4-2. Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 合金銲錫之金相分析與 OSP 基板界面反應
如圖 4-1 所示 Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 銲錫在合金顯微組織後，銲錫基地內發現 Ag3Sn 化合物，因 Zn 的添加物而呈現點狀，有些許的小顆晶粒形成，也存在 Sn-In 金屬間化合物，也發現有少量的Cu-Sn 析出物之介金屬，均勻分布在試片上面，可用 EDX 半定量分析與 X-Ray 成分分析，可了解中晶粒都是 Sn 成分的晶粒為居多。
OSP 是在潔淨的裸銅表面上，以化學的方法長出一層有機膜，後續的焊接高溫 中，此保護膜很容易被助焊劑所迅速清除，露出的幹淨銅表面得以在極短時間內與焊 錫立即結合成為牢固的焊點，銲錫球的接點的可靠度是決定球格陣列構裝的壽命。這 次實驗是針對本實驗中的OSP 基板材料的析出物對於 Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 合金銲 錫互熔會有甚麼樣的的界面反應，以及在高溫時效過後對於銲錫與OSP 基板界面，
會有怎樣不同的變化。
Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn合金銲錫與OSP基板界面反應型態如圖4-2所示，使用SEM 與EDX可以觀察出銲錫與界面的成分，發現焊錫內部與Cu底部連結部份，產生大小 不一的孔洞，原因是在迴銲過程中，助銲劑氣化殘留在銲錫內部，形成氣泡狀的微孔 洞。
由SEM、EDX觀察各試片的晶粒部份，由於OSP基板為Cu焊墊上塗層一層有機 保護膜，此保護膜在迴銲的過程當中即被燒毀，Cu原子可以快速的銲料
Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn合金銲錫產生反應，而生成Cu-Sn析出物。發現迴銲一次的基 板，Cu-Sn析出物之介金屬層會隨著時效處理增加而增大，且在界面的晶粒的結構也 變得更為細緻而連續；在迴銲一次高溫時效100小時過後界面層會形成較薄Cu-Sn析出 物，但隨著時效增長，在迴銲一次高溫時效500小時後，界面觸及生成比較厚的Cu-Sn 析出物之介金屬層，且隨著時效時間的增加，Cu-Sn析出物之界金屬層也是明顯的增 加且增厚了。
在迴銲二次的基板中Cu-Sn析出物之介金屬層晶粒的結構部分可發現比迴銲一次
的晶粒來的粗大。但在迴銲二次的基板中的Cu-Sn析出物之介金屬層沒有比迴銲一次 來的厚，在迴銲二次高溫時效100小時後的界面層也是由Cu-Sn析出物轉變成較薄的介 金屬層，當迴銲二次高溫時效500小時，比高溫時效100小時生成較厚Cu-Sn析出物之 介金屬層。
圖4-1. Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 銲錫合金顯微組織圖 Sn-In
Ag3Sn Cu-Sn
OSP 基板迴銲一次
OSP 基板迴銲一次高溫時效 100 小時
OSP 基板迴銲一次高溫時效 500 小時 Cu-4.8 % Ag-6.64 %
In-8.23 % Sn-80.95 %
Cu-40.08 % Ag-6.03 % In-4.47 % Sn-40.43 %
Cu-2.82 % In-6.82 % Sn-90.37 %
Cu-45.81 % In-6.16 % Sn-40.03 %
Cu-15.63 % In-4.40 % Sn-79.97 %
Cu-43.13 % Ag-4.49 % In-6.67 % Sn-39.96 % Zn-5.76 %
OSP 基板迴銲二次
OSP 基板迴銲二次高溫時效 100 小時
OSP 基板迴銲二次高溫時效 500 小時 圖4-2. Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 合金銲錫與 OSP 基板界面反應型態
Cu-4.50 % In-5.19 % Sn-90.31 %
Cu-42.99 % Sn-57.01 %
Cu- 8.46% Ag-37.29 % In-18.72 % Sn-35.52 %
Cu-49.19 % Ag-1.42 % In-2.65 % Sn-39.86 % Zn-6.88 %
Cu- 71.96% Zn-4.17 % Sn-23.88 %
Cu-37.6 % In-4.61 % Sn-57.79 %
4-3.Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 合金銲料在化金基板與 OSP 基板剪切強度分析
Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 合金的機械性質，會受拉伸速率以及溫度的影響。本實驗 測試參數為：夾頭拉伸速率固定為10-3 mm/sec；測試的溫度為 η＝0.6(100 ℃)、0.65(50
℃)、0.7(75 ℃)、0.75(100 ℃)四種。
圖4-3 為 Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 合金在不同的鍍層基板迴銲一次的剪切強度。由 圖可發現Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 合金在 OSP 基板構裝件的平均剪切強度，不論在何 種的測試溫度下，均約略高於此焊錫應用在化金基板時的平均剪切強度。
圖4-4 為構裝件經過 100 ℃、100 小時時效處理後，Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 合金 在OSP 基板構裝件的平均剪切強度會下降到 30.1±2 MPa，但其可能原因是經過時效 恆溫處理後，Cu 基材會溶於合金焊錫中，增加 Cu-Sn 的脆性，且銲料內部孔洞也明 顯的增加許多。
圖4-5 為構裝件經過 100 ℃、500 小時時效處理後 Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 合金在 OSP 基板構裝件的平均剪切強度會更進一步的下降到 29.3±2 MPa，其原因可能為經 過時效的增長，Cu 基材大量的溶於 Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 合金焊錫之中，使得銲料 內部的Cu-Sn 介金屬脆性增加，使得剪應力降低，銲料內部的孔洞也是明顯的增大。
圖4-6 為 Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 合金在不同的鍍層基板迴銲二次的剪切強度。可 發現Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 合金在 OSP 基板構裝件的平均剪切強度 30.6±2 MPa，也 是略高於化金基板構裝件的機械強度，但強度卻比迴銲一次化金基板31.5±2 MPa 與 OSP 基板 32.4±2MPa 平均剪切強度還低。但不論在何種的測試溫度下，均約略高於 此焊錫應用在化金基板二次回焊時的平均剪切強度。
圖4-7 為構裝件迴銲二次經過 100 ℃、100 小時時效處理後 Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 合金在OSP 基板構裝件的平均剪切強度會更進一步的下降到 29.4±2 MPa，但強度卻 比迴銲一次化金基板25.1±2 MPa 平均剪切強度高，卻比 OSP 基板 30.1±2 MPa 平均 剪切強度還低，可知道經過了迴銲二次後時效恆溫熱處理之後的機械強度是比迴銲一
次高溫時效熱處理之後的化金基板強度還要高。
圖4-8 為構裝件迴銲二次經過 100 ℃、500 小時時效處理後 Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 合金在OSP 基板構裝件的平均剪切強度會更進一步的下降到 28.3±2 MPa，但強度卻 比迴銲一次化金基板24.5±2 MPa 平均剪切強度高，卻比 OSP 基板 29.3±2 MPa 平均 剪切強度還低，可知道經過了迴銲二次後時效恆溫熱處理之後的機械強度是比迴銲一 次高溫時效熱處理之後的化金基板強度還要高，也是代表著OSP 基板構裝件比化金 基板構裝件有更好的抗潛變性質
圖4-3. 化金板迴銲一次剪切強度平均值
圖4-4. 迴銲一次高溫時效 100 小時剪切強度平均值
圖4-5. 迴銲一次溫時效 500 小時剪切強度平均值
圖4-6. 迴銲二次剪切強度平均值
圖4-7. 迴銲二次溫時效 100 小時剪切強度平均值
圖4-8. 迴銲二次溫時效 500 小時剪切強度平均值
4-4. Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 在化金基板與 OSP 基板破斷 面分析
實驗結果進一步發現焊錫的破斷面皆發生在於銲料內部，化金基板的破斷面型態 如圖4-9 至圖 4-14 所示，利用 SEM 觀察出的破斷面型態發現，當拉伸的過程當中，
隨著溫度的提高時，可以發現其Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 銲錫合金在化金鍍層基板的破 斷面，當η=0.6 (25℃)的破斷面的剪切窩穴是由深到淺，，可觀察出破斷面的孔洞較 大，且剪切破壞發生在孔洞之中；溫度η=0.65(50℃)時，明顯的觀察到窩穴變得較淺，
但孔洞也變得較大，但有增加的趨勢；溫度η=0.7(75℃)的時候可看出銲料本身晶粒 也是變的較明顯，已經開始慢慢轉變成晶界與晶界的交界處孔洞裂縫破壞型態，；溫 度升高為η=0.75(100℃)後，明顯的看出破斷面的晶粒非常明顯，也發現到此時孔洞 也變得較大，使得孔洞連結形成裂縫，使得銲料內部機械強度降低，轉變成晶界與晶 界的交界處孔洞裂縫破壞型態；其中可能的原因是，當溫度越高的時候，其中銲料內 部合金化合物變得較粗大，使得原本銲錫基地的強度變得較差；因此可發現
Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 銲錫合金在化金鍍層基板強度，隨著恆溫時效熱處理增長、以 及拉伸溫度的提高，都會使的銲料內部本身的機械強度變的較差，也是意味著抗潛變 性質也變得較差。
如圖4-15 至圖 4-20 所示，可觀察 Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 銲錫合金在 OSP 鍍層基 板的破斷面，發現其破斷面均發生於銲料內部，可觀察出迴銲一次η=0.6 (25℃)破斷 面的晶粒較為細緻化，且剪切窩穴也較為明顯，且破壞面具有較多的延性破壞特徵出 現，剪切破壞的方式可看出都是在銲料內部的孔洞所產生；迴銲一次η=0.65(50℃) 時，可觀察出破壞面的孔洞慢慢增大的趨勢，且剪切的窩穴也變得比較淺，然而晶粒 也開始變的比較粗大，造成破斷的形成，此時延性破壞的特徵也開始變得較不明顯；
迴銲一次η=0.7(75℃)時，其破斷面的觀察到，其中破壞的方式可以觀察到是從晶界 交界處的孔洞，是從晶界的交界處所產引發的破壞；迴銲一次η=0.75(100℃)時，可
可發現銲料本身的晶粒便的粗大且明顯，並且破斷面的形成皆發生在晶粒與晶粒的交 界處，讓原本晶界與晶界孔洞連結形成較大裂縫，使得銲料本身破壞吸收量變差，而 產生破斷。因此可以推斷，Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 合金銲錫與 OSP 基板的 Cu 基材，
會融入於Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 合金銲錫，當溫度提高時，潛變效應也會隨著增加，
Cu-Sn 析出物之金屬化合物的與基地界面出現大的孔洞，孔洞連結產生小裂縫，小裂 縫受到剪切應力影響使裂縫連結，使得銲料本身的機械強度降低產生破壞。
迴銲一次構裝件經過100℃、100 小時恆溫時效處理後，當溫度為 η=0.65(50℃) 時，觀察到其中的晶粒開始慢慢的變得較為粗大，且晶粒也變得比較粗糙，孔洞也漸 漸的增加許多，其破斷的方式也是均由孔洞開始形成；當隨著溫度的增加，也是由延 性破壞方式開始轉變成晶界破壞，η=0.75(100℃)時也是由晶粒與晶粒的交界處產孔 洞連結形成的裂縫破壞的方式。
迴銲一次構裝件經過了100℃、500 小時恆溫時效處理後，溫度 η=0.65(50℃)時，
可以觀察到其破斷窩穴明顯的變得較深，由孔洞形成的延性破壞也較為明顯，隨著拉 伸溫度增高，可觀察到破斷面也是由延性破壞轉變成為晶粒與晶粒的交界處破壞的型 態，然而當溫度η=0.75(100℃)時可以發現其中的晶粒明顯的增大許多，其中破斷面 的表面型態也是在晶粒與晶粒的交界處引發破壞。
迴銲二次η=0.6 (25℃)破斷面與迴銲一次破斷面相比較下，其中的窩穴較淺，晶 粒較為粗大，破壞面有較多的延性破壞特徵出現，剪切破壞的方式可看出都是在銲料 內部的孔洞所產生，但；當溫度為η=0.65(50℃)時，可觀察出破壞面的孔洞慢慢增大 的趨勢，且剪切的窩穴也變得比較淺，晶粒也變的比較粗大，裂縫破斷的形成；溫度 為η=0.7(75℃)時，其破斷面的觀察到，其中延性破壞已經轉變成為晶粒與晶粒的交 界處形成裂縫破壞的型態；溫度為η=0.75(100℃)時，可明顯的觀察到破斷面的形貌，
明顯呈現出的破斷面均為晶粒與晶粒的交界處產生裂縫破壞的型態的型態，其中可發 現銲料本身的晶粒變的粗大且明顯，並且破斷面的形成皆發生在晶粒與晶粒的交界 處，使得銲料本身破壞吸收量變差，使銲料形成差排滑移的狀態，使得內部的降伏強
度和拉伸應力降低。
當迴銲二次構裝件經過100℃、100 小時恆溫時效處理後，當溫度為 η=0.65(50
℃）時，觀察到其中的晶粒開始慢慢的變得較為粗大，且也變得比較粗糙化，孔洞也 漸漸的增加許多，其破斷的方式也是均由孔洞連結開始形成；當溫度為η=0.75(100
℃)時，也是轉變成由晶粒與晶粒的交界處孔洞連結產生的裂縫形成破壞的方式。
迴銲二次構裝件經過了100℃、500 小時恆溫時效處理後，溫度 η=0.65(50℃)時，
可以觀察其破斷窩穴明顯的變得較深且較淺，由孔洞形成的延性破壞也較為明顯，隨 著拉伸溫度增高，可觀察到破斷面也是由延性破壞轉變成為晶粒與晶粒的交界處孔洞 產生的裂縫型態，然而當溫度為η=0.75(100℃)時可以發現其中的晶粒明顯的增大許 多，其中破斷面的表面型態也是在晶粒與晶粒的交界處形成裂縫破壞，差排滑移的情 況也非常明顯地觀察到。