宋立文 2002/11/19

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熱儲存與銅含量對熱儲存與銅含量對 Sn-3wt%Ag-1.5wt%Sb-xCuSn-3wt%Ag-1.5wt%Sb-xCu銲點附合強度的影響銲點附合強度的影響

黃文勇黃文勇

南台科技大學機械學系南台科技大學機械學系

2008/11/082008/11/08

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報告大綱報告大綱

研究動機與目的

實驗規劃

結果與討論

結論

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研究動機與目的研究動機與目的 目前常用的 Sn-3.5Ag 共晶銲料被公認為最具開發潛力的銲料之一。但因

Sn-Ag 系銲料經高溫儲存後 Ag3Sn 會粗大化，導致銲料抗熱性不足。

添加第三元素 Sb 可提高 Sn-Ag 銲料的強度及抗熱性。 Sb 的添加會提高銲料熔點且固液相區間會擴大，導致 Sn-Ag-Sb 銲料的銲接性較差而影響銲接強度與品質，故必須藉由添加第四合金元素來改善其缺點。

本研究目的在 Sn-Ag-Sb 無鉛銲料中加入微量的 Cu 元素，製成四元合金無鉛銲料，針對銲料熔點偏高之缺點加以改進。藉此探討添加 Cu 對銲料在高溫時不同儲存時間的機械性質變化，來明瞭此類銲料在高溫使用時的穩定性。

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銲料選定與熔煉

試件製備

熱儲存試驗

斷口分析(SEM)

拉伸試驗(Shimadzu AG-I)

金相觀察(OM 、 SEM)

資料彙整

Sn-3Ag-1.5SbSn-3Ag-1.5Sb-0.5CuSn-3Ag-1.5Sb-1.0CuSn-3Ag-1.5Sb-1.5Cu

溫度： 150℃時間： 0 hr , 25 hr 200 hr , 600 hr

實驗規劃實驗規劃

銲接後拉伸試件

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銲料塊材金相銲料塊材金相 -OM-OM

Sn3Ag1.5Sb (As-cast)(As-cast)

Sn3Ag1.5Sb1.0Cu(As-cast)(As-cast) Sn3Ag1.5Sb1.5Cu(As-cast)(As-cast)

Sn3Ag1.5Sb0.5Cu (As-cast)(As-cast)

Ag3Sn

β-Snβ-Sn

Ag3Sn

β-Sn

Cu6Sn5

Ag3Sn

β-Sn

Ag3Sn

Cu6Sn5

β-Sn

Ag3Snβ-Sn

Ag3Sn

Sn3Ag1.5Sb1.0Cu(As-cast)(As-cast)

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熱儲存對熱儲存對 Sn-3Ag-1.5Sb-xCu Sn-3Ag-1.5Sb-xCu 銲微觀組織影銲微觀組織影響響

Sn3Ag1.5Sb(600hrs) Sn3Ag1.5Sb0.5Cu ((600hrs))

Sn3Ag1.5Sb1.0Cu((600hrs)) Sn3Ag1.5Sb1.5Cu((600hrs))

β-Sn

Ag3Sn

β-Sn

Ag3Sn

Cu6Sn5

β-Sn Cu6Sn5

Ag3Sn

β-Sn

(b)

β-Sn

Cu6Sn5

Ag3Sn

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Sn3Ag1.5Sb Sn3.5Ag(As-Soldered)

Sn3Ag1.5Sb0.5Cu(As-Soldered)

Sn3Ag1.5Sb1.5Cu(As-Soldered)Sn3Ag1.5Sb1.0Cu(As-Soldered)

銲接塊材銲接塊材 /Cu/Cu 界面的界面的金相金相 -O-OMM

β-Sn

Ag3Sn

Cu6Sn5

Cu substrate

β-Sn Ag3Sn

β-Sn Ag3Sn

Cu6Sn5

Cu6Sn5β-Sn

Cu substrate

Cu6Sn5

Ag3Sn

Cu6Sn5

β-Sn

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熱儲存對熱儲存對 Sn-3Ag-1.5Sb-xCu Sn-3Ag-1.5Sb-xCu 銲料及相關銲銲料及相關銲料料 /Cu/Cu 界面微觀組織影響界面微觀組織影響

Sn3Ag1.5Sb/Cu (600hrs)

Sn3Ag1.5Sb1.0Cu/Cu(600hrs) Sn3Ag1.5Sb1.5Cu/Cu(600hrs)

Sn3Ag1.5Sb0.5Cu/Cu(600hrs)

Cu6Sn5

Ag3Snβ-Sn

Cu substrate

β-Sn

Ag3Sn

Cu6Sn5

Cu substrate

Cu6Sn5

β-Sn

Cu substrate Cu substrate

Cu6Sn5

Ag3Sn

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熱儲存時間對銲件強度的影響熱儲存時間對銲件強度的影響0.1 strain rate

50

70

90

110

130

0 100 200 300 400 500 600

aging time(hrs)

stre

ss(M

pa))

sa35

sas15

0.5Cu

1.0Cu

1.5Cu

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拉伸斷口分析拉伸斷口分析Sn-3Ag-1.5Sb1.0Cu/Cu

EDS 分析

BEI SEI

(b)(a)

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Cu6Sn5

IMC

IMC

C

BA

界面界面 IMCIMC 層微結構深腐蝕層微結構深腐蝕 -600hrs-600hrs

Sn-3Ag-1.5Sb-1.5Cu/Cu

BEI SEI SEI

EDS 分析

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熱儲存對熱儲存對 Sn-Ag-Sb-xCu/Cu IMCSn-Ag-Sb-xCu/Cu IMC 厚度變化厚度變化

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

6

6.5

0 5 10 15 20 25 30

IMC

thic

knes

s(um

)SA35

1.5Sb

0.5Cu

1.0Cu

1.5Cu

IMC

厚度(μ

m)

時效時間 (hrs1/2)

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應變率 0.1 S-1 熱儲存 25hrs

拉伸斷口分析拉伸斷口分析Sn-3Ag-1.5Sb-xCu,

0.5wt%Cu 1.0wt%Cu 1.5wt%Cu

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結論結論 Cu6Sn5 與 Ag3Sn 析出物在 β-Sn 晶粒內或繞著 β-Sn 的共晶網狀組織內。 Ag3

Sn 顆粒在含少量 Cu(Cu 0.5%)≦ 或無 Cu 的銲接態銲料內大小變化不大。但在含Cu 量超過 1.5 wt_% 及長時間高溫熱儲存下則尺寸增加。而 Cu6Sn5 顆粒則隨著 Cu 含量或熱儲存時間的增加而增大。粗大的 Cu6Sn5 與 Ag3Sn 會使銲料內應力集中致銲料的抗熱性降低。

在銲料 /Cu 界面的 IMC 層，包含 Cu6Sn5 與 Cu3Sn 兩層，隨著熱儲存時間及含Cu 量的增加而增厚，使本實驗中加 Sb 來抑制 IMC 層成長的現象被加 Cu 現象而弱化

Cu 添加量超過 1.0 wt_% 時所長出的 Cu6Sn5 析出物，會從母材內或從銲料 /Cu 界面內的 η － Cu6Sn5 頂端長出。分實心與空心六角柱體等兩類。

加 Cu 所析出的 Cu6Sn5 會促進銲點的強化及延遲接合強度的降低率。此現象在銲料含 1.0wt_%Cu 與 1.5wt_%Cu 時較明顯。

所用銲點的拉伸強度在 150℃ 時效初期的 200 小時，因析出物顆粒增大與界面 IMC 層成長而急速下降約 20 ～ 30% 。之後強度的弱化現象則趨緩而漸穩定。

同一拉伸速率下，隨銲件 Cu 量的增加而接合強度增大但銲件的韌性、延展性降低 。