SAC305錫球銲料拉力與剪力型潛變實驗之研究

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

SAC305 錫球銲料拉力與剪力型潛變實驗之研究

研究成果報告(精簡版)

計 畫 類 別 ： 個別型 計 畫 編 號 ： NSC 100-2218-E-151-002- 執 行 期 間 ： 100 年 08 月 01 日至 101 年 07 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立高雄應用科技大學機械工程系 計 畫 主 持 人 ： 許兆民 計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理人員：楊耀中 碩士班研究生-兼任助理人員：蘇昭忠 公 開 資 訊 ： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 101 年 10 月 25 日

中 文 摘 要 ： 本研究主旨在建立 Sn/3.0Ag/0.5Cu 無鉛焊料承受拉、剪負載 下，不同工作溫度下之潛變模式。文中分別針對不同焊料設 計拉力與剪力潛變實驗，配合 120゜、135゜、150゜、165゜ C 四個測試溫度下之結果，導引建立 Sn/3.0Ag/0.5Cu 無鉛焊 料潛變方程式。拉力與剪力潛變實驗結果顯示，不同負載將 導致不同之潛變方程式，拉力與剪力潛變其對應之潛變參 數：如應力指數(Stress Exponent)、材料常數(Material Constant)與活化能(Activation Energy)數值並不相同。 中文關鍵詞： Sn/3.0Ag/0.5Cu、拉力型潛變方程式、剪力型、潛變方程 式。 英 文 摘 要 ： 英文關鍵詞：

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫

□期中進度報告

■期末報告

SAC305

錫球銲料拉力與剪力型潛變實驗之研究

計畫類別：■個別型計畫 □整合型計畫

計畫編號：NSC100－2218－E－151－002－

執行期間：2011 年 08 月 01 日至 2012 年 07 月 31 日

執行機構及系所：國立高雄應用科技大學機械工程系

計畫主持人：許兆民

共同主持人：

計畫參與人員：楊耀中、蘇昭忠

本計畫除繳交成果報告外，另含下列出國報告，共 ___ 份：

□移地研究心得報告

□出席國際學術會議心得報告

□國際合作研究計畫國外研究報告

處理方式：除列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

目錄 中文摘要... II 英文摘要... II 1.前言... 1 2.研究目的... 1 3.文獻探討... 1 4.研究方法... 1 5.結果與討論... 3 5.1 拉力型銲料潛變實驗... 3 5.2 剪力型銲料潛變實驗... 4 5.3 結論... 6 6.參考文獻... 7 計畫成果自評表... 9

中文摘要 本研究主旨在建立 Sn/3.0Ag/0.5Cu 無鉛焊料承受拉、剪負載下，不同工作溫 度下之潛變模式。文中分別針對不同焊料設計拉力與剪力潛變實驗，配合 120o、 135 o、150 o_、165 o

_C

_{四個測試溫度下之結果，導引建立 Sn/3.0Ag/0.5Cu 無鉛焊} 料潛變方程式。拉力與剪力潛變實驗結果顯示，不同負載將導致不同之潛變方程 式，拉力與剪力潛變其對應之潛變參數：如應力指數(Stress Exponent)、材料常 數(Material Constant)與活化能(Activation Energy)數值並不相同。

關鍵詞：Sn/3.0Ag/0.5Cu、拉力型潛變方程式、剪力型、潛變方程式。

Abstract

The creep models of Sn/3.0Ag/0.5Cu solder material under tensile and shear loads are investigated in this study. The creep test results for Sn/3.0Ag/0.5Cu solder material with four operating temperatures, i.e. 120o, 135o, 150o and 165oC are presented. The experimental results reveal that different creep equations are derived for the Sn/3.0Ag/0.5Cu solder material under tensile and shear loadings. The creep parameters, i.e. stress exponent, material constant and activation energy are curve fitted for the tensile and shear loading tests.

1.前言 以材料觀點來說，低溫時承受一個負荷作用時，會對應一個應力與應變。 但在高溫時，材料如果承受固定應力，其應變會隨時間逐漸增加。材料在高溫 下受負荷作用，應變隨時間增加的現象稱為潛變 (Creep) ，高溫、低溫的分別， 一般而言，要與材料熔點相比，當溫度到達該材料熔點的 1/2 到 1/3 就可算 高溫。對電子元件而言，電子封裝破壞的產生通常是銲錫銲接點由於熱疲勞 (Thermal Mechanical Fatigue；TMF) 潛變後衍生之介金屬(Inter-Metallic Compound)等導致所產生。電子元件各組成材料之材料機械性質不同，其受熱 膨脹度亦有所差異。相對的，這些膨脹差異導致材料間之熱應變及熱應力亦有 所不同。這些熱應變及熱應力的大小和分佈，會隨著熱負載的過程而不斷的變 化，銲錫在不同溫度下應力指數及其對應之潛變機制亦有一定程度的關聯性， 最終導致破壞。 2.研究目的 本文設計兩種不同潛變實驗模式，配合不同之負載與溫度參數進行潛變實 驗，藉由實驗先預估潛變方程式參數初始值，再進行預估參數最佳化，進而導 出潛變方程式。電子封裝元件破壞的產生通常是銲錫銲點由於熱疲勞與潛變所 產生。潛變是高溫長時間環境下才有的效應，影響潛變變形的兩個主要因素為 溫度與應力。如何建立潛變模式對電子封裝材料是相當重要的課題。本文設計 兩種不同之負載，以高於實驗材料熔點 1/2 的實驗溫度進行潛變實驗，期望能 建構出 Sn/3.0Ag/0.5Cu 錫球材料之潛變方程式。 3.文獻探討 Lau 與 Pan [1-7]對電子構裝相關的材料―温度變化關係作一彙整，並且探 討材料與應力與應變的關係。Z. Mei [8]探討錫鈹(Sn-Bi)與錫鉛(60Sn/40Pb)兩 種低熔點合金應用在電子封裝工程時的一些性質。Yang 等人[9-11] 發現 Sn/3.5Ag 錫球於雷射回銲時產生之共熔微組織優於紅外線回銲過程。P. T. Vianco[12-16]對不同的錫球材料，錫鉛(Sn63/Pb37)、錫銀鈹(Sn-Ag-Bi)、錫銀 銅銻(Sn-Ag-Cu-Sb)使用在封裝方面的應力應變、潛變效應等有相當的研究。 4.研究方法 錫球潛變實驗試件材料為 Sn/3.0Ag/0.5Cu 銲錫，拉力型與剪力型潛變實驗 試件之幾何外觀與製作夾具圖，如圖 1(a)、1(b)所示。先將 Sn/3.0Ag/0.5Cu 銲 錫錫膏取適量放置於上下直徑 5mm 兩銅棒之間，銲錫錫膏分別為圓柱與扁平 形狀。然後將含錫膏之銅棒放置於夾持固定支架與固定 V 枕塊上。放妥後，以 火炬於錫膏周邊加熱使 Sn/3.0Ag/0.5Cu 銲錫完全熔融，需注意火焰噴射不可直 接對向錫膏位置。待 Sn/3.0Ag/0.5Cu 銲錫完全熔融後，試件自然冷卻降溫至室 溫，待 Sn/3.0Ag/0.5Cu 銲錫凝固後，取下試件量測外型尺寸如表 4-1。拉力潛

變試件 A、B、C、D 分別表示凝固 Sn/3.0Ag/0.5Cu 銲錫上、下、腰部直徑與高 度大小，C 因熔融過程表面張力作用，所以為最小尺寸。剪力潛變試件 E、F、 G 分別表示凝固錫膏之長、寬、高。最長的兩個尺寸乘積為剪力作用面積。 試件製作完成後將試件來持於實驗設備上進行實驗如圖 1(c)。實驗設備架 設於實驗桌台上，將試棒上方懸掛於支架上、下方連結於荷重圓盤重心上，荷 重圓盤有 0.75、3 公斤(7.35N、29.4N)兩種。將試件夾持於加熱盒中，以溫度控 制器進行 120、135、150 及 165℃(393、408、423、438K)共 4 種溫度的高溫恆 溫控制。以三點量測法用量具量測荷重圓盤內接正三角相對位置向下位移。記 錄資料進行整理分析。 (a) (b) (c) 圖 1 潛變實驗試件與設備示意圖(a)拉力型潛變實驗試件(b)剪力型潛變實驗試 件(c) 潛變實驗設備 表 4-1 潛變試件參數 編號 荷重 (N) 溫度 (K) 潛變試件尺寸(mm) A B C D E F G 1 7.35 393 4.4 4.2 3.7 4.0 1.6 0.7 4.7 2 405 3.9 4.0 2.9 4.0 2.2 0.6 4.7 3 423 4.0 3.8 3.0 3.6 1.8 0.6 4.0 4 438 4.8 4.5 2.7 3.8 1.4 0.6 4.4 5 29.4 393 3.8 3.8 3.2 3.4 1.8 0.8 2.2 6 405 4.4 3.9 3.5 3.2 1.8 0.7 2.6 7 423 4.8 4.6 3.6 3.2 2.2 0.8 2.2 8 438 4.8 4.4 3.6 3.4 2.1 0.8 2.4

5.結果與討論 5.1 拉力型銲料潛變實驗 圖 2 為 0.75 與 3 公斤質量圓盤負載，即所受拉力為 7.35N 與 29.4N 之拉力 型銲料潛變實驗結果。以溫度 438K，7.35N 負荷之試件結果為例，在位移-時 間關係圖中，於 0.45 小時前之暫態潛變，其伸長量快速增加至 0.02mm。穩態 潛變為 0.45 小時至 20.83 小時。伸長量由 0.02mm 增加至 0.024mm。20.83 小時 後為第三階段之潛變。同時，試驗溫度愈高，所得應變率愈大。 將位移-時間關係圖轉為應變-時間-應變率關係圖，如圖 3 所示為 438K、 7.35N 拉力型潛變試驗之應變-時間-應變率關係，應變率由暫態潛變階段變化 至第二階段的穩態潛變，其試件應變率最後約為 7.95 10-7 1/sec。至於拉力型潛 變試驗試件 1 至試件 8 的穩態潛變應變率-應力關係，整理之後如表 5-1。 假設負載應力為定值，拉力型潛變試驗應變率之自然對數值(ln)與溫度 倒數(1/T)關係，計算出活化能 Q，圖 4 為 7.35N 與 29.4N 負載條件下 ln與 1/T 之相互關係。圖中縱軸代表應變率之自然對數(ln)，橫軸代表溫度的倒數 (1/T)，直線斜率為-Q /R。利用最小平方誤差法分別求出 7.35N 與 29.4N 拉力 荷重時之直線斜率值，亦即-Q/R 分別為-8318.02 與-7157.00，取此兩條線斜率 之平均值，可得其平均斜率值約為-7737.51，進一步可推算出其大致之活化能 值為 64221.32(J/mol)，文中採用此值為最佳化搜尋之起始值，確保收歛性。 將圖 5 拉力型潛變應變率與溫度關係之實驗結果與= [1.25074+6.31311011exp (-T/8.19)] 1.864 exp (-52154.52/RT)預估結果比較，於 負載 7.35N 時，實驗值與公式預估計算結果之誤差值為 0.19 ~43.6 %，在負載 29.4N 時，誤差值為 2.1~17.3%，結果顯示實驗與文中所建潛變公式預估值非常 相近，亦證明文中所提出之潛變方程式之適用性。 (a) (b) 圖 2 不同負載下拉力型潛變試驗位移-時間關係圖(a) 7.35N 負載圓盤(b) 29.4N 負載圓盤

圖 3 溫度 438K、負載 7.35N 下拉力型潛變試驗之應變- 時間與應變率關係圖 圖 4 拉力型潛變試驗應變率之自然 對數與溫度倒數關 圖 5 拉力型潛變方程式應變率與溫 度關係 表 5-1 拉力型潛變試件實驗結果 編號 荷重(N) 溫度(K) 平均應力 (MPa) 應變率 (10-6 1/sec) 1 7.35 393 0.669 0.0854 2 405 1.145 0.336 3 423 1.076 0.506 4 438 1.266 0.795 5 29.4 393 3.657 1.28 6 405 3.057 2.10 7 423 2.890 3.87 8 438 3.057 6.12 5.2 剪力型銲料潛變實驗 圖 6 為 7.35N 與 29.4N 圓盤負載下，剪力型銲料潛變實驗之結果。以溫度 438K、29.4N 負荷時之測試結果為例，其位移-時間關係圖中，於 4.95 小時以 前之位移，可視為暫態潛變，其伸長量快速增加至 0.136mm。穩態潛變為 4.95 小時至 194 小時。伸長量由 0.136mm 增加至 0.285 mm。194 小時後為第三階段 之潛變，同時，試驗溫度愈高，所得應變率愈大。

將位移-時間關係圖轉為應變-時間-應變率關係圖，如圖 7 為溫度 408K， 負載 7.35N 負荷之試件其剪力型潛變試驗應變-時間-應變率關係，第二階段穩 態潛變應變率最後約為 6.29 10-81/sec。至於剪力型潛變試驗試件 1 至試件 8 之 結果，整理之後如表 5-2。 在假設負載為定值下，剪力型潛變試驗應變率之自然對數值(ln)與溫度 倒數(1/T)關係，可以計算出活化能 Q，圖 8 為 7.35N 與 29.4N 負載條件下 ln 與 1/T 之相互關係。圖中縱軸代表應變率之自然對數(ln)，橫軸代表溫度的 倒數(1/T)，直線斜率為-Q /R。利用最小平方誤差法分別求出 7.35N 與 29.4N 拉力荷重時之直線斜率值，亦即-Q/R 分別為-6879.823 與-5569.58，取此兩條 線斜率之平均值，可得其平均斜率值約為-6224.68，然後進一步可推算出其大 致之活化能值為 51664.84(J/mol)，文中採用此值作為最佳化搜尋時之起始值， 以確保計算時之收歛性。 將圖 9 剪力型潛變應變率與溫度關係之實驗結果與 =[2.3705+2.4639109exp (-T/17.99)] 0.9515 exp (-58494.91/RT)預估結果比 較，於負載 7.35N 時，實驗值與公式預估計算結果之誤差值為 0.43~8.1 %，在 負載 29.4N 時，誤差值為 1 ~6%，結果顯示實驗與文中所建剪力型穩態潛變公 式預估值非常相近，亦證明文中所提出之潛變方程式之適用性。 經過實驗結果分析，Sn/3.0Ag/0.5Cu 錫球材料拉力型與剪力型之潛變實驗 分別得到其不同之潛變方程式。破壞面發生在銅棒與 Sn/3.0Ag/0.5Cu 材料接合 位置，主要因為經長時間高溫過程之 Sn/3.0Ag/0.5Cu 錫球材料生成的 IMC 層受 到不同之施力方式產生破壞。IMC 層為一脆性材料區，剪應力對其破壞之影響 較為直接。拉力型之施力方式通常可得較大之應變，但其對 IMC 層之影響不比 剪力型之施力方式直接，這也是為何應力指數 n 大於 m 的原因。 (a) (b) 圖 6 不同負載下剪力型潛變試驗位移-時間關係圖(a) 7.35N 負載圓盤(b) 29.4N 負載圓盤

圖 7 溫度 408K、負載 7.35N 下剪力型潛變之試驗之應變-時間與應變率關係圖 表 5-2 剪力型潛變試件實驗結果 編號 荷重(N) 溫度(K) 平均應力 (MPa) 應變率 (10-6 1/sec) 1 7.35 393 0.977 0.0550 2 405 0.711 0.0629 3 423 1.021 0.154 4 438 1.193 0.295 5 29.4 393 7.424 0.352 6 405 6.282 0.485 7 423 6.074 0.869 8 438 5.833 1.43 圖 8 剪力型潛變試驗應變率之自然對 數與溫度倒數關係圖 圖 9 剪力型潛變方程式應變率與溫度關係 5.3 結論 本研究重點在探討無鉛銲錫，Sn/3.0Ag/0.5Cu 在承受拉力與剪力不同負載 下之潛變模式，文中分別設計不同之拉、剪試件，配合特定之恆溫拉力實驗裝 置，分析不同負載與不同操作溫度下之變形與時間關係，進而利用最佳化方法，

推導出其相對之潛變參數值。其對應之拉力與與剪力潛變方程式，可表示為： 拉力負載時：





= [1.25074+6.31311011exp (-T/8.19)]  1.864 exp (-52154.52/RT) 剪力負載時：



 = [2.3705+2.4639109exp (-T/17.99)] 0.9515 exp (-58494.91/RT) 6.參考文獻

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國科會補助專題研究計畫成果報告自評表

請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況、研究成果之學術或應用價

值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）、是否適

合在學術期刊發表或申請專利、主要發現或其他有關價值等，作一綜合評估。

1. 請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況作一綜合評估

■ 達成目標

□ 未達成目標（請說明，以 100 字為限）

□ 實驗失敗

□ 因故實驗中斷

□ 其他原因

說明：

2. 研究成果在學術期刊發表或申請專利等情形：

論文：□已發表 □未發表之文稿 ■撰寫中 □無

專利：□已獲得 □申請中 ■無

技轉：□已技轉 □洽談中 ■無

其他：

（以 100 字為限）

1. 光灼華、許兆民, Nov. 19, 2010, “Sn/3.0Ag/0.5Cu 錫球拉力與剪力型潛變實驗之研究,” 第三十四屆力學學會學術研討會論文集,，論文編號：G1-008，台灣、雲林、國立雲林科 技大學。(NSC 100-2218-E-151-002-)

3. 請依學術成就、技術創新、社會影響等方面，評估研究成果之學術或應用價

值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）（以

500 字為限）

電子封裝元件破壞的產生通常是銲錫銲點由於熱疲勞與潛變所產生，影響潛

變變形的兩個主要因素為溫度與應力。如何建立潛變模式對電子封裝材料是

相當重要的課題，為此設計兩種不同之負載，以高於實驗材料熔點 1/2 的實

驗溫度進行潛變實驗，建構出 Sn/3.0Ag/0.5Cu 錫球材料之潛變方程式。

國科會補助計畫衍生研發成果推廣資料表

日期:2012/10/24

國科會補助計畫

計畫名稱: SAC305錫球銲料拉力與剪力型潛變實驗之研究 計畫主持人: 許兆民 計畫編號: 100-2218-E-151-002- 學門領域: 疲勞與損壞

無研發成果推廣資料

100 年度專題研究計畫研究成果彙整表

計畫主持人：許兆民 計畫編號： 100-2218-E-151-002-計畫名稱：SAC305 錫球銲料拉力與剪力型潛變實驗之研究 量化 成果項目 實際已達成 數（被接受 或已發表） 預期總達成 數(含實際已 達成數) 本計畫實 際貢獻百 分比 單位 備 註 （ 質 化 說 明：如 數 個 計 畫 共 同 成 果、成 果 列 為 該 期 刊 之 封 面 故 事 ... 等） 期刊論文 0 0 0% 研究報告/技術報告 0 0 0% 研討會論文 1 1 100% 篇 論文著作 專書 0 0 0% 申請中件數 0 0 0% 專利 已獲得件數 0 0 0% 件 件數 0 0 0% 件 技術移轉 權利金 0 0 0% 千元 碩士生 2 2 100% 博士生 0 0 0% 博士後研究員 0 0 0% 國內 參與計畫人力 （本國籍） 專任助理 0 0 0% 人次 期刊論文 0 1 0% 論文撰寫中 研究報告/技術報告 0 0 0% 研討會論文 0 1 0% 篇 論文撰寫中 論文著作 專書 0 0 0% 章/本 申請中件數 0 0 0% 專利 已獲得件數 0 0 0% 件 件數 0 0 0% 件 技術移轉 權利金 0 0 0% 千元 碩士生 0 0 0% 博士生 0 0 0% 博士後研究員 0 0 0% 國外 參與計畫人力 （外國籍） 專任助理 0 0 0% 人次

其他成果

(

無法以量化表達之成 果如辦理學術活動、獲 得獎項、重要國際合 作、研究成果國際影響 力及其他協助產業技 術發展之具體效益事 項等，請以文字敘述填 列。) 無 成果項目 量化 名稱或內容性質簡述 測驗工具(含質性與量性) 0 課程/模組 0 電腦及網路系統或工具 0 教材 0 舉辦之活動/競賽 0 研討會/工作坊 0 電子報、網站 0 科 教 處 計 畫 加 填 項 目 計畫成果推廣之參與（閱聽）人數 0

國科會補助專題研究計畫成果報告自評表

請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況、研究成果之學術或應用價

值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）

、是否適

合在學術期刊發表或申請專利、主要發現或其他有關價值等，作一綜合評估。

1. 請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況作一綜合評估

■達成目標

□未達成目標（請說明，以 100 字為限）

□實驗失敗

□因故實驗中斷

□其他原因

說明：

2. 研究成果在學術期刊發表或申請專利等情形：

論文：□已發表 □未發表之文稿 ■撰寫中 □無

專利：□已獲得 □申請中 ■無

技轉：□已技轉 □洽談中 ■無

其他：（以 100 字為限）

1.光灼華、許兆民, Nov. 19, 2010, ＇Sn/3.0Ag/0.5Cu 錫球拉力與剪力型潛變實驗之研 究,＇ 第三十四屆力學學會學術研討會論文集,，論文編號：G1-008，台灣、雲林、國立雲林 科技大學。(NSC 100-2218-E-151-002-)

3. 請依學術成就、技術創新、社會影響等方面，評估研究成果之學術或應用價

值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）（以

500 字為限）

電子封裝元件破壞的產生通常是銲錫銲點由於熱疲勞與潛變所產生，影響潛變變形的兩個 主要因素為溫度與應力。如何建立潛變模式對電子封裝材料是相當重要的課題，為此設計 兩 種 不 同 之 負 載 ， 以 高 於 實 驗 材 料 熔 點 1/2 的 實 驗 溫 度 進 行 潛 變 實 驗 ， 建 構 出 Sn/3.0Ag/0.5Cu 錫球材料之潛變方程式。