第四章 材料實驗研究方法與結果討論
4.6 奈米硬度實驗
本實驗奈米硬度(Nanoindentation)系統為美國 MTS 公司 Nano Indenter XP System，圖 4-44，負載機制為線性系統，用來量測材料之硬度與楊氏系數，
Nano indenterXP 具有連續剛性量測(Continuous Stiffness Measurement，CSM) 系統，可精確的量測材料硬度值、彈性係數等，有高解析度定位平台與程式 化路徑設定功能，因此可量測到基材上面的沉積薄膜性質。而系統中所使用 為三角錐B erkovich 型，圖 4-45，壓子尖端可製作尖銳，進行壓痕深度的投 影面積較準確，其誤差值相對較圖4-31 小，理論上完美的三角錐 Berkovich 型壓子的面積函數F(h)=24.5hC2。
圖4-44. 美國 MTS 公司 Nano Indenter XP System
試片處理方式如同上面所提。實驗部份進行拉伸試驗所測得楊氏係數為 熱影響區的部份，但球體部份無法由拉伸試驗測得。微小硬度試驗是尋找熱 影響區的範圍以硬度值 Hv 表示取得趨勢或材料強度降低時用 HV 值表示趨 勢，而球體部分要求得楊氏係數，在微小硬度計 Akashi MVK-H11 型是無法 滿足的。本研究採用奈米硬度量測，奈米硬度量測系統中可記載壓痕的負載 與卸載(Loading and unloading)之全部週期，當卸載時 Berkovich 壓子上升，試 片的凹痕處會有回彈現象，圖4-45 紅色位置處，當回彈的材料頂回 Berkovich
壓子，Berkovich 壓子上方有感應將卸載曲線記錄下來，再將卸載曲線，找出 斜率與計算楊氏係數。本實驗將重點落在圖4-46。隊球體部份進行奈米壓痕，
圖4-47~4-55。表 4-4~表 4-6。
圖4-45. 奈米壓痕凹痕處與 Berkovich 型三角鑽石錐形(Triangular Diamond Pyramid)[31]
圖4-46.奈米硬度壓痕在球體分佈的位置
0 100 200 300 400 500 600 700
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Displacement Into Surface (nm)
Loa d O n S a m p le ( m N )
Sphere Center at No.4 Sphere neck at No.5
圖4-47. 金線於室溫 25℃經電子燒球後，金球奈米硬度壓痕負載與位移曲線 (應變率
ε
•= 10
−3S
−1)0 100 200 300 400 500 600 700
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Displacement Into Surface (nm)
L o a d On S a m p le ( m N )
Sphere center at No.4 Sphere neck at N0.5
圖4-48. 金線退火 125℃經電子燒球後，金球奈米硬度壓痕負載與位移曲線(應 變率
ε
•= 10
−3S
−1)0 100 200 300 400 500 600 700
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Displacement Into Surface (nm)
L o a d On S a m p le ( m N )
Sphere Center at No.4 Sphere neck at No.5
圖4-49. 金線退火 200℃經電子燒球後，金球奈米硬度壓痕負載與位移曲線(應 變率
ε
•= 10
−3S
−1)0 100 200 300 400 500 600
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Displacement Into Surface (nm)
Load On Sample (mN)
Sphere at No.1 Sphere at No.2 Sphere at No.3 Sphere center at No.4 Sphere neck at No.5
5 3 2 1 4
圖4-50. 銅線於室溫 25℃經電子燒球後 EFO，銅球奈米硬度壓痕負載與位移 曲線(應變率
ε
•= 10
−3S
−1)0 100 200 300 400 500 600
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Displacement Into Surface (nm)
Load On Sample (mN)
Sphere at No.1 Sphere at No.2 Sphere at No.3 Sphere center at No.4 Sphere neck at No.5
5 4
3 2 1
圖4-51. 銅線退火 125℃經電子燒球後，銅球奈米硬度壓痕負載與位移曲線(應 變率
ε
•= 10
−3S
−1)0 100 200 300 400 500 600
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Displacement Into Surface (nm)
Load On Sample (mN)
Sphere at No.1 Spher at No.2 Sphere at No.3
Sphere center at No.4 Sphere neck at No.5
5 4
2 1 3
圖4-.52 銅線退火 200℃經電子燒球後，銅球奈米硬度壓痕負載與位移曲線(應 變率
ε
•= 10
−3S
−1)0 100 200 300 400 500 600
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Displacement Into Surface (nm)
Load On Sample (mN)
Sphere at No.1 Sphere at No.2 Sphere at No.3 Sphere center at No.4 Sphere neck at No.5
5 4 3 1 2
圖4-53. 銅線室溫 25℃經二次電子燒球後，銅球奈米硬度壓痕負載與位移曲 線(應變率
ε
•= 10
−3S
−1)0 100 200 300 400 500 600
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Displacement Into Surface (nm)
Load On Sample (mN)
Sphere at No.1 Sphere at No.2 Sphere at No.3 Sphere center at No.4
Sphere neck at No5. 54
2
1 3
圖4-54. 銅線退火 125℃經二次電子燒球後，銅球奈米硬度壓痕負載與位移曲 線(應變率
ε
•= 10
−3S
−1)0 100 200 300 400 500 600
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Displacement Into Surface (nm)
Load On Sample (mN)
Sphere at No.1 Sphere at No.2 Sphere at No.3 Spere center at No.4 Sphere neck at No.5
5 4 3
2 1
圖4-55.銅線退火 200℃經二次電子燒球後，銅球奈米硬度壓痕負載與位移曲 線(應變率
ε
•= 10
−3S
−1)表4-4.金球(FAB)奈米壓痕楊氏係數
Gold Ball(FAB) 25℃ Annealing 125℃ Annealing 200℃
Point Young's Modulus Gpa
4 58.1 52.7 50.4 5 63 54.2 53.9
表4-5.銅球(FAB)奈米壓痕楊氏係數
Copper Ball(FAB) 25℃ Annealing 125℃ Annealing 200℃
Point Young's Modulus (Gpa)
1 50.8 50.9 44.8 2 54.8 53.4 47.1 3 53.4 52.7 46.5 4 55.9 56.4 53.3 5 59.2 58.3 57.5
表4-6.銅球(FAB)二次燒球奈米壓痕楊氏係數
Copper Ball-2EFO 25℃ Annealing 125℃ Annealing 200℃
Point Young's Modulus (Gpa)
1 48.3 46.5 42.5
2 51.2 50.7 44
3 52.7 48.2 44.8 4 56.2 52.9 51.1 5 58.3 57.3 54.7
4.7 驗討論
4.7.1 拉伸試驗與拉球試驗
試片在常温 25℃與兩種不同退火溫度分別 125℃和 200℃，其目的是降低 銅線強度提升延展性。銲線接合過程中在基板下方有加熱約 160~220℃，熱 傳至晶片上方的鋁墊(Al Pad)，此溫度是輔助電子燒球後鍵結更緊密，而球端 從瞬間溫度約1070℃(以超過金線或銅線的熔點)降低至 200℃，因此球體(FAB) 與鋁墊接合的溫度約為200℃。
因不同退火溫度與時間之間的關係，以固態反應動力學(The Kinetics of Solid-State Reaction)角度看，與時間有關的變態速率，變態的過程可藉由顯微 鏡的微觀組織觀察或材料性質測定，將材料變態分率與時間對數所繪圖描述 圖4-56，以 Avrami 方程式表示，式(4-2) 表示，式中變態分率
y
為時間t
的y =1−exp(−ktn) (4-2)
圖4-56. 固態反應動力學的變態分率與時間對數[3]
函數，
k
和n
對特別反應而言與時間無關的常數。變態速率r
為變態進行到一 半所需時間的一半t
0.5之倒數。在退火處理中受到溫度控制也是重要因素，對 特定溫度範圍，變態速率r
隨溫度而增加，式(4-3)，R
為氣體常數，T
為絕對溫度，
A
為與溫度無關之常數，Q
為特殊反應之活化能，與溫度有關的反 應速率的過程稱熱活化(Thermally Activated)。圖 4-57，純銅在固定溫度時再 結晶的百分比為時間函數。再結晶在純金屬比合金發生來得快，純金屬的再 結晶溫度約 0.3T
m，T
m為絕對熔點，然而是否得到再結晶溫度使其晶粒變 化，可從理論上0.3T
m的溫度進行多次實驗找尋範圍。
r = Ae
−Q RT (4-3)圖4-57.純銅在固定溫度時再結晶的百分比為時間函數[33]
因此本實驗將不同狀況的退火溫度，固定溫度並且持溫 1 小時，微結構 中再結晶的出現多少，並無進行斷面腐蝕觀看晶粒結構。從拉伸實驗中線材 與熱影響區觀察到有幾項：
1. 圖 4-59~圖 4-60，材料經退火溫度後楊氏係數有明顯下降趨勢，二 次燒球的楊氏係數比一次燒球低。試片經退火之後的延展性增加趨 勢，而承受應力的能力低，對於材料組織軟化提升。受到高應變率 的影響楊氏係數下降。
2. 線材的降伏強度下降，這表示受到退火溫度影響材料內部結構含再 結晶的出現，溫度越高再結晶範圍越大，晶粒尺寸越大，圖4-61。
3. 以熱影響區(HAZ)拉球試驗來看，經電子燒球後球頸上方的降伏強 度比線材要低，因熱影響部份的晶粒比非熱影響區大，圖2-14 與圖 4-61。加上電子燒球之前的線材先行退火處理，降伏強度更低，圖 4-62。另外討論，文獻中提到純銅的再結晶溫度約 200℃但時間多久 達成這必需實驗尋找範圍，假設本實驗銅線的退火溫度 200℃與持 溫 1 小時能得到大量的再結晶此時為一次再結晶，當電子燒球後熱 影響區部份為二次再結晶，本研究並無討論此部分。
4. 從圖 4-61~圖 4-62，金的降伏強度比銅來的高，但從圖 4-63~圖 4-64，
銅的應變硬化能力比金高值約0.3~0.4，金應變硬化約 0.05~0.07。當 銅超過降伏點則應變硬化能力開始作用，越是塑性變形越能夠抵擋 下一個時間點的塑性發生。而金受到外力之時，由於應變-硬化指數 低反應出降伏強度與極限抗拉強度的斜率低，形成完全塑性。
5. 以圖 4-8~圖 4-9 為例金(Au)從降伏強度到極限拉伸強度，由於應變 硬化值接近 0 幾乎是完全塑性，因此很快到達極限拉伸強度，立即 頸縮。銅(Cu)從降伏強度到極限拉伸強度過程中，銅(Cu)降伏強度 比金(Au)低，但是銅(Cu)的應變硬化與金(Au)相差約 6 倍之多，如圖 4-63~圖 4-64，即使過了降伏強度它應力越大抵擋塑性變形能力越 高。當電子燒球過後銅球經衝擊(Impact)撞至銲墊上，它有塑性變形 時抵擋塑性變形能力，因此容易造成銲墊被推擠的原因之ㄧ。
6. 圖 4-69，應變硬化影響之外，另一個常數為強度係數它與應變和應 變硬化之間關係反應在應力上。實驗中應變硬化能力高強度係數能 力也提升，換句話說降伏強度到達極限強度中差距越大，表示斜率 越高且反應出應變-硬化指數高，塑性之時能抵擋下一個時間點的變 形能力。
7. 研究中必須考慮銲接接合的接觸速度(Contact Velocity，C/V)，它與 拉伸速率相對應在轉換成應變率(Strain Rate)，從10−4S−1提升至
1
60−2S− 。高速拉伸速率下所得到性質比低速要高，降伏強度、極限 拉伸強度皆有上升趨勢，尤其是銅(Cu)的硬化指數從 0.3 上升至 0.4，金(Au) 的硬化指數從 0.05 上升至 0.07，圖 4-63~圖 4-64。
8. 二次燒球目的是降低球體(FAB)部份的性質強度，發現二次燒球後熱 影 區 的 性 質 有 明 顯 下 降 。 一 次 燒 球 熱 影 響 區 的 拉 伸 速 率 457.2mm/min 在 25℃、退火 125℃和 200℃溫度條件下其極限抗拉 強度(UTS)分別 233.7MPa、232.5MPa 和 216Mpa，圖 4-65~圖 4-66。
而 二 次 燒 球 熱 影 響 區 的 極 限 抗 拉 強 度(UTS) 分 別 217.1MPa 、 213.3MPa 和 198.6MPa。對於低弧銲線製程中的銲線迴路之時球頸 上方的強度仍然足夠，不因此而造成容易斷線。
4.7.2 微小硬度試驗
以微小硬度試驗來看，以 K&S 的銅線不經過退火處理，直接進行ㄧ次燒 球(Primary Electronic Flame Off)與二次燒球(Secondary Electronic Flame Off)，
發現如下：
1. 圖 4-70，ㄧ次燒球後的試片斷面進行微小壓痕，在球頸開始到離開 球頸範圍約 500µm，壓痕反應出材料比其他部位要軟，此區為熱影 響區(Heat Affect Zone，HAZ)。而二次燒球的熱影響區(Heat Affect Zone，HAZ)範圍約 650µm，此熱影響的範圍代表最嚴重範圍。離開 此區晶粒尺寸越來越小直至尺寸呈一致性，以微小硬度值(Hv)來觀 看其逐漸平穩稱為非熱影響區。
2. 經微小硬度試驗證明熱影區範圍硬度低(軟)，以 Hall-Petch 方程式中
12
+ −
= o Kd
Y σ
σ ，d為晶粒，σY為降伏強度，此範圍壓痕Hv 反應出 材料較軟，表示晶粒尺寸大，抵擋塑性變形能力低。
3. 經二次燒球後的熱影區的範圍比一次燒球大，與熱影響區拉伸試驗 性質比較確實比一次燒球的性質有明顯下降趨勢。
4. 圖 4-32 中，實驗中將球體(FAB)底端進行微小壓痕，發現圖 4-34，
二次燒球的周圍硬度比一次燒球低，與銲墊接觸時可降低銲墊被推 擠的程度。
5. 球體部份的壓痕與非熱影區範圍的壓痕 Hv 值相接近，若以退火三階 段來看，圖2-14~圖 2-15，球體部份的晶粒比熱影響區更大，但壓痕 的值卻比熱影響區高，可能是晶粒尺寸大至視為單晶材料，而壓痕 針頭比晶粒小，壓痕若在單晶之時硬度比多晶時高。
6. 熱影響區的拉球實驗，將標距(Gauge Length)定義為 1 公分，在進行 拉球試驗時由於熱影響區的晶粒結構比非熱影響區大，即降伏強度 比非熱影響區小，球頸上方最先斷裂。然而在拉伸之時非熱影響區 也同時產生塑性，圖4-58，因此熱影區性質取得其誤差仍然存在。
圖4-58. 拉球試驗，標距與熱影區的距離
4.7.3 奈米硬度試驗
圖 4-46~圖 4-55，由於球體的尺寸約 50µm，要進行壓縮實驗取得性質不 易，因此採用奈米壓痕硬度實驗取得球體(FAB)的楊氏係數，以卸載之後的曲 線找出斜率便可量測得剛性(Stiffness)
S = dP / dh
。線材表面最先受到高溫產 生相變化形成球體，再熱傳至球體中，造成外圍部份的壓痕卸載(Unload)的斜圖 4-46~圖 4-55，由於球體的尺寸約 50µm，要進行壓縮實驗取得性質不 易，因此採用奈米壓痕硬度實驗取得球體(FAB)的楊氏係數，以卸載之後的曲 線找出斜率便可量測得剛性(Stiffness)