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研究生:訾安仁
研究生(外文):An-ren Zi
論文名稱:錫-銻-銅三元系統之相平衡、液相線投影與錫-銻/銅界面反應
論文名稱(外文):Phase Equilibria、Liquidus Projection of the Ternary Sn-Sb-Cu System and Interfacial Reactions at the Sn-Sb/Cu Joints
指導教授:陳信文陳信文引用關係
指導教授(外文):Sinn-wen Chen
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:化學工程學系
學門:工程學門
學類:化學工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2007
畢業學年度:95
語文別:中文
論文頁數:166
中文關鍵詞:錫-銻-銅高溫無鉛銲料相平衡液相線投影界面反應
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電子產品製造的過程中,常會用到階段性銲接,階段性銲接需要,高溫、低溫兩種不同熔點的銲料來搭配使用。高鉛的Sn-Pb系銲料是最常見的高溫銲料,但是由於Pb對人體和環境會造成危害,所以有需要開發出無鉛的高溫銲料。Sn-Sb銲料是目前已被使用的無鉛高溫銲料,而Cu是常見的凸塊下金屬化的阻障層材料,因此、Sn-Sb-Cu成為本論文所研究的系統。
相平衡圖是材料開發及瞭解性質之重要依據,但文獻中缺乏Sn-Sb-Cu三元系統相平衡資料。本研究製備了37組Sn-Sb-Cu的三元合金,於250oC進行長時間退火,使合金達相平衡。對相平衡的合金試樣,使用包括了金相、組成、及X-ray繞射分析等方法,以確定合金中之生成相。而當Sn-Sb/Cu形成接點時,Sn-Sb/Cu界面反應的研究,與接點之可靠度十分相關。所以本研究配置了Sn-5at%Sb和Sn-10at%兩種合金,放在800oC爐子中進行均勻混合一星期,再將合金和拋光後的Cu片在250oC下進行界面反應,反應時間不等。另一方面,熔融的Sn-Sb銲料會溶入部分基材的Cu,並在後續冷卻的過程中固化析出不同的生成相,固化的過程會對材料的性能造成影響。液相線投影圖和其固化路徑的研究,有助於了解固化的過程。所以本研究配置了33組Sn-Sb-Cu合金,將其放在1000oC爐子中進行均勻混合一星期。接著將合金使用微熱差、金相、組成分析等方法,以了解首要析出相,並推斷固化路徑。
有關Sn-Sb二元相圖的部份,此相圖中共有三個包晶反應。介金屬相Sn3Sb2的組成應為Sn-43at%Sb。但Sn3Sb2和β(SnSb)相之間的邊界仍需要進一步的確認,不過此兩相在250oC時,組成的差異不超過1at%Sb。另外、Sn3Sb2的溫度範圍應為0oC~324oC。
在250oC之Sn-Sb-Cu三元等溫截面圖部份。Sn-Sb-Cu三元等溫截面圖中含有10個單相區、18個兩相區和9個三相區。由文獻中[15、30]得知,有一個三元介金屬相的存在,本研究也支持這樣的結論,但仍需要進一步的實驗,來確認此三元相的邊界。有關溶解度的部份,Sn(L)相會溶有約12at%Sb和微量的Cu,Sb相也會溶有一定量的Sn,而Cu6Sn5相中會溶有約10at%Sb形成Cu6(Sn,Sb)5相,Cu2Sb相中會溶有約5at%Sn。在β(SnSb)相中約有1at%Cu的溶解度,因此、在圖中Sn(L)+Sn3Sb2、Sn3Sb2+β(SnSb)、β(SnSb)+Sb的區域是狹窄地。
在界面反應的部份。Sn-5at%Sb/Cu的反應偶中,界面皆會觀察到Cu6Sn5相,而當反應時間達60min後還會有Cu3Sn相生成,其界面依序為Cu/Cu3Sn/Cu6Sn5/Sn-5at%Sb。其中Cu6Sn5相的形狀為扇貝狀,而Cu3Sn相為層狀。介金屬相厚度隨著時間增加而增加,Cu6Sn5相的厚度和(時間)1/2有成線性關係的趨勢。而其擴散路徑可以利用,250oC的Sn-Sb-Cu三元等溫截面圖來表示。在Sn-10at%Sb/Cu反應偶的部份,其結果大致和Sn-5at%Sb/Cu的結果相同,不同的地方是,Sn-10at%Sb銲料中會含有固化析出的Sn3Sb2相。另外、Cu6Sn5相的厚度和時間有成線性關係的趨勢。
在Sn-Sb-Cu液相線投影的部份。總共有11種不同的首要析出相區域,其中並沒有發現任何三元介金屬相。而Sn3Sb2、β(SnSb)、Sb相對Cu幾乎沒有溶解度,但Cu2Sb、Cu3Sb對Sn,還有Cu4Sn、Cu3Sn、Cu6Sn5對Sb都有一定程度的溶解度。其中Cu4Sn、Cu6Sn5對Sb有將近20at%的溶解度。在液相線投影圖中共有8個invariant反應,其中有7個反應是屬於Class II,1個是Class I,而這些invariant反應的溫度也已量測。另外、本研究發現Cu4Sn相和Cu3Sb相,並不會形成如文獻[15]所述的連續固溶,此兩相間應有邊界存在。
摘要-I
目錄-III
第一章 前言-1
第二章 文獻回顧-6
2-1相平衡-6
2-2 Sn-Sb-Cu三元相圖-10
2-2-1 Sn-Sb二元系統相平衡-10
2-2-2 Sn-Cu二元系統相平衡-13
2-2-3 Sb-Cu二元系統相平衡-15
2-2-4 Sn-Sb-Cu三元等溫截面-18
2-3界面反應-20
2-3-1 Sn-Sb/Cu界面反應-22
2-4 液相線投影-25
2-4-1 Sn-Sb-Cu液相線投影-28
第三章 研究方法-31
第四章 結果與討論-35
4-1 Sn-Sb二元相平衡-35
4-2Sn-Sb-Cu三元相平衡-46
4-3Sn-Sb/Cu界面反應-95
4-4Sn-Sb-Cu液相線投影-108
4-4-1 首要析出相-108
4-4-2 微熱差分析與固化路徑-137
第五章 結論-162
第六章 參考文獻-164
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