銲點強度及破壞分析

為了解 Zn 元素添加對 Sn-0.7Cu 合金與 Cu 基材銲接後，經高溫 儲存處理銲點接合強度的影響，因此以拉伸測試進行強度測試。圖 4-10 為銲接後之銲點平均強度圖。由圖 4-10 可知，經 270℃銲接後，

Sn-0.7Cu 合金銲點平均強度約為 36.88MPa，Sn-0.7Cu-0.05Zn 及 Sn-0.7Cu-0.5Zn 合金銲點平均強度分別為 37.32MPa 及 38.47MPa，此 點顯示 0.05 wt.%及 0.5 w.t%含量的 Zn 元素添加可提升 Sn-0.7Cu 合金 銲點的強度。

此外，圖 4-11 為經 150℃高溫儲存處理後之銲點強度關係圖，在 高溫儲存處理 25 小時之後，三種不同 Zn 含量之 Sn-0.7Cu-xZn 合金 銲點的平均強度值均明顯下降，且隨著高溫儲存時間的增加，銲點平 均強度亦隨之下降，但是，高溫儲存處理時間由 25 小時至 500 小時，

添加 Zn 元素的 Sn-0.7Cu-0.05Zn 與 Sn-0.7Cu-0.5Zn 合金銲點之拉伸強 度平均值均較 Sn-0.7Cu 合金為高。

圖 4-12 為 Sn-0.7Cu 合金銲點經 150℃高溫儲存後的拉伸破斷面 SEM 圖，由圖中可以發現，Sn-0.7Cu 合金銲點於銲接後以及經過 25~100 小時高溫儲存處理後的拉伸破斷位置均位於銲接試片的銲錫 材料中，破斷面皆呈現渦穴狀組織，為典型的延性破壞。此點顯示在 銲接後以及短時間(25~100 小時)的高溫儲存處理，銲點之接合界面強

度高於銲錫本身的強度，因此破壞主要發生於銲錫材料中。然而，當 高溫儲存時間延長為 300~500 小時後，拉伸後破斷形態類似先前的渦 穴狀組織，但部分渦穴孔較先前銲接後的銲點試片為大，經高倍率觀 察後，此類區域中可以觀察到含有顆粒狀組織，且顆粒狀組織均勻且 平整分佈於孔洞底部，顯示破斷位置發生在銲錫與界面反應層接界處 附近，為銲錫材料和界面反應層複合破壞形式，此點應為隨著高溫儲 存時間的增加，Sn-0.7Cu 合金界面反應層逐漸成長，使得界面反應層 對外加應力敏感，而形成裂縫之起點與傳播路徑[33]，因此破壞發生 於接合界面處，且造成銲點衰弱而使接合強度明顯下降。

圖 4-13 及圖 4-14 分別為 Sn-0.7Cu-0.05Zn 和 Sn-0.7Cu-0.5Zn 合 金 銲 點 經 150 ℃ 高 溫 儲 存 後 拉 伸 斷 裂 SEM 圖 ， 由 圖 中 可 看 出 Sn-0.7Cu-0.05Zn 和 Sn-0.7Cu-0.5Zn 合金在銲接後以及高溫儲存處理 25~100 小時後的銲點拉伸破斷面形態，均與 Sn-0.7Cu 合金銲點試片 相同為渦穴狀的延性破壞組織，破斷位置亦發生於銲錫材料中。當儲 存時間延長為 300~500 小時，合金銲點的拉伸破斷面與短時間 (25~100 小時)相同，均為破斷在銲錫材料中之延性破斷。整體而言，

Sn-0.7Cu-0.05Zn 和 Sn-0.7Cu-0.5Zn 合金銲點在高溫儲存 25~500 小時 後，其破斷位置均發生於銲錫材料中，此點顯示此二組合金在 150℃

高溫儲存後，其接合界面之強度優於銲錫材料的強度，具有良好的高

溫可靠度。

圖 4-15 為綜合本研究中三種不同 Zn 含量的 Sn-0.7Cu-xZn 合金 銲點在銲接及 150℃高溫儲存處理後，銲點強度、破斷位置以及第二 層界面反應層(Cu3Sn)厚度的關係圖，在本研究中，Sn-0.7Cu 合金銲 點在界面反應層未生成 Cu3Sn 介金屬化合物前，其破斷位置主要破斷 於銲錫材料中，銲點強度高於 25MPa。然而當 Cu3Sn 介金屬化合物 存在於界面反應層後，銲點強度快速下降至 25MPa 以下，且破斷位 置轉變為銲錫材料+界面反應層之複合破斷形態。而添加 Zn 元素之 Sn-0.7Cu-0.05Zn 和 Sn-0.7Cu-0.5Zn 合金銲點強度在銲接後及高溫儲 存處理 25~500 小時後，其拉伸破斷位置均位於銲錫材料中，且無 Cu3Sn 介金屬化合物存在於界面反應層中。此現象符合其他學者指出 Cu3Sn 介金屬化合物的形成會造成銲點強度急速弱化的現象，而影響 銲點的可靠度及強度[33]。此點亦說明在 Sn-0.7Cu 合金中添加微量的 Zn 元素可以提升 Sn-0.7Cu 合金銲點在長時間儲放或操作後的信賴 性。

0

Sn-0.7Cu Sn-0.7Cu-0.05Zn Sn-0.7Cu-0.5Zn

銲錫合金 拉伸破斷力(MPa)

圖 4-10 Sn-0.7Cu-xZn 合金銲點之平均強度比較

20

儲存 時間 (小時)

拉伸破斷面 SEM圖 破斷位置

0 銲錫

25 銲錫

圖 4-12 Sn-0.7Cu 銲點經 150℃高溫儲存拉伸斷裂 SEM 圖

儲存 時間 (小時)

拉伸破斷面 SEM圖 破斷位置

100 銲錫

300 銲錫+界面反

應層

500 銲錫+界面反

應層

圖 4-12 Sn-0.7Cu 銲點經 150℃高溫儲存拉伸斷裂 SEM 圖(續)

儲存 時間 (小時)

拉伸破斷面 SEM圖 破斷位置

0 銲錫

25 銲錫

100 銲錫

圖 4-13 Sn-0.7Cu-0.05Zn 銲點經 150℃高溫儲存拉伸斷裂 SEM 圖

儲存 時間 (小時)

拉伸破斷面 SEM圖 破斷位置

300 銲錫

500 銲錫

圖 4-13 Sn-0.7Cu-0.05Zn 銲點經 150℃高溫儲存拉伸斷裂 SEM 圖(續)

儲存 時間 (小時)

拉伸破斷面 SEM圖 破斷位置

0 銲錫

25 銲錫

100 銲錫

圖 4-14 Sn-0.7Cu-0.5Zn 銲點經 150℃高溫儲存拉伸斷裂 SEM 圖

儲存 時間 (小時)

拉伸破斷面 SEM圖 破斷位置

300 銲錫

500 銲錫

圖 4-14 Sn-0.7Cu-0.5Zn 銲點經 150℃高溫儲存拉伸斷裂 SEM 圖(續)

圖 4-15 Cu3Sn 厚度與銲點強度及破斷形態關係圖