高溫儲存處理對界面反應層厚度的影響

圖 4-7 為綜合三種不同 Zn 含量的 Sn-0.7Cu-xZn 合金銲接後與經 150℃高溫儲存處理後，其銲點界面反應層結構與厚度關係圖，由圖 中可知 Sn-0.7Cu 合金在銲接後，其界面反應層主要由 Cu6Sn5介金屬 化合物所構成，厚度約為 1~1.5µm。當銲點經過 150℃高溫儲存處理 後，Sn-0.7Cu 合金銲點在 25~100 小時處理後，界面反應層仍為單一 Cu6Sn5介金屬化合物，但是當高溫儲存處理時間到達 300 小時，則在 界面反應層中形成兩種不同的反應層，靠近銲錫處為 Cu6Sn5，在 Cu6Sn5與 Cu 基材之間則為 Cu3Sn 化合物。整體而言，隨著高溫儲存 處理時間的增加，在 Sn-0.7Cu 合金銲點之界面反應層中，不無論是 Cu6Sn5 或 Cu3Sn 介金屬化合物，其厚度都隨著高溫儲存處理時間增 加而變厚。當 Sn-0.7Cu 合金中添加 0.05Zn 及 0.5Zn 後，其界面反應 層厚度亦隨著高溫儲存時間的增加而增厚。然而，在本研究中，添加 Zn 元素之兩種合金，在 150℃高溫儲存處理 500 小時後，其界面反應 層均為單一的 Cu6Sn5 介金屬化合物，沒有觀察到其他種類的化合物 存在。

圖 4-8 綜合三種不同 Zn 含量的 Sn-0.7Cu-xZn 合金銲接後與經 150

℃高溫儲存處理後，其銲點界面反應層厚度與處理時間平方根之關係 圖。其中，Cu6Sn5 或 Cu3Sn 介金屬化合物之厚度與高儲存處理的時

間平方根呈線性關係，此結果顯示在本研究中三種不同合金之界面反 應層生長為銲錫合金與基材間的擴散行為。

整體而言，在本研究中 Sn-0.7Cu-xZn 合金(x=0 ,0.05 ,0.5 wt.%)在 銲接後，界面反應層均為 Cu6Sn5介金屬化合物，而在 150℃高溫儲存 處理 300~500 小時後，僅有 Sn-0.7Cu 合金銲點中可以觀察到 Cu3Sn 介金屬化合物存在於 Cu6Sn5介金屬化合物層與 Cu 基材之間。圖 4-9 可以用來說明此一現象[32]。在銲接過程中，因為基材中大量 Cu 原 子往液相的銲錫中擴散，而先在接合界面上形成扇貝狀的 Cu6Sn5 介 金屬化合物，其生長示意如圖 4-9(a)所示[32]。隨著 150℃高溫儲存處 理時間的增加，界面反應層厚度會隨之增加。當延長高溫儲存時間 後，由於 Cu 原子的擴散係數高於 Sn 原子的擴散係數，基材中的 Cu 元素擴散進入界面反應層中的速度高於 Sn 原子擴散進入界面反應 層，因此，在靠近會形成高 Cu 含量的第二層介金屬化合物 Cu3Sn。

然而，在 Sn-0.7Cu 合金中加入 0.05 及 0.5 wt.%Zn 元素之後發現，在 凝固初期，介面上會先生成形成扇貝狀 Cu6Sn5介金屬化合物但 Zn 元 素會存在於反應的界面上，參與成核凝固過程，待凝固後進而形成 Cu6Sn5；之後 Zn 元素會往界面擴散，阻擋了銲錫合金與基材間的固 相/固相擴散，而延遲 Cu3Sn 介金屬化合物生成，如圖 4-9(b)所示 [

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添加 Zn 元素的兩種合金銲點中仍無法觀察到 Cu3Sn 介金屬化合物生 成，由此可知 Zn 元素的添加雖然會增加介金屬的厚度，但會抑制 Cu3Sn 成長，具穩定界面反應層組織之能力，有助於提升合金銲點的 高溫信賴性。

0

Cu6Sn5 IMC厚度(μm)

Sn-0.7Cu

Cu3Sn IMC厚度(μm) Sn-0.7Cu

(c) 圖4-7 介金屬化合物厚度與150℃高溫儲存時間關係圖

0 Cu6Sn5 IMC厚度(μm)

Sn-0.7Cu Cu3Sn IMC厚度(μm)

Sn-0.7Cu

(c) 圖 4-8 介金屬化合物厚度與 150℃高溫儲存時間平方根之關係圖

(a)總厚度、(b)Cu6Sn5、(c)Cu3Sn

(a)

(b)

圖 4-9 介金屬化合物生長示意(a) Cu6Sn5 (b) Cu3Sn [32]

Cu6Sn5

Cu3Sn Cu6Sn5