金鍺基高溫無鉛銲料與銅、鎳基材間之界面穩定性與相平衡

Translated title of the thesis: Interfacial stability and phase equilibria between the Au-Ge high-temperature Pb-free solder and Cu or Ni substrate
  • 蔡 明岳

Student thesis: Master's Thesis

Abstract

由於高?率電子元件像是寬能帶晶片常需要處在高溫的環境裡，所以在元件裡銲接的部分就需要能夠耐高溫的材料。近年來，含有85 – 97 wt %Pb的Pb-Sn合金統稱為高鉛銲料，被廣泛用於高溫銲接製成。然而，在Pb已經被證實對環境和人體健康有害後，已經被歐盟(EU)所通過的危害性物質限制指令(RoHS)禁止。所以尋找其他高溫無鉛材料就成為現在迫切的需求。本研究選擇Au-Ge共晶合金與銅、Ni作為反應偶以模擬在銲接過程之界面反應，提出界面反應與反應相成長的機制，並建構其三元系統之等溫截面相圖。 Au-Ge共晶合金與Ni基材在400 oC之界面反應，經歷1小時反應後可以見到富金的F C C (Au Ge Ni)，NiGe，Ni2Ge在界面生成。當反應時間延長到4小時後可以看到已經有達6層的F C C (Au Ge Ni)和NiGe週期性介金屬層交替生成。400 oC的穩定定圖和等溫截面圖將利用CALPHAD去計算，並且用來分析機制。當Ge作為主要擴散元素，則Ge將會在NiGe、Ni2Ge間累積，使界面開始不穩定，使新的F C C (Au Ge Ni)、NiGe生成，導致原先生成的F C C (Au Ge Ni)、NiGe往外分離。週期性熱力學不穩定性將導致新的交替層在隨後相繼成核。其擴散路徑將是liquid/F C C -(Au Ge Ni)/NiGe/?/F C C -(Au Ge Ni)/NiGe/Ni2Ge/Ni。而在300 oC的界面反應中，分別退火240、720、1830小時，則在界面處發現平整緊密相接的NiGe和Ni5Ge3介金屬層。過去發現週期性介金屬交替生成相的反應偶大多皆是在固相反應中發現，本研究為首個在液態/固態反應中發現，而固態/固態反應中未出現。 在過去Au-12Ge/Cu中400 oC界面反應研究中，在退火6小時候界面處其生成相之擴散路徑為成Liquid/Au-rich F C C /ζ/X/ζ/Cu-rich F C C /(Cu)，其中X為一無法辨認之三元相，經過EPMA成分分析其組成為Au-74 72Cu-16 97Ge至Au-77 65Cu-15 58Ge。並且在Au-12Ge/Cu中300 oC界面反應研究中，可清楚分辨共有三層IMC生成，認為其分別為F C C (Au Cu Ge)、ζ相、X相。針對Au-Ge共晶合金與Cu基材在400oC和300oC反應中所發現一尚未被確認之X相，重新對ε1和ζ相附近之區域鑑定。根據新建立的Au-Ge-Cu三元相圖進行判斷，認為過去尚未被確認之X相為ε1相。
Date of Award2014 Jul 11
Original languageChinese
SupervisorShih-kang Lin (Supervisor)

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