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研究生: 張書豪
Shu-hau Chang
論文名稱: 錫-銀-銅合金與金基材界面反應之研究
Study of Interfacial Reactions between Sn-Ag-Cu Alloys and the Au Substrate
指導教授: 顏怡文
Yee-wen Yen
李嘉平
Chia-Pyng Lee
口試委員: 陳志銘
none
薛人愷
none
高振宏
none
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 化學工程系
Department of Chemical Engineering
論文出版年: 2005
畢業學年度: 93
語文別: 中文
論文頁數: 76
中文關鍵詞: 反應偶金基材錫銀銅無鉛銲料
外文關鍵詞: reaction couple, Au substrate, lead-free solder, SnAgCu
相關次數: 點閱:231下載:14
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摘 要

本研究主要是探討錫-銀-銅合金與金基材界面反應。區分為三個不同錫濃度系統:96.5wt%Sn、95.5wt%Sn、95.0wt%Sn,分別與金基材進行固相/固相界面反應,反應溫度為150℃,180℃,200℃,反應時間12~1200小時不等,觀察界面反應生成的介金屬相種類與界面型態。
實驗觀察發現於反應溫度200℃金基材與合金間依序生成AuSn/AuSn2/AuSn4/(AuCu)Sn/(CuxAu1-x)6Sn5等相。當反應溫度為180℃,150℃合金中銅濃度增加會抑制AuSn4、AuSn2等介金屬相的生成,金基材與合金間依序生成AuSn/AuSn2/(AuCu)Sn/(CuxAu1-x)6Sn5等相或AuSn/(AuCu)Sn/(CuxAu1-x)6Sn5等相。
介金屬生成厚度正比於反應時間的平方根,因此反應為擴散控制。而介金屬成長速率隨反應溫度下降與合金中銅濃度增加而減緩。而合金中銅濃度增加(AuCu)Sn/(CuxAu1-x)6Sn5介金屬層厚度較厚,但整體介金屬成長速度趨緩(金基材消耗速度亦減緩),可能原因為生成(AuCu)Sn/(CuxAu1-x)6Sn5介金屬層產生之障蔽效應導致錫原子擴散速度減緩,並發現合金中銅濃度增加亦減緩反應偶中金原子往銲料端擴散的情形。


ABSTRACT

This study investigated interfacial reactions between Sn-Ag-Cu alloys and Au substrate. It's distinguished three systems that different concentration of Sn. The reaction time is 12 hour to 1200 hour, reacted at 150,180 and 200°C.After reaction,we analyze the species of IMCs and observe morphology of IMCs.
Reacted at 200°C, five phases, AuSn /AuSn2 / AuSn4 / (AuCu)Sn /(CuxAu1-x)6Sn5,are found between Au substrate and Sn-Ag-Cu Alloys. Reacted at 180°C,increase the Cu concentration in alloy will restrain the formation of AuSn4. Four phases, AuSn /AuSn2/(AuCu)Sn/(CuxAu1-x)6Sn5
are found between Au substrate and Sn-Ag-Cu Alloys.Reacted at 150°C, increase the Cu concentration in alloy will restrain the formation of AuSn2. Three phases, AuSn /(AuCu)Sn/(CuxAu1-x)6Sn5 are found between Au substrate and Sn-Ag-Cu Alloys.
The thickness of the reaction layers increases with higher temperatures and longer reaction time, and their growth rates are described by using the parabolic law. Based on the reaction path knowledge and interfacial morphology, it is concluded that Sn is the fastest diffusion species in the couples.The thickness of the reaction layers decrease when the concentration of copper in alloy increase. But the thickness of (AuCu)Sn/(CuxAu1-x)6Sn5 phase increase.. Maybe, it result from barrier effect of (AuCu)Sn/(CuxAu1-x)6Sn5 phase. (AuCu)Sn/(CuxAu1-x)6Sn5 phase also restrain Au diffuse to alloy.

目  錄 中文摘要Ⅰ 英文摘要Ⅱ 誌謝III 目錄Ⅳ 圖目錄VI 表目錄IX 第一章 緒論1 1.1 前言1 1.2 文獻回顧15 1.2.1界面反應15 1.2.2反應路徑與界面形態20 1.2.3 錫-銀-銅/金的界面反應23 第二章 實驗程序與方法25 2.1合金配製25 2.2反應偶製作29 2.3樣品金相處理與分析30 第三章 結果與討論32 3.1錫濃度固定96.5wt%錫銀銅合金與金基材界面反應32 3.2錫濃度固定95.5wt%錫銀銅合金與金基材界面反應40 3.3錫濃度固定95.0wt%錫銀銅合金與金基材界面反應45 3.4影響錫-銀-銅合金與金基材界面反應的因素50 3.5錫銀銅合金與金基材反應偶的動力學54 3.6合金本體固化析出相的影響57 3.7界面生成相的影響59 3.8界面形態與反應路徑64 第四章 結論69 參考文獻71 附錄1銀、錫、銅與金,在本研究中於界面反應所生成之各介金屬相物理性質與材料特徵76 圖 目 錄 圖1-1電子構裝層級示意圖7 圖1-2錫鉛凸塊UBM 結構示意圖11 圖1-3銲接點拉伸強度與介金屬相厚度的關係13 圖1-4 銲接點抗撕強度與介金屬相厚度的關係13 圖1-5 A-B反應偶在T1下接合,經長時間退火之下而發生界面反應在界面生成介金屬相,γ相16 圖1-6 擴散與吉伯士自由能、化學勢之關係17 圖1-7 Wagner所預測在三成分系統下固相界面反應後的可能的界面形態(a)聚集排列 (b)層狀排列20 圖1-8β/C可能在A-B-C三元等溫橫截面圖中,四種可能擴散路徑與反應後的界面形態22 圖2-1實驗流程圖26 圖2-2真空密封示意圖28 圖2-3反應偶示意圖29 圖3-1 Sn-2.0Ag-1.5Cu/Au 反應偶在200℃下反應100小時BEI照片35 圖3-2 Sn-2.0Ag-1.5Cu/Au 反應偶在200℃下反應100小時後,由EPMA對此界面進行線性掃描所得組成與距離的關係圖35 圖3-3 Sn-1.0Ag-2.5Cu/Au 反應偶在200℃下反應200小時BEI照片36 圖3-4 Sn-1.0Ag-2.5Cu/Au 反應偶在180℃下反應200小時BEI照片36 圖3-5 Sn-1.0Ag-2.5Cu/Au 反應偶在150℃下反應200小時BEI照片 37 圖3-6錫濃度固定96.5wt%錫-銀-銅合金與金反應偶系統在200℃,介金屬相總厚度與時間平方根的關係圖37 圖3-7錫濃度固定96.5wt%錫-銀-銅合金與金反應偶系統在180℃,介金屬相總厚度與時間平方根的關係圖38 圖3-8錫濃度固定96.5wt%錫-銀-銅合金與金反應偶系統在150℃下,介金屬相總厚度與時間平方根的關係圖38 圖3-9 Sn-3.0Ag-0.5Cu/Au反應偶於200℃、180℃、150℃ 反應介金屬相總厚度與時間平方根的關係圖39 圖3-10 Sn-3.8Ag-0.7Cu/Au 反應偶在200℃下反應72小時BEI照片42 圖3-11(a)Sn-1.0Ag-3.5Cu/Au 反應偶在180℃反應200小時BEI照片.(b)由EPMA對此界面進行線性掃描所得組成與距離的關係圖42 圖3-12錫濃度固定95.5wt%錫-銀-銅合金與金反應偶系統在200℃下,介金屬相總厚度與時間平方根的關係圖43 圖3-13錫濃度固定95.5wt%錫-銀-銅合金與金反應偶系統在180℃下,介金屬相總厚度與時間平方根的關係圖44 圖3-14錫濃度固定95.5wt%錫-銀-銅合金與金反應偶系統在150℃下,介金屬相總厚度與時間平方根的關係圖44 圖3-15 Sn-1.0Ag-4.0Cu/Au 反應偶在150℃下反應200小時BEI照片47 圖3-16 Sn-1.0Ag-4.0C/Au 反應偶在150℃反應3小時後,由EPMA對此界面進行線性掃描所得組成與距離的關係圖47 圖3-17錫濃度固定95.0wt%錫銀銅合金與金反應偶系統在200℃下,介金屬相總厚度與時間平方根的關係圖48 圖3-18錫濃度固定95.0wt%錫-銀-銅合金與金反應偶系統在180℃下,介金屬相總厚度與時間平方根的關係圖48 圖3-19濃度固定95.0wt%錫銀銅合金與金反應偶系統在150℃下,介金屬相總厚度與時間平方根的關係圖49 圖3-20不同反應時間下Sn-3.0Ag-0.5Cu/Au反應偶界面生成相52 圖3-21不同反應溫度下Sn-1.0Ag-4.0Cu/Au反應偶界面生成相53 圖3-22不同合金在淬火後合金金相BEI照片(a)Sn-3.0Ag-0.5Cu(b)Sn-3.8Ag-0.7Cu (c)Sn-2.0-Ag1.5Cu(d)Sn-1.0Ag-2.5Cu58 圖3-23 Sn-1.0Ag-2.5Cu於200℃反應200小時BEI影像61 圖3-24 Sn-3.8Ag-0.7Cu/Au 反應偶於200℃反應300小時BEI照片(a)原始照片(b)銅的mapping61 圖3-25 Sn-1.0Ag-3.5Cu/Au 反應偶於200℃反應300小時(a)原始照片(b)銅的mapping62 圖3-26 Sn-3.0Ag-0.5Cu/Au反應偶於150℃反應1200小時BEI像62 圖3-27 Sn-1.0Ag-4.0Cu/Au反應偶於150℃反應1200小時BEI像63 圖3-28 Sn-3.8Ag-0.7Cu/Au 反應偶於200℃反應48小時BEI影像63 圖3-29SnAgCu/Au 反應偶之反應路徑1對應於錫-金-銅三元系統在200℃下的等溫橫截面相圖66 圖3-30Sn-Ag-Cu/Au 反應偶之反應路徑2對應於錫-金-銅三元系統在200℃下的等溫橫截面相圖67 圖3-31 Sn-3.0Ag-0.5Cu/Au反應偶試片,200℃反應320小時BEI照片68 圖3-32 Sn-3.0Ag-0.5Cu/Au反應偶於200℃反應超過350小時之BEI照片68 表 目 錄 表1-1無鉛銲錫組成與熔點對照表4 表1-2國際研究機構推薦使用的無鉛合金及其應用領域5 表2-1合金配製表27 表3-1各合金於各溫度下介金屬生成相的層數表51 表3-2各反應溫度下之成長速率常數k值與成長活化能55 表3-3 Sn-3.0Ag-0.5Cu Ag/Au ,Sn-3.8Ag-0.7Cu/Au與文獻Sn-3.5 Ag/Au成長常數之比較56

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