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研究生: 李祐翔
Yu-Hsiang Lee
論文名稱: 磁場作用對界面反應之影響
Magnetic effects upon interfacial reactions
指導教授: 陳信文
Sinn-Wen Chen
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 化學工程學系
Department of Chemical Engineering
論文出版年: 2008
畢業學年度: 96
語文別: 中文
論文頁數: 82
中文關鍵詞: 磁場界面反應銲料電流效應
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  • 摘要

    電子產品中存在著非常多各種不同之接點。隨著電子產品輕、薄、短、小與高功能之發展,接點之尺寸越來越小,接點密度則是越來越高,因此接點的可靠度備受重視。在異質材料的接點上,因為化學勢之差異,會產生原子之移動,進而在界面產生反應。而電子產品在使用時,電子構裝接點會有電流通過。電流會產生焦耳熱效應(Joule heating effect),提高了構裝接點之溫度,也加速了接點上之界面反應。在金屬接點界面反應所產生之介金屬化合物(intermetallic compound),通常其電性或機械性質不佳,容易因此破壞接點,也直接影響了電子產品之品質。因此電子產品接點之界面反應探討,是相當重要之議題。本研究是以Sn為銲料,以UBM常見的材料Co做為基材,使用模鑄法來製作反應偶,在不同反應溫度160℃、180℃、200℃下,探討Sn/Co的固/固界面反應。從實驗結果得到Sn/Co界面生成的介金屬相厚度,隨著反應時間或反應溫度增加而增加,且反應時間與介金屬相厚度呈線性關係,這意味著反應之初為反應控制。
    除了焦耳熱效應外,電流通過金屬材料亦會引起電遷移(electromigration effect)效應。電遷移會引起原子通量,進而對界面反應產生影響。本研究探討以低電流密度(500A/cm2)的電流強度,對Sn/Co固/固界面反應的影響。研究方法是將Sn/Co反應偶纏繞上電線,並將反應偶上的電線和電源供應器連接,提供依截面積大小所計算出的電流強度。從實驗結果得知,因低電流密度無法引起足夠的原子通量,而不會影響介金屬相的厚度成長。。
    因電流效應可引起原子通量,且電場和磁場是共存的,所以磁場有可能也會造成原子通量的改變。然而文獻中關於磁場對界面反應影響之研究,寥寥可數。本研究以永久磁鐵產生的磁場,探討磁場效應對於Sn/Co固/固界面反應的影響。研究方法是以In-situ的方式來進行的,所以用加熱板取代高溫爐來控制反應溫度,且永久磁鐵也挑選高性能和高工作溫度的釤鈷磁鐵。實驗結果顯示,本研究的磁場強度不足以引起原子通量,因而無法影響介金屬相的厚度成長,此外,磁場也無法影響界面生成相的種類與界面型態。


    Abstract

    There are large amounts of many kinds of solder joints in electronic products. As electronic products feature light、thin、short、small and multi-functional, the sizes of the joints become smaller and smaller, then the density of the joints become higher and higher. Therefore, the reliabilities of the joints have been paid much more attention. Due to a chemical potential difference, atoms moving result in interfacial reaction at a distinct material of the joint. When using electronic products, there would be some electric current passing through electronic packaging joints. Electric current would bring Joule heating effect; it elevates the temperature of solder joints and accelerates the interfacial reaction rate at the joints. With interfacial reactions, intermetallic compounds (IMC) formed at metallic joints usually have less electrical or mechanical properties, so they would damage the joints easily and affect the qualities of the electronic products directly. Consequently, it is an importance issue to research interfacial reactions of the joints in electronic product. Sn is as solder and Co, a common material in UBM, is as substrate in our research. To research Sn/Co ( solid state/ solid state ) interfacial reactions under different reaction temperature:160℃、180℃、200℃. From the results, we found the thickness of intermetallic compound formed at Sn/Co interface increases, when reaction time or reaction temperature increases. The relation between reaction time and IMC thickness is linear at reaction beginnin:it means a reaction-control.
    Except joule heating effect, it might also induce electromigration effect when electric current passes through metallic materials. Electromigration could induce atom flux, thus influence interfacial reactions. To research Sn/Co interfacial reactions affected by electric current effects, electric current density using in our research is 500A/cm2. Experimental method is entwining Sn/Co reaction couple with electric lines, then linking with power supply and providing need electric current based on cross-section area of reaction couple. From the results, electric current density 500A/cm2 could not induce enough atom flux, so it would not influence the growth of IMC thickness.
    Since electric current effects could induce atom flux, furthermore, electric field and magnetic field are coexisted, so magnetic effect might also induce atom flux. However, there are fewer literatures about the magnetic effect upon interfacial reactions. To research Sn/Co interfacial reactions affected by magnetic field, the magnetic field source in our research is produced by permanent magnet. Experimental method is carried out in In-situ way, so replace high-temperature oven with hot plate to control reaction temperatures. Permanent magnet in our research is preferred to Samarium-Cobalt magnet, because it is characterized as high-working temperature and high-performance. As the results show, the magnitude of magnetic field in our research is not enough to induce atom flux, thus it would not influence the growth of IMC thickness. Moreover, the kinds of IMC phase formed at the interfaces and the interface morphology are not influenced by magnetic field.

    一、 前言..................................................................................................1 二、 文獻回顧..........................................................................................5 2-1 界面反應...................................................................................5 2-2 電遷移與其對界面反應之影響.............................................20 2-3 磁場效應與其對界面反應之影響.........................................25 三、 研究方法........................................................................................37 3-1 反應偶的製作.........................................................................37 3-2通電不通磁的實驗..................................................................37 3-3只進行加熱的實驗..................................................................38 3-4通磁不通電的實驗..................................................................39 3-5金相分析..................................................................................39 四、 結果與討論....................................................................................45 4-1 Sn/Co固/固界面反應..............................................................45 4-2 通電流對Sn/Co固/固界面反應的影響.................................58 4-3 通磁場對Sn/Co固/固界面反應的影響................................70 五、 結論................................................................................................76 六、 附錄................................................................................................77 6-1 釤鈷磁石.................................................................................77 6-2 磁場量測.................................................................................78 6-2.1 霍爾元件磁量測儀..........................................................78 6-2.2 核磁共振儀......................................................................79 七、 參考文獻........................................................................................80 圖目錄 圖2-1 描述在元素A與元素B之間反應生成ApBq層的示意圖............9 圖2-2 界面反應動力學理論推導示意圖..............................................10 圖2-3 Co-Sn 二元系統的相圖............................................................10 圖2-4 兩個CoSn3緊密相關的晶體結構...............................................12 圖2-5 在0.5T的磁通量密度下,量測β-CoSn3的磁化率和溫度的 關係圖..........................................................................................13 圖2-6 β-CoSn3的電阻係數是一個溫度的函數..................................13 圖2-7 Sn/Co在反應溫度673K,不同反應時間下:(a) 30分鐘 (b) 40分鐘 (c) 24小時,界面反應的背向散射電子(BEI) 圖................................................................................................14 圖2-8 Sn/Co在反應溫度773K,不同反應時間下:(a) 5分鐘 (b) 40分鐘 (c) 6小時,界面反應的背向散射電子(BEI)圖...15 圖2-9 Sn/Co在反應溫度873K,不同反應時間下: (a)2分鐘 (b) 30分鐘,界面反應的背向散射電子(BEI)圖.....................16 圖2-10 Sn/Co在反應溫度573K,不同反應時間下: (a) Sn/Co 30分鐘 (b) Sn/Co 1小時 (c) Sn/Co 16小時 (d) Sn/Co 25小時 (e) Sn-3.5wt.%Ag/Co 4小時 (f) Sn-3.5wt.%Ag/Co 16小時,界面反應的背向散射電子 (BEI)圖.....................................................................................18 圖2-11 Sn/Co和Sn-3.5wt.%Ag/Co 在573K下,反應層的厚度對反 應時間開平方根作圖..............................................................19圖2-12 金屬原子受電遷移作用的示意圖............................................21 圖2-13 在導線中,因電遷移而形成的凸起與堆積..............................21 圖2-14 描述接點晶格中不同的擴散過程: (a)晶界擴散,(b)主體擴散,和(c)表面擴散.............................22 圖2-15 Sn/Ni/Sn反應偶在180℃下反應,通過的電流密度達 1200 A/cm2,反應時間達480 h後,(a) 左邊的界面 (b) 右邊的界面,其光學顯微鏡晶相圖.................................24 圖2-16 磁通量穿透一個面積元素之示意圖,而向量dA垂直於表面.... ..................................................................................................29 圖2-17 物質在磁化前後,其磁域中之磁力矩變化情況 (a)磁化前 (b)磁化中 (c)將外加磁場強度增大.......................30 圖2-18 Pb-17.7wt.% Sn的合金有方向性地固化之微結構圖 (a) 沒有磁場的存在下 (b) 施加一個0.45 T橫向磁場........31 圖2-19 Fe-0.52C-0.24Si-0.84Mn-1.76Ni-1.27Cr-0.35Mo-0.13V (質量百分比)的合金在1000℃下austenitized 10分鐘,且在 300℃下等溫轉換成bainite 8分鐘後,以氦淬冷到週遭的溫度..............................................................................................32 圖2-20 Fe-0.4C (質量百分比)在950℃下austenitized 15分鐘並以 0.5℃/min 的冷卻速率來降溫,光學顯微鏡晶相圖顯示磁場效應對ferrite轉換的影響,(a) 沒有磁場的存在下 (b) 施加一10T的磁場............................................................................33 圖2-21 冷滾製鋁合金3103的晶體構造在290℃下退火,其Cu-, S-, Brass-成份的方位密度,在無磁場與和19T磁場施加下對退 火時間作圖................................................................................34 圖2-22 鋁合金AA3103在288℃下退火100分鐘後,其微結構 (a) 沒有磁場的存在下(b) 施加一17T 的磁場......................35 圖2-23 71%冷滾製鋁合金AA3103的再結晶體積分率,對退火的時間作圖,空心的符號代表沒有磁場的存在,實心則代表施加一17 T的磁場..........................................................................35 圖2-24 再結晶的時間tR(再結晶的體積 X(tR)=0.63)在不同溫度下退火,空心的符號代表沒有磁場的存在,實心則代表施加一17 T的磁場..............................................................................36 圖2-25 磁場對Fe-C相圖的影響...........................................................36 圖3-1 反應偶的製備過程......................................................................40 圖3-2 製備後之反應偶示意圖..............................................................41 圖3-3 於反應偶上纏繞鐵線之示意圖..................................................41 圖3-4 利用高溫膠將熱電偶黏附在反應偶上之示意圖......................42 圖3-5 反應偶通電流實驗裝置圖..........................................................42 圖3-6 將永久磁鐵鑲嵌於木頭模具之示意圖......................................43 圖3-7 未加入木頭模具前之實驗裝置示意圖......................................43 圖3-8 磁場效應之實驗裝置示意圖......................................................44 圖4-1 錫/鈷反應偶於反應溫度200℃下的界面型態: (a)反應5小時 (b)反應10小時..............................................46 圖4-2 錫/鈷反應偶於反應溫度200℃下的界面型態: (a)反應15小時 (b)反應20小時.............................................47 圖4-3 錫/鈷反應偶於反應溫度200℃下的界面型態: (a)反應25小時 (b)反應30小時.............................................48 圖4-4 錫/鈷反應偶於反應溫度200℃下的界面型態: (a)反應40小時 (b)反應51小時............................................49 圖4-5 錫/鈷反應偶於反應溫度200℃下的界面型態: (a)反應60小時 (b)反應70小時.............................................50 圖4-6 錫/鈷反應偶於反應溫度180℃下的界面型態: (a)反應24小時 (b)反應48小時............................................51 圖4-7 錫/鈷反應偶於反應溫度180℃下的界面型態: (a)反應72小時 (b)反應96小時.............................................52 圖4-8 錫/鈷反應偶於反應溫度180℃下的界面型態: (a)反應120小時 (b)反應144小時.........................................53 圖4-9 錫/鈷反應偶於反應溫度160℃下的界面型態: (a)反應24小時 (b)反應48小時............................................54 圖4-10 錫/鈷反應偶於反應溫度160℃下的界面型態: (a)反應72小時 (b)反應144小時...........................................55 圖4-11 Sn/Co (固/固)在反應溫度200℃下,以反應時間對界面反應 生成相IMC厚度作圖..............................................................56 圖4-12 Sn/Co (固/固)在反應溫度180℃下,以反應時間對界面反應 生成相IMC厚度作圖..............................................................56 圖4-13 Sn/Co (固/固)在反應溫度160℃下,以反應時間對界面反應 生成相IMC厚度作圖..............................................................57 圖4-14 錫/鈷反應偶於反應溫度200℃,電流密度500A/cm2下的界面型態:(a)反應20小時 Anode side (b)反應20小時 Cathode side.................................59 圖4-15 錫/鈷反應偶於反應溫度200℃,電流密度500A/cm2下的界面型態:(a)反應30小時 Anode side (b)反應30小時 Cathode side.................................60 圖4-16 錫/鈷反應偶於反應溫度200℃,電流密度500A/cm2下的界面型態:(a)反應60小時 Anode side (b)反應60小時 Cathode side.................................61 圖4-17 錫/鈷反應偶於反應溫度200℃,電流密度500A/cm2下的界面型態:(a)反應70小時 Anode side (b)反應70小時 Cathode side......................................62 圖4-18 錫/鈷反應偶於反應溫度180℃,電流密度500A/cm2下的界面型態:(a)反應48小時 Anode side (b)反應48小時 Cathode side......................................63 圖4-19 錫/鈷反應偶於反應溫度180℃,電流密度500A/cm2下的界面型態:(a)反應72小時 Anode side (b)反應72小時 Cathode side......................................64 圖4-20 錫/鈷反應偶於反應溫度180℃,電流密度500A/cm2下的界面型態:(a)反應96小時 Anode side (b)反應96小時 Cathode side......................................65 圖4-21 錫/鈷反應偶於反應溫度180℃,電流密度500A/cm2下的界面型態:(a)反應120小時 Anode side (b)反應120小時 Cathode side....................................66 圖4-22 錫/鈷反應偶於反應溫度180℃,電流密度500A/cm2下的界面型態:(a)反應144小時 Anode side (b)反應144小時 Cathode side....................................67 圖4-23 錫/鈷反應偶於反應溫度160℃,電流密度500A/cm2下的界面型態:(a)反應72小時 Anode side (b)反應72小時 Cathode side..................................68 圖4-24 錫/鈷反應偶於反應溫度160℃,電流密度500A/cm2下的界面型態:(a)反應144小時 Anode side (b)反應144小時 Cathode side................................69 圖4-25 錫/鈷反應偶於反應溫度200℃,磁場大小2900 Gauss下的界面型態:(a)反應20小時 (b)反應40小時.............................71 圖4-26 錫/鈷反應偶於反應溫度200℃,磁場大小2900 Gauss下的界面型態:(a)反應60小時 (b)反應70小時.............................72 圖4-27 錫/鈷反應偶於反應溫度180℃,磁場大小2900 Gauss下的界面型態:(a)反應72小時 (b)反應96小時.............................73 圖4-28 錫/鈷反應偶於反應溫度180℃,磁場大小2900 Gauss下的界面型態:(a)反應120小時 (b)反應144小時.........................74 圖4-29 錫/鈷反應偶於反應溫度160℃,磁場大小2900 Gauss下的界面型態:(a)反應72小時 (b)反應144小時...........................75 圖6-1 不同霍爾感測棒之型式..............................................................79 圖6-2 磁石因不同位置有不同之通磁量..............................................79 表目錄 表一 α- CoSn3和β-CoSn3晶體的相關數據.........................................11 表二 β-CoSn3和α- CoSn3化合物之原子的參數.................................11 表三 在反應偶中第一個生成的介金屬相:預測與實驗....................17 表四 Sn/Ag,Sn/Ni,Sn-3.5wt.%Ag/Ni在不同溫度下的Za*值............24 表五 一些原子和離子的磁力矩..........................................................29 表六 實驗中使用的鋁合金AA3103其化學組成(重量百分比).........34

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