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研究生： 徐敏雯
Ming-Wen Xu
論文名稱： 58Bi42Sn無鉛銲料與Au、Ni基材界面反應及Ni-Bi-Sn三元平衡相圖之研究
指導教授： 李勝隆
Sheng-long Lee
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 機械工程學系
Department of Mechanical Engineering
畢業學年度： 89
語文別： 中文
論文頁數： 176
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    • 鍍Ni 再鍍Au 的Au/Ni 雙金屬層為主。目前銲錫球的組成是以Pb-Sn 共
    晶合金為主，但無鉛銲料的使用是未來發展的趨勢。因此，無鉛銲料與
    Au/Ni 表面處理的墊層之間的反應是非常重要的。其中58Bi-42Sn（wt.%）
    為微電子用無鉛銲料的主要候選材料之一，所以本論文中選定以
    58Bi-42Sn 合金（以下簡稱BiSn）為研究對象，探討58Bi-42Sn 與Au 及
    Ni 間之反應。
    本論文進行三部分實驗，第一部分是Au 箔與BiSn 銲錫之反應，第
    二部分是Ni 與液態58Bi-42Sn 之固/液反應，第三部分則是對Ni-Bi-Sn
    三元平衡相圖作一初步之研究。
    第一部分包含Au 箔與液態BiSn、Au 箔與固態BiSn 兩種反應。在
    Au 箔與液態BiSn 銲錫之反應中，反應於160、180、200 及220℃四個
    溫度進行，反應時間1~7 小時不等。在160~220℃反應中，Au 箔與BiSn
    銲錫的界面生成二層介金屬，由EPMA 分析得知分別為AuSn2 及AuSn，
    介金屬總厚度隨反應時間增加而緩慢增加。另外在BiSn 合金中發現有細
    長狀的介金屬生成，因為太小了，所以無法由EPMA 分析其組成。此一
    部分反應生成的介金屬相生長活化能為38 KJ/mol。
    在Au 箔與固態BiSn 銲錫之反應中，溫度105℃，時間24 小時，經
    固態熱處理後，銲料中細長狀介金屬型態明顯變粗大。經EPMA 分析得
    知為Au-Bi-Sn 三元化合物。界面處除了AuSn2 及AuSn 兩種介金屬外，
    在AuSn2 上方，發現有另一層介金屬生成。EPMA 分析得知此介金屬與
    銲料中細長狀介金屬同為Au-Bi-Sn 化合物。
    I
    I
    本論文第二部分，探討Ni 與液態58Bi-42Sn 合金之反應，以Ni 片
    插入熔融銲料中反應。此部分分為三組實驗，第一組為冷卻速率實驗，
    是在相同反應溫度420℃及時間48 小時，反應後以五種不同的冷卻速率
    使合金完全凝固。實驗可觀察到隨著冷卻速率的遞減，銲料中介金屬的
    型態也愈變愈粗大，數量則變少。因此推論遠離界面銲料中之介金屬為
    冷卻時生成。此介金屬經EPMA 分析得知為Ni3Sn4。
    第二組實驗為Ni 與液態BiSn 合金之界面反應。反應於180、240、
    300、360 及420℃五個溫度進行反應，反應時間為3∼48 小時不等。在
    180~240℃反應中，Ni 與BiSn 合金的界面僅有一薄生成物層，其組成由
    EPMA 分析得知為Ni3Sn4。溫度300~360℃時，在Ni3Sn4 與Ni 之間的界
    面有另一層介金屬生成，EPMA 分析為Ni3Sn2。溫度420℃時，除了Ni3Sn4
    及Ni3Sn2 外，還發現Ni3Sn 的生成。180~420℃反應生成的Ni3Sn4 生長活
    化能為34 KJ/mol。
    第三組實驗為搖晃實驗，反應溫度180℃，時間26 小時。反應完成
    後，立即進行搖晃，而後吹風凝固、淬火。未搖晃時，Ni3Sn4 僅在界面
    附近出現，在遠離界面的合金中並未發現生成物。搖晃後的樣品，界面
    附近的Ni3Sn4 會因為搖晃的關係而移動到距離界面較遠的銲料中，因此
    證明出界面處部分脫離之塊狀Ni3Sn4 為反應時所生成，而不是在合金冷
    卻時生成。。
    第三部分實驗是對Ni-Bi-Sn 三元平衡相圖進行研究，我們以金相觀
    察、電子微探儀及X光繞射等分析方法測定出125℃靠近BiSn 端的相圖
    型態及450℃靠近NiBi 端部分的相圖型態。125℃相圖部分，本研究證
    實Ni3Sn4-Bi-Sn 在125℃形成一三相區，其中約有2.5 at. % Bi 溶於Sn 中。
    450℃相圖部分，NiBi-Ni3Sn-NiBi3 形成一三相區，NiBi 中Sn 的最大溶解約4at.%；而Ni3Sn-NiBi3-Bi 則形成另一三相區。

    摘 要........................................................................................................I 目 錄.....................................................................................................IV 圖 目 錄....................................................................................................VII 表 目 錄...................................................................................................XIII 符號說明....................................................................................................XV 第 一 章 緒論 1.1 研究背景.............................................................................. 1 1.1.1 微電子構裝..................................................................1 1.1.2 銲接.............................................................................9 1.1.3 銲料........................................................................... 14 1.1.4 無鉛銲料.................................................................... 18 1.2 研究目的.............................................................................. 26 第 二 章 文獻回顧 2.1 Au/Sn 反應實驗文獻回顧.................................................... 28 2.2 Ni/Sn 反應實驗文獻回顧..................................................... 31 2.3 Ni/Bi 反應實驗文獻回顧..................................................... 39 2.4 Bi-Sn 銲料反應文獻回顧..................................................... 47 2.5 實驗規劃.............................................................................. 51 第 三 章 實驗方法及步驟 3.1 Au 箔與液態BiSn 銲錫球之界面反應.................................. 52 3.2 Ni 與液態BiSn 反應............................................................. 59 3.2.1 Ni 與液態BiSn 之界面反應........................................ 59 3.2.2 Ni 與液態BiSn 界面反應之不同冷卻速率實驗...........64 3.2.3 Ni 與液態BiSn 界面反應之搖晃實驗......................... 67 3.3 Ni-Bi-Sn 三元平衡相圖之實驗.............................................. 68 第 四 章 Au 箔與液態BiSn 銲錫球反應之實驗結果與討論 4.1 Au 箔與液態BiSn 銲錫球之反應.......................................... 73 V 4.1.1 顯微鏡金相觀察：介金屬生長形態.......................... 73 4.1.2 介金屬生長動力學..................................................... 84 4.1.3 EPMA 組成分析........................................................ 91 4.2 Au 箔與固態BiSn 銲錫球之反應......................................... 92 4.2.1 顯微鏡金相觀察：介金屬生長形態........................... 92 4.2.2 EPMA 組成分析......................................................... 98 4.3 Au 箔與液態BiSn 銲錫球反應之討論.................................. 99 4.3.1 介金屬形態................................................................ 99 4.3.2 介金屬生長厚度與生長動力學................................ 101 第 五 章 Ni 與液態BiSn 反應之實驗結果與討論 5.1 Ni 與液態BiSn 反應之冷卻速率實驗................................. 103 5.1.1 顯微鏡金相觀察：銲料中介金屬生長形態.............. 103 5.1.2 EPMA 組成分析....................................................... 106 5.2 Ni 與液態BiSn 之界面反應.............................................……107 5.2.1 顯微鏡金相觀察：介金屬生長形態........................ 107 5.2.2 介金屬生長動力學................................................... 119 5.2.3 EPMA 組成分析..................................................... 125 5.3 Ni 與液態BiSn 界面反應之搖晃實驗................................. 126 5.3.1 顯微鏡金相觀察：介金屬生長形態......................... 126 5.4 Ni 與液態BiSn 反應之討論................................................ 128 5.4.1 介金屬形態............................................................... 128 5.4.2 介金屬生長厚度與生長動力學................................. 135 5.4.3 介金屬Ni3Sn4 生成之機制........................................ 142 第 六 章 Ni-Bi-Sn 三元平衡相圖之研究 6.1 125℃靠近BiSn 端之Ni-Bi-Sn 三元平衡相圖.................... 144 6.1.1 靠近BiSn 端Ni3Sn4-Bi-Sn 三角形區域之分析結果.. 144 6.1.1.1 顯微鏡金相觀察結果...................................... 146 6.1.1.2 XRD分析結果............................................... 146 V I 6.1.1.3 EPMA 分析結果............................................. 146 6.1.2 Ni3Sn4-Bi-Sn 三角形區域相圖之總結....................... 149 6.2 450℃靠近NiBi 端之Ni-Bi-Sn 三元平衡相圖.................... 150 6.2.1 靠近NiBi 端Ni3Sn-NiBi-NiBi3-Bi 區域之分析結果.150 6.2.1.1 顯微鏡金相觀察結果...................................... 150 6.2.1.2 XRD 分析結果.............................................. .154 6.2.1.3 EPMA 分析結果............................................. 154 6.2.2 靠近NiBi 端Ni3Sn-NiBi-NiBi3-Bi 區域之總結......... 159 第 七 章 結論 7.1 Au 箔與液態BiSn 銲錫球之界面反應................................ 161 7.2 Ni 與液態BiSn 之反應........................................................ 163 7.3 Ni-Bi-Sn 三元平衡相圖之研究............................................ 165 參考文獻 附 錄、Ni3Sn4 XRD 圖譜之建立.......................................................... 172 a. 實驗方法與步驟............................................................... 172 b. 實驗結果與討論............................................................... 173

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