中 華 大 學

中 華 大 學 碩 士 論 文

Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 無鉛銲錫與 OSP 基板 之機械性質的評估

Evaluation the Mechanical Reliability of the Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn on OSP substrate

系 所 別：機械工程學系碩士班 學號姓名：E09808007 陳 世 偉 指導教授：葉 明 勳 博 士

中 華 民 國 100 年 8 月

中文摘要

現今的電子構裝製程中，已普遍應用球格陣列( BGA )構裝在電子產品中，

但構裝的高溫以及電子產品在操作時的溫度，易造成BGA接點和銲錫球的破壞。

本實驗是採用Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Z無鉛銲錫迴銲在化金基板、與OSP基板上 進行試驗。Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn銲錫的固、液態區間明顯比Sn-3Ag-0.5Cu銲錫 增加。銲錫在基板上進行了迴銲一次、迴銲二次、高溫時效100小時、高溫時效 500小時後，再以10-3 mm/s速度，不同的溫度作剪切強度試驗，以了解在化金基 板與OSP基板的剪切強度，試驗後的破斷面發現均構裝件的破損發生在銲錫內 部，並且知道在經過迴銲二次的構裝件後，剪切強度都比迴銲一次的構裝件為 低。另一方面Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Z無鉛銲錫在OSP基板裝件，其剪切強度則比在 化金基板剪切強度高，此外，觀察其中銲錫/OSP基板的界面反應，可觀察到(Cu,Sn) 析出物出現在焊錫與銲墊之間。

關鍵字: 錫-銀-銅-銦-鋅 銲錫，迴銲，介面金屬化合物，化金基板，OSP基板

Abstract

The mechanical properties of organic solder ability preservatives (OSP) Cu substrate with a Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn Pb-free solder have been studied. For comparison, a Au/Ni-p/Cu substrate was also tested. Experimental results showed that the average shear strength of the solder /(OSP) substrate was 32.5 MPa at a crosshead speed of 10^-3 mm/s at room temperature. Moreover, the joints of the solder/(OSP) substrate displayed higher average shear strengths then those of the solder/

Au/Ni-p/Cu substrate at various homologous temperatures. An Cu-Sn intermetallic compound (IMC) layer was formed at the solder/(OSP) Cu interface. However, the fracture of all joints happened in solder bulk with dimple structure, which revealed that the failure was a bulk-related fracture mode instead of interface-related failure.

Keywords: Sn-Ag-Cu-In-Zn solder, shear strength, (OSP) substrate, Au/Ni-p/Cu substrate

致謝

本論文能夠順利的完成，首先衷心感謝我的指導老師 葉明勳教授這二年孜 孜不倦的不願其煩的細心指導，讓我在就讀碩士期間不斷地給予意見以及指導，

並細心的教導思考邏輯觀念，以及在學術上的分析的態度以及方法，奠定在寫作 論文的基礎。此外，承蒙口試委員龍懷科技大學翁文彬教授，以及系上馬廣仁教 授的指導以及意見，使論文更加的理想。

同時要感謝研究室的許宬岳同學以及郭韋廷同學在實驗室的建議與協助，以 及一起奮鬥的同學陳志宏同學，在這兩年的奮鬥以及陪伴，一起兢兢業業的達成 這兩年的最後目標。

最後要感謝我的學長王俊旭先生，有他的指導與協助之下，才得以完成這論文，

當然還要感謝我隸屬的創技工業股份有限公司，給予鼓勵以及支持，讓我能夠在 求學的階段能無後顧之憂地順利完成碩士學業，當然還要感謝的是我的家人以及 所有關心我的人，在背後默默的支持與鼓勵，在此，願將這份喜悅以及成果獻給

我所感謝所有的人，以及所有關心我的人。

總目錄

緒 論... 1

1.1. 前言... 1

1-2. 研究動機和目的...6

第二章 文獻回顧...8

2-1. Pb-Sn鉛錫合金之特性簡介...………..….…8

2-2. 無鉛銲錫之性質特性需求...11

2-3. 常用無鉛銲錫之種類...14

2-3-1. 純錫( Sn ) ...16

2-3-2. 錫銅合金( Sn-Cu ) ...17

2-3-3. 錫銀合金( Sn-Ag ) ...18

2-3-4. 錫銦合金( Sn-In ) ...19

2-3-5. 錫鋅合金(Sn-Zn) ...20

2-3-6. 錫銦銀合金(Sn-In-Ag) ...21

2-3-7. 錫銀銅合金(Sn-Ag-Cu)... 23

2-4. 封裝元件可靠度分析...24

2-5. BGA( Ball Grid Array)球格陣列構裝相關文獻探討...26

2-6. 潤濕(Wetting)現象...27

2-7. 銲錫合金與基材接合之界面反應...32

2-8. 焊接組裝方式簡介...32

2-8-1.波焊(Wave Soldering)...32

2-8-2.熔焊（Reflow Soldering）...33

2-9. 印刷電路板表面處理技術...34

2-9-2. 無電鍍鎳化金(ENIG:Electroless Nickel and Immersion Gold)...36

2-10. 焊點強度...37

第三章 實驗方法及步驟...40

3-1. Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 合金之製備...40

3-2. Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 合金之 DSC 熔點測試...42

3-3. Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Znn 合金之顯微組織分析...42

3-4. 熔焊（Reflow）反應實驗步驟(N2 熔焊爐-皇迪 HD-NHAC12F)…...…43

3-5. Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 合金與不同鍍層基板之介面反應...45

3-6. 焊接試片製作...46

3-7. 時效熱處理…………...46

3-8. 3-8. Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn合金之剪切強度測試...46

第四章 實驗結果與討論...51

4-1. Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 合金之 DSC 熔點測試...47

4-2. Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 合金銲錫之金相分析與 OSP 基板界面反應...52

4-3.Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 合金銲料在化金基板與 OSP 基板剪切強度分析...56

4-4. Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 在化金基板與 OSP 基板破斷面分析...61

第五章 結論...76

第六章 參考文獻...78

表目錄

表 2-1. 鉛在印刷電路板上之應用...9

表 2-2. 常用鉛錫合金組成、熔點、密度及抗拉強度………...…….…..10

表 2-3. 低溫焊錫合金及導線架材料之基本物理性質……….14

表 2-4. 常見的無鉛焊錫合金...15

表 2-5. 目前常用的助熔劑種類及其特性與應用範圍...31

表 3-1. Sn-3 Ag-0.5Cu-8In-1Zn 合金成份百分比...40

表 4-1. Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 合金 DSC 熔點測試...51

圖目錄

圖 1.1 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 1-2. 電子構裝之四大功能...3

圖 1-3. 電子構裝製程之層次區分...5

圖 2-1. 錫鉛二元系統相圖...10

圖 2-2. Sn-Cu 合金之平衡相圖...17

圖 2-3. Sn-Ag 合金之平衡相圖...18

圖 2-4. Sn-In 合金之平衡相圖...19

圖 2-5. Sn-Zn 合金之平衡相圖...20

圖 2-6. (a) Sn-In-Ag 合金於 100℃之截面相圖...22

圖 2-6. (b) Sn-In-Ag 合金於 200℃之截面相圖...22

圖 2-6. (c) Sn-In-Ag 合金之平衡相圖...22

圖 2-7. Sn-Ag-Cu 合金之平衡相圖...23

圖 2-8. 電子構裝爆米花現在示意圖...26

圖 2-9. 介面張力示意圖...30

圖 2-10. 焊接過程添加助焊劑(flux)，助溶劑清除基材表面汙物(氧化膜)，使焊 錫與機才產生潤濕現象...30

圖 2-11. 波銲錫波原理示意圖...33

圖 2-12. 迴銲銲接原理示意圖...34

圖 2-13. 銲點強度測試方式: (a)Bulk solder 拉伸，(b)Bulk solder 剪切，(c)簡化 之銲點，(d)實際元件 SMT，(e)單面接合(single lap)，(f)雙面接合 (doublelap)...39

圖 3-1. Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 無鉛銲錫合金實驗流程圖...41

圖 3-3. N2 熔焊爐-皇迪 HD-NHAC12F 測溫報告圖...45

圖 3-4. 焊接試片示意圖...46

圖 3-5. 拉伸試驗機...48

圖 3-6. 錫球的直徑...48

圖 3-7. 鍍層基板...49

圖 3-8. 拉伸試片夾持示意圖...49

圖 3-9. 剪切破壞模式示意圖...50

圖 4-1. Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 銲錫合金顯微組織圖...53

圖 4-2. Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 合金銲錫與 OSP 基板介面反應型態...55

圖 4-3. 化金板迴銲一次剪切強度平均值...58

圖 4-4. 迴銲一次高溫時效 100 小時剪切強度平均值...58

圖 4-5. 迴銲一次溫時效 500 小時剪切強度平均值...59

圖 4-6. 迴銲二次剪切強度平均值...59

圖 4-7. 迴銲二次溫時效 100 小時剪切強度平均值...60

圖 4-8. 迴銲二次溫時效 500 小時剪切強度平均值...60

圖 4-9. 化金基板迴銲一次破斷面...64

圖 4-10. 化金基板迴銲一次高溫時效 100 小時破斷面...65

圖 4-11. 化金基板迴銲一次高溫時效 500 小時破斷面...66

圖 4-12. 化金基板迴銲二次破斷面...67

圖 4-13. 化金基板迴銲二次高溫時效 100 小時破斷面...68

圖 4-14. 化金基板迴銲二次高溫時效 500 小時破斷面...69

圖 4-15. OSP 基板迴銲一次破斷面...70

圖 4-16. OSP 基板迴銲一次高溫時效 100 小時破斷面...71

圖 4-18. OSP 基板迴銲二次破斷面...73 圖 4-19. OSP 基板迴銲二次高溫時效 100 小時破斷面...74 圖 4-20. OSP 基板迴銲二次高溫時效 500 小時破斷面...75

第一章 緒 論 1-1. 前言

隨著科技的進步，電子產品設計需求以朝向重量輕量化、尺寸縮小化、厚度變薄、

多功能且高效率化的發展趨勢。然而在電子產品的基礎架構核心即是IC（Integrated Circuit，簡稱 IC）；電子構裝製程的目的在於提供IC 元件的組織架構，使其能發揮穩 定的功能與電器特性做聯結傳遞並提高IC 特性與可靠度。而積體電路（Integrated Circuit，簡稱 IC）類的電子元件亦不斷朝向體積小、多功能、高功率、高可靠性、快 速導熱等等的趨勢發展下，現今的積體電路更已進入VLSI(Very Large Scale Integrated Circuits 超大規模積體電路)技術的階段。以半導體 IC 的製程而言，電子構裝是屬於 產品後段的製程技術，因此構裝技術常被認為僅止於積體電路製程技術的配角。但在 另一部份IC 構裝除了對精密的晶片能夠提供足夠的承載能力，經由構裝組織的機械 強度及特性保護，亦可避免晶片受到外部雜訊的干擾與散熱功能，進而可能影響到系 統的穩定度性，對於積體電路功能是否能充分發揮良好的電氣傳遞與散熱的影響相當 大，所以電子構裝在電子工業上亦具有其相當重要的關鍵地位。

傳統的半導體工業可分為晶圓(Wafer)成長 ，積體電路 (Integrated Circuits)半導 體製程，封裝(Rackaging)是指電子構裝(Electronic Package)製程。完整的半導體生產 過程主要可分為四個階段(圖 1-1) [1]：

(1)矽晶柱成長(拉晶)，晶圓切片與拋光 (2)積體電路的製作(晶圓製程)

(3)晶粒切割

(4)電路構裝(晶粒貼付、打線或 BGA 構裝、包裝測試)

圖1.1 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[1]

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。其具有下列四大 功能[2](圖 1-2)：

(1)傳遞電源能量 ( Power Distribution )：

電子產品皆以電為能量，經由封裝層將電源傳送到IC 晶片，使 IC 晶片可以 驅動運作。

(2)傳遞電路訊號 ( Signal Distribution ):

提供IC 晶片與外界訊號的連結傳遞，需要透過電路傳送才能發揮其功能。

(3)提供散熱途徑 ( Heat Dissipation ):

提供IC 晶片所轉換能量所產生的熱效應一個適當的宣洩途徑，避免多餘的

熱對晶片產生傷害。

(4)晶片線路保護與支撐晶片功能 ( Package Protection＆Support ):

將精密IC 晶片利用構裝技術保護，避免因外力損害 IC 晶片精密度與避免了 精細的積體電路受到污染的可能性。

圖1-2. 電子構裝之四大功能[2]

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五個不同的層次[3](圖 1-3)：

第零層次 ( 0 th Level ) 構裝：

將IC 晶片上的製程設計電路上所需的材料將其介面結合。

第一層次 ( First Level ) 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 ( Second Level ) 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 ( Third Level ) 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 ( Forth Level ) 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 )。

積體電路 ( Integrated Circuit；IC )的發展趨勢已從單一功能發展至整合型功能的 SOC(System On Chip)晶片，將數位訊號與類比訊號整合成混合訊號積體電路

( Integrated Circuit；IC )，因此增加 IC 引腳數量之積體電路 ( Integrated Circuit；IC ) 的 設計已成為必然的趨勢。 因此發展出球柵陣列 BGA ( Ball Grid Array ) 的半導體構裝 技術。BGA 構裝是利用底部面來製作接點，將傳統側面接腳轉換成底面接點，進而 增加I/O(Input /Output)接點的數量。

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 構裝具備下列幾項優點[4]：

(1)提供高腳數構裝，較具成本競爭力之構裝方式。

(2)提供高密度之表面黏著構裝，所佔面積相較傳統構裝小。

(3)優良的電氣特性、可接受的散熱特性， 具有承載多個晶片的潛力。

(4)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不良 損失。

(5)BGA 所需之表面黏著技術 ( Surface Mount Technology ) 製程和現有製程相 容具高生產良率。

(6)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。

圖1-3. 電子構裝製程之層次區分[3]

1-2. 研究動機和目的

隨著電子工業的蓬勃發展，銲錫(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、球格陣列(BGA)接合技術、電子 組件等，皆必須使用到銲錫，由於鉛錫合金是一種低熔點的合金，其具有優異的濕潤 性、機械強度、高可靠度及低成本等特性，由於有這些良好的特性，使得元件被銲接 到印刷電路板上變得容易且快速，因此，在電子構裝元件的接合製程中應用最為廣 泛，其相關接合製程技術亦發展非常成熟的技術。但由於含鉛物質對人體健康及環境 污染的問題，隨著世界各國環保意識的抬頭，先進國家對於含鉛物質的使用均加以限 制。因此，對於依賴銲錫合金甚深的電子構裝工業而言，在開發無鉛銲錫已是刻不容 緩的課題。

全世界各國的相關研究單位都已經積極在進行無鉛銲錫之研發，藉以取代鉛錫銲 料，大部份已開發的無鉛成份種類有:

二元合金之無鉛銲錫有：錫-銀(Sn-Ag)、錫-銦(Sn-In)、錫-銅(Sn-Cu)、錫-鋅 (Sn-Zn)、錫-鉍(Sn-Bi)等。

三元無鉛銲錫合金有：錫-銀-銅(Sn-Ag-Cu)、錫-銀-銻(Sn-Ag-Sb)、錫-鉍-銦 (Sn-Bi-In)、錫-銦-銀(Sn-In-Ag)等。

四元無鉛銲錫合金有：錫-銅-銻-銀(Sn-Cu-Sb-Ag)、錫-銦-銻-銀(Sn-In -Sb-Ag)、

錫-鋅-銦-銀(Sn-Zn-In-Ag)等。

無鉛銲錫合金添加金屬元素之基本特性:[5,6,7]

1. 銀（Silver - Ag）：沒有毒性、提高強度、熔點高、價格昂貴。

2. 銅（Cuprum - Cu）:良好延展性、良好導電性、良好導熱性。

3. 鉍（Bismuth - Bi）：蘊藏量不足、脆性大、導熱及導電性差。

4. 銦（Indium-In）：降低熔點、產量不足、價格高、腐蝕、氧化問題及增加銲錫合 金之抗疲勞性。

5. 鋅（Zinc-Zn）：氧化與易脆問題、降低熔點與基板潤濕性不佳。

6. 銻（Antimony-Sb）：蘊藏量豐富、價格低、毒性可被接受。

由於BGA 構裝中所使用的錫球不但扮演著傳遞訊號與引腳空間規畫外，並有著 IC 與印刷電路板(Print Circuit Board)間的黏著技術存在，在無鉛銲錫中目前錫-銀-銅 (Sn-3Ag-0.5Cu)已成為目前的主要銲錫成份[8]。

目前被看好可以取代傳統鉛錫銲錫合金，也是研究最多的無鉛銲錫就是錫-銀-銅 (Sn-Ag-Cu)三元合金，錫-銀-銅(Sn-Ag-Cu)是目前最常被提到的無鉛銲料，因添加 Cu 可以改善錫-銀(Sn-Ag)系統之無鉛銲料在應用上最大的問題：潤濕性。覆晶與 BGA 製程上，錫-銀-銅(Sn-Ag-Cu)系統也被提出適合用於熔焊(SMT)製程[9]，因此錫-銀- 銅(Sn-Ag-Cu)系統之無鉛銲料被認定為相當具有潛力取代傳統含鉛銲料之銲料合 金。但該合金仍存在一些待克服的難題，譬如錫-銀-銅(Sn-Ag-Cu) 三元銲錫其熔點為 217°C，遠高於鉛-錫(Sn-Pb)銲錫合金之熔點(183°C)，以及過冷度，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。這也是讓錫-銀-銅 (Sn-Ag-Cu) 三元無鉛銲錫並無法完全取代鉛-錫(Sn-Pb)合金的因素。

本研究以Sn-3Ag-0.5Cu無鉛銲錫為基礎，添加8wt%的銦（In），1wt%的鋅（Zn）

金屬粒後，置於小型錫爐中熔煉成Sn-3 Ag-0.5Cu-8In-1Zn無鉛銲錫合金[10]，探討這 些無鉛銲錫在熔焊製程中，銲料與基板潤濕性，以及銲料與基板介面反應生成之介金 屬化合物和接合強度，並評估在BGA構裝或SMT製程成品時的可靠度，以適時提供 業界評估採用之可行性。研究內容包括：Sn-Ag-Cu-8In-1Zn無鉛銲錫合金的常溫和高 溫時效、銲錫合金與不同基板鍍層間的潤濕性，分析製程條件對接點介面顯微組織的 變化及其影響與銲錫接點之機械性質。

第二章 文獻回顧 2-1. Pb-Sn 鉛錫合金之特性簡介

在電子銲接材料中，鉛錫(Pb-Sn)是最常見的銲錫。而又以 (錫-wt63％，鉛-wt37

％)的比例為最多人使用，因具有價格便宜與合金本身亦具良好的機械性質和已經擁 有成熟的製程與相關助銲劑(Flux)發展成熟的搭配下，最常被採用，在一般銲錫製程 中有包含軟銲(Soldering)硬銲(Brazing)熔焊(Reflow Slodering)波銲(Wave Slodering) 等，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，而且合金中並無介金屬化 合物(Intermetallic Compound)存在，此外，鉛-錫(Pb-Sn)合金亦具良好的耐蝕性、電與 熱的傳導性，此特性被廣泛應用在電子組件與印刷電路板的組裝製程(表2-1)。

經由鉛-錫(Pb-Sn)之平衡相圖(圖 2-1)[11]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)，在銲點接合的可靠性影響下，熱損傷(Thermal Damage)在銲接製 程中會直接影響錫球的機械性質與熱變形，在共晶63Sn-37Pb 的銲料中對相對控制與 連續損傷中在共晶銲料與機械性質上比較下，對於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 2-2)，所以常用於大型 物件的銲接，例如：塑膠基板構裝最常使用此類銲錫合金。

熔融銲料與母材接觸其間，除了潤溼現象外，一般皆難以避免會有相伴隨著介面 反應的產生。 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。其實銲接過程雖然短暫，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合金的表面張力，增加其潤濕性，這是銲接反應真 實發生的特徵。但這些介金屬化合物亦是具有極高脆性的離子鍵化合物，熱膨脹係數 亦與金屬或銲錫合金有所不同，故過量的介金屬化合物存在時，大多都認為對銲接點 的性質是有所傷害的[12]。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，所以在國際方面，美國於 1990 年正式提 出減少使用含鉛物質，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，所以研發 新的無鉛銲料為目前主要的課題。

表2-1. 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 黏著劑。

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

具可銲性之防腐性有機物。

金屬化鍍層，如金-鎳。

浸銀。

圖2-1. 錫鉛二元系統相圖[11]

表2-2. 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/cm³） （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

2-2. 無鉛銲錫之性質特性需求

而電子構裝在選擇取代傳統的錫鉛銲錫材料時，必須因應製程上的需求而有不同 的材料選擇。例如銲錫合金的熔點、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，以期獲得 具有優異材料性質並且具有經濟價值與提高銲錫材料之可行性與可靠性。

無鉛銲錫的相關性質需求如下：

(1)熔點( Melting Temperature )

選用無鉛合金的首要考量是其熔點，熔點決定了系統的最高工作溫度以及 最低的製程溫度，其為銲錫材料的關鍵特性。銲錫的熔焊溫度通常是高於熔點 20-30°C，此決定其應用系統的最高工作溫度及最低製程溫度。低溫無鉛銲錫 合金之熔點必須接近錫鉛合金的共晶溫度（183°C）。

(2)表面張力(Surface Tension)

表面張力決定熔融銲錫於銲接時之潤濕性行為，不同的基板其與銲錫間的 表面張力亦不同。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。合金純度以 及環境的差異亦有可能導致表面張力的不同。

(3)熱膨脹係數( Coefficient of Thermal Expansion，CTE )

一般銲錫接點在受熱循環的環境下，熱膨脹係數 ( CTE )是決定當時銲錫 接點的應力及應變之重要因素。(表 2-3) [13] 所示為一些低溫銲錫合金及導線 架材料之基本物理性質[14]。

(4)微結構( Microstructure )

微結構對於機械性質有著極大的影響，不同的成份與冷卻速率都會影響銲 錫合金的微結構，因為銲錫合金在高溫時效及高應力狀態下，其微結構的改變 亦即影響到銲錫合金的可靠度的最為重要之因素。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， 冷卻速率為影響銲錫最初微結構 的主要因素[15,16]。

(5)電阻係數（electrical resistivity）[17]

在電子工業的應用上，銲錫之電阻係數是相當低，只要在焊接製程沒有產 生缺陷的情況下並不會影響電路之功能。

(6)界面反應（interfacial reaction）

目前電子工業中常使用到的基板材料為銅、鎳、金為主，介金屬化合物的 產生以及基材的溶入銲錫，皆會影響銲點的強度與可靠度。而適度的介金屬化 合物生成可以強化銲錫與基板間的鍵結，但其導電性不佳與高脆性的特性，生 成量過多時亦會破壞銲錫與基板間結合強度，因此經過高溫時效後，其破壞點 常發生在界面上的介金屬化合物層。

(7)潤濕效應(wetting effect)

潤濕( Wetting )簡單來說是指液體在固體表面擴展(Spread)的行為，當液體 接觸到固體表面時，液體、固體及環境氣體間存在有界面張力，因此，在這張 力的作用下，液體與固體間之接合處存一接觸角(Contact angle)。影響接觸角 之因素很多，如材料本身的表面粗糙度，潤濕時間、助銲劑的使用與否、助銲 劑的種類以及製程溫度的高低等等，而這些因素亦會受到製程環境之要求而有 所限制。

(8)附著強度（adhesion strength）

以銲錫作為結合材料其必須具備良好的附著性，才能確保在使用的過程中 不至於因為外力而損傷。然而銲錫與基板結合時，其界面反應會產生介金屬化 合物，進而降低機械強度。

因此開發無鉛銲錫時，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[18]：

1.價格低廉、易於修補。

2.能與現有的助銲劑相容。

3.熱膨脹係數需與基板相近。

4.物理特性：導熱與導電性良好。

5.銲錫合金需具備狹窄的固液相區。

6.能與現有基材(銅、鎳、金)的潤濕性良好。

7.熔點必須與鉛錫 ( 63Sn-37Pb ) 銲料相近。

8.良好的抗腐蝕性質、抗氧化性質、抗潛變性質。

9.具備適當的抗拉強度、微硬度與良好的抗熱疲勞性質。

10.無毒性和放射性符合環保概念，以避免人體危害及環境污染。

11.在波銲 ( Wave Soldering ) 製程中不會生成太多銲渣 ( Dross )。

12.容易製作成各種形式的銲料；例如製成膏狀形式時，能有足夠的保存年限。

目前常見的無鉛銲錫合金如錫-銀（Sn-Ag）、錫-銅（Sn-Cu）、錫-銀-銅（Sn-Ag-Cu）、 錫-銀-鉍（Sn-Ag-Bi）等和上列合金內加上少量的添加元素如銻（Sb）等無鉛銲錫都 以應用於電子工業中，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 銀（Ag）、銦（In）、銅（Cu）、鉍（Bi）、鋅（Zn）…等元素。其目的為創造 相似於傳統鉛錫合金中所添加鉛的特性，雖然鉛的添加不參與反應形成介金屬化合物 但是鉛的添加可以降低銲錫合金的熔點，更可以減少鬚晶形成[19]及增加銲錫合金的 潤濕性及機械性質。

表2-3. 低溫焊錫合金及導線架材料之基本物理性質[13]

材料 密度

Kgm^-3

85℃下之導熱性 Wm^-1K^-1

20℃下熱膨脹係數 10^-6K^-1

銲錫合金 100Sn 63Sn-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 Cu

Fe-42Ni Si FR4

8960 8150 2340 1800

391 12 138.5 0.35

17 4.5-5.2 2.6 15-18

2-3. 常用無鉛銲錫之種類

無鉛銲錫的種類眾多(表 2-4)，在二元合金方面，主要選擇以共晶相為主，如錫- 銀（Sn-Ag）、錫-鉍（Sn-Bi）、錫-銦（Sn-In）、錫-銅（Sn-Cu）…等，為了達到合金 特性之要求，而添加少量其他元素造就了三元合金，如錫-銦-銀（Sn-In-Ag）、錫-銀- 銻（Sn-Ag-Sb）、錫-銀-銅（Sn-Ag-Cu）…等。但只要不影響合金熔化與固化性質太 多，三元或四元甚至五元的無鉛銲料應該會有較大的合金設計彈性空間，所以常常能 獲得較佳的銲料性質。

由於目前正在研究中的無鉛銲料種類繁多，無法逐一說明，因此列舉目前較有潛 力及常被研究的無鉛銲錫系統做一個概略的比較與探討說明:

表2-4. 常見的無鉛焊錫合金

2-3-1. 純錫( Sn )

純錫(Sn)的熔點為231.9℃(圖2-1)[11]，常用於較高溫的製程，一般常用於引腳鍍 層，傳統上與含鉛焊料搭配具有優良的可焊性，但因錫鬚晶(tin wisker) [20]的存在使 的純錫鍍層無法於精密的電子元件中廣泛運用。純錫於13℃有一相變化轉變溫度，低 於13℃為灰錫(α-Sn)，為鑽石立方，高於13℃為白錫(β-Sn)，是為體心正方晶的結構，

當發生相變化時晶體會有約26%的膨脹量，而且因高於13℃體心正方晶的非等向性結 構，其受熱時各方向膨脹量不一，一旦經熱處理極容易產生裂縫，故也鮮少有直接以 純錫作為焊料使用。

2-3-2. 錫銅合金( Sn-Cu )

錫銅合金Sn-Cu合金之平衡相圖 (圖2-2)[11]。錫銅合金在0.7wt%重量的銅有一個 共晶點，熔點約為227℃，遠高於Sn-Pb共晶合金的183°C。所以可運用在比較高溫的 環境，一般常運用在汽車工業等需要較高的工作溫度之銲料。在電子工業的波銲 ( Wave Soldering )以及熔焊( 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，因此具有取代鉛錫銲料的潛力。Shin等研究[21]指 出，Sn-0.7Cu 在經過270°C熔焊後，其界面會生成Cu6Sn5介金屬化合物。Lee等研究[22]

指出，在高溫時效後，其界面轉化為層狀Cu6Sn5/Cu3Sn介金屬化合物， 基材處則有 Cu6Sn5介金屬化合物析出。

圖2-2. Sn-Cu 合金之平衡相圖[11]

2-3-3. 錫銀合金( Sn-Ag )

錫銀合金 Sn-Ag合金之平衡相圖 (圖2-3)[11]。錫銀合金在3.5wt%重量的銀有一 個共晶點，熔點約為221℃，比起Sn-Pb 共晶銲料(Tm=183℃)來的要高，所以可運用 在比較高溫的環境。許多研究上採用Sn-Ag錫銀合金銲料來進行探討而發現到具有良 好的機械性質、溼潤性以及抗熱性。而其機械性質佳，主要是因β-Sn基地中散佈著 Ag3Sn介金屬化合物，其能有效的阻止差排滑移(Dislocation Slip)，進而增強合金機械 性質[23]。而在Sn-3.5Ag合金中添加1wt % Zn，可降低合金熔點至217°C，可以使Ag3Sn 細化，進而提高降伏強度和最大拉伸應力，但無法改善應變性質 [24]。但是當Sn-3.5Ag 與Cu基材軟銲接合時，銅基材會大量溶入錫銀合金銲錫中，會加速脆性的Cu6Sn5介金 屬化合物於界面處孕核生長[25]。

2-3-4. 錫銦合金( Sn-In )

Sn-In 合金之平衡相圖(圖 2-4)[26]，錫銦合金在 52wt%重量的銦有一個共晶點，

熔點約為117℃，屬於低熔點之銲錫合金。常運用在軟銲製程的最後一道程序，主要 針對部份對溫度較敏感的電子組裝銲接封裝製程是利用錫銦合金。其錫銦合金延展性 佳、抗氧化性良好並具有不錯的導電性與導熱性，但其機械強度不高、抗疲勞性差與 價格太高，使其無法大量使用。而錫銦合金對銅基材之潤濕性不佳，必須配合活性較 高的助焊劑，不過其對銅的溶解速率相當快[27]。錫與銦會一起與銅基材反應，生成 Cu2In3Sn 及 Cu2(Sn,In)介金屬化合物 [28]。

圖2-4. Sn-In 合金之平衡相圖[26]

2-3-5. 錫鋅合金(Sn-Zn)

Sn-Zn 合金平衡相圖 (圖 2-5)[29]，錫鋅合金在 9wt%重量的鋅有一個共晶點，熔 點約為198℃，熔點與傳統鉛錫共晶合金熔點( 183℃)相近，並且在機械性質方面也 比鉛錫合金優良。而其優點有強度高、抗熱疲勞性、抗潛變性以及價格便宜，但由於 鋅本身的活性較高，容易氧化與腐蝕，與銅基材反應生成Cu5Zn8 與 CuZn5 兩種介金 屬化合物，而對於銅基材的潤濕性不佳，會在界面處形成缺陷結構導致接合強度降 低，所以在製程中常需要通入惰性的氣體保護，並使用活性較強的助銲劑。另外在波 焊的製程中也容易形成許多焊渣，做成錫膏形式時亦無法長期保存，使錫鋅合金在應 用上受到了侷限。

圖2-5. Sn-Zn 合金之平衡相圖[29]

2-3-6. 錫銦銀合金(Sn-In-Ag)

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(圖 2-4)[26]

之共晶溫度117℃與鉛錫合金之 183℃相差甚大，因此添加少量高熔點的銀（Ag），

由於銀的添加，在此三元合金內部銀與錫會形成Ag3Sn，進而強化合金之機械性質。

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 2-6) [30]，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。

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[31]，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。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。

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。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，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。

圖2-6. (a) Sn-In-Ag 合金於 100℃之截面相圖[30]

圖2-6. (b) Sn-In-Ag 合金於 200℃之截面相圖[30]

圖2-6. (c) Sn-In-Ag 合金之平衡相圖[30]

2-3-7. 錫銀銅合金(Sn-Ag-Cu)

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2-3[11]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，裂縫 可能會在Cu/Sn-3.5Ag 界面生成。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2-7)[32]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。

圖2-7. Sn-Ag-Cu 合金之平衡相圖[32]

2-4. 封裝元件可靠度分析

產品生命週期大致上可分為三期，分別為早期的夭折期( 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 在製造過程中所產生的缺陷，因實際陷產品會隨時間慢慢耗盡，所以效率會隨使用時 間而下降。中期會維持較低的毀損率且穩定水準，因此產品於此時期的使用時間可用 來評估此產品的使用壽命，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 皆合於此理論，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。

(1)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 )。

(2)高溫環境

高溫環境也是導致電子構裝劣化主要因素，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[33]。 BGA 與基板接點之金屬層，表面的金 (Au) 保護層厚度過高 ( >0.5μm )，在熔焊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。

(3)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，一為組裝熔焊過程中，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。此乃俗稱的爆米花現象。Ilyas[34]等人在 1993 年就已指出爆米花效應(如 圖2-8 所示)[35]多在封膠材料與晶片或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。

在可靠度測試項目主要針對構裝元件在各種的使用環境下進行模擬，以求瞭解 可能的失效現象 (Failure Phenomenon)及失效率 (Failure Rate)。同時針對測試期間所 產生的破壞模式、位置及機制分析，可對往後的設計參數加以改善，以強化可靠度效 能。常用可靠度測試如下七種：

1. 溫度循環測試(Thermal Cycling) 2. 熱衝擊測試(Thermal Shock) 3. 熱功率循環測試(Power Cycling)

4. 恆溫橫濕偏壓測試(Temperature/Humidity/Bias Test) 5. 壓力斧測試(Pressure Cook Test)

6. 高溫高壓未飽和蒸汽加速測試(Highly Accelerated Stress Testing) 7. 高溫儲存測試(High Temperature Storage Test)

圖2-8. 電子構裝爆米花現在示意圖[35]

2-5. BGA( Ball Grid Array)球格陣列構裝相關文獻探討

目前BGA( Ball Grid Array )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。

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[36]。

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。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[37]。

Sn-3.5Ag 對一系列鎳金屬薄膜基材進行熔焊反應，熔焊時所使用的熔焊曲線高 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[38]。

2-6. 潤濕(Wetting)現象

潤濕( Wetting )簡單來說亦指液體在固體表面擴展(Spread)的行為，當液體接觸到 固體表面時，液體、固體及環境氣體間存在有界面張力，因此，在這張力的作用下，

液體與固體間之接合處存一接觸角(Contact angle)。如圖2-9為界面張力示意圖。在此 指的是銲錫在基材表面擴展的情形。判定潤濕性有許多量測方試，表達的潤濕性的指 標也就各有不同。常見的方法有濕潤天平(Wetting balance)、液珠法(Globule method)、

接觸角量測(Contact angle measurement)、散佈面積法(Area of spread)、沾錫測試(Dip testing)等[39]。

而本研究是以接觸角(Contact angle)的角度來判斷的。接觸角(Contact angle)是表 示銲液與固體基材表面接觸點所做之切線與液固界面間之夾角[40]。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 (Non Wetting)[41]。影響接觸角之因素很 多，如材料本身的表面粗糙度，潤濕時間、助銲劑的使用與否、助銲劑的種類以及製 程溫度的高低等等，而這些因素亦會受到製程環境之要求而限制。

在電子構裝產業中，銲錫主要拿來當做接點焊接時所使用的材料，一般來說，焊 料在熔融時與基材之間的潤濕效應(wetting effect)往往嚴重影響其接合之效用，另 外，可銲錫性(solder ability)為銲錫是否能在基材表面濕潤而完成接合之能力，而此能 力也往往以銲錫與基材間潤濕情形加以判斷。而影響銲錫性的因素有[42]：

（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

焊接過程添加助銲劑(Flux)，助溶劑清除基材表面汙物(氧化膜)，使銲錫與基材 產生潤濕現象(如圖2-10)，依焊接能力（ Solderability）的定義，其發生之機制可分 為潤濕（Wetting）、無潤濕（Non wetting）與抗潤濕（De wetting）三種；以下將針對 這三種潤濕機制加以描述：

(1) 潤濕機制：指焊料能與基板的金屬形成緊密的接合，在接合界面上有介金屬 化合物產生成為接合的媒介為其特徵。

(2) 無潤濕機制：指焊料與基板的金屬不能形成緊密的接合，銲錫不與基板金屬 進行合金反應，在接合界面上銲錫的潤濕角（Wetting angle）為 負值。

(3) 抗潤濕機制：無關焊料與基板金屬間的反應，它的定義一直到1973 年才被 確定，目前抗潤濕是指任何破壞銲料與基板金屬潤濕的機制。

最常見於焊接過程中元件水分蒸發造成熔融銲錫與基板基屬表 面氧化，當水蒸氣使介金屬表面暴露而氧化時，於是接合鍵結 被破壞。其發生主要特徵為銲錫潤濕表面出現微粒狀的隆起，

它是屬於局部、小區域的潤濕破壞，有別於大面積的無潤濕機 制。

而在平衡狀態下，接觸角與界面張力之關係，可利用Young-Dupre 方程式來加 以描述[39]：

γ

γ

γ

式中的

γ

γ

γ

力。通常接觸角越小者代表液體在固體表面的潤濕性愈好。

根據Young-Dupre 方程式，可以了解到控制

γ

γ

γ

助焊劑可能為液體、固體或氣體，當加熱後可加速或增進金屬和銲錫的接合。助 焊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。

助熔劑一般分為三類：(1)無機類(Inorganic materials)、(2)有機類(Organic

materials)，以及(3)松香類(Rosin)[43]，表 2-5[44]為目前常用的助熔劑種類及其特性與 應用範圍。

助銲劑一般分為三種[45]:

(1) 無機類(Inorganic Materials)：

無機類之助熔劑包括無機酸（如氫氯酸、氫氟酸和正磷酸）、無機鹽類（如 氯化鋅、氯化銨和氯化錫），及無機氣體（如氫氣和乾燥之氯化氫）等，無機類 助熔劑的優點是熱穩定性佳、去污能力強、助熔能力強，而其最大的缺點是腐蝕 性強，因此反應後殘渣之去除是相當重要的。

(2) 有機類(Organic Materials)：

有機類之助熔劑包括有機酸（如乳酸、油酸、硬脂酸和麩酸）、有機鹵化物

（如氫氯酸苯胺和Glutamic acid hydrochloride），及氨基或胺基化合物（如尿素 和乙二胺）等，有機類助熔劑的熱穩定性較無機類稍差，去污能力與助熔能力也 稍弱，但較不具腐蝕性，有效的使用溫度為90℃~320℃。

(3) 松香類(Rosin)：

松香類助熔劑具有的活性最低，優良的絕緣性與疏水性及易於以一般溶劑除 去的優點，使其最常應用於電子材料，但由於純松香助熔劑的助熔能力較差，因 此松香類之助熔劑常添加活性媒體(Activator)以增強其助熔能力，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。

圖2-9. 介面張力示意圖[39]

圖2-10. 焊接過程添加助焊劑(flux)，助溶劑清除基材表面汙物(氧化膜)，使焊錫與基 材產生潤濕現象[42]

表2-5. 目前常用的助熔劑種類及其特性與應用範圍[44]

助熔劑種類 熱穩定性 去污能力 腐蝕性 應用範圍

無機類 無機酸 甚佳 甚佳 強 結構材料

無機鹽類 甚佳 甚佳 強 結構材料

無機氣體 甚佳 佳 無 電子材料

有機類 有機酸 佳 佳 弱 結構材料

電子材料

有機鹵化物 佳 佳 弱 結構材料

電子材料

氨基或胺基化合物 差 佳 弱 結構材料

電子材料

松香類 強活性松香 差 佳 弱

結構材料 電子材料

弱活性松香 甚差 差 無 電子材料

2-7. 銲錫合金與基材接合之界面反應

目前電子構裝業中常使用到的基材材料為銅、鎳、金為主。在焊接製程中，焊料 與基材接觸、潤濕，因此銲點中因組成(化學勢)的差異引起焊料與基材原子的相互擴 散，加上區域平衡(local equilibrium)的存在，於是乎於界面生成脆性之介金屬化合物，

然而過厚的的介金屬化合物則可能造成銲點的拉伸強度(tensile strength)以及抗撕強 度(peel strength)降低，因此了解在BGA 構裝中，錫球與基板間所產生的界面反應性 質及銲點強度便顯的非常重要。

Sn-Ag-Cu 與 Au/Ni-P/Cu 的研究，不同的 Cu 濃度對界面生成物之種類與形態的 影響甚鉅，Cu 濃度≦0.2wt%時，介面上僅有(Ni,Cu)3Sn4 生成，Cu 濃度介於 0.4、

0.5wt%時，介面上有(Ni,Cu)3Sn4 和(Cu,Ni)6Sn5 共存，反觀 Cu 濃度＞0.5 wt%時，介 面上僅有(Cu,Ni)6Sn5 生成[46]。

2-8. 焊接組裝方式簡介

電子工業必須用到的銲錫焊接（Soldering）可簡稱為“焊接”，其操作溫度不超過 400℃者，稱之為“軟焊”，以有別於溫度較高的“硬焊”（Brazing，如含銀銅的銲料）。

至於溫度更高(800℃以上)機械用途之Welding，則稱為熔接。現今之電子組裝業，較 常使用的焊接製程技術，從焊接方法及銲錫型態模式來區分，可分為波焊（Wave Soldering）及熔焊（Reflow Soldering）兩種

2-8-1. 波焊(Wave Soldering)

原理是利用已熔融之液態錫在馬達幫浦驅動之下，向上揚起的形成單波或雙波的 錫波，對斜向上升輸送而來的基板，從下向上壓迫使液態錫進孔，或對點膠定位SMD 元件的空腳處，進行填錫形成銲點，稱為波焊圖2-11所示[47]。而已完成引腳插入式 (Pin Through Hole,PTH)之基板在進入波焊槽之前，須經由助焊劑(Flux)塗布，以去除 或減少印刷電路板上氧化皮膜。在上了助焊劑後，必需先通過預熱區段，使基板上的

助焊劑完全活化之後，隨著輸送帶速度，將基板推向錫波區，再經由錫波浸潤後即形 成焊點以連結零件端引腳與基板線路上相對金屬銲墊。此種做法已行之有年，即使目 前之插裝(DIP)與貼裝(SMD)混合的板子仍然可用。波焊連線中其液態助焊劑在板面塗 佈的施工方式可分為，泡沬型、波浸型與噴灑型等三種。

圖2-11. 波銲錫波原理示意圖[47]

2-8-2. 熔焊(Reflow Soldering)

是利用紅外線、熱空氣或熱氮氣等，將以印妥錫膏及引腳已黏著各元件的基板，

進行高溫熔融使元件與基板上之銲墊(solder pad)相互接合，當銲錫冷卻凝固後，在銲 墊與元件間形成銲錫接點(solder joint)，謂之“熔焊”。其熱源絕大多數是得自發熱效率 最好的輻射式（Radiation）紅外線（IR）式機組與“熱氮氣”來加溫，圖2-12所示[48]。

因氮氣為惰性氣體其能夠減少待焊金屬表面的氧化情形，“熱氮氣”既能維持品質又能 兼顧環保，自然是最好的辦法。連線熔焊之整體溫度變化曲線（Profile）；有預熱（吸 熱），熔焊及冷卻等三大階層。預熱可使板面溫度達150℃，而助焊劑在120℃中90-150 秒內即可發揮活性去除鏽漬，並能防止其再次生鏽。但一般性熔焊區之停留時間可規 定在30~60秒之間，焊溫以240℃為宜。

圖2-12. 迴銲銲接原理示意圖[48]

2-9. 印刷電路板表面處理技術

因為無鉛化的製程除了銲接材料的更換外，產品所用的零件以及電路板基板之金 屬表面處焊墊也必須符合無鉛要求，由於無鉛製程相較於傳統錫鉛，其最大差異是熔 點溫度提高，所以在製程溫度上亦需要相對提高，為了要因應提高製程溫度，因此目 前業界發展出多種印刷電路板表面處理技術，常見表面處理方式主要有：1.有機抗氧 化保銲膜(OSP: Organic Solderability Preservatives)2. 無電鍍鎳化金(ENIG:Electroless Nickel and Immersion Gold) 3.浸鍍銀(Im-Ag: Immersion Silver) 4.浸鍍錫(Im-Sn:

Immersion Tin)5.噴錫(HASL: Hot Air Solder Levelling) 6.電鍍鎳金(Electroplate Nickel and Gold)。

有機抗氧化保銲膜（OSP）及無電鍍鎳化金（ENIG）技術是目前印刷電路板最普遍 使用的表面處理技術之一，有機抗氧化保銲膜（OSP）板有製程簡單及價格便宜的優 勢，但有保存性差的缺點；無電鍍鎳化金（ENIG）板銲錫性良好、保存性較佳。以 下說明兩種常見表面處理方式[49]：

2-9-1. 有機抗氧化保銲膜(OSP: Organic Solderability Preservatives)

OSP是Organic Solderability Preservatives 的簡稱,中譯為有機抗氧化保銲膜,又稱護銅 劑,英文亦稱之Preflux,本章就以護銅劑稱之.

種類及流程介紹

A. BTA(苯駢三氯唑)：BENZOTRIAZOLE BTA是白色帶淡黃無嗅之晶狀細粉，在酸 鹼中都很安定，且不易發生氧化還原反應，能與金屬形成安定化合物。ENTHON將之 溶於甲醇與水溶液中出售，作銅面抗氧化劑(TARNISH AND OXIDE RESIST)，商品 名為CU-55及CU-56，經CU-56處理之銅面可產生保護膜，防止裸銅迅速氧化。

B. AI(烷基咪唑) ALKYLIMIDAZOLE PREFLUX是早期以ALKYLIMIDAZOLE作為護 銅劑而開始，由日本四國化學公司首先開發之商品，於1985年申請專利，用於蝕刻阻 劑(ETCHING RESIST)，但由於色呈透明檢測不易，未大量使用。其後推出GLICOAT 等，係由其衍生而來。

GLICOAT-SMD(E3)具以下特性：

－與助焊劑相容，維持良好焊錫性

－可耐高熱銲錫流程

－防止銅面氧化

C. ABI (烷基苯咪唑) ALKYLBENZIMIDZOLE由日本三和公司開發，品名為 CUCOATA ，為一種耐濕型護銅劑。能與銅原子產生錯合物(COMPLEX COMPOUND)，防止銅面氧化，與各類錫膏皆相容，對焊錫性有正面效果。

有機保焊膜一般約0.4μm的厚度就可以達到多次熔焊的目的，雖然廉價及操作單純，

但有以下缺點：

A. OSP透明不易測量，目視亦難以檢查

B. 膜厚太高不利於低固含量,低活性免洗錫膏作業，有利於焊接之Cu6Sn5 IMC也不易

C. 多次組裝都必須在含氮環境下操作

D. 若有局部鍍金再作OSP，則可能在其操作槽液中所含的銅會沉積於金上，對某些 產品會形成問題

E. OSP Rework必須特別小心

2-9-2. 無電鍍鎳化金(ENIG:Electroless Nickel and Immersion Gold)

基本步驟

脫脂→水洗→中和→水洗→微蝕→水洗→預浸→鈀活化→吹氣攪拌水洗→無電鎳→

熱水洗→ 無電金→回收水洗→後處理水洗→乾燥.

無電鎳

A. 一般無電鎳分為"置換式"與"自我催化"式其配方極多，但不論何者仍以高溫鍍層品 質較佳

B.一般常用的鎳鹽為氯化鎳(Nickel Chloride)

C.一般常用的還原劑有次磷酸鹽類(Hypophosphite)/甲醛(Formaldehyde)/聯氨 (Hydrazine)/硼氬化合物(Borohydride)/硼氫化合物(Amine Borane)

D.螯合劑以檸檬酸鹽(Citrate)最常見E.槽液酸鹼度需調整控制，傳統使用氨水

(Amonia)，也有配方使用三乙醇氨(TriethanolAmine)，除可調整PH及比氨水在高溫下 穩定，同時具有與檸檬酸鈉結合共為鎳金屬螯合劑，使鎳可順利有效地沉積於鍍件上 E.選用次磷二氫鈉除了可降低污染問題，其所含的磷對鍍層品質也有極大影率 F.此為化學鎳槽的其中一種配方

配方特性分析:

a.PH值的影響：PH低於8會有混濁現像發生，PH高於10會有分解發生，對磷含量及沉 積速率及磷含量並無明顯影響

b.溫度的影響：溫度影響析出速率很大，低於70°C反應緩慢，高於95°C速率快而無法 控制.90°C最佳

c.組成濃度中檸檬酸鈉含量高，螯合劑濃度提高，沉積速率隨之下降，磷含量則隨螯 合劑濃度增加而升高，三乙醇氨系統磷含量甚至可高到15.5%上下

d.還原劑次磷酸二氫鈉濃度增加沉積速率隨之增加，但超過0.37M後槽液有分解現 像，因此其濃度不可過高，過高反而有害。磷含量則和還原劑間沒有明確關係，因此 一般濃度控制在O.1 M左右較洽當

e.三乙醇氨濃度會影響鍍層的磷含量及沉積速率，其濃度增高磷含量降低沉積也變 慢，因此濃度保持約0.15M較佳。他除了可以調整酸鹼度也可作金屬螯合劑之用 f.由探討得知檸檬酸鈉濃度作通當調整可有效改變鍍層磷含量

G.一般還原劑大分為兩類:

次磷酸二氫鈉(NaH2PO2H2O, Sodium Hypophosphate)系列及硼氫化鈉(NaBH4，Sodium Borohydride)系列，硼氫化鈉價貴因此市面上多以次磷酸二氫鈉為主一般公認反應為:

[H2PO2]- + H2Oa H+ +[HPO3]2- + 2H(Cat) ---(1) Ni2+ + 2H(Cat)a Ni + 2H+---(2) [H2PO2]- + H(Cat)a H2O + OH- + P---(3) [H2PO2]- + H2Oa H+ + [HPO3]2- + H2---(4)

銅面多呈非活化性表面為使其產生負電性以達到"啟鍍"之目的銅面採先長無電鈀的 方式反應中有磷共析故，4-12%含磷量為常見。故鎳量多時鍍層失去彈性磁性，脆性 光澤增加，有利防鏽不利打線及焊接。

2-10. 焊點強度

銲錫做為接點材料時，必須與基材有良好之焊點強度，才能使元件於使用過程中 不受外力影響而脫離，造成失效情形發生。因此焊著力亦為判定接點銲接效果方法之 一[50]。

目前對於銲點的銲著力可靠度測試種類非常多，如拉伸、剪切、疲勞、熱機疲勞 等，各有其代表之意義。針對各種焊點及討論方向的不同，因而發展出各式各樣的試

料本身的強度，(d)方法中試件準備較複雜，但可用來測試實際情況下銲點的強度。

在考量時間情形下，通常採用(c)、(e)、(f)這三種較為簡便準備試件的測量方法[53]。

銲點在實際使用中遭受的應力形式以剪切應力為主。主要原因在於電子構裝元件 中各種構裝材料間熱膨脹係數(coefficient of thermal expansion, CTE)的差異，導致電子 構裝元件遭受溫度變化的同時形成熱應力。而由於幾何的關係，熱應力則以剪切應力 方式作用在銲點上。因此，以剪切試驗來量測銲點的機械性質是最為直接且準確的測 試方法。

所謂「剪切測試」即是對一個材料樣品以剪切的方式緩慢地對其施力，直到其產 生完全破壞。而「剪切強度」就是材料從開始受剪切到破壞斷裂之過程中所能承受的 剪切應力(shear stress) 可由以下方程式表示:

σs = Fs /A

由於近年電子構裝產業中大量使用銲料接合技術，使得界面接點之機械強度備受 重視，其中藉由銲點剪切實驗來測試銲點強度是獲得接點機械性質資訊最容易且方便 的方法之一。本研究針對以錫銀銅為主之錫球，探討參雜不同成分銦-鋅,以單面接合 (single lap)方式做銲點之剪切機械性質，對銲接接點之強度進行探討。

圖2-13. 銲點強度測試方式: (a)Bulk solder 拉伸，(b)Bulk solder 剪切，(c)簡化之銲 點，(d)實際元件SMT，(e)單面接合(single lap)，(f)雙面接合(double lap) [51,52]

第三章 實驗方法及步驟 3-1. Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 合金之製備

本實驗之 Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 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、純銦與純鋅依合金設計將成份元素按比 例秤重 (表 3-1)所示 。

b. 將各元素放入坩鍋中。

c. 將坩鍋放入小型錫爐內， 加熱至 500℃持續 4 hr， 並攪拌所有元素熔融混 合後，再冷卻至室溫。

d. 再將 Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 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 0.5mm 之片材備用。

本研究之實驗流程圖如 (圖 3-1) 所示。

表3-1. Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 合金成份百分比 無鉛銲錫合金成份 （wt%）

Sn Ag Cu In Zn

87.5 3 0.5 8 1

圖3-1. Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 無鉛銲錫合金實驗流程圖 Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 合金熔煉(500℃,4hr)

爐冷至室溫

均質化處理

銲錫/基板接合強度(拉 伸)測試

拉伸速度:10^-3(mm/sec) 溫度:室溫、50℃、75℃、

100℃

銲錫/基板界面顯 微結構觀察與成

份分析 ( SEM、EDX ) DSC 熔點

(TGA/DSC 同步分析儀)

將鑄錠滾壓成厚度 0.5mm 板材

金相觀察 X-RAY 分析

OM 觀察

銲錫/基板潤濕 性量測 ( 二次元量測) 沖切成 ψ1 試片

將試片與 PCB 板結合 過 N2迴焊爐

高溫時效 100℃，

100hr、500hr

3-2. Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 合金之 DSC 熔點測試

Sn-3 Ag-0.5Cu-8In-1Zn 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2℃/min、氣體流量為氮氣 (N2)，50 ml/min、樣品重量為約 20 g。

3-3. Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 合金之顯微組織分析

a. 將熔煉完成之銲錫合金，滾壓成0.5 mm之試片。

b. 將0.5mm試片裁切成適當大小以環氧樹脂（Epoxy）鑲埋。

c. 待 Epoxy 硬化後（約8 小時），以320 grit 砂紙研磨露出截面。

d. 再以＃600、800、1000、2000、3000、4000號之SiC水砂紙研磨。

e. 以1μm、0.3μm之氧化鋁粉拋光。

f. 以腐蝕液(methanol (95﹪)：93ml、HCl：5ml、HNO3：2ml)浸蝕30秒。

g. 以超音波振盪清洗，以去除表面附著髒汙。去離子水沖洗後以99.5%酒精沖 洗烘乾。

h. 光學顯微鏡(OM)加以觀察。

3-4. 迴焊(Reflow)反應實驗步驟(N

迴焊爐-皇迪 HD-NHAC12F)

a. N2迴焊爐頂溫(Peak Reflow Temperature)：設定溫度為 235℃~245℃(頂溫通 常比銲料的液態點高約40℃；以一般業界常用錫銀銅銲料依據)，確定N2迴 焊爐溫度穩定後開始實驗。

b. 將試片(圖3-2)放入迴焊爐入口處。

c. N2迴焊爐預熱區(Pre-Heating):升溫斜率1~4℃/sec 以下，約140秒升溫至150

℃

d. N2迴焊爐恆溫區(Soaking):溫度 150℃~200℃間，預熱時間，通常在60~150 秒間，本實驗所設定的預熱時間100 秒。

e. N2迴焊爐熔錫區(Reflow ):溫度 217℃ 維持100 秒。

f. N2迴焊爐降溫區:降溫斜率1~5℃/sec 以下，迴焊溫度降至100℃時間約105 秒後，將試片取出N2迴焊爐，以室溫自然降溫至室溫。

g. 依 a-f 步驟可得迴焊曲線四階段，第一階段升溫140秒，第二階段預熱100 秒，第三階段熔錫100秒，第四階段降溫105秒，由N2迴焊爐入口至出口區 需時約8分鐘，如圖3-3所示。

以上設定條件是以針對一般業界常用錫銀銅銲料SMT 加工設定條件為準。

圖3-2. Au /Ni-P /Cu 基板尺寸圖

圖3-3. N2迴焊爐-皇迪 HD-NHAC12F 測溫報告圖

3-5. Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 合金與不同鍍層基板介面反 應

將Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn銲料浸泡於助銲劑(Kester 985+FLUX GM776以1:1比例 調和)中，以鑷子取出後置放於不同鍍層基板上，在以上述的熔焊條件下，實行熔焊。

試片冷卻後，將試片由銲點中間切開取其截面、研磨拋光(再以＃600、800、1000、

2000、3000號之SiC水砂紙研磨，後以1μm、0.3μm之氧化鋁粉拋光)，再以二次元量 測機測量接觸角，以分析Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn銲料在不同鍍層基板之潤濕行為。進 一步利用電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope；SEM)觀察，將銲錫合金蝕刻液將 試片未反應的銲錫合金溶解，分析界面反應生成之介金屬化合物(Intermetallic

compounds；IMCs )，利用電子顯微鏡上附設的EDX (Energy Dispersive X-ray analysis) 設備進行界面以及銲錫區域之掃描分析，以了解元素組成及分佈情形。

3-6. Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn構裝件焊接試片製作

將Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn銲料浸泡於助銲劑(Kester 985+FLUX GM776以1:1比例 調和)中，以鑷子取出後置放於不同鍍層基板的Patter上，在上方蓋上相同鍍層基板 後，在以上述的熔焊條件下，實行迴焊(圖3-4)。

圖3-4. Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn構裝件試片示意圖

3-7. 時效熱處理

為了了解Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn銲錫與不同鍍層基板之界面反應，將迴焊完成的 片狀基板，置於溫度100℃之熱處理爐進行時效熱處理，熱處理時間為100、500小時，

分析時效後界面反應生成之介金屬化合物(Intermetallic compounds；IMCs )的變化情 形。

3-8. Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn合金之剪切強度測試

銲錫接點剪力強度之量測是使用拉伸材料試驗機(圖3-5)，夾頭移動速度為 1*10^-3mm/sec，分別量測經一次與二次迴焊和高溫時效後Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn之剪 力強度。剪力強度之量測以每種試片取3組數值資料為原則，求得平均剪力強度。剪 力試驗之後，再以SEM觀察與EDS分析銲錫接點之破斷面。

為了模擬實際的焊接點的強度，本實驗先將自行熔煉之Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 合

金銲料滾壓成厚度0.5 mm 的合金板材，再利用沖床衝壓成ψ1 mm 的圓錠；錫球製作 完成後，使用數位式游標卡尺來量其錫球的直徑（圖3-6），以求取平均直徑大小。錫 球合金這次因要在不同的鍍層基板上面植球，故製作了大約4000 顆左右，抽取取樣 了約1000 顆錫球來量測其直徑，最後將錫球所量測出來的直徑平均來代表此次的錫 球平均尺寸，結果自行製作的的錫球的直徑平均尺寸約為1±0.1 mm。將錫球以植球 方式放置於不同的化金、OSP 鍍層基板的 Patter 上（圖 3-7），之後再進行迴焊。

實驗拉伸試片夾持如圖3-8 所示，為剪切強度試件為單剪試件形式(single lap)，

焊接點為沙漏狀，銲點直徑約為ψ2 mm、間距約為 0.1 mm。在不同迴銲、不同板材，

以及不同溫度環境下來進行剪切強度分析，剪切試驗的拉伸速率固定為 1*10^-3 mm/sec；溫度則採用均質(Homologous)溫度為基準，公式如下，其中 Tk：材料試驗 溫度，Tm：材料熔點絕對溫度，η 分別為 0.6（25 ℃）、0.65（50 ℃）、0.7（75 ℃）、

0.75（100 ℃）四種，在每一組條件之下，取 3 片所獲得的負荷與位移量。用於下列 公式求其即剪應力之平均值。其中τ 為拉伸試片的剪應力（MPa），F 為總負荷量（N）， A 為試片的厚度（mm²）。

η＝Ｔk／Ｔm ； τ＝Ｆ⁄Ａ

影響銲點強度的原因除了銲料本身強度外，界面 IMC 層亦是影響剪切強度的重 要因素，界面IMC 層粗糙度過大會容易導致應力集中的現象，且銲料、界面 IMC 層 與銅片彼此之間強度、密度差異造成的材料不連續性，亦會使界面強度弱化，使銲點 的的破斷位置從銲料本身移至界面 IMC 處。另外當銲點遭受外力作用時，較具延展 性的銲料可以提供較多的塑性變形，因此界面層所受的應力較小，故比較不容易從界 面層破裂，反之較具剛性的銲點其界面層將承受較大的應力，因此也較容易斷裂在界 面層處。

實驗依斷口位置剪切破壞模式分為破壞再銲料內部，銲料與介面層混合模式，以 及介面層模式三種型態。如圖3-9 所示[50]。

圖3-5. 拉伸試驗機

圖3-6. 錫球的直徑

Sn-3Ag-0.5Cu-8In-1Zn 銲料