第二章 文獻探討
2.2 界面反應
2.2.1 Sn/Cu 界面反應
由 Sn - Cu 二元相圖[13]，如圖 2.1 所示，可知 Cu 與 Sn 主要可形成 7 種介金屬化合物，但是在室溫環境下能依據熱力學平衡而穩定存在的 只有η-Cu6Sn5和ε-Cu3Sn 兩個相。
於 Tu 等人[14-15]探討錫/銅基板間之界面反應的研究中發現，在接合 之界面上，生成的介金屬化合物為 Cu6Sn5與 Cu3Sn 兩相，其中 Cu6Sn5
的生長與時間成線性關係，即其生長機制受界面反應控制之意。而 Cu3Sn 介金屬化合物，則生長於 Cu6Sn5與銅基板之間，其生長機制受 擴散反應控制；Cu6Sn5的生長主要依靠 Cu 原子由銅基板與 Cu6Sn5的
界金屬化合物層中的克肯多微孔即為此一例證[16-18]；此微孔的成因 是受介金屬的高度成長所導致；當基材中的 Cu 元素快速地經由 Cu3Sn 與 Cu6Sn5介金屬化合物層擴散進入銲錫時，由於銲錫區域中的 Sn 原子 擴散速度較 Cu 原子的擴散慢因而無法從銲錫中提供等量的 Sn 元素進 入介金屬化合物層，故介金屬化合物層中便遺留了原先由 Cu 原子佔據 的位置，成為所謂的克肯多微孔(如圖 2.2[17]所示)，此微孔一般存在於 Cu/Cu3Sn 或 Cu3Sn/Cu6Sn5介面，成長於環境溫度 50~60℃以上的高溫 時效之下。由於此微孔會造成銲點強度的劣化，因此當使用 Sn-37Pb、
Sn-Ag-Cu 等銲料搭配銅基板(如 OSP 板)的銲接時，要特別注意其潤濕 段的持溫時間( Soaking Time )，以降低 Cu3Sn 介金屬化合物層劇烈生長 的空間。
圖 2.1 Cu-Sn 二元相圖[13]
2.2.2 Sn/Ni 界面反應研究
由Sn – Ni二元相圖[13]，如圖2.3所示，可知此兩者間主要可形成 三個介金屬化合物，分別為Ni3Sn、Ni3Sn2及Ni3Sn4。且皆可於室溫下穩 定存在。但在一般的電子構裝溫度( 260℃)與時間下，Sn - Ni的液/固反 應裡，則僅能觀察到Ni3Sn4生成，Bader[19]等人的研究中指出，在350
℃下Ni3Sn無法成核於Sn – Ni界面，必須在較高的溫度下才能使原子有
與(Cu1-xNix)6Sn5兩層介金屬化合物；而當Cu含量大於0.5%時，則界面 僅生成(Cu1-xNix)6Sn5。
針對一系列合金比例不同的Sn-Ag-Cu無鉛銲錫搭配各種鎳基板迴銲 後生成的界面反應，Ho等人[17]亦從45篇文獻中，整理出一張圖表，
如表2.1[17]所示。在圖表中，觀察一般常使用的Sn-xAg-0.5Cu合金時，
可發現於鎳基板與銲錫間的界面反應較難分辨是否為(Cu1-xNix)6Sn5單 一相存在或者是(Ni1-yCuy)3Sn4與(Cu1-xNix)6Sn5兩層的介金屬化合物存 在，此現象可能受儀器之解析度或實驗中的參數影響。
圖 2.3 Ni-Sn 二元相圖[13]
表 2.1 不同含量的錫銀銅銲錫與鎳基板的界面反應生成物[17]
2.3 焊墊表面處理介紹
並且在焊接時金會於零點幾秒內就完全溶解到焊錫之中，並不參與銲 接時的界面反應。因此銲錫主要是與鎳層做銲接接合的動作，形成錫/
鎳的介金屬化合物，如Ni3Sn4。
而鎳之所以需介於底銅與金層之間是因金與銅之間有相互遷移的現 象，若金直接製作於銅層之上便無法達到長時間維持銲墊可銲性的目 的，除此之外，另一個原因則是在於鎳有阻障層的功用[17]可避免底銅 於後續迴焊等高溫製程中，因介金屬化合物的擴散導致的克肯多微孔 劣化銲點的可靠度。
另外，由於使用電鍍的方式，製作出的金鍍層需有足夠的厚度才能 形成緻密封閉的析出層，所以在材料成本上電鍍鎳金( Au/Ni )表面處理 法是價格最高昂的一種，一般多使用在IC載板上[7]。
2.3.2 無電鍍鎳/化學浸鍍金表面處理
化鎳浸金( ENIG )表面處理法，顧名思義即為無電鍍鎳( Electroless Ni )加上化學浸鍍金( Immersion Gold )兩個主要製程，鍍層示意圖如圖 2.4(b)所示。此製程方法是利用氧化還原的方式將鎳與金分別沈積於銅
動勢的金屬基材上，而基材上的金屬則因貢獻出電子而離子化溶解至
層中同時亦沈積了約6～11％的磷，在鎳層與銲錫接合的界面處，高溫 時的介金屬化合物組成會較電鍍鎳金複雜。
浸鍍金層的厚度約控制在0.075~0.125μm左右，若金層厚度太薄，易 致使其下的鎳層氧化，後續銲接的濕潤性便不佳；金層若厚度太厚，
則表示鎳鍍層遭受嚴重的侵蝕（金置換鎳），易導致界面破裂或有脆化 的疑慮。
大體來說，因其集可銲性佳、可接觸導通、可散熱，可提供平整的 表面、儲存壽命佳、可多次迴銲且在細間距線路密集的製程上不易產 生錫橋等種種優點，所以在現今的所有表面處理方式上其應用最廣，
不過，由於其製作流程工序較多，除成本上較高昂外也容易因製程控 管不當在銲接後產生黑墊( Black Pad )的銲接問題，另外，無法重工、
漏鍍(Skip Plating)及防銲綠漆脆化等亦是其可能的缺點[6]。
2.3.3 無電鍍鎳/無電鍍鈀/化學浸鍍金表面處理
化鎳鈀金( ENEPIG )表面處理法，最早始於 1991 年的德州儀器公司，
其發展方向主要是針對化鎳浸金( ENIG )易造成的底鎳腐蝕缺點做改
相較於金價的飆漲，鈀的價格相對較持平(約維持於金價的二分之一)，