的尾端 (tailing) 出現。曲線中 TOnset, TL(℃) and Ts(℃)隨 Al 含量增加而減少，往較 低的溫度偏移。在Al 含量為 2.0 wt%時，合 金有最小的 TOnset、潛熱及較小的糊狀區域 (pasty range)。
185 190 195 200 205 210 215 TOnset
TS
3.0Al 2.0Al
1.0Al
Heat Flow,W·g-1
Temperature (℃)
0.01Al TL
圖 八 Sn-8.5Zn-0.5Ag-0.1Ga-xAl 合 金 之 DSC 曲線，主要吸熱峰在 196～200℃
之間，鋁含量變化為0.01～3.0 wt%
不同鋁含量的Sn - 8.5Zn - 0.5Ag - 0.1Ga - xAl 合金冷卻曲線圖，如圖九所示。從冷卻 曲線圖中可發現，Sn - 8.5Zn - 0.5Ag - 0.1Ga - xAl 合金在冷卻過程中有一水平線段。尤其 Al 含量 0.01wt%合金熔點溫度為 198.8℃，非 常接近Sn-9Zn 合金的共晶溫度。隨 Al 含量 由 1.0wt%增加至 3.0wt%，合金液相溫度由 198.8℃減少至 196℃。當 Al 含量為 2.0wt%
時，合金有最小的糊狀區域(pasty range)大約 是2.7℃。
0 500 1000 1500 2000
0 100 200 300 400 500
Temperature, T/℃
Time, t/s
0.01Al 1.0 Al 2.0 Al 3.0 Al
圖 九 Sn-8.5Zn-0.5Ag-0.1Ga-xAl 合 金 之 冷 卻溫度曲線
由表一可知，經由比較加熱及冷卻二種 方法所獲得 Sn-8.5Zn-0.5Ag-0.1Ga-xAl 合金 相轉變溫度如表1 所示。當合金中 Al 含量增 加時，TL (℃)和 TS(℃)減少。合金中鋁含量 3.0wt% Al 比 2.0wt% Al 有較高的 TL (197.2℃) 和TS (193.6℃)。
表 一 Sn-8.5Zn-0.5Ag-0.1Ga-xAl 合金之相變化溫度 Solder
al-loys Rate Ts (℃) TL (℃) TOnset (℃) Tpeak (℃) ΔH (J/g) Pasty range (℃) Heating 195.7 203.5 197.92 199.2 55.47 7.8 0.01Al
Cooling 195.6 198.7 3.1
Heating 193.2 202.6 195.5 197.4 55.89 9.3 1.0Al
Cooling 193.6 196.9 3.4
Heating 193.0 200.8 195.5 197.0 67.32 7.8 2.0Al
Cooling 194.1 196.8 2.7
Heating 192.6 201.9 195.8 197.2 52.48 9.4 3.0Al
Cooling 193.6 197.2 3.7
5.1.2 顯微組織分析
圖 十 所 示 為 Sn-8.5Zn-0.5Ag-0.1Ga-xAl 合金X 光繞射圖(XRD)。由 X 光繞射分析所 獲得的結果顯示，在Al 含量為 0.01wt%時，
組成相為富錫(Sn-rich)、富鋅(Zn-rich)和銀鋅 化 合 物(Ag-Zn compound) 。 當 Al 含 量 由 1.0wt% 增 加 至 3.0wt% 時 ， 可 發 現 鋁 鋅 相 (Al-Zn phase)形成。隨 Al 含量增加銀鋅化合 物減少，同時鋁鋅相隨之增加。Ag-Zn 化合 物組成相經 JCPDS 資料庫比對，主要為 ε-AgZn3和γ-Ag5Zn8二相。
0.01Al 1.0 Al 2.0 Al 3.0 Al
35 40 45 50 55 60 65 70 75
Relative Intensity
2θ (degree)
0.01Al 1.0 Al 2.0 Al 3.0 Al
0.01Al 1.0 Al 2.0 Al 3.0 Al
0.01Al 1.0 Al 2.0 Al 3.0 Al
35 40 45 50 55 60 65 70 75
Relative Intensity
2θ (degree)
圖 十 Sn-8.5Zn-0.5Ag-0.1Ga-xAl 合 金 之 XRD 繞射圖，Al 含量變化 0.01~3.0 wt.%；Al. (○)、Sn、(＋) Zn、(▲) Al、
(◇)、ε-AgZn3、(■) γ-Ag5Zn8
圖十一(a)為 Sn - 8.5Zn - 0.5Ag - 0.1Ga - 0.01Al 合金電子顯微鏡背向散射影像圖。圖 中顯示Sn - 8.5Zn - 0.5Ag - 0.1Ga - 0.01Al 合 金基底(matrix)為一不均勻的 Sn-Zn 共晶組 織，對比較淡的為 β-Sn，對比較暗的針狀 (needle-like)析出物為富鋅(Zn-rich)和銀鋅化 合 物(Ag-Zn compound)。銀鋅化合物經由 EDS 分析，最主要為 ε-AgZn3和γ-Ag5Zn8二 種 金 屬 間 化 合 物(Intermetallic compounds, IMCs)。此結果與 XRD 分析所獲得的結果相 同。
圖十一(b)所示為當 Al 含量為 1.0 wt%
時，Al-Zn 相明顯增加。較暗的富鋅針狀
(a)
(b)
(c)
(d)
圖 十一 Sn-8.5Zn-0.5Ag-0.1Ga-xAl 合 金 之 背向式電子散射圖，Al 含量變化為 (a) 0.01, (b) 1.0, (c) 2.0, (d) 3.0 wt.%
Al
(needle-like)析出物變得較粗，而 Al-Zn 相以 羽毛狀(feather-like)組織型態析出。
圖十一(c)為在 2.0 wt% Al 時，合金顯微 組 織 顯 示 有 較 粗 的 Al-Zn 相 以 及 少 量 的 Ag-Zn 金屬間化合物，並且在基底中有均勻 的富鋅(Zn-rich)相析出。鋁鋅相經由 EDS 分 析，主要成分比為94.12Al-5.88Zn。
Al 含量為 3.0wt%其顯微組織與 2wt%Al 相似，如圖十一(d)所示。Al-Zn 相分散在合 金基底中，相對的Ag-Zn 金屬間化合物隨之 減 少 。 從 以 上 結 果 顯 示 ， Al 在 Sn-8.5Zn-0.5Ag-0.1Ga-xAl 合 金 凝 固 過 程 中，出現具有促進提高固相成核密度。當合 金中 Al 含量增加，Al-Zn 相增加並且富鋅 (Zn-rich)相有粗化的現象。
5.1.3 Sn-8.5Zn-0.5Ag-0.1Ga-xAl 合金固相率 在溫度與合金固相率(solid fraction)相關 的計算，採用 CACCA 的技術，所獲得的結 果如圖十二所示。此結果反映出在合金凝固 過程中共晶相的影響。依照 Ag-Zn 和 Al-Zn 相圖，在此必須注意到Ag-Zn 金屬間化合物 和 Al-Zn 相其熔點大約為 250℃比 Sn-Zn 開 始凝固溫度高[13,14]。由於 Ag-Zn 和 Al-Zn 相在合金中所佔比例非常小，整個凝固過程 中Ag-Zn 和 Al-Zn 相漂浮在液相中， 所以對 主要的凝固現象並沒有很大的影響。當合金 中Al 含量增加，Al-Zn 相含量也隨之增加。
然而，(Al)l 共晶液相分解溫度為 250℃，此 時飽和的Zn 被釋放出並且 Al-Zn 相形成。因 此 所 釋 放 飽 和 的 Zn 與 Sn 形 成 富 鋅 相 (Zn-rich)。先前研究 Sn-9Zn-xAg 合金固相率 與溫度(fs-T)關係文獻中指出，Sn-9Zn 合金在 固相率(fs)和溫度(T)曲線關係，實際上呈現一 垂直線段[915]。在本研究中不同 Al 含量 (0.01~3.0wt%)合金其固相率與溫度(fs-T)關 係也呈現垂直線段，此代表在凝固過程中有
共晶Sn-Zn 相形成。
192 194 196 198 200
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Solid fraction, fs
Temperature, T/℃ 0.01Al
1.0 Al 2.0 Al 3.0 Al
圖 十二 Sn-8.5Zn-0.5Ag-0.1Ga-xAl 合金之固 相率對溫度曲線圖
5.1.4 Sn-8.5Zn-0.5Ag-0.1Ga-xAl 合金凝固行 為
綜 合 以 上 的 結 果 中 可 以 發 現 Sn-8.5Zn-0.5Ag-0.1Ga-xAl 合 金 其 凝 固 行 為，剛開始為Ag-Zn 金屬間化合物的析出和 (Al)l相偏析，然後β-Sn 相，最後為 Sn-Zn 共 晶組織的成長。Sn-8.5Zn-0.5Ag-0.1Ga-xAl 合 金在凝固過程中複雜的行為，可以用以下步 驟來描述：L(liquid) → L+γ-Ag5Zn8+(Al)l → L+γ-Ag5Zn8+(Al)l+ε-AgZn3 → L+γ-Ag5Zn8+(Al)l+ε-AgZn3+β-Sn → γ-Ag5Zn8+Al-Zn phase+ε-AgZn3+β-Sn + eutectic(Sn-Zn).
5.1.5 熱傳導率之計算
由本計劃所建構之量測熱傳導率的設 備，利用比較的方法來量測熱傳導率，稱為 軸向流動法(Axial Flow Method)。軸向流動法 主要是透過熱量流經已知與未知試片，並利 用比較已知與未知試片之溫度梯度而間接求 得熱傳導率的方法。經由計算後，求得銅、
鋁、無鉛銲錫(Sn-9Zn)的熱傳導係數，實驗值 分別為360、207、282(W/m•K)，其中銅與鋁 的理論值分別為 385、255(W/m K)，理論值 皆大於實驗值。因此，實驗所得到的值仍需 校正後才可以得到較為正確的值。然而，就
實驗值而言，Sn-9Zn 無鉛銲錫材料的熱傳導 參數之關係，分別以Surface Evolver 以及本 研究所發展之程式進行模擬，並與實驗結果 來做驗證。在熔融銲錫流動行為方面固然可 以藉由本研究所發展出的程式來做預測，經 過迴銲過程銲錫接點凝固後之行為卻要使用 Surface Evolver 來計算，譬如元件的荷重的 引入。Surface Evolver 所計算出的銲錫站立 高度是由於將銲錫的流動限制在錫墊內所 致，亦即將所放置元件高度限制與銲錫站立 高度等高。因此，Surface Evolver 無法計算 出無荷重銲錫的站立高度，故在無荷重銲錫 部份以本研究所發展之程式來討論。使用 Surface Evolver 及本研究所發展之程式的模 擬結果與討論將詳述於下面兩節。
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25
0
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25
0
Maximum Width (μm)
Volume (mm3)