Sn-8Zn-(0~4)Bi中鉍含量對其迴銲於化金基板上後機械性質及電化學遷移之影響

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簡宏文(Hung-Wen Chien) 查詢紙本館藏

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機械工程學系

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Sn-8Zn-(0~4)Bi中鉍含量對其迴銲於化金基板上後機械性質及電化學遷移之影響

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摘要(中)

本研究在比較添加0~4wt%Bi於Sn-8wt%Zn銲料，當其迴銲於化金基板後，機械性質的變化及其在水中電化學行為之差異。機械性質藉由微硬度及推球實驗得知：Sn-8Zn-(0~4)Bi無鉛銲料在迴銲前後機械性質質量變化不大，但微硬度(Hv)隨鉍含量增加而稍有增強，從15.96±0.57增強至29.96±0.16(Hv)；推球強度從6.54±0.31增加至8.31±0.1(N)。電化學研究結果顯示：當外加偏壓在3~5V下，Sn-8Zn-(0~4)Bi銲料在水中會有電化學遷移現象。電化學遷移程度可藉由量測短路電流所耗用之時間進行評估。在3V下銲料中鉍濃度由0增至4wt%時，其短路時間由202秒縮短到120秒。Sn-8Zn-4Bi銲料在偏壓由3增大至5V，短路時間也由120秒縮短至98秒。觀察分析兩極間遷移之產物得知：遷移反應以鋅之溶解、析出為主。Sn-8Zn-(0~4)Bi之微結構解析顯示；鋅的溶解與析出隨著銲料中鉍含量增加而更容易發生，因而導致加速其電化學遷移。EPMA之分析及陽極動態極化曲線之探討可以解釋此一電化學行為之根據。
Sn-8Zn-(0~4)Bi銲料於化金基板上250℃迴銲1分鐘後，再經150℃加熱0、600、1200秒後，顯示出其在水中電化學遷移短路時間之差異：未經熱處理之試片，短路時間為120秒，600秒熱處理後之試片其短路時間稍有延長為137秒。若延長熱處理時間至1200秒，則反而縮短短路時間至98秒。由EPMA解析熱處理前後銲料之微結構及其組成變化，以及陽極極化曲線之探討可以解釋其電化學遷移之機制。

摘要(英)

The phenomenon of mechanical nature and electrochemical migration of Sn-8Zn-(0~4)Bi solders, reflowed on Au/Ni/Cu pads were studied in this paper. The results show that electrochemical migration happened when DC voltage(3~5V) was applied to the solders in water. It is assessed that Electrochemical migration behaviors can be measured in electric current service time. When the bismuth of the solder increased from 0wt% to 4wt% the short circuit time of 3V bias decreased from 202s to 120s. The short out time shrotenned with the voltage increased from 3 to 5V. Analysis of EPMA and XPS on the dendrite precipitate formed between two electrodes displays that the main component of the precipitate is Zn.
The phenomenon of mechanical nature and electrochemical migration of Sn-8Zn-(0~4)Bi solders, having been reflowed on Au/Ni/Cu pads with 150℃ heat treatment for 0, 600, 1200s were discussed in this paper. It is assessed that Electrochemical migration behaviors shorted out at 1200s can be measured in electric current service time. Result of study：The short out time became 137s and 98s when the time of heat treatment were 600 and 1200s. When the heat treatment time is longer than 1200s, heat treatment will accelerate electrochemical migration. Analysis of EPMA and XPS on the dendrite precipitate formed between two electrodes displays that the main component of the precipitate is Zn.

關鍵字(中)

★ 微硬度試驗
★ 熱處理
★ 陽極動態極化分析
★ 無鉛銲料
★ 錫鋅鉍銲料
★ 電化學遷移
★ 推球試驗

關鍵字(英)

★ Sn-Zn-Bi solder
★ electrochemical migration
★ heat treatment
★ anodic potentiodynamic polarization

論文目次

摘要 I
Abstract III
誌謝 IV
目錄 V
表目錄 IX
圖目錄 X
第一章緒論 1
1.1 銲料與銲接技術 1
1.2 銲料之無鉛化趨勢 1
1.3 無鉛銲料之發展簡述 2
1.4 BGA（Ball Grid Array）銲接構裝所用之基板 7
1.4.1 BGA構裝技術 7
1.4.2 基板之選擇 8
1.5 研究背景 10
1.6 研究目的與目標 11
第二章文獻回顧與理論基礎 14
2.1 Sn-Zn系統之機械性質理論研究 14
2.2 無鉛銲料之電化學遷移理論研究 16
2.3 Sn、Zn、Bi在水中之電位-pH行為 18
2-3-1 錫在水中的電化學遷移 18
2-3-2 鋅在水中的電化學遷移 19
第三章實驗方法與步驟 21
3.1 研究流程規劃 21
3.2 試片準備 21
3.2.1 (Au/Ni/Cu)化金基板製作 21
3.2.2 無鉛銲料製作 23
3.2.3 銲料與化金基板迴銲程序 23
3.3 銲球之機械性質量測 24
3.3.1 微硬度試驗 24
3.3.2 推球試驗 24
3.4 電化學實驗裝置及其量測方法 25
3.4.1 電化學遷移 25
3.4.2 陽極動態極化 25
3.4.3 偏壓對SCE電位之評估 26
3.4.4 電化學槽裝置 26
3.5 試片分析 27
3.5.1 電子顯微鏡（SEM-Scanning Electron Microscopy） 27
3.5.2 高解析度場發射電子微探儀（EPMA-Electron Probe Micro Analyzer） 28
3.5.3 電子能譜儀（XPS-X-ray Photoelectron Spectra） 28
3.5.4 X光繞射儀（XRD-X-ray Diffractometer） 28
第四章結果 29
4.1 Sn-8Zn-(0~4)Bi之機械性質 29
4.1.1 微硬度試驗 29
4.1.2 推球試驗 29
4.1.3 熱處理後之機械性質 30
4.2 Sn-8Zn-(0~4)Bi在水中之電化學遷移 31
4.2.1 電化學遷移之短路電流量測 31
4.2.2 電化學遷移後兩極間析出物觀察 33
4.2.3 熱處理後電化學性質 35
4.3 微結構及化學組成分析 38
4.3.1 鉍含量導致之變化 38
4.3.2 熱處理後之微結構變化 39
第五章討論 41
5.1 微結構與機械性質相關性之探討 41
5.1.1 鉍含量之影響 41
5.1.2 熱處理程度之影響 42
5.2 Sn-8Zn(0~4)Bi在水中之陽極極化曲線探討 43
5.2.1 鉍含量對陽極極化曲線之影響 43
5.2.2 熱處理程度對陽極極化曲線之影響 44
5.2.3 電化學遷移在陽極偏壓下之絕對電位評估 44
5.3 電化學行為解析 45
5.3.1 純金屬元素（Sn、Zn、Bi）之電化學行為 45
5.3.2 Sn-8Zn-(0~4)Bi電化學遷移反應機制 45
第六章結論與未來可能之研究 50
6.1 結論 50
6.2 未來之研究方向 51
參考文獻 53

參考文獻

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指導教授

林景崎(Jing-Chie Lin)

審核日期

2006-7-19

推文