中 華 大 學 碩 士 論 文
Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi 無鉛銲錫的 常溫和高溫機械性質
Mechanical Properties of Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi Lead-free Solders at Ambient and Elevated
Temperatures
系 所 別：機械工程學系碩士班 學號姓名：M09708021 郭育宏
指導教授：葉 明 勳 博士
中華民國 中華民國 中華民國
中華民國 九十九 九十九 九十九 九十九 年 年 年 年 八 八 八 八 月 月 月 月
摘 要
無鉛銲錫合金為應用在電子構裝製程上已代替傳統鉛-錫合金。但是現階段
所 開 發 出 來 的 無 鉛 銲 錫 產 品 ， 熔 點 依 舊 太 高 ， 故 本 文 開 發 新 的 無 鉛 銲 錫 Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi 合金，並測試在各種條件下其合金之機械性質，其條件分別是 拉伸速率為 1×10-4mm/sec 和 1×10-5mm/sec，以及室溫和高溫條件下進行測試，
而測試結果 Sn-3Ag-0.5Cu-2In-1Zn-1.5Bi 合金它的熔點溫度介於 201.25℃ 和 233.75℃之間，而其合金在室溫和拉伸速率為 1×10-4mm/sec 之最大抗拉強度和應 變量是 19.98MPa 和 15.2﹪此外該合金會隨拉伸速率的減慢和測試溫度的升高而 降 低 。 接 著 觀 察 其 破 斷 面 的 情 形 ， 由 破 損 機 理 分 析 發 現 Sn-3Ag-0.5Cu-2In-1Zn-1.5Bi 合金在破斷過程中，微小孔洞先由材料的晶界處開始 產生，隨著拉伸應力的增加，材料的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強而增大，直到材料斷裂為止。
關鍵字 關鍵字 關鍵字
關鍵字: 無鉛銲錫、溫度、合金
ABSTRACT
The mechanical properties of a series of Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi solder alloys have been reported by tensile testing at strain rates of 10−4and10−5 s at ambient and −1 elevated temperatures. In this study, the Sn-3Ag-0.5Cu-2In-1Zn-1.5Bi solder potential lead-free solder, which possessed a solidus and liquidus between 201.25℃ and 233.75℃.The maximum tensile strength (UTS) and elongation were 19.98 MPa and 15.2％ at a strain rate of 10−4 s at room temperature. Moreover the UTS of this −1 alloy decreased, but its elongation increased, with increasing testing temperature.
During the fracture process, many small internal voids nucleated along grain boundaries, which reduced the solder’s cross-sectional area and led the Sn-3Ag-0.5Cu-2In-1Zn-1.5Bi solder fracture.
Keywords: solder, temperatures, alloy
誌 謝
首先要感謝我的指導老師葉明勳博士，讓我在這兩年的學習過程中，學業及 人品都增進了許多。此外，承蒙口試委員龍華科技大學化工與材料工程系主任翁 文彬博士與本校馬廣仁博士的熱心指導及建議，使本論文更達到完美，在此亦深 表感激。
在研究期間，首先感謝本校吳泓瑜博士在實驗上的指導與建議。也感謝龍華 科技大學和清華大學及中央大學的同學們在實驗上的幫助。並感謝學長稟厚、同 學子僑、學弟宬岳、家恩以及鋁合金實驗室和在職班的同學們在課業上的全力協 助。此外也感謝好友們和研究所各組的同學們，由於有你們的陪伴，使我在這兩 年的研究生涯能更加燦爛。
最後，感謝支持我、陪伴我的父母親、哥哥、姐姐、女友和親戚朋友們，使 我得以順利的完成學業，在此，僅以本文獻給你們，願與大家一同分享我的喜悅。
目 錄
頁次 中文摘要---I 英文摘要---II 致 謝---III 目 錄---IV 表目錄---VI 圖目錄---VII
第一章、 緒論---1
1-1 前 言---1
1-2 研究動機與目的---2
第二章、 文獻回顧---8
2-1 Pb-Sn 鉛錫合金之簡---8
2-2 無鉛銲錫之性質特性---10
2-3 常用無鉛銲錫之種類---12
2-3-1 純錫( Sn ) ---13
2-3-2 錫銅合金(Sn-Cu) ---13
2-3-3 錫銀合金(Sn-Ag ) ---13
2-3-4 錫銦合金(Sn-In) ---15
2-3-5 錫鉍合金(Sn-Bi)---16
2-3-6 錫鋅合金(Sn-Zn)---16
2-3-7 錫銦銀合金(Sn-In-Ag)---17
2-3-8 錫銀銅合金(Sn-Ag-Cu)---18
2-4 封裝元件可靠度分析---19
2-5.球格陣列構裝相關文獻探討--- ---20
2-6.潤濕現象---21
第三章、 實驗方法---34
3-1 Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi 合金之製備---34
3-2 Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi 合金之 DSC 熔點測試---34
3-3 Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi 合金之顯微組織分析---34
3-4 Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi 合金拉伸試片之製作---35
3-5 Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi 合金之拉伸試驗---35
第四章、結果與討論---39
4-1 Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi 合金之 DSC 熔點測試與 EDAX 成份分析---39
4-2 Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi 合金之金相分析---39
4-3 Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi 合金拉伸試驗---40
4-4 Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi 合金之破斷面分析---41
第五章、結論---58
第六章、參考文獻---59
表 目 錄
頁次
表 1 元素之物理性質--- 23
表 2 鉛在印刷電路板上之應用---23
表 3 常用鉛錫合金組成、熔點、密度及抗拉強度---24
表 4 低溫焊錫合金及導線架材料之基本物理性質---24
表 5 常見的無鉛焊錫合金---25
表 6 Sn-Ag 與 Sn-Pb 銲錫合金抗拉強度之比較---26
表 7 Sn-Ag 與 Sn-Pb 銲錫合金剪切強度之比較---26
表 8 Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi 合金成份百分比---36
表 9 Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi 合金之 DSC 熔點測試---44
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 %)---44
表 11 Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi 合金在各條件下之最大應力與應變---45
圖 目 錄
頁次 圖 1 積體電路從晶圓的(a)拉晶(b)製造(c)切割到(d)構裝完成的簡易
流程圖---5
圖 2 電子構裝之四大功能---6
圖 3 電子構裝製程之層次區分---7
圖 4 Pb-Sn 合金之平衡相圖---27
圖 5-1 無鉛焊料依溫度的分類---27
圖 5-2 無鉛銲料之熔點分析---28
圖 6 Sn-Cu 合金之平衡相圖---28
圖 7 Sn-Ag 合金之平衡相圖---29
圖 8 Sn-In 合金之平衡相圖---29
圖 9 Sn-Bi 合金之平衡相圖---30
圖 10 Sn-Zn 合金之平衡相圖---30
圖 11 Sn-In-Ag 合金之平衡相圖---31
圖 12 Sn-Ag-Cu 合金之平衡相圖---32
圖 13 電子構裝爆米花現在示意圖---32
圖 14 (a) 無助銲劑 (b) 有助銲劑 存在時，表面張力示意圖---33
圖 15 Sn-3 Ag-0.5Cu-2In-1Zn-(0.5~1.5)Bi 無鉛銲錫合金實驗流程圖---37
圖 16 拉伸試驗標準試片圖---38
圖 17 拉伸試驗標準試片之沖床模---38
圖 18 Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi 合金之 DSC 熔點測試---47
圖 19 Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi 合金之顯微組織---49
圖 20 Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi 合金之應力-應變曲線圖---50
圖 21 Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi 合金之破斷面觀察---54
第一章 第一章 第一章
第一章 緒 緒 緒 緒 論 論 論 論
1 11
1----1.1.1.1.前言前言前言 前言
近年來，隨著國際資訊化科技的創新，電子元件不斷朝向輕、薄、短、小、
高功能、高功率的趨勢發展，積體電路更已進入 VLSI 技術的階段。由於電子構 裝品質的優劣，對於積體電路功能是否充分發揮的影響很大，所以電子構裝在電 子工業上具有相當重要且關鍵之地位。並且改善人類的生活品質，同時開創人類 新的思維。
傳統的半導體工業可分為前段製程與後段製程 ： 所謂前段製程即是積體電 路 ( Integrated Circuits ) 半 導 體 製 程 [1] ， 而 在 後 段 製 程 則 是 指 電 子 構 裝 ( Electronic Package ) 製程。完整的半導體生產過程主要可分為三個階段：(1) 矽 晶片的製造、(2) 積體電路的製作及(3) 積體電路的構裝[2](圖 1)，其中虛線方 框即是半導體的前段製程部份，也就是超大型積體電路 ( Very Large Scale Integration，VLSI ) 製程中最為重要的部份。
積體電路須加以密封保護並依元件需要和相關的電子零組件進行電路連接 ( Interconnection ) 才能實際應用，這方面的技術即所謂的電子構裝[3]。其具有下 列四大功能[4](圖 2)：
1.1.
1.1.傳遞電源能量傳遞電源能量傳遞電源能量傳遞電源能量 ( Power Distribution ) 2.
2.
2.
2.傳遞電路訊號傳遞電路訊號傳遞電路訊號傳遞電路訊號 ( Signal Distribution )
3.3.
3.3.提供熱散失途徑提供熱散失途徑提供熱散失途徑提供熱散失途徑 ( Heat Dissipation ) 4.
4.
4.
4.構裝保護與支撐功能構裝保護與支撐功能構裝保護與支撐功能構裝保護與支撐功能 ( Package Protection
＆＆
＆＆ Support )
為達到其四大功能，必須經過晶元黏結、連線、模封及組裝等製程，因此電 子構裝的型態大致上可區分為四個不同的層次[5](圖 3)：
第一層次 第一層次 第一層次
第一層次 ( First Level ) 構裝構裝構裝構裝：：：：
將 IC 晶片黏結、聯線、並密封成一構裝結構體之製程。
第二層次第二層次
第二層次第二層次 ( Second Level ) 構裝構裝構裝構裝：
將第一層次構裝完成元件與其他電子零件直接裝於電路板上。
第三層次第三層次
第三層次第三層次 ( Third Level ) 構裝構裝構裝構裝：
將數個第二層次構裝完成之電路板插在一主機板上，使其成為一次系統 ( Subsystem )。
第四層次 第四層次 第四層次
第四層次 ( Forth Level ) 構裝構裝構裝構裝：：： ：
將數個次系統組裝成為具有特定功能的電子產品，及完成一獨立系統 ( System )。
因微電子的發展已朝向輕薄短小之高性能高功率元件領域，更高腳數之積體 電路 ( Integrated Circuit；IC ) 的設計已成為必然的趨勢。 因此球柵陣列 ( Ball Grid Array ) 的新式半導體構裝技術已被發展出來。BGA 構裝可以有效縮小整體 封裝的尺寸，所以已大量被應用於高腳數 IC 的封裝製程[6]。
現今的 BGA 構裝技術以打線 ( Wire Bonding )、捲帶式 ( Tape Automated Bonding ) 或是覆晶式 ( Flip Chip ) 接合方式和基版相連接，因此應用在電子構 裝的層級上，屬於第一層級和第二層級。此外 BGA 構裝具備許多優點，包括[7]：
A. 為目前提供高腳數構裝中，最具成本競爭力之構裝。
B. 提供高密度之表面黏著構裝，所佔面積較傳統構裝小。
C. 優良之電氣特性、可接受之散熱特性， 具有承載多晶片之潛力。
D. 使用錫球代替引腳 ( Lead )，減少組裝製程、測試中因引腳變形所造成 之生產損失。
E. BGA 所需之表面黏著技術 ( Surface Mount Technology ) 製程和現有 製程相容且具高生產良率。
F. 經由縮小錫球間距， 改善基板密度與晶片接合技術 ( Flip Chip…
等 )，即 可 達 成 晶 片 尺 寸 構 裝( Chip Scale Package；CSP ) 之 規格要求。
1 11
1----2.2.2.2.研究動機和目的研究動機和目的研究動機和目的 研究動機和目的
隨著電子工業的蓬勃發展，焊錫(Solder)在電子工業上扮演著非常重要的角 色，例如表面黏著技術(SMT)、覆晶接合(Flip-Chip)製程、球柵陣列(BGA)接合技 術、電子組件等，皆必須使用到焊錫，由於鉛錫合金具有良好的機械性質、導電
性、潤濕性，同時價格便宜，因此，在電子構裝元件的接合製程中應用最為廣泛，
助焊劑的研發及相關接合製程技術已是非常的成熟。由於含鉛物質對人體健康及 環境污染的問題時有耳聞，隨著環保意識的抬頭，世界先進國家對含鉛物質的使 用加以限制。因此，依賴鉛錫合金甚深的電子構裝工業而言，開發無鉛銲錫已是 刻不容緩的重要課題。
全世界各國的研究單位正積極進行無鉛焊錫之研發，藉以取代現今之鉛錫焊 料，已開發的二元合金之無鉛焊錫有 ： Sn-Ag、Sn-In、Sn-Cu、Sn-Zn、Sn-Bi 等，三元無鉛焊錫合金有：Sn-Ag-Cu、Sn-Ag-Sb、Sn-Bi-In、Sn-In-Ag 等，四元 無鉛焊錫合金有：Sn-Cu-Sb-Ag、Sn-In -Sb-Ag、Sn-Zn-In-Ag 等。
在諸多無鉛銲料中Sn-Ag-Cu合金為現今最受矚目之合金系統，但該合金仍 存在一些待克服的難題，譬如較高的熔點與過冷度，粗大錫晶與所引起的熱裂 解，粗大的Ag3Sn以及過度成長的介面金屬間化合物等。IBM研究團隊提及[8]，
較高的Ag 含量以及較慢的凝固速率均可能生成粗大板狀Ag3Sn初晶，造成介面 處應變集中，對銲點熱機疲勞性質有害。Suganuma等人[9]亦提及該粗大Ag3Sn 會造成Sn-Ag-Cu合金之延性衰退。
以冶金觀念適當添加合金元素為常見之改質手段。先前有研究者提出以 In、Bi來降低熔點，以及添加Sb以改善介面性質[10]，亦有研究者提出添加稀土 元素(rare earth)[11,12]及過渡金屬元素(transition metals)[13-18]的方案。關於添加 過渡金屬元素的相關研究，Suganuma 等人[18]指出添加Co、Ni、Mn、Ti具不同 程度之細化效果，並生成有別於Ag3Sn及Cu6Sn5之異質化合物。目前對此系列合 金相關性質並未有進一步深入探討。
本研究控制以 Sn-3Ag-0.5Cu 無鉛銲錫為基材，添加 2wt%的 In，1wt%的 Zn 和 0.5~3.0wt% 的 Bi 金 屬 粒 後 ， 置 於 真 空 爐 中 熔 煉 成 Sn-3 Ag-0.5Cu-2In-1Zn-(0.5~1.5)Bi 無鉛銲錫合金，以製造與傳統 Pb-Sn 銲錫有相近熔 點的多元成分無鉛銲錫，也與 Sn-3Ag-0.5Cu 無鉛銲錫做比較，探討這些無鉛銲 錫的機械性質，並評估在 BGA 構裝成品時的可靠度，以適時提供電子構裝業評
估採用的可行性。研究內容包括：Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi 無鉛銲錫的常溫和高溫機 械性質及其與(Au/Ni/Cu)基板間的濕潤性，分析製程條件對接點介面顯微組織的 變化及其影響。
圖 1 積體電路從晶圓的(a)拉晶(b)製造(c)切割 到(d)構裝完成的簡易流程圖[2]
圖 2 電子構裝之四大功能[4]
圖 3 電子構裝製程之層次區分[5]
第二章 第二章 第二章
第二章 文獻回顧 文獻回顧 文獻回顧 文獻回顧
2 22
2----1.1.1.1. Pb-Sn 鉛錫合金之簡介鉛錫合金之簡介鉛錫合金之簡介鉛錫合金之簡介
在電子產業中，電子元件之構裝方式大部分仍然以錫銲構裝方式 為主。而以往電子元件接合最常使用的銲錫以錫鉛合金(錫-63wt％，
鉛-37wt％)[19]。其最大之優點在於整體的焊料特性良好、價格便宜、其相關製 程與助焊劑(Flux)發展非常成熟。純鉛的熔點為 327.4℃，純錫的熔點為 231.9 ℃ (表 1)，常用的 Sn-37Pb 合金之共晶溫度 183℃，製程溫度與目前基板的耐熱溫 度相當。鉛錫合金與銅、銅合金、鐵鎳合金等基板銲接之潤濕性良好，此一特性 被廣泛應用在電子組件與印刷電路板的組裝製程(表 2)。
經由 Pb-Sn 合金之平衡相圖 (圖 4)[20]中得知， 其共晶組成成份為
61.9Sn-38.1Pb (wt%)，由於微小成分的差異對銲錫的性質並無重大的影響，因此 63Sn-37Pb 合金成為『標準』的共晶銲錫。63Sn-37Pb 合金被普遍應用於對熱損 傷 ( Thermal Damage ) 敏感的電子元件接合，以及製成錫膏應用於迴流熔焊製 程中，其優點是容易熔解、所需熱量低、而且機械強度佳。此外，近共晶 ( Near-Eutectic ) 組成的銲錫 ( 例如 Pb-60Sn 合金 ) 也經常被採用，其含錫量 較低，價格較便宜，且抗拉強度與共晶組成的銲錫相差不多 (表 3) ， 所以常用 於大型物件的焊接，例如：塑膠基板構裝最常使用此類銲錫。
5Sn-95Pb 成分的銲錫具有較高的熔點 (315℃ ，常被作為電子構裝中 IC 晶) 片的銲錫隆點， 因為可以避免在之後的次系統構裝或系統構裝時，發生晶片上 的銲錫隆點熔融的情形，但因為鉛含量太高，銲錫的硬度較小且抗拉強度太低是 其缺點。 含高 Pb 的 Sn-Pb 銲錫常被稱為高溫銲錫，如 10Sn-90Pb 與 2Sn-98Pb 等，適用於較高溫與高可靠度的電子元件中。 表 3 顯示多種常用的鉛錫合金組 成、熔點、密度及抗拉強度[21]。在熔點與密度中，由於純 Pb 皆都大於純 Sn，
顯見 Pb 含量越高的鉛錫合金，其熔點與密度也越高。 而在強度方面，Sn 的含 量越高，Sn-Pb 銲錫的機械強度越高，其中， 63Sn-37Pb 強度最高，為 53.9MPa，
但價格亦隨之提高。
而在添加其他元素方面：：：：銀( Ag )[22]是少數能加入 Sn-Pb 銲錫中以增加其機 械強度，而不嚴重影響損害銲錫性質的元素，並且會減緩銲料對銀的溶入。Ag 的添加量與 Sn 的含量有關，通常不超過 2wt%， 過量的添加會產生 Ag3Sn 介 金屬化合物。接近共晶成分的 Sn-Pb 銲錫添加少許 Ag，形成 62Sn-36Pb-2Ag 合 金，它的優點在於減低某些鍍銀材料在焊接時 Ag 膜的溶解速率，使銲錫的潤濕 性不會在焊接過程中因 Ag 鍍層的熔解而降低。 添加銻 ( Sb )[10,23] 的目的亦 為改善銲錫的機械強度，提高銲錫熔點，且會有硬度較高的合金出現，但 Sb 的 效果較 Ag 緩和。過量的添加也對銲錫的潤濕性有害。Sb 的價格比 Sn 低廉，因 此以 Sb 取代銲錫中部分的 Sn 可以降低銲錫成本，但 Sb 不能取代 6 wt%以上的 Sn， 否則將形成 Sb-Sn 介金屬化合物而使銲錫脆化。在共晶銲錫中，Sb 取代量 通常以 3.5 wt% 為上限。其他如添加銦 ( In )[23]以提高其耐疲勞性質及潤濕 性；添加鎘( Cd )[24] 會形成低熔點的三元共晶相，但其微結構變成樹枝狀，如 果鎘含量太高，會使得銲錫變脆，且較不具金屬光澤；添加銅( Cu )[24]的目的在 減少 Cu 的溶解速率，以延長銅焊接工具的使用壽命。
熔融銲料與母材接觸其間，除了潤溼效應外， 一般皆難以避免會有相伴隨 著介面反應之產生。 其所展現的現象主要為母材的熔解( Substrate Dissolution ) 與介金屬相 ( Intermetallic ) 之生成。 介面反應有助於介面之潤溼，但介面金屬 相通常較硬較脆，會嚴重降低銲點的機械強度與疲勞性質，進而影響到接點的可 靠度。所以銲料與母材的介面反應特性，是銲料所需瞭解之重要特性。介面反應 在銲料凝固後，仍會持續進行，但因為溫度較低，所以速率明顯減緩。其實焊接 過程雖然短暫，但其反應激烈，且與製程操作參數直接相關，所以二者資料應同 等重要。
介金屬化合物會改變熔融銲錫的表面張力，增加其潤濕性，這是焊接反應真 實發生的特徵。但這些介金屬化合物往往是具有極高脆性的離子鍵化合物，熱膨 脹係數亦與金屬或銲錫不同，故過量的介金屬化合物存在時，一般認為對焊接點
的性質有害[22]。而鉛有相當高的錫溶解度，在共晶溫度時鉛對錫具有 19 wt%的 溶解度， 相對的錫對鉛的溶解度則較低，僅有 2.5 wt%而已。
然而鉛是屬於重金屬，它會沉積在人體內，根據報導人體的血液中含鉛量超 過一定的量(約 250mg/dl)就會有鉛中毒的危險，且也已經確定鉛對人體有害，所 以在國際方面，美國於 1990 年正式提出減少使用含鉛物質[25]，歐盟還將鉛納 入有害物質使用限制指引(RoHS)中，並明確的要求 2006 年 7 月 1 日起電子產品 不可含有鉛(Pb)、 鎘(Cd)、汞(Hg) 、六價鉻(Cr6+)等重金屬及 PBB 和 PBDE 等 溴化物阻染劑；除美國、歐盟之外，日本與中國大陸等幾大經濟體系也都採取相 同立場。影響所及，世界各國都開始制定類似禁令，無鉛化以成為未來電子產品 基本要求。
2 22
2----2.2.2.2.無鉛銲錫之性質特性需求無鉛銲錫之性質特性需求無鉛銲錫之性質特性需求 無鉛銲錫之性質特性需求
一般的電子構裝在選擇新的焊錫材料時，必須因應製程上的需求而有不同 的材料選擇。例如焊錫合金的熔點、與基材的濕潤性、導電性、導熱性、熱膨脹 係數、機械強度、抗潛變性、抗熱疲勞性、耐蝕性、加工性及價格等因素的考量。
無鉛焊錫的物理性質需求如下[25,26]：
一. 熔點
熔點決定了系統的最高工作溫度以及最低的製程溫度 ， 其為焊錫材料的關鍵特性。 熔點太低的焊錫不適合用在
電子構裝上，因為在做第三層次和第四層次構裝時，會發生晶片上 焊錫隆點熔融的情形發生。
二、 表面張力
表面張力決定熔融焊錫於焊接時之潤濕性行為。液態金屬的表面張 力主要受到金屬液中的雜質及其他因素等所影響，液體的表面張力 隨著溫度的升高，有呈線性下降的趨勢。
三、 熱膨脹係數
一般焊錫接點在受熱循環的環境下，熱膨脹係數 ( CTE )是決定當時 焊錫接點的應力及應變之重要因素 。 (表 4) [25]所示為一些低溫 焊錫合金及導線架材料之基本物理性質。
四、 微結構
微結構對於機械性質有著極大的影響，因為焊錫在較高溫及高應力 狀態下，其微結構的改變亦即影響到焊錫合金的可靠度最為重要之 因素。以純錫而言，當其由 β 相( 四面體結構，室溫 ) 變態至 α 相 ( 鑽石立方體結構，＜13℃ ) 時，伴隨著大量的體積膨脹導致 破裂。在電子裝配零件上， 冷卻速率為影響焊錫最初微結構的主要 因素。
因此開發無鉛焊錫時，在其特性上必須滿足以下條件，以符合製程及使用上 的需要[27,28]：：：：
1.價格低廉。
2.無毒性和放射性。
3.與現有之助焊劑相容。
4.與各種基材的潤濕性良好。
5.熱傳及導電等物理特性良好。
6.能容易被製成各種形式的焊料。
7.合金相圖具備狹窄的固液兩相區。
8.熔點必須與鉛錫 ( 63Sn-37Pb ) 焊料相近。
9.熱膨脹係數與電子產品中常見的機板相近。
10.具備適當的抗拉強度與良好的抗熱疲勞性質。
11.製成膏狀形式時，必須要有足夠的保存年限。
12.良好的抗腐蝕性質，抗氧化性質，抗潛變性質。
13.在波焊 ( Wave Soldering ) 製程中不會生成太多焊渣 ( Dross )。
基於商業方面的考量，各種無鉛銲錫的系統亦有很大的差異，所以大家偏好 的無鉛銲錫系統各有不同。儘管如此，現今應用的無鉛銲錫如 Sn-Ag、Sn-Cu、
Sn-Ag-Cu、Sn-Ag-Bi 等和上列合金內加上少量的添加元素如 Sb 等無鉛銲錫已準 備應用於電子工業中，例如日本 Sn- Ag-Bi 合金早無被應用於某些電子產品中[29]
銲錫的發展主要以錫為基底，再添加不同的金屬元素代替鉛元素，如 Ag、In、
Cu、Bi…等元素。其目的相似於傳統鉛錫合金中所添加的鉛，雖然鉛的添加不 參與反應形成介金屬但是鉛的添加可以降低高個銲錫的熔點，更可以減少鬚晶 [30]及增加銲錫的潤濕性及機械強度。
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2----3.3.3.3.常用無鉛銲錫之種類常用無鉛銲錫之種類常用無鉛銲錫之種類 常用無鉛銲錫之種類
無鉛銲錫的種類眾多(表 5) ，在二元合金方面，主要選擇以共晶相為主，如 Sn-Ag、Sn-Bi、Sn-In、Sn-Cu…等，為了達到合金特定物性之要求，而添加少量 其他元素造就了三元合金，如 Sn-In-Ag、Sn- Ag-Sb…等。但只要不影響合金熔 化與固化性質太大，三元或四元的無鉛銲料應有較大的合金設計彈性，所以常常 能獲得較佳的銲料性質。
以熔點溫度來分類，可區分為三大類，如 (圖 5) 所示[31-33]::::
1. 以低熔點溫度 (＜180℃) 為考量而開發之焊錫，適用於較低溫的作業環 境，此溫度範圍多以 Sn-In、Sn-Bi 合金系為主。
2. 接近錫鉛共晶焊料的熔點溫度 (180～200℃) 的焊錫，與原製程技術相近，
此類合金以 Sn-Zn 合金系為主。
3. 較高熔點溫度 (200～250℃)，重視可靠度而開發之焊錫，適用於需要高可 靠度的嚴苛環境下，此類合金常以 Sn-Ag、Sn-Cu、 Sn-Sb、Sn-Au 等 系列為主。
由於目前正在研究中的無鉛焊料種類繁多，無法逐一說明，因此列舉常見之 無鉛焊料合金來說明:
2 22
2----3333----1.1.1.純錫1.純錫純錫( Sn ) 純錫
純錫參考熔點為231.9℃(表1)，在固態具有兩種晶體結構，13℃為其相轉變溫度。
在13℃以上為白錫(β)，其晶體結構為體心正方晶體(body-centered tetragonal crystal，BCT)，而溫度在低於13℃時則為灰錫(α)，具有鑽石立方晶體結構 (diamond cubic crystal) ， 當 其 晶 體 結 構 由 白 錫 轉 為 灰 錫 時 其 體 積 會 增 加 26%[34,35]。此外，由於白錫的體心正方晶體是非等方向性(anisotropic)的結構，
在受熱時其膨脹亦是非等方向性的，受熱循環處理時很容易導致裂縫的產生，即 使是在30-37℃小範圍的熱處理也會產生裂縫[36]。在純錫加入0.5wt%以上之Sb 及0.1wt%以上之Bi或5wt%以上之Pb，能有效減少純錫在受熱循環時的體積變化 [37] 。此外，純錫易長出鬚晶(whisker)，會導致電路短路的情形[38]。Sn/Cu界 面反應可能生成多種化合物，在一般軟銲溫度下，會有兩種介金屬化合物Cu6Sn5 相與Cu3Sn相。已發表的文獻指出Cu和Sn軟銲接合時，有扇貝狀(scallop)的Cu6Sn5 相生成，並在扇貝狀尖端有Sn的鬚晶生成[39]。
2 22
2----3333----2222....錫銅合金錫銅合金錫銅合金( Sn-Cu ) 錫銅合金
Sn-Cu 合金之平衡相圖 (圖 6)[77]。錫銅合金的共晶組成為 99.3Sn-0.7Cu，
熔點約為 227℃，一般常運用在汽車工業等需要較高的工作溫度之焊料 。 在電 子工業的波焊( Wave Soldering ) 以及迴焊 ( Reflow Soldering ) 的應用上， 由於 機械性質與鉛錫合金相當，而且具有良好的抗疲勞性質，因此具有取代鉛錫焊料 的潛力[40,41]。
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2----3333----3333....錫銀合金錫銀合金錫銀合金( Sn-Ag ) 錫銀合金
現 今研 究 單位 在研究 的 焊 錫合 金為 以 錫銀 合 金 為主 的共 晶 組成 成 份 96.5%Sn-3.5%Ag 為最多，典型的 Sn-3.5Ag 合金其熔點溫度為 221℃(圖 7)[42]，
一般我們將 Sn-3.5Ag 歸類為高溫構裝用之焊錫材料。
Sn-3.5Ag 合金的特性之一為其對金的熔入有較大的容忍度，亦即在溶入 5 wt% Au 之情形下，此合金仍然保有很好的延展性，對於傳統之錫鉛合金而言，
在溶入 5 wt% Au 時，則會有脆性行為產生[28]，導致伸長率急遽下降。 Sn-3.5Ag 合金具有比傳統錫鉛合金更優異的機械性質，例如抗潛變性 ( Creep ) 及抗拉強 度等等， 都必須歸功於散佈在 Sn 基底( Matrix )中之 Sn3Ag 強化相， 因為這些 強化相之形成能阻擋差排的通過，同時也使得合金在高溫中的晶粒結構也不會有 粗大化的現象。錫銀合金之機械性質優異 (表 6、表 7)，如抗拉強度、剪切強度 及抗潛變性幾乎都優於傳統的鉛錫合金。
對於 Sn-3.5Ag 銲錫合金機械性質方面研究，F.Guo[45]等人對 Sn- 3.5Ag 銲錫 膏中添加 15 vol.% 平均大小為 5 µm Ni 金屬微粒作為強化劑。 經過界面接合反 應後，由顯微結構觀察到，銲錫與銅基板及 Ni 微粒會生成介金屬。 然而添加 Ni 微粒並不會影響固液接合反應時的潤濕性。在與未添加 Ni 微粒的 Sn-3.5Ag 銲錫比較情況下，發現在溫度 100℃下做時效反應時顯微結構並沒有太大改變，
溫度提高 150℃以上，觀察到較明顯的變化。
錫銀合金優良的機械性質， 就是因為此 Ag3Sn 相的微細分散及形成次晶 界所造成的。在室溫與高剪應力狀態下，其熱疲勞性質優於鉛錫合金；而在較低 剪應力下，其熱疲勞性質則與鉛錫合金相當。
另外針對潛變試驗[43]，實驗證明了有添加 Ni 金屬微粒的銲錫在各溫度的 條件下皆有較佳的耐潛變性質。對於 Sn-Ag 銲錫接點冷熱衝擊疲勞試驗等機械 性質測試 ( TMF )，S.CHOI[44]等人也有對這方面作研究。研究中指出在未添加 微量元素時的銲錫接點，當經 TMF 試驗時，銲錫接點表面會因為剪力翹曲造成 明顯的表面破壞。但添加微量的 Cu 及 Ni 於銲錫中，經 TMF 試驗後會有不同的 結果，並發現對於界面層的生長在經 TMF 試驗後與做等溫時效處理有相似的結 果。
Sn-3.5Ag 合金的缺點則是對銅的溼潤性不佳，其原因主要可能為銀的表面
張力太大所致[46]， 即使在惰性氣體中亦無太大的改善。在 Sn-3.5Ag 合金中添 加銅、鋅或鉍， 也會增加合金的機械性質，但銅、鋅添加的量超過 2 wt%以上，
則反而會使其延展性較低，造成其疲勞壽命略微降低[47]。雖然藉著添加適量的 鋅或鉍會改善其性質，但相對也會產生抗氧化性劣化、潤濕性變差，以及固液兩 相區變寬而引起銲點掀離脫落 ( Lift Off ) 等不良現象。
錫銀系無鉛銲錫雖具可行性，但是由於其熔點比傳統鉛錫銲料高出 20~30
℃，所以其軟焊溫度相對也提高，須達 250~260℃。雖然具有能使用現行設備之 優點， 但組件與基板之間的耐熱性卻是一大考驗。
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2----3333----4444....錫銦合金錫銦合金錫銦合金( Sn-In ) 錫銦合金
Sn-In 合金之平衡相圖 (圖 8)[20]。 錫銦合金的共晶成份組成為 In-49.1Sn，
在電子工業中使用的錫銦合金的共晶組成為 In-48Sn ，其共晶溫度為 118℃非常 的低，常被應用在對溫度較敏感的電子組件焊接和階段式焊接 ( Step Soldering ) 之最後一站。錫銦合金之共晶由一個富銦 ( In-rich ) 相與一個富錫 ( Sn-rich ) 相 所組成，其延展性和潤濕性佳，焊接點的抗潛變性也比鉛錫合金好，不過其抗熱 疲勞性較鉛錫合金差。
錫銦合金的微結構與鉛錫合金不同，共 Sn-In 的微結構呈層狀，長時間放置 室溫下會有晶粒粗化現象，而急冷的 In-48Sn 合金在銅基板則也會有規則的層狀 結構 。 其微結構會受冷卻速率與界面反應影響，例如液態的錫銦銲料對銅的溶 解速率很快，與銅反應後會在界面生成 Cu2In3Sn 和 Cu2(Sn,In)之三元介金屬相 [46,48]，因此在銅基材上的錫銦銲料固化後，其微結構就不如在鎳基板上規則 [48,49]。
錫銦共晶合金在配合活性較強的助銲劑使用下，與 Cu、 Ni-Sn 及 Kovar 等 基材的潤濕性還不錯，但對金的潤濕性卻很差[46]，即使活化的助熔劑亦無法有 所改善。錫銦合金對金的溶解速率相當緩慢，因此會在界面反應生成 AuIn2的介
金屬相，在錫銦與金之間形成擴散障礙作用，阻擋了金的擴散。
50In-Sn、52In-Sn 與 60In-40Sn 的抗拉強度分別為 20MPa、12MPa 與 7MPa，
較一般的無鉛銲錫為低。而剪切強度也遠小於鉛錫合金 (表 8) 。 但錫銦合金的 抗潛變 (Creep) 行為與鉛錫合金相當， Mei and Morris[50]提出 In-48Sn 在 65℃
下以剪力所作出的潛變性質，結果剪應變超過 500%，顯然的 In-48Sn 的延展性 相當的高。
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2----3333----5555.... 錫鉍錫鉍錫鉍錫鉍合金合金合金合金((((SnSnSn-Sn---BiBiBiBi))))
Sn-Bi 合金之平衡相圖 (圖 9)[77]。錫鉍合金的共晶合金組成為 57Bi-43Sn，
共晶溫度 138℃[42]，且與鉛錫合金類似，僅有一個共晶反應，亦無介金屬相存 在。一般業界多以 58Bi-42Sn 為此類焊錫的組成，與其他無鉛焊錫相較，鉍錫合 金與銅及鎳-金基材之潤溼性尚可接受，但其潤溼性受雜質的影響甚鉅，目前電 子產業使用相當多含磷的無電鍍製程，因此使得錫鉍合金的應用受到限制。由於 58Bi-42Sn 共晶合金之熔點低，機械性質與鉛錫合金共晶焊錫相近，在組裝製程 上為有利的條件。錫鉍共晶合金的抗拉強度高於鉛錫共晶合金[51,52]，在 20~60
℃時其抗剪強度與鉛錫合金相近；惟在 100℃時鉍合金之機械性質較鉛錫合金為 差，隨著應變速率增加鉍錫合金伸長率之降低較鉛錫合金為快[46]，以及含鉍量 高會使合金的彈性降低，而且在承受剪變(Shear Deformation)時會出現應變軟化 (Strain Softening)之現象[48]。另外，鉍與一般金屬不同，在固化時體積會膨脹；
雖然錫在固化時體積也會收縮，但其收縮的量不及鉍的膨脹量，因此錫鉍共晶合 金在固化時總體積會膨脹。
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2----3333----6666 錫鋅合金錫鋅合金錫鋅合金(錫鋅合金(((SnSnSnSn----ZnZnZn)Zn)))
Sn-Zn 合金之平衡相圖 (圖 10)[50]。共晶成分為 Sn-9Zn，熔點( 198℃)與傳 統鉛錫共晶合金相近，因其中的鋅難以固溶在錫基地中( ～0.05wt％ )，所以其
微結構為富錫相( Sn-rich )及富鋅相( Zn-rich )所組成之固溶組織[53,54]，而與銅 界面生成 Cu-Sn 介金屬化合物，以及 γ-Cu5Zn8、β-CuZn 介金屬化合物層[55]，潤 濕性較差；添加 In( 5～10％ )可使熔點降低( 175～188℃)並改善其潤濕性，若添 加 Bi 則可使熔點再下降。Sn-Zn 系焊料價格便宜，且具有良好的機械性質，但 由於鋅的活性高，易與氧化合形成安定的氧化膜，導致接合界面形成缺陷而降低 接合強度，因此必須使用活性較高之助焊劑或在惰性保護氣體的環境下進行銲 接。
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2----3333----7777....錫銦銀合金錫銦銀合金錫銦銀合金(Sn-In-Ag) 錫銦銀合金
現今的無鉛銲料都選擇以二元合金之共金相為對象， 但添加少量的其它元 素，可以有效的增進合金的性質，使合金的設計有很大的幫助。由於錫銦合金之 共晶溫度與鉛錫合金之 183℃相差甚大，因此添加少量高熔點的 Ag，將使整體 的錫銦銀合金熔點上昇。 錫銦銀合金之平衡相圖 (圖 11) [56]，系統的共晶組成 為 Sn-20In-2.8Ag 合金，對母材的潤濕行為與鉛錫共晶合金相當。此合金之抗拉 強度優於鉛錫共晶合金，有較高的彈性係數，較大的延伸率，使此合金將有足夠 的延展性來進行加工；抗潛變性質亦優於鉛錫共晶合金。Sn-20In-2.8Ag 合金的 固化範圍 ( 175~157℃) 與鉛錫共晶合金之熔點( 183℃ ) 極為接近，因此不需要 大幅改變目前傳統使用鉛錫銲錫的製程設備，將有助於無鉛銲料在電子構裝工業 的應用潛力。
當金在銲錫中的含量超過 3 wt%時會在冷卻過程中以 AuSn4相析出[57]，在 少於 5 wt%時此相是細小分佈析出，對銲錫接點性質影響不大[58]。但當金溶入 量超過 5 wt% 時， AuSn4會以針狀非等向性析出，粗大的 AuSn4會造成銲錫接 點的脆化現象[59]。
添加銦亦可降低銲錫與金鍍層反應時金溶入銲錫的速率，而消除構裝製程中 常發生的金脆現象。此系統中， 因為有銦元素的添加，所以界面反應後所生成 的介金屬更為多樣化且複雜。Simic[60]等人在 Ag-In 常溫薄膜擴散研究中發現，
隨 Ag、In 含量的不同會分別反應形成 AgIn2及 Ag2In 等相，若升溫至 60-120℃
則 AgIn2低溫相會變為 Ag2In 高溫相。
雖然目前並沒有價格便宜 又具有良好機械整體性質之無鉛銲料和鉛錫銲料 相當，所以鉛錫銲料仍是電子工業中軟銲的主要銲料。由於世界環保意識的抬 頭，使得人們對綠色產品的要求提高，因此無鉛銲料技術將會有更加成熟的發 展，進而在市場上逐漸取代鉛錫銲料的地位。
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2----3333----8888....錫銀銅合金錫銀銅合金錫銀銅合金(Sn-Ag-Cu) 錫銀銅合金
Sn-Ag-Cu 系列合金被認為是相當具有潛力替代傳統銲錫的無鉛銲錫，由
Sn-Ag 二 元 相 圖 如圖 7 [42]中 可 知 ， Sn-Ag 系 列 銲 錫 合 金 的 共 晶 成 分 為 Sn-3.5wt%Ag，熔點為221℃。在此系列材料中，Ag 原子會在Sn 中形成Ag3Sn，
使晶粒不易成長，而與Cu 接合時會在界面處形成Cu6Sn5，在長時間的反應下會 造成Cu6Sn5 大量成長，應用於接點Cu/solder/Cu 時，裂縫可能會在Cu/Sn-3.5Ag 界面生成[61-63]。而Sn-Ag 因為具有細小的Ag3Sn 而有良好的機械性質，除了 此優點外亦擁有極佳的耐熱疲勞性質與熱穩定性，但因其熔點較傳統錫鉛合金 (熔點：183℃)高，加上潤濕性不佳，為求改善這些缺點，會再添加第三元素Cu 形 成Sn-Ag-Cu 系銲錫合金(熔點：217℃)，其三元相圖之局部放大如(圖12)[61]所 示，其中SAC 系銲錫合金之共晶組織由相圖可知為Ag3Sn 與Cu6Sn5 兩種金屬 間化合物所組成。添加Cu 除了降低銲錫合金熔點外亦可提高潤濕性，其中Cu 含 量不能超過2wt%，否則會使其疲勞壽命降低，所以通常Cu 含量若欲高於1.0 wt%，最高僅能添加至1.7wt% [64,66-68]。文獻[65]指出，Sn-1.0Ag-0.5Cu (SAC105) 在掉落試驗 (drop test)中，相較於Sn-4.0Ag-0.5Cu (SAC405)和Sn-3.0Ag-0.5Cu (SAC305)有較高的柔順性(compliance) 與較好的分散塑性能能力(plastic energy dissipation ability)，使得SAC105 產生破壞的機率較低，且產生破壞之裂紋皆形 成在銲錫球內，而非銲錫球與基板的界面。所以在降低銀含量後，銲錫球本身的 機械性質與抵抗破壞的能力值得更進一步探討。
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2----4.4.4.4.封裝元件可靠度分析封裝元件可靠度分析封裝元件可靠度分析 封裝元件可靠度分析
產品生命週期大致上分為三期 ， 分為早期的夭折期 ( Infant Mortality ) 、 中期的穩定應用期 ( Useful Life ) 、 及後期的耗損期 ( Wearout Period ) 。早期 是因為產品製造過程產生的缺陷，因實際陷產品數量會慢慢隨時間耗盡，所以效 率會隨時間而下降。中期會維持較低的毀損率且穩定水準，但到了後期因為使用 時間已超過產品設計年限，所以失效率又慢慢的往上攀升，整個週期可以以洗澡 盆曲線代表( Bath Tub Curve )。電子產品亦合於此理論，為了深入瞭解銲錫與接 點構裝的影響，利用可靠度分析探討問題， 主要的影響是環境應力。環境應力 的形態分為溫度變化、溫度、潮濕度、機械應力、電壓及輻射等，對產品影響程 度較大的為溫度變化、溫度高低及潮濕度等。
(a)週期性溫度變化
溫度變化引發的問題，主要是因為電子產品的材料具有多樣化。如有機、陶 瓷、金屬、玻璃到半導體都有，且熱膨脹係數差異大。導致因為溫度變化所導致 相互間體積伸縮程度不一造成熱應力，此類熱應力可能發生破裂或是潛變 ( Creep ) 及疲勞 ( Fatigue )。
(b)高溫環境
高溫環境也是導致構裝劣化主要因素，尤其在異種金屬連接所形成的介金屬 化合物。介金屬雖然可以確保金屬間接合性良好，若介金屬本身脆性高，介金屬 厚度增加發生脆裂可能性將會提高。 BGA 與基板接點之金屬層，表面的金 (Au) 保護層厚度過高 ( >0.5µm )，在迴銲過程無法完全融入銲錫中，即在鎳 (Ni) 層 表面形成脆性的金錫介金屬 ( AuSn4 )，機械性質明顯下降。 高溫環境下金屬之 間擴散係數不同所引起的 Kirkendall 效應產生的 Kirkendall 孔洞。這些問題可能 造成電子產品失效的因素。
(c)潮濕環境
潮濕環境對於構裝元件破壞作用可分為兩個層面， 一為組裝迴銲過程中，
塑膠構裝暴露於潮濕環境下，內部因為水分遇高熱後，轉變為高壓水蒸氣，而導 致整個構裝爆裂。此乃俗稱爆米花現象。Ilyas[69]等人在 1993 年就已指出爆米 花效應如 (圖 13 ) [70]多在封膠材料與晶片心接腳附近的界面上或由構裝體內 部瑕疵延伸到外部 。另外，因為元件處於潮濕環境，也會因為水氣滲入而有腐 蝕破壞作用。
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2----5.5.5.5.球格陣列構裝相關文獻探討球格陣列構裝相關文獻探討球格陣列構裝相關文獻探討 球格陣列構裝相關文獻探討
目前 BGA 內部導線常使用銅為內部傳導材料，但是銅與銲錫反應過於快 速，常於銅表面鍍一鎳層作為反應阻絕層。且為了防止氧化及提高其銲料潤濕 性，所以在鎳層上加鍍一薄薄的金層。對於球格陣列構裝所面臨的一個問題， 即 為 BGA 基板上的 Au 鍍層與銲錫反應所造成的金脆現象。
Lee[71]等人也提出添加 Cu 元素於銲錫中能有效抑制金脆現象的發生。研究 指出當金層厚度超過 1 µm 及產生金脆現象，但如果將 Cu 元素添加於 Sn-Pb 及 Sn-Ag 等銲錫中，由顯微結構觀察，添加 Cu 能抑制 Au 於銲錫中析出形成介金 屬化合物，如此即可避免金脆現象的發生。
Mark[72]等人針對不同 Au 層厚度對 Sn-Pb 共晶銲錫之錫球進行 150℃之 時效反應之研究加以探討金脆現象。研究發現 Au 層愈厚則出現 AuSn4 析出聚 集現象愈快且強度愈低，但是金層厚度為 0.3 µm 之試片經長時間時效也不會有 此現象發生，即無金脆現象。
Choi[73]等人也以 Sn-3.5Ag 對一系列鎳金屬薄膜基材進行迴銲反應研究，
迴銲時所使用的迴銲曲線高溫度為 250℃。研究指出反應因為 Ni 層為薄膜，會 與銲錫中的 Sn 先反應形成介穩相 NiSn3相之後再轉變成 NiSn3及 NiSn4當反應時 間增加則出現 Ni3Sn2相。
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2----6.6.6.6.潤濕現象潤濕現象潤濕現象 潤濕現象
潤濕( Wetting ) 是描述液體在固體表面接觸的行為。在此指的是銲錫在基材 表面擴展的情形。判定潤濕性的好壞是以接觸角的角度來判斷的。一般定義接觸 角接近 0˚為完全潤濕 ( Perfect Wetting )，0˚ ~ 30˚為良好潤濕( Good Wetting )，30˚
~ 90˚為不好潤濕( Bad Wetting )，90˚以上則為不潤濕 ( Nonwetting )。
銲錫性 ( Solderability ) 是指在軟銲的過程中，熔融銲錫在基材表面的潤濕 行為，而此會影響軟銲的過程與結果。
影響銲錫性的因素有[74]:::: ( 1 ) 材料表面自然生成的氧化物 ( 2 ) 銲錫與基材本身擴散的難易度 ( 3 ) 助銲劑去除氧化物的能力
( 4 ) 材料的表面能，表面能較低反應較難進行 ( 5 ) 銲錫與基材本身的物性
{圖 14(a)與(b)} [75]分別為無助銲劑與有助銲劑存在時，表面張力的示意圖。
助銲劑可能為液體、固體或氣體，當加熱後可加速或增進金屬和銲錫的接 合。助銲劑的目的是去除表面氧化物，且作用溫度應於熔點之下。當銲錫於液態 時能應有去除氧化物的能力。
助銲劑一般分為三種[76]::::
( 1 ) 無機類 ( Inorganic Materials ) :::: 其活性最強，包括無機酸、無機鹽 及無機氣體等，去污力強及助熔性佳，但因腐蝕性強，無法廣泛使用。
( 2 ) 有機類 ( Organic Materials ) :::: 包括有機酸及有機鹵化物等，助熔性 較無機類助銲劑差，有效的使用溫度為 90 ~320℃ ℃。
( 3 ) 松香類 ( Rosin ) :::: 電子工業最常使用的助銲劑便是此類。本身不具 腐蝕性及導電性，當加熱到 127℃便可去除氧化銅。而松香也分為三大類 ::::
(a) R : 指的是未經處理的 water-white rosion，沒有添加任何活
性劑，助銲的能力有限。
(b) RMA : 在松香中加入一些活性劑，加強助銲的效果。此種 助銲劑最常被使用於電子工業上。
(c) RA : 加入更強的活性劑，使助銲的效果更好，可將殘留物
完全的消除。但也因如此，使它的用途在電子產業上受到限制。
表 1 元素之物理性質
元素名稱 銀（Ag） 銦（In） 錫（Sn） 鉛（Pb）
原子序 47 49 50 82
結晶構造 面心立方 四方 四方 面心立方
密度（g/cm
3） 10.49 7.28 7.3 11.34 熔點（℃） 960.8 156.6 231.9 327.4 沸點（℃） 2150 2012 2480 1749 熱膨脹係數（10
-6） 19.1 24.8 23.5 29.0 熱傳導度（cal/cm sec
℃） 1.001 0.196 0.155 0.083 電傳導度（μΩ·cm） 1.63 9.0 12.8 20.6
表 2 鉛在印刷電路板上之應用
應 用 目 的 現行技術 無鉛之選擇
表面黏著（SMT） 使電子組件與電路 板組合，形成有效 及 具 備 機 能 之 電 路。
鉛錫銲料 1. 黏著劑。
2. 含銻、鉍、銅、銦、
銀 或 鋅 之 錫 基 合 金。
電子組件之處理 增加電子組件之銲
接性
鉛錫銲料 錫、銀、鎳或鈀
電路板之鍍層 防止電路板之銅表
面氧化，確保電子 組件與電路板之接 合。
熱 空 氣 銲 料 整平
1. 具可銲性之防腐性 有機物。
2. 金屬化鍍層，如金- 鎳。
3. 浸銀。
表 3 常用鉛錫合金組成、熔點、密度及抗拉強度
合金組成 （wt%） 液相溫度 密度 抗拉強度
Sn Pb In （℃） （g/cm
3） （MPa）
63 37 183 8.46 53.9
60 40 188 8.5 53.2
40 60 234 9.3 37.8
35 65 245 9.5 36.4
5 95 315 11.1 32.2
50 50 118 7.74 12
表 4 低溫焊錫合金及導線架材料之基本物理性質 材料
材料 材料 材料
密度 密度密度 密度 Kgm KgmKgm Kgm-3
85℃
85℃
85℃
85℃下之導熱性下之導熱性下之導熱性下之導熱性 Wm-1K-1
20℃
20℃
20℃
20℃下熱膨脹係數下熱膨脹係數下熱膨脹係數下熱膨脹係數 10-6K-1
銲錫合金 銲錫合金 銲錫合金
銲錫合金
100Sn63Sn-37Pb Sn-3.5Ag
Sn-58Bi Sn-52In
7300 8400 7360 8700 7300
73 50 33 21 34
26 25 30 15 20
導線架材料 導線架材料 導線架材料
導線架材料
CuFe-42Ni Si FR4
8960 8150 2340 1800
391 12 138.5
0.35
17 4.5-5.2
2.6 15-18
表 5 常見的無鉛焊錫合金
表 6 Sn-Ag 與 Sn-Pb 銲錫合金抗拉強度之比較
Strain rate,
Ultimate tensile strength, MPa
s
-1Processing
Sn-3.5Ag Sn-37Pb
2.2×10
-2Cast 55 56
1.5×10
-4Cast, Aged at 25℃, 10d 20 40 8.0×10
-4Cold rolled sheet 56 35
3.3×10
-5Cast 37 19
表 7 Sn-Ag 與 Sn-Pb 銲錫合金剪切強度之比較
Temperature, Strain
rate, Shear strength, MPa
℃ s
-1Processing
Sn-3.5Ag Sn-37Pb 25 6.2×10
-4Cu lap shear
joint 22 36
1.3×10
-1Cu ring and plug 39 34.5
Unspecified Unspecified 24 24
100 1.3×10
-1Cu ring and plug 23.5 21.6
圖 4 Pb-Sn 合金之平衡相圖[20]
圖 5-1 無鉛焊料依溫度的分類[31]
圖 5-2 無鉛銲料之熔點分佈
圖 6 Sn-Cu 合金之平衡相圖[77]
圖 7 Sn-Ag 合金之平衡相圖[42]
圖 8 Sn-In 合金之平衡相圖[20]
圖 9 Sn-Bi 合金之平衡相圖[77]
圖 10 Sn-Zn 合金之平衡相圖[50]
圖 11 (a) Sn-In-Ag 合金於 100℃之截面相圖[50]
(b) Sn-In-Ag 合金於 200℃之截面相圖[50]
(c) Sn-In-Ag 合金之平衡相圖[50]
圖 12 Sn-Ag-Cu 合金之平衡相圖[61]
圖 13 電子構裝爆米花現在示意圖[70]
圖 14 (a) 無助銲劑 (b) 有助銲劑 存在時，表面張力示意圖[75]
第三章 第三章 第三章
第三章 實驗方法及步驟 實驗方法及步驟 實驗方法及步驟 實驗方法及步驟
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3----1.1.1.1. Sn- Ag-Cu-In-Zn-Bi 合金合金合金合金之製備之製備之製備之製備
本實驗之 Sn-3 Ag-0.5Cu-2In-1Zn-(0.5~3.0)Bi 合金為自行熔煉而成，程序如 下：：：：
a. 先用 99.99%之純錫、純銀、純銅、純銦、純鋅與純鉍依合金設計將 成份元素按比例秤重 (表 8)所示 。
b. 將各元素放入石英試管中後，抽真空( 1x10-3 torr)封管。
c. 將石英管放入 600℃爐內， 持續 12 hr， 等所有元素熔融混合後，再 爐冷至室溫。
d. 再將 Sn-3 Ag-0.5Cu-2In-1Zn-(0.5~3.0)Bi 合金經過 95℃，100 hr 的均 質化處理後，再爐冷至室溫。
e. 將鑄錠經滾壓成 0.12 mm 之片材備用。
本研究之實驗流程圖如 (圖 15) 所示。
3 33
3----2.2.2.2. Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi 合金之合金之合金之合金之 DSC 熔點測試熔點測試熔點測試 熔點測試
Sn-3 Ag-0.5Cu-2In-1Zn-(0.5~3.0)Bi 合金的熱力學性質是利用 TGA/DSC 共 同分析儀來作分析，以判斷合金之熔點範圍。熔點測試實驗參數：溫度範圍為 30~400℃、昇溫速率為 5℃/min、氣體流量為氮氣 (N2)，50 ml/min、樣品重量為 約 24.5 mg。
3 33
3----3333.... Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi 合金合金合金合金之顯微組織分析之顯微組織分析之顯微組織分析之顯微組織分析
Sn-3 Ag-0.5Cu-2In-1Zn-(0.5~3.0)Bi 合金顯微組織的觀察， 分為原試片以及 拉伸破斷後之試片兩個部分。試片的顯微組織，經由＃600、800、1000、2000、
3000、4000 號之 SiC 水砂紙研磨，1µm、0.3µm 之氧化鋁粉拋光後、以腐蝕液 (methanol (95﹪)：93ml、HCl：5ml、HNO3：2ml)浸蝕 30 秒。用光學顯微鏡以
及掃瞄式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope)加以觀察。而拉伸破斷後的試 片，首先利用掃瞄式電子顯微鏡觀察其破斷面結構，再將其鑲埋，進行研磨、拋 光、腐蝕，然後觀察其截面的顯微組織。
3 33
3----4.4.4.4. Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi 合金合金合金合金拉拉拉拉伸試片之製作伸試片之製作伸試片之製作伸試片之製作
實驗試片由將熔煉好的鑄錠經滾壓成 0.12 mm 之片材備用後，經由銑床 加工成所需之拉伸試片(圖 16)。同時在拉伸實驗進行前，利用＃4000 號之 SiC 水砂紙研磨試片表面之微小缺陷，使試片表面光滑平整，以避免實驗誤差。
3 33
3----5555.... Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi 合金合金合金合金之拉伸試驗之拉伸試驗之拉伸試驗之拉伸試驗
研究 Sn-3 Ag-0.5Cu-2In-1Zn-(0.5~3.0)Bi 合金在不同拉伸速率以及不同溫 度的環境下，對於機械性質的影響。實驗的拉伸速率為 1×10-4mm/sec、1×10-5 mm/sec 二種 ； 溫度則採均質 ( Homologous ) 溫度{ { { { η=Tk/Tm，其中 Tk：試驗 溫度( k )，Tm：材料熔點絕對溫度( k ) }}}}為基準，分別為 η=0.6、0.65、0.7、0.75 四種，測試儀器則由聯宙公司所製造之拉伸試驗機作量測，儀器可分為拉伸試驗 用夾具組、加熱系統、控制拮取系統、變速裝置系統等三大部分。拉伸試驗夾具 組用於夾持固定實驗試片；加熱系統提供高溫機械性質測試所需之溫度；變速裝 置系統包含變速機與變速齒輪，可切換高、低轉速區； 控制拮取系統可包括 SSRT 訊號控制器與 Load Cell 之控制拮取裝置， 此系統控制其拉伸速度， 並經由電 腦拮取其荷重 ( Load ) 與伸長量 ( Elongation ) 之數據。
無鉛銲錫合金成份 （wt%）
Sn Ag Cu In Zn Bi
96.5 3 0.5 0 0 0
93 3 0.5 2 1 0.5
92 3 0.5 2 1 1.5
91.5 3 0.5 2 1 3
表 8. Sn-Ag-Cu-In-Zn-Bi 合金成份百分比
圖 15.Sn-3 Ag-0.5Cu-2In-1Zn-(0.5~3.0)Bi 無鉛銲錫合金實驗流程圖
Sn-3 Ag-0.5Cu-2In-1Zn-(0.5~3.0)Bi 合金熔煉 (600℃,12hr)
爐冷至室溫
均質化處理(95℃,100hr)
拉伸試驗機械性質測試 拉伸速度:::: 1X10-4、
1X10-5 (mm/sec)
溫度:::: 25℃(η=0.6)、
50℃(η=0.65)、
75℃(η=0.7)、
100℃(η=0.75) DSC 熔點
(TGA/DSC 同步分析儀)
將鑄錠滾壓成厚度 1.2mm 板材
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。
4 44
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。
4 44
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。
4 44
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。
4 44
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
