金相觀察 EDS 分析 SEM 分析
SEM 破斷面
觀察
12
R4
13 .5 15
13 .5
5 0
R1
單位:mm 圖 16.拉伸試驗標準試片圖
圖 17.拉伸試驗標準試片之沖床模具
第四章 第四章 第四章
第四章 結果與討論 結果與討論 結果與討論 結果與討論
本實驗針對 Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi 合金進行 DSC 熔點測試與 EDAX 成份分 析，並對基材進行金相觀察，再對無鉛銲錫進行顯為結構的觀察及拉伸強度測 試，並觀察其拉伸試片之破斷面的破壞情形。
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4----1.1.1.1. Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi 合金之 DSC 熔點測試 EDAX
成份分析
Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi 合金進行 DSC 熔點測試，其條件是 5℃/min 升溫到 400℃並且通入氮氣，將其數值如圖 18 並將其數據以表格方式顯示(表 9)，分別 Sn-3Ag-0.5Cu-2In-1Zn-0.5Bi 合 金 熔 點 約 介 於 205 ℃ 與 238.75℃ 之 間 ， Sn-3Ag-0.5Cu-2In-1Zn-1.5Bi 合 金 熔 點 約 介 於 201.25 ℃ 與 233.75℃ 之 間 ， Sn-3Ag-0.5Cu-2In-1Zn-3.0Bi 合金合金熔點約介於 201.25℃與 225.5℃之間，而業 界所使用的Sn-3Ag-0.5C 合金熔點約介於 218.75℃與 241.25℃之間。相較之下，
添加 Bi 成份之合金有降低熔點的效用，但添加太多的 Bi 合金，熔點並沒有降低 太多。故需要控制在一定的範圍內，才能控制在最佳合金熔點。以 EDAX 半定 量分析 Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi 合金的成份分析比例分別如(表 10)所示。圖 19 為 Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi 合金之板材顯微結構。可以清楚的看見析出物分布之情形，
並且對於 Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi 合金進行一連串之分析測試來探討其機械性質。
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4----2.2.2.2. Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi 合金之金相分析
如 圖 19 所 示 可 以 清 楚 看 到 經 過 金 相 實 驗 所 顯 現 出 來 的 圖 ， 發 現 Sn-3Ag-0.5Cu-2In-1Zn-0.5Bi 合金金相圖中有些許小顆晶粒形成，但晶粒的分佈 很不平均。而Sn-3Ag-0.5Cu-2In-1Zn-1.5Bi 合金金相圖中，可以發現到添加後所 形 成 的 晶 粒 相 ， 且 晶 粒 分 佈 較添 加 Bi 0.5% 合 金 分 布 均 勻 和 緊 密。 而
Sn-3Ag-0.5Cu-2In-1Zn-3.0Bi 合金金相圖中可以發現到較明顯較大顆晶粒形成，
根據參考文獻中提到如果添加超過 2%的 Bi 將會有晶粒粗大化的現象發生。而
Sn-3Ag-0.5Cu 合金金相圖中可以看到有許多大大小小的晶粒分佈，經由 EDAX
半定量分析可以了解其晶粒都是含 Sn 成份的晶粒為居多。
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4----3.3.3.3. Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi 合金拉伸試驗
Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi 合金的機械性質，會受拉伸速率及測試溫度影響。本實驗所 採用拉伸速率為 1×10-4mm/sec、1×10-5mm/sec 二種 ； 測試溫度有 η=0.6(25℃)、
0.65(50℃)、0.7(75℃)、0.75(100℃)四種，共 8 組。
表 11(a)為 Sn-3Ag-0.5Cu 合金之拉伸相關機械性質。它也是在拉伸速率為 1×10-4mm/sec、溫度為 25℃條件下，擁有此合金之最大應力值為 16.88 MP；在 50℃與 75℃以及 100℃時、其值分別為 12.8 MPa 與 9.71 MPa 以及 7.46 MPa。而 在圖 20(d) 可以觀察到 Sn-3Ag-0.5Cu 合金在不同拉伸速率、測試溫度下所得之 應力-應變圖。並可得知最高應變量為 20.51%，最低為 14.41%。
表 11(b)為 Sn-3Ag-0.5Cu-2In-1Zn-0.5Bi 合金之拉伸相關機械性質。在拉伸速 率條件為 1×10-4mm/sec、溫度為 25℃時，Sn-3Ag-0.5Cu-2In-1Zn-0.5Bi 合金的最 大應力值為 15.9 MPa；當溫度逐漸升高後，Sn-3Ag-0.5Cu-2In-1Zn-0.5Bi 合金的 強 度 逐 漸 降 低 ， 在 溫 度 100℃ 時 ， 最 大 應 力 僅 為 7.32 MPa 。 拉 伸 速 率 為 1×10-5mm/sec、溫度為 25℃時，其最大應力值為 11.68 MPa，在 50℃與 75℃以及 100℃時、最大應力分別為 8.16 MPa 與 6.47 MPa 以及 5.34 MPa，在圖 20(b) 為 Sn-3Ag-0.5Cu-2In-1Zn-0.5Bi 合金在不同拉伸速率、測試溫度下所得之應力-應變 圖。可以觀察到最高應變量為 23.04%，最低為 16.22%。
表 11(c)為 Sn-3Ag-0.5Cu-2In-1Zn-1.5Bi 合金之拉伸相關機械性質。在拉伸速 率條件為 1×10-4mm/sec、溫度為 25℃時，Sn-3Ag-0.5Cu-2In-1Zn-1.5Bi 合金的最 大應力值為 19.98 MPa，也是本研究中所測得最大的應力值；當溫度逐漸升高後，
Sn-3Ag-0.5Cu-2In-1Zn-1.5Bi 合金的強度逐漸降低，在溫度 100℃時，最大應力僅
為 8.02MPa。在拉伸速率為 1×10-5mm/sec、溫度為 25℃條件測試下，其最大應 力值為 13.93 MPa，在 50℃與 75℃以及 100℃時、最大應力分別為 9.43 MPa 與 6.47 MPa 以及 3.80 MPa，在圖 20(c) 為 Sn-3Ag-0.5Cu-2In-1Zn-1.5Bi 合金在不同 拉伸速率、測試溫度下所得之應力-應變圖。可以觀察到最高應變量為 21.65%，
最低為 15.20%。
表 11(d)為 Sn-3Ag-0.5Cu-2In-1Zn-3.0Bi 合金之拉伸相關機械性質。在拉伸速 率為 1×10-4mm/sec、溫度為 25℃時，獲得 Sn-3Ag-0.5Cu-2In-1Zn-3.0Bi 合金的最 大應力值為 16.04 MP；而在 50℃與 75℃以及 100℃時、其值分別為 12.94 MPa 與 8.02 MPa 以及 6.47 MPa。在拉伸速率為 1×10-5mm/sec、溫度為 25℃條件測試 下，其最大應力值為 9.57 MPa，在 50℃與 75℃以及 100℃時、最大應力分別為 8.72 MPa 與 6.75 MPa 以 及 3.94 MPa 而 在 圖 20(d) 可 以 觀 察 到 Sn-3Ag-0.5Cu-2In-1Zn-1.5Bi 合金在不同拉伸速率、測試溫度下所得之應力-應變 圖。並可得知最高應變量為 26.69%，最低為 16.91%。
集結所有的數據可以得知ㄧ種現象，所有合金的強度會伴隨著溫度升高而有 降低的趨勢，推測其主要原因是高溫淺變所致。並且在速率 1×10-5mm/sec 所量 測之應力值，皆小於同樣測試溫度但拉伸速率為 1×10-4mm/sec 時。這是因為當 應變速率降低時，熱激活化所需的時間會提高，會使材料中的插排趨向重新排列 而不是穩定的累績聚集，因此在強度上勢必會減弱，所以最大應力會隨拉伸速率 而降低。
在所有的應力-應變曲線中同時會發現有明顯的抖動現象 ，這現象應與晶粒 回復或動態再結晶 ( Recrystallization / Dynamic Recovery and / or Dynamic Strain Aging ) 有關。
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4----4.4.4.4. Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi 合金之破斷面分析
圖 21 (a)為 Sn-3Ag-0.5Cu 合金破斷面，在各種測試條件之拉伸破斷面，其
破斷面組織主要均呈現窩狀破壞，其破壞的機構經由試片側面的 SEM 觀察中發
現，其孔洞會隨著拉伸速率的降低和測試溫度升高而增加，Sn-3Ag-0.5Cu 合金 破斷面內的孔洞產生方式是由晶界上開始產生。孔洞會由原始晶粒之晶界上的細 小孔洞；隨著拉伸應力的增加，使得原始晶粒會慢慢被拉長，同時晶界上面的細 小孔洞也會隨著拉伸應力的增加而增大，致使材料斷裂。因此推斷 Sn-3Ag-0.5Cu 合金合金為沿晶破壞。此種合金與另外三種合金相互比較發現，Sn-3Ag-0.5Cu 合金頸縮的現象相當明顯。
圖 21(b)為 Sn-3Ag-0.5Cu-2In-1Zn-0.5Bi 合金破斷面之圖片，左上第一張為 拉伸速率為 1×10-4mm/sec、溫度為 25℃之合金破斷面側面可以觀察到有許多微 孔洞，伴隨著溫度越高，孔洞的形成越明顯。其孔洞的產生是由晶界上開始產生。
孔洞會由原始晶粒之晶界上的細小孔洞；隨著拉伸應力的增加，使得原始晶粒慢 慢被拉長，同時晶界上面的細小孔洞也會隨著拉伸應力的增加而增大，導致材料 破裂。並且可以觀察到此拉伸試片有些微的頸縮(necking)的現象產生，頸縮算是 一種不穩定的塑性變形，亦即在外加負荷沒有增加(甚至反而減少)的情況下，材 料仍持續進行其塑性變形；當材料開始塑性變形時，伸長量的增加將使其截面積 減小，而使得局部作用於材料之應力提高，故從孔洞的位置漸漸形成間隙，隨著 縫隙逐漸變大，而迫使試片斷裂。所以推測此種破壞方式，是屬於延性破壞。
圖 21 (c)為 Sn-3Ag-0.5Cu-2In-1Zn-1.5Bi 合金破斷面圖形在觀察此合金的破 斷面中，可以清楚的看到有許多細小的晶粒聚集分佈在試片上，故能夠有效的強 化抗拉強度。在破斷面的觀察也沒有看到有深層的孔洞之形成。而裂縫的形成主 要是由晶界的部份開始破斷，此合金可以觀察到有些許的孔洞，尤其是距離試片 破斷面越接近，孔洞就越多越明顯在。而且發現到唯獨在溫度 100℃高溫時才會 有明顯的裂縫產生。
圖 21 (d)為 Sn-3Ag-0.5Cu-2In-1Zn-3.0Bi 合金破斷面，經由試片側面的 SEM 觀察中發現到，有明顯的裂縫產生。在 100℃高溫時裂縫的形成更加明顯，破斷 面趨近於平面。在高倍率的觀察中，可以發現到裂縫中有較大的晶粒散佈。根據 相關文獻寫到，如果添加 Bi 合金超過 2%以上將會造成晶粒粗大化之現象。會影
響此現象有可能是由於材料變形速率太快時，差排來不及產生滑動，相對的可視 為差排滑動受到阻礙，而頃向脆性破壞。經過 EDAX 半定量分析可以測得此晶 粒為 Sn 晶粒。
圖 21 (a)為 Sn-3Ag-0.5Cu 合金破斷面，在各種測試條件之拉伸破斷面，其 破斷面組織主要均呈現窩狀破壞，其破壞的機構經由試片側面的 SEM 觀察中發 現，其孔洞會隨著拉伸速率的降低和測試溫度升高而增加，Sn-3Ag-0.5Cu 合金 破斷面內的孔洞產生方式是由晶界上開始產生。孔洞會由原始晶粒之晶界上的細 小孔洞；隨著拉伸應力的增加，使得原始晶粒會慢慢被拉長，同時晶界上面的細 小孔洞也會隨著拉伸應力的增加而增大，致使材料斷裂。因此推斷 Sn-3Ag-0.5Cu 合金合金為沿晶破壞。此種合金與另外三種合金相互比較發現，Sn-3Ag-0.5Cu 合金頸縮的現象相當明顯。
表 9 Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi 合金之 DSC 熔點測試
Solidius Liquidus ΔT
SnAgCu 218.75℃ 241.25℃ 22.5
Bi 0.5 205℃ 238.75℃ 33.75
Bi 1.5 201.25℃ 233.75℃ 32.5
Bi 3.0 202.25℃ 225℃ 23.75
表 10 EDAX 半定量分析Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi 合金的成份分析比例(ω t %) %
種類 Sn Ag Cu In Zn Bi
SnAgCu 96.48 2.98 0.483 - - -
Bi 0.5 89.19 1.03 0.12 3.28 6.00 0.38
Bi 1.5 92.38 0.54 0.19 2.89 3.00 1.00
Bi 3.0 85.07 2.76 0.11 4.17 4.45 3.44
表 11 Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi 合金在各條件下之最大應力與應變 (a) Sn-3Ag-0.5Cu
溫度
速率 25℃ 50℃ 75℃ 100℃
σmax
(MPa) 16.88 12.80 9.71 7.46
1×10-4m m/sec
ε
(%) 16.12 15.70 16.70 14.41
σmax
(MPa) 11.54 10.13 6.05 4.22
1×10-5m m/sec
ε
(%) 17.38 20.51 16.58 17.87
(b) Sn-3Ag-0.5Cu-2In-1Zn-0.5Bi
溫度
速率 25℃ 50℃ 75℃ 100℃
σmax
(MPa) 15.9 13.08 9.85 7.32
1×10-4m m/sec
ε
(%) 20.41 16.51 17.52 16.22
σmax
(MPa) 11.68 8.16 6.47 5.34
1×10-5m m/sec
ε
(%) 22.75 23.04 19.75 20.49
(c) Sn-3Ag-0.5Cu-2In-1Zn-1.5Bi
溫度
速率 25℃ 50℃ 75℃ 100℃
σmax
(MPa) 19.98 17.59 10.55 8.02
1×10-4m
m/sec ε
(%) 21.65 18.41 18.31 15.20
σmax
(MPa) 13.93 9.43 6.47 3.80
1×10-5m
m/sec ε
(%) 25.54 20.19 17.36 19.49
(d) Sn-3Ag-0.5Cu-2In-1Zn-3.0Bi
溫度
速率 25℃ 50℃ 75℃ 100℃
σmax (MPa)
16.04 12.94 8.02 6.47
1×10-4m
m/sec ε
(%) 21.20 19.14 21.31 21.52
σmax
(MPa) 9.57 8.72 6.75 3.94
1×10-5m m/sec
ε
(%) 26.69 23.53 16.91 19.32
圖 18 Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi 合金之 DSC 熔點測試 (a) Sn-3Ag-0.5Cu
(b)Sn-3Ag-0.5Cu-2In-1Zn-0.5Bi
(c) Sn-3Ag-0.5Cu-2In-1Zn-1.5Bi
(d) Sn-3Ag-0.5Cu-2In-1Zn-3.0Bi
倍率
種類 100X 200X
SnAgCu
Bi 0.5
Bi 1.5
Bi 3.0
圖 19 Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi 合金之顯微組織
圖 20 Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi 合金之應力-應變曲線圖 (a) Sn-3Ag-0.5Cu
圖 20 Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi 合金之應力-應變曲線圖 (b) Sn-3Ag-0.5Cu-2In-1Zn-0.5Bi
圖 20 Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi 合金之應力-應變曲線圖 (c) Sn-3Ag-0.5Cu-2In-1Zn-1.5Bi
圖 20 Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi 合金之應力-應變曲線圖 (d)Sn-3Ag-0.5Cu-2In-1Zn-3.0Bi
溫度
速率 25℃ 50℃ 75℃ 100℃
1×10-4m m/sec
1×10-5m m/sec
圖 21 Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi 合金 (a)Sn-3Ag-0.5Cu 之破斷面觀察
溫度
速率 25℃ 50℃ 75℃ 100℃
1×10-4m m/sec
1×10-5m m/sec
(b)Sn-3Ag-0.5Cu-2In-1Zn-0.5Bi 之破斷面觀察
溫度
速率 25℃ 50℃ 75℃ 100℃
1×10-4m m/sec
1×10-5m m/sec
(b) Sn-3Ag-0.5Cu-2In-1Zn-1.5Bi 之破斷面觀察
溫度
速率 25℃ 50℃ 75℃ 100℃
1×10-4m m/sec
1×10-5m m/sec
(d)Sn-3Ag-0.5Cu-2In-1Zn-3.0Bi 之破斷面觀察
第五章 第五章 第五章
第五章 結論 結論 結論 結論
1. Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi 合 金 ， 我 們 利 用 DSC 熔 點 測 試 可 以 得 知 Sn-3Ag-0.5Cu-2In-1Zn-1.5Bi 合金是目前研究試片內最佳的成份比，它的熔點是 介於 201.25℃~233.75℃。而當 Bi 合金添加 3%時，它所能改變之熔點是有限。
2
.
Sn-3Ag-0.5Cu-2In-1Zn-1.5Bi 合金在金相分析中，可以觀測到有許多大小相同 析出物在基材上面散播均勻，證實所添加之合金能夠有晶粒細化之功用。3
.
Sn-3Ag-0.5Cu-2In-1Zn-1.5Bi 合金之最大平均應力會隨拉伸速率的減慢和測試 溫度的升高而降低。在室溫環境下，當拉伸速率為 1×10-4mm/sec 時，此合金試 片的最大平均應力為 19.98MPa，當拉伸速率降至 1×10-5mm/sec 時，其平均應力 下降至 13.93MPa。4.由破損機理分析發現 Sn-3Ag-0.5Cu-2In-1Zn-1.5Bi 合金之破壞模式為沿晶破 壞。主要是由於晶界上所產生孔洞之結合而形成微小裂隙，在裂隙的末端由於應 力集中與應力軸產生剪變帶，因為帶中充滿了孔洞，而孔洞會不斷的長大，最後 會使孔帶分裂為二，裂縫向孔帶移動之後，此時新的孔帶形成，而裂隙在頸縮中 心的橫截面具有最大應力集中區向外延伸，當中心的破斷延至試片表面時，試片 所能承受的負荷便逐漸減少，最後剪變帶延伸至表面而破斷。