銀/錫/銅無鉛銲料與金基材界面反應與銀/錫/銅/金四元合金相平衡研究

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

銀-錫-銅無鉛銲料與金基材界面反應與銀-錫-銅-金四元合 金相平衡研究

計畫類別： 個別型計畫

計畫編號： NSC93-2218-E-011-027-

執行期間： 93 年 10 月 01 日至 94 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣科技大學材料科技研究所

計畫主持人： 顏怡文

計畫參與人員： 蕭憲明、張書豪、饒建中

報告類型： 精簡報告

處理方式： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 94 年 10 月 12 日

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 ■ 成 果 報 告

□期中進度報告

銀-錫-銅無鉛銲料與金基材界面反應與 銀--錫-銅-金四元合金系統相平衡研究

計畫類別：■ 個別型計畫 □整合型計畫 計畫編號：NSC 93－2218－E－011－027－

執行期間： 93 年 10 月 01 日至 94 年 07 月 31 日

計畫主持人：顏怡文 共同主持人：

計畫參與人員：蕭憲明、張書豪、饒建中

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：■精簡報告 □完整報告

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、列 管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢

執行單位：國立台灣科技大學材料科技研究所

中 華 民 國 94 年 10 月 11 日

銀-錫-銅無鉛銲料與金基材界面反應與銀--錫-銅-金四元合金系統相平衡研究 摘 要

銀-錫-銅三元與錫-銅二元合金皆為目前市售熱門的無鉛銲料，而金則是覆晶(filp chip)或 捲帶式自動接合(TAB)技術中常見的金屬凸塊(bump)材料。本研究將探討錫-銅-金三元系統與 銀-錫-銅-金四元合金在 200℃下的相平衡，以及數種錫-銅與銀-錫-銅合金與金基材反應偶之 界面反應。錫-銅-金三元系統在 200℃下，AuSn 與 Cu

6

5

46

33

20

43

37

20

35

45

20

20

60

20,

34

33

33

32

35

33,

或金、銅，或金、銀，皆有很大的溶解度，因為銀、錫與銅皆為 FCC 之結構。而各錫-銅/金 與銀-錫-銅/金反應偶在 200、180 與 150℃下，其所生成介金屬相厚度皆隨反應時間增加與溫 度增加而變厚，均符合拋物線定律。此外，介金屬相界面形態發現，隨反應時間增長與銅濃 度的增加，於界面所生成之 AuSn

4

x

1-x

6

5

兩相。銅含量的增加，會抑制金、錫原子的擴散，具有阻障的效果。

關鍵字：無鉛銲料、相平衡、反應偶、三元介金屬化合物、拋物線定律

Ag-Sn-Cu (ASC) ternary and Sn-Cu binary alloys are the commercial Pb-free solders and widely used in electronic industries. The Au is commonly used in flip-chip technology, tape automated bonding as under bump metallurgy and substrate materials in printed circuit boards. In this study, the phase equilubria of the ASC ternary, Ag-Sn-Cu-Au quaternary system, and interfacial reactions between Sn-Cu and Ag-S-Cu alloys and Au were experimentally investigated at specific temperatures. The experimental results indicate that there exists a complete solid solubility between AuSn and Cu

6

5

46

33

20

43

37

20

35

45

20

20

60

20,

34

33

33

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35

33,

2

4

x

1-x

6

5

4

disappears gradually, and turns into (Au,Cu)Sn and (Cu

x

1-x

6

5 . Experimental results also

x

1-x

6

5

x

1-x

6

5

Key words: Pb-free solder, phase equilibria, reaction couple,

1、前言

在電子元件或產品的製造過程中，電子元件 與基板間的連接技術是電子構裝製程中相當重要 的一環。伴隨著製程技術的進步，與電子產品輕 薄、短小、高功能的要求，直接將銲球製作於基 板下方的技術以成為當今主流，如上游的IC 製程

中的覆晶(flip chip)或下游的面板後段模組製程裡 的COB(chip on board)等製程技術。如此趨勢均使 得相關電子產業對於銲料使用與日遽增，其於製 程技術的也愈顯重要。

傳統的銲料皆以具有共晶(eutectic)組成的 Sn-37 wt.% Pb 合金為主，因為其具備低熔點

(melting point=183℃)、良好的機械強度與性質、

低成本以及材料取得的容易，廣泛的被應用在各 種產業之中。但隨著環保意識的抬頭以及因為鉛 所具有的毒性會對人體造成嚴重的危害，如醫學 報導指出當人體血液含鉛量超過250µg/l，即會引 起鉛中毒[1]。所以基於環保的要求，禁用含鉛的 材料已是無法避免的趨勢。美國參議院已於1990 年正式提出減少使用含鉛材料[2]，而歐盟更是決 定自 2004 年 1 月 1 日起實施電子產業無鉛方案 [3] ， 制 訂 了 WEEE(Waste from Electrical and Electronic Equipment)與 RoHS(Restriction of Use of Hazardous Substances)，規定在 2006 年 7 月 1 日前將所有含鉛材料的電器產品改為無鉛來取 代。所以使得使用無鉛銲料(lead-free solder)的趨 勢已無法避免。而接點的可靠度也是影響電子產 品性能與壽命的重要因素。所以明瞭無鉛銲料與 基材間的相平衡或界面反應之關連性，用以提供 業界相關的製程參數，在電子子構裝業中是甚為 重要的一項研究。

2、研究目的

本計畫所欲探討的系統為銀-錫-銅-金無鉛銲 料與錫-銅/金與銀-錫-銅/金等系統間界面反應與 相平衡的研究。因為銅的成本遠較其他無鉛銲料 添加物低廉且錫流中尚不易發生氧化，浮渣也不 多[4]，所以錫-銅無鉛銲料經常應用於高溫製程之 中。金有良好的抗蝕性、不易氧化、低電阻、高 導電率、優異的可銲性等特性，廣泛地應用於PCB 中的基材材料，也是捲帶式自動接合(TAB)或覆晶 (FC)製程中主要的凸塊材料，也常被應用在凸塊 下金屬化(UBM)的金屬層材料。然而文獻中對上 述系統的研究十分欠缺，甚者並無任何關於錫-銅 /金系統文獻的發表。基於上述原因，本研究的目 的希望能對銀-錫-銅無鉛銲料與錫-銅/金與銀-錫- 銅/金等系統進行相關的研究，並將此研究結果提 供給國內相關產業參考，以確保台灣在無鉛化過 程與電子構裝領域保有領先的地位。

3、文獻探討

在銲接製程中，銲料與基材接觸、濕潤，進 而因為彼此間的化學勢(chemical potential)差異，

造成原子間的相互擴散，使得在銲接點處發生界 面反應，產生介金屬相(IMC)。適度的介金屬相成 長有助於元件與基板的接合，然而過厚的介金屬

層則可能會導致銲點的拉伸強度(tensile strength) 與抗撕強度(peel strength)的降低。文獻中有關銲 料與金的界面反應很少見，大多數研究是針對純 錫 或 錫-鉛合金與金的界面反應之探討[5-7]。

Nakahara 等人[6]研究發現金與錫在室溫下的反應 發現在金-錫界面處有 ζ-solid solution、AuSn、

AuSn

2

4

2

4

^1/2

2

4

探討金-錫-銅三元系統前，理應先探討金- 錫、錫-銅與金-銅三個二元系統。二元系統已有眾 多 的 學 者 提 出 平 衡 相 圖 或 相 關 的 熱 力 學 資 料 [9-13]，在此著重在銀-錫-銅三元部分。Kim 研究 金-錫-銅三元系銅在 250℃下富銅區中會存在一 Cu+Cu

3

3

則針對金-錫-銅三元系統有深入的研究，並決定出 該系統在 360℃的等溫橫截面圖。在此等溫橫截 面圖下該系統存在三個三元化合物，分別是：錫 原子的濃度約在 20 at%與 33.3 at%。其濃度範圍 分 別 為 ： Au

43

37

20

49

31

20

12

68

20

36

44

20

330

337

333

到Au

370

297

333

6

5

8

8

4

6

5

鑑於文獻並無關於錫-銅/金或銀-錫-銅/金的

界面反應的探討。對於錫-銅-金的文獻也相當欠 缺，也無銀-錫-銅-金的四元相平衡資料。因此本 實驗將著重在這方面的界面反應並觀察其IMC 成 長動力趨勢。並且改變錫、銅比例，明瞭銅原子 濃度改變對界面反應的影響。並且希望建立錫-銅 -金與銀-錫-銅-金在 200℃下等溫橫截面相圖。配 合界面反應的結果，來描繪錫-銅/金反應偶的反應 路徑。因為本研究所進行的系統為文獻中首見，

希望所獲得的研究結果能對於國內正如火如荼的 無鉛化製程，提供相關重要的製程參數。以使台 灣相關電子產業在無鉛化的製程中，保有領先且 關鍵的地位。

4、研究方法

以電子天平秤取高純度 Ag(99.95%)、Sn(99.95%) 與Cu(99.9%)元素，依不同的反應偶系統來配製錫 -銅二元或銀-錫-銅三元合金，其總重約 10 克左 右。將配置好、不同比率的合金置於石英玻璃管 中，管內壓力必須抽氣達到低於10

^-5

高溫爐中靜置72 小時，使錫、銅合金可以均勻混 合，72 小時之後取出合金用冰水淬冷。將這些不 同比例的合金使用鑽石切割機加以剪裁成厚度 2mm 的圓形狀薄片。與長寬為 3.5mm×3.5mm，厚 度為100µm 的金箔，以不鏽鋼模具加以固定，形 成合金/金/合金的三明治形式反應偶，如 Fig. 4.1 所示。將此裝置置於石英玻璃管內抽真空密封。

分別將反應偶放置於高溫爐中反應，反應溫度為 200℃、180℃、150℃，反應時間為 12 至 1200 小 時不等。

Stainless steel tube

Ag-Sn-Cu or Sn-Cu alloys

Au Boron nitride Fig. 4.1 Schematic diagram of the

Sn-Cu/Au reaction couple.

將熱處理之後的合金取出，以冰水淬冷。先 以氧化樹脂鑲埋，再以砂紙將表面處理過後，用 0.3µm 的氧化鋁粉拋光，使合金界面光滑平整，

便於使用光學顯微鏡(OM)與掃瞄式電子顯微鏡 (SEM)，觀察反應偶的界面。如果界面有 IMC 的 生長，則以能量分散光譜儀(EDS)與電子微針探測 儀(EPMA)來分析確切的組成，以確認各種金屬相 的種類。並且利用光學顯微鏡配合影像分析軟體 (Measure Tool V. 4.06)量取 IMC 的區域面積，再除 以量取區域的長度，以得到平均的IMC 厚度。重 複量取五次以上區域，以得到具代表性IMC 厚度。

4.2 相平衡

以 電 子 天 平 秤 取 高 純 度 Ag(99.95%) 、 Sn(99.95%)、Au(99.9%)與 Cu(99.9%)元素，依不 同的原子重量比率來製備錫-銅-金三元或銀-錫- 銅-金四元合金，總重約 1 克左右。將配置好、不 同比率的合金置於石英玻璃管中，管內壓力必須 抽氣達到低於10

^-5

Cu

To vacuum pump

Sealed here

Sn or Ag

(Sn,Cu,Au) or (Ag, Sn, Cu, Au) molten alloys Heating to 1000℃

Solid state alloys Annealing at 200℃

(a) (b) (c)

Au

Fig. 4.2 Schematic diagram of the preparation of Sn-Cu-Au or Ag-Sn-Cu-Au alloys.

將熱處理之後的合金取出，以冰水淬冷。以 鑽石切割機將熱處理之後的合金切成兩半，其中 一半先以氧化樹脂鑲埋，進行金相處理，使表面 光滑平整。使用OM 與 SEM 觀察合金的表面，並 且使用EDS 或 EPMA 分析組成成分，以確認各種 金屬相的種類。將另一部份的合金使用銼刀或研 缽 敲 碎 並 磨 成 粉 狀 ， 用 X 光 繞 射 儀 (X-ray diffractometer, XRD 得到合金的 X-ray 繞射圖形，

再 將 這 些 圖 形 與 國 際 粉 末 繞 射 委 員 會(Joint Committee of Powder Diffraction Standard, JCPDS) 所建立的標準繞射圖譜比對，用來判斷存在此合

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

Thickness of IMCs (µm)

Square root of time (hr^0.5) 200^oC

Sn Sn-0.3Cu Sn-0.5Cu Sn-0.7Cu Sn-1.0Cu

金中的金屬相。將XRD 的結果與 EDS 或 EPMA 所分析的組成相對照，以確認合金中所存在的各 種金屬相。

5.結果與討論

純Sn 與 Au 在 200℃下，反應 100 小時的背 射影像(BEI)，在界面可以發現共有三個不同的層 狀結構，經由 EPMA 分析與對照金-錫二元相圖 [9]，發現此三層由金基材至錫依序為：AuSn、

AuSn

2

4

6

5

x

1-x

6

5

x

1-x

6

5

4

則 界 面 會 有 明 顯 的 變 化 。 Fig. 5.2 為 Sn-1.0wt.%Cu/Au 反應偶在 200℃反應 72 小時後 的界面型態BEI 影像，此時的層數發現 AuSn

4

x

1-x

6

5

Fig. 5.1 Back-scattered electron image of the Sn-0.3 wt.%Cu/Au couple reacted at 200℃ for 200 hrs.

Table 5.1 Numbers of IMC layers at 200℃

Alloy

Time Sn Sn-0.3Cu Sn-0.5Cu Sn-0.7Cu Sn-1.0Cu

12 hrs 3 5 5 5 5

24 hrs 3 5 5 5 5

48 hrs 3 5 5 5 5

72 hrs 3 5 5 5 4

100 hrs 3 5 5 5

4

200 hrs 3 5 5

4 4

＊ means that AuSn

phase is not a plane structure, only can be formed at interface partially.

3 layers: A/AuSn/AuSn

/AuSn

/Sn

4 layers: A/AuSn/AuSn

/(AuCu)Sn/(Cu

Au

)

Sn

/alloy 5 layers: Au/AuSnAuSn

/AuSn

/(Au,Cu)Sn/(Cu

Au

)

Sn

/alloy

Fig. 5.2 Back-scattered electron image of the Sn-1.0 wt.%Cu/Au couple reacted at 200℃ for 72 hrs.

Fig. 5.3 Thickness of IMC layers of Sn-Cu/Au couples with different Cu contents reacted at 200℃.

將各反應偶之 IMC 厚度與時間的平方根做 圖，發現當反應溫度從200、180 下降到 150℃，

IMC 層總厚度會隨著溫度降低而變薄。在相同反 應溫度下，也比較了銅濃度的改變對IMC 總厚度

的影響。Fig. 5.3 為各反應偶在 200℃時，IMC 總 厚度與時間平方根的關係圖。從Fig. 5.3 可以發現 銅的添加，使得IMC 的總厚度變薄。當添加銅濃 度超過 0.5wt.%後其 IMC 成長趨勢就已經變緩，

隨著銅濃度的再增加，其斜率並沒有明顯的改 變，但是純Sn、Sn-0.3Cu 與 Sn-0.5Cu 三種合金之 間斜率變化很明顯地由大到小。Fig. 5.3 的斜率顯 示IMC 的成長趨勢減緩，可以看出銅的添加確實 對於IMC 的生成有抑制的作用。隨著銅濃度的增 加與反應溫度的降低，AuSn

4

各反應偶的IMC 總厚度接隨反應溫度上升與 反 應 時 間 延 長 而 變 厚 ， 且 符 合 拋 物 線 定 律 ： x=(kt)

^1/2

0

在銀-錫-銅/金反應偶的界面反應部分，亦有 相類似的結果。錫濃度分別固定在：96.5 wt％Sn、

95.5 wt％Sn、95.0 wt％Sn，而改變銀、銅之組成，

與金基材在反應溫度為150℃，180℃，200℃下進 行固相/固相的界面反應，反應時間12~1200小時 不等。實驗結果發現所有的錫-銀-銅/金反應偶在 反 應 溫 度 200℃ 下 ， 皆 生 成 AuSn/AuSn

2

4

x

1-x

6

5

2

x

1-x

6

5

1-x

6

5

4

2

x

1-x

6

5

x

1-x

6

5

障蔽效應，導致錫原子擴散速度減緩，也抑制了 金原子往銲料端擴散。

Fig. 5.4 Back-scattered electron image of the Sn-1.0wt%Ag/4.0 wt.%Cu/Au couple reacted at 150℃ for 200 hrs.

5.2 相平衡

5.2-1 Sn-Cu-Au 三元相平衡分析

共配製40 各不同組成的 Sn-Cu-Au 三元合金 組成來探討Sn-Cu-Au 三元系在 200℃下的相平衡 關係，其組成如Fig. 5.5 所示。

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 100 10 20 30 40 50 60 70 80 90

100

Cu Sn

Au

Atom % Au Ato

m % Sn

Fig. 5.5 Compositions of Sn-Cu-Au alloys examined in this study superimposed on the Gibbs triangle

of Sn-Cu-Au system at 200℃.

Fig. 5.6 為合金 1 (Sn-10at.％Cu-10at.％Au)的 BEI 圖。從圖中可以看出顏色深淺不同的三區，

由 BEI 成像原理知分別代表三種不同相。經 EPMA 分析各相組成，發現最亮的區域組成為 Sn-20at.％Au，應為 AuSn

4

6

5

Sn、AuSn

4

Fig. 5.6 BEI micrograph of alloy 1 (Sn-10%Au-10%Cu).

Fig. 5.7 The X-ray diffraction pattern of alloy 1 (Sn-10%Au-10%Cu).

Fig. 5.8為合金24 (Sn-37at.％Cu-40at.％Au)的 BEI圖，經分析暗區為Sn-37at.％Cu-44at.％Au，標 示為A相，其基本分子式定義為Au

9.6

6.6

3.8

Au，標示為B相，其化學式為Au

2

6

2

％Au)的BEI圖，亦可發現A相與B相的存在。其 XRD的分析結果，如Fig. 5.10，也與組成分析結果 相同。Fig. 5.11為合金22 (Sn-50at.％Cu-20at.％Au) 的BEI圖，經分析暗區為Sn-70at.％Cu-6at.％Au，

(Cu, Au)

3

2

Au

2

6

2

6

5

46

33

20

43

37

20

35

45

20

20

60

20

Au

34

33

33

32

35

33

Fig. 5.8 BEI micrograph of alloy 24 ((Sn-10at％Cu-35at％Au).

Fig. 5.9 BEI micrograph of alloy 21 (Sn-40at.％Cu-27at.％Au).

20 30 40 50 60 70 80 90 100

0 500 1000 1500 2000 2500

intensity

Fig. 5.10 The X-ray diffraction pattern of alloy 21(Sn-40at.％Cu-27at.％Au).

為了進一步確認200℃ Sn-Cu-Au 等溫橫截面 圖中 AuSn 與 Cu

6

5

本研究在接近錫比率 50at.%的區域配製了 8 個試 樣，並將以XRD 分析，得其繞射資料。由 JCPDS[34]

得知AuSn 與 Cu

6

5

再依據hexagonal 晶體結構中，晶格間距與晶格常

數的關係式：

2 2 2

2 2

2

3

4 1

c l a

k hk h

d  +



 



 + +

=

由 XRD 的繞射結果得各晶面的(h k l)與 d 值，分別計算出 AuSn 與 Cu

6

5

Cu

Cu

+ n

Au

可確定 AuSn 與 Cu

6

5

Fig. 5.11 BEI micrograph of alloy 22 (Sn-40at.％Cu-27at.％Au).

Fig. 5.12 The X-ray diffraction pattern of alloy 22 (Sn-40at.％Cu-27at.％Au).

綜觀以上結果，本研究已建立錫-銅-金三元系 統在200℃下之完整的等溫橫截面圖。錫-銅-金三 元系統的等溫橫截面圖在200℃下共存在 10 個單 相區，包括由AuSn 與 Cu

6

5

5

其結果如Fig. 5.14 所示。

0 .1 0 .2 0 .3 0 .4 0 .5 0 .6 0 .7 0 .8 0 .9 4 .0

4 .2 4 .4 4 .6 4 .8 5 .0 5 .2 5 .4 5 .6

c

a

n

/(n

+ n

)

Fig. 5.13 Lattice constants of a and c versus the atomic mole fraction of Cu.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 100 10 20 30 40 50 60 70 80 90

100

Cu Sn

Au

Fig. 5.14 The isothermal section of Sn-Cu-Au ternary system at 200℃.

5.2-2 Sn-Ag-Cu-Au 四元相平衡

在四元相平衡的部分，共配置了 25 個組成 比例不同的合金，其合金組成如 Fig. 5.15，來探 討Sn-Ag-Cu-Au 四元系統在定組成 95at.％Sn 下，

於200℃時的四元相平衡圖。

Fig. 5.16 為四元合金中編號 Q-7(Sn-0.25at％

Au-2.25at.％Cu-2.5at％Ag)的 BEI 微結構照片，圖 中明暗不同的四種區域：顏色最黑的顆粒，經過 EPMA 定量分析其組成為 Sn-3.28at％Au-49.38at

％Cu-0.22 at％Ag，應為溶有少量 Au、Ag 的 Cu

6

5

相。顏色最亮的區域呈很小的圓形顆粒狀，均勻 分佈在整個試片上，組成為Sn-16.95 at％Au-0.04 at％Cu，應是溶有微量 Cu 的 AuSn

4

6

5

Cu

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Sn

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Au

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

AuSn4

AuSn2

Cu6Sn5

AuSn

Cu3Sn

ζ

Mass balance line Reaction path (Cu < 0.5 wt %) Reaction path (Cu > 0.5 wt %)

Sn-0.13 at％Au-0.46 at％Cu- 74.44at％Ag，應為溶 有微量 Cu、Au 的 Ag

3

5.17 所示。

Sn-5%Cu

0 1 2 3 4 5

Sn-5%Ag

0 1 2 3 4 5

Sn-5%Au

0

1

2

3

4

5

1

2

3 4

5 6 7

8 9

10 11 12

13 14 15

16 17 18 19

20 21

22 23

24

25

圖 13 Fig. 5.15 The nominal compositions of Sn-Ag-Cu-Au

quaternary system alloys examined in this study.

Fig. 5.16 The BEI of alloy Q-7 (Sn-2.5at.%Ag-2.25at.% Cu-0.25at.%Au).

5.3 反應路徑

將 Table 1 的結果配合金-錫-銅三元系統在 200℃的等溫橫截圖，可以描述錫-銅/金反應偶在 200℃下的反應路徑。由實驗結果得知：錫-銅/金 反應偶在較長反應時間以及低銅濃度(<0.5wt%Cu) 的反應路徑為 Au/AuSn/AuSn

2

4

X

1-X

6

5

AuSn

2

X

1-X

6

5

對於錫-銅/金反應偶的 IMC 生成十分的敏感。

Sn-5%Cu

0 1 2 3 4 5

Sn-5%Ag

0 1 2 3 4 5

Sn-5%Au

0

1

2

3

4

5

Ag3Sn+Sn

Cu6Sn5+Sn AuSn4+Sn

Fig. 5.17 The isoplethal section of Sn-Ag-Cu-Au

quaternary system

with 95at.%Sn at 200℃

Fig. 5.18 Reaction paths of the Sn-Cu/Au couples reacted at 200℃ superimposed with the Sn-Cu-Au

200℃ isothermal section.

4.結論

所有的錫-銅/金反應偶在反應℃溫度為200 時，於界面皆生AuSn、AuSn

2

4

X

1-X

6

5

4

2

4

x

1-x

6

5

時，且合金中銅濃度超過1.5 wt%時，則IMC生成 順序為：AuSn/AuSn

2

x

1-x

6

5

時 ， 僅 有AuSn/(Au,Cu)Sn/(CuxAu

1-x

6

5

抑制了AuSn

4

2

x

1-x

6

5

x

1-x

6

5

本計畫也確立錫-銅-金三元金與銀-錫-銅-金 四元在200℃的相平衡關係。錫-銅-金三元系統在 200℃下，AuSn 與 Cu

6

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20

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Sn

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33

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35

33,

或金、銅，或金、銀，皆有很大的溶解度，因為 銀、錫與銅皆為FCC 之結構。

誌謝

感 謝 國 科 會 提 供 研 究 經 費 (NSC 93-2218-E-011 -027) 使 本 研 究 計 畫 得 以 順 利 執 行。並且要感謝台灣大學材料所操作員高崇源先 生在EPMA 成分測定上的協助。

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34.JCPDS-ICDD, Powder Diffraction File, CD-ROM (1995).

計畫成果自評

本計畫以反應偶與合金配製的方式探討了銀

本計畫以得到下列結果，也是文獻中第一次 被提出。包含：

1.完成錫-銅/金反應偶，在 200、180 與 150℃下的 界面反應。

2.完成銀-錫-銅/金反應偶，在 200、180 與 150℃

下的界面反應。

3.界面反應結果顯示，銅原子濃度對於錫-銅或銀- 錫-銅合金的界面反應非常敏感。且會在界面生 成(Cu

X

1-X

6

5

3.完成錫-銅-金三元系統在 200℃下的溫橫截 面圖。

4.完成銀-錫-銅-金四元系統，在 200℃與錫原子濃 度為95 wt%下的溫橫截面圖。

5 由相平衡的結果確立了 AuSn 與 Cu

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5

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如此的結果對於以後學術界或是產業界在 研究銀、錫、銅與金系統間相關性質探討，例如 熱力學、或界面反應等有很大的幫助。且經由此 相圖可以得知於此溫度各IMC 的平衡關係，配合 界面反應明瞭於界面反應時IMC 的反應路徑。本 計 畫 也 是 第 一 個 設 計 錫-銅銲料與金的界面反 應，由分析結果可以得到掌握介金屬成長的方 法，適度調整成長厚度使得黏著度達到最好，對 於提供產業在製程可靠度的提升設計上一個新的 資訊。

本期成果已經投稿於 2005 年中國化學工程 學會，題目為「錫-銅合金與金基材界面反應之研 究」、2005 年中國材料年會，題目為「錫-銅-金三 元與銀-錫-銅-金四元相平衡之研究」。且將本計畫 所得到之結果加以整理，已將摘要投稿於2006 美 國 材 料 、 礦 物 及 金 屬 年 會(2006TMS)，題目為

「Investigation of the Phase Equilibria of the Sn-Cu-Au ternary, the Sn-Cu-Au-Ag quaternary system, and Interfacial Reactions in Sn-Cu/Au couples」，已獲接受。參與之學生-蕭憲明同學其 論文亦獲得台灣印刷電路板協會之PCB 優秀論文 獎，投稿論文題目為「金-銅-錫三元合金系統相平 衡及錫-銅合金與金基材的界面反應」。