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研究生:徐敏雯
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:李勝隆李勝隆引用關係高振宏高振宏引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立中央大學
系所名稱:機械工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文出版年:2001
畢業學年度:89
語文別:中文
論文頁數:192
中文關鍵詞:無鉛銲料球矩陣排列封裝界面反應
外文關鍵詞:BGA
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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。
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的最大溶解度約4at.%;而Ni3Sn-NiBi3-Bi則形成另一三相區。
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
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
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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