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

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Title:	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
Authors:	徐敏雯;Ming-Wen Xu
Contributors:	機械工程研究所
Date:	2001-06-29
Issue Date:	2009-09-21 11:36:44 (UTC+8)
Publisher:	國立中央大學圖書館
Abstract:	目前盛行的球矩陣排列封裝（BGA）之銲點墊層之表面處理層是以鍍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。
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