Abstract
錫合金及銦合金是焊接製程中相當常用的銲料，尤以電子工業最為常見，而合金中的其他元素，如銀、鉛、鉍等，各有不同的作用，有的是用來加強銲料的機械強度，有的則是可以降低銲料熔點，而銅則是常見的基材，而在界面生成的介金屬層厚度則影響接點使用壽命。在本研究中以反應偶的實驗觀察Cu/(Cu-Sn)、Cu/(Cu-In)、Cu/(Sn-58wt%Bi)及Cu/(Sn-In)界面銅基材及介金屬相變化情形，並輔以輸送現象模型作二成分同銅基材半徑及介金屬厚度之計算，在實驗部份以光學顯微鏡（optical microscopy, OM）、掃瞄式顯微鏡（scanning electron microscopy, SEM）、電子微探針儀（electron probe micro analysis, EPMA）與感應耦合電漿質譜分析儀（inductively coupled plasma mass spectrometer, ICP）對反應偶表面作金相觀察與介金屬相的組成分析。 在不同的反應時間下，反應溫度在180℃及300℃下， Cu/(Cu-Sn)反應偶在界面有兩個介金屬層生成，其組成由CU至 Sn的順序為ε相 （Cu3Sn）與η相（Cu6Sn5），對於Cu/(Cu-In)反應偶則只有一個介金屬層生成，其組成為Cu11In9，而 Cu/Sn-58wt%Bi反應偶在界面只看到兩個介金屬層出現，其組成由 Cu至 Sn-58wt%Bi的順序為ε相 （Cu3Sn）與η相（Cu6Sn5）。若銲料以不同比例的（Sn-In）組成，如Cu/(In-20wt%In)來說，界面有兩個介金屬相生成，以 EPMA分析組成由 Cu至銲料分別為 Cu76.3Sn18.6In5.1以及 Cu55.6Sn35.4In8.9，若是 Cu/(In-20wt%Sn)則只看到一層介金屬相生成，其組成為Cu60.55In28Sn11.45，而其界面的形態，在固液反應偶中，液相與介金屬層之間的界面呈現波浪狀，而介金屬層之間及介金屬層與銅基材之間則呈現平整的界面。介金屬層厚度與銅基材半徑均以量測系統測量之，並記錄下來。 在實驗部份有固固反應偶與固液固反應偶兩大類，固固反應偶的實驗有 Cu/Sn及 Cu/Sn-58wt%Bi，而固液反應偶的實驗有 Cu/Sn-Cu、 Cu/In-Cu、 Cu/Sn-58wt%Bi以及 Cu/Sn-In。銅基材反應厚度在一開始直接與液相接觸，故銅基材半徑收縮速率較介金屬相生成後之半徑收縮速率大，且有實驗中發現銅基材擴散到液相後由於受到重力影響上層的銅沈降至下層，使得液相裡下層銅濃度會大於上層銅濃度，故上層銅基材反應厚度會大於下層，改用密度較大的液相後，發現上下層反應厚度差異並沒有像之前這麼明顯，故隨著液相金屬密度的增加，對流效應越小，上下層銅基材反應厚度的差異減小。 在模型中，我們選擇 Cu/Sn及 Cu/In 二成分反應偶系統，假設界面反應機構為輸送現象所控制，計算介金屬成長厚度與銅基材半徑，數值方法則以有限差分法及L. S. O. D. E.副程式組作二維輸送現象模擬計算，但無任何結果。在此，僅以一維輸送現象模擬計算固液間介金屬相成長厚度及銅基材半徑，發現介金屬相厚度其實驗結果與模型計算的結果，大致相符合，其趨勢均是拋物線成長的現象，銅基材半徑隨時間的增加而減少。改變銲料組成，作一維輸送現象模型計算，結果發現其介金屬厚度著銅含量增加而增加，銲料中銅加入越多，介金屬相成長越厚，而銅基材反應厚度越小。