Abstract
近年來因環境及人體健康的考量，於是歐盟規定2006年7月開始禁止有鉛銲料，轉而使用無鉛銲料之電子組裝相關產品。因此無鉛製程的裝置及其組件（如Sn-Bi，Sn-Ag，Sn-Cu，Sn-Ag-Cu，Sn-Zn等無鉛銲料）勢必成為未來電子工業迫切之課題。再者當電子產品的可用空間受限，但需要提供的功能性卻持續提升時，晶片設計邏輯將走向功能高度整合、晶片合併，也就是說未來晶片與封裝將走向薄小、連結密度大的趨勢。例如三維先進封裝技術，其銲料尺寸必須越作越小，目前僅能靠電鍍法達成。Sn-Bi合金（Sn-58wt%Bi）因具有低迴焊溫度（共熔點為139 oC）、良好接點強度、低表面張力、極佳熱潛變性、高張力強度及良好抗腐蝕能力等優良材料特性。另外高Sn低Bi合金的迴焊溫度(Sn-20wt%Bi熔點185 oC、Sn-10wt%Bi熔點約200 oC）與Sn-37wt%Pb合金（共熔點約183 oC）相當，故有機會直接取代。然而過去的研究指出以電鍍法所得的Sn-Bi合金鍍層，因容易發生Bi金屬樹枝狀結構大量成長，而導致鍍層黏著性質不佳等問題。因此，為了有效抑制Bi樹枝狀結構的發生，必須加入適合的錯合劑或界面活性劑予以抑制Bi金屬快速成長，或者利用其他電鍍方式（例如脈衝電鍍等）。故為了達到這些目標，本文將以如下的結構呈現。 第三章，乃著眼於改善鍍層黏著性、樹枝狀結構產生，並得到可靠的鍍浴配方，以期達到相當厚度的Sn-Bi合金鍍層(約30微米)。文中主要藉由線性掃瞄伏安法來研究不同錯合劑/界面活性劑（如檸檬酸、乙二胺四乙酸以及聚乙二醇）組合於鍍浴環境： 0.15 M Sn4+ ＋ 0.05 M Bi3+, pH ＝ 2 並對其電沈積行為的影響作深入探討。 第四章，乃根據第三章所得之鍍浴配方調整至更穩定的狀態。隨後以線性掃瞄伏安法測試其電沈積行為，可發現錫、鉍兩金屬存在一個大電位差。雖然如此，我們仍然可利用調整脈衝電鍍參數如工作週期、脈衝頻率影響電雙層效應及質傳行為的方式，來達到控制鍍層組成及其表面型態之目的。 第五章，屬於銲料實際應用層面。延續了第四章的結論，並嘗試利用脈衝電鍍法於微米尺寸之底材電鍍Sn-Bi合金。可發現除了底材邊角與其中間附近區域的組成分佈不均勻之外，邊角亦具有大量富Bi組成之樹枝狀結構成長，使得整體鍍層不均勻。合理的推測為不均勻電流分佈及質傳行為所造成。而由電位對時間的應答圖可發現，聚乙二醇對鍍層的覆蓋率將會影響金屬離子於陰極附近的質傳行為。有鑑於此，本章提出電鍍微米尺寸合金鍍層形貌及組成分佈的解決方案。隨後以成長機制圖推論不同電鍍時間下影響鍍層組成或形貌的可能因素。最後利用熱處理的方式可得到均勻且整齊排列的Sn-Bi球型陣列。顯然利用脈衝電鍍法可有效得到均勻性良好的Sn-13wt%Bi無鉛銲料。未來將有機會直接取代熔點相當的Sn-Pb銲料，並可望作為微米等級無鉛銲球之應用 第六章，Sn-Ag-Cu合金 (Sn-(3~4)wt%Ag-(0.5~0.9)wt%Cu，共熔點約為217 oC) 的物理特性及材料特性與Sn-Pb合金最為接近，因此被視為目前最有潛力的無鉛焊料之一。為了提供較簡單的三元合金鍍浴系統，本文僅添加檸檬酸作為鍍浴基本錯合劑，並同時研究其他具有潛力的二元合金Sn-3.5wt%Ag (共熔點約為221 oC) 以及Sn-0.7wt%Cu (共熔點約為227 oC) 的穩定電鍍條件範圍。同樣地，我們利用線性掃瞄伏安法並結合剝除伏安法於弱酸環境（pH ＝ 3.5）來檢測檸檬酸對Sn-Ag、Sn-Cu以及Sn-Ag-Cu 的沈積行為。而隨後利用直流電鍍法以調整鍍浴金屬離子濃度的方式，可準確得到接近共熔點組成之無鉛銲料（Sn-3.4wt%Ag、Sn-0.7wt%Cu及Sn-2.9 wt%Ag-0.7wt%Cu）。 材料分析方面，分別利用能量散射光譜儀(EDX)、場發射電子顯微鏡(FE-SEM)、場發射電子微探儀(EPMA)、感應耦合電漿-質譜儀(ICP-MS)及X-ray晶格繞射(XRD)測量鍍層組成、表面形態及結晶性變化。