Abstract
軟銲是電子產品中最主要的連接技術。近年因無鉛銲料、覆晶、Through Silicon Via等技術的發展，軟銲的重要性更是與日俱增。當今無鉛銲料的使用與開發，除了非常普遍的Sn-Ag-Cu合金外， Sn-Co-Cu銲料亦開始受到重視。電子產品的可靠度與銲點性質息息相關，而界面所生成的介金屬相是影響銲點可靠度最主要的因素。Ni是常使用的阻障層材料，Sn-Co-Cu/Ni界面反應的知識對Sn-Co-Cu銲料的發展非常重要。本研究探討了Sn-Co-Cu-Ni系統的相平衡與Sn-Co-(Cu)/Ni的界面反應。Sn-Co-Cu-Ni的相平衡資訊除了有助於了解與分析Sn-Co-(Cu)/Ni界面反應的結果外，也是重要的基礎材料知識。本研究先以實驗方法補正文獻中不足與錯漏的富Sn區之Sn-Co二元系統與Sn-Co-Cu三元系統的相平衡資料，並修正了文獻中Sn-Co-Ni三元系統的等溫橫截面圖，以推知Sn-Co-Cu-Ni四元的等溫相圖。再以反應偶的實驗方法，探討Sn-Co-(Cu)/Ni的界面反應，依據反應偶的結果，以及四元相平衡的資料，進一步分析與瞭解界面反應的機制。 實驗結果顯示，Sn-Co二元系統250oC液相邊界應介於Sn-0.02~ 0.06wt.%Co，且共晶組成與溫度分別為Sn-0.02wt.%Co與231.85oC。微量Co的添加可有效降低純Sn的過冷現象，當Co濃度大於0.02wt.%時，過冷可小於5oC。Sn-Co-Cu三元系統在250oC的等溫橫截面圖中，α-CoSn3與CoSn2相具有最大的Cu溶解度分別為4.2與1.57at.%，η-Cu6Sn5相具有至少15.5at.%的Co溶解度，且α-Co3Sn2相應具有大於20at.%的Cu溶解度；在800oC時，β-Co3Sn2相具有最大的Cu溶解度約為30at.%，且一個新的三元相Sn24Co16Cu60被發現；在1000oC時，β-Co3Sn2相具有最大的Cu溶解度則約為15at.%。而在Sn-Co-Ni的系統中，文獻所發現的(Ni,Co)Sn4相應為一個介穩相。 在界面反應的部份，當Co濃度介於0.4~0.01wt.%時，Sn-Co銲料對Ni基材的界面反應具有相同的反應機制，差別僅在於界面反應生成相含量的多寡，銲料中的Co濃度越低，可生成介金屬相的量也越少。由實驗結果可知，Sn-Co/Ni在250oC下的界面反應，反應初期，界面先生成Ni3Sn4與(Ni,Co)Sn4介穩相，隨著Ni基材持續的溶解與Co原子的擴散，反應相持續變化。Sn-Co/Ni系統對Co與Ni濃度的敏感性極高，微量濃度的改變，便足以造成生成相有巨大的轉變，以至於有如此複雜的界面反應現象發生。將微量的Co添加至Sn-Cu銲料中，其效應與添加Ni類似，且改變銲料中的Cu濃度會造成反應路徑的轉變。當銲料中的Cu為0.7wt.%時，在反應初期，其界面反應現象類似於Cu含量較低(0.4或0.5wt.%Cu)的Sn-Cu銲料對Ni基材的界面反應，直到反應末期，在界面處才會生成針狀的CoSn2相；降低銲料中的Cu濃度至0.5wt.%，界面除了Cu6Sn5相與Ni3Sn4相外，會開始有CoSn3介穩相的生成；而當Cu濃度為0.3wt.%時，界面反應現象則類似於Sn-Co/Ni的界面反應，此時界面僅存在Ni3Sn4相與CoSn3介穩相，無法觀察到Cu6Sn5相。