Morphology and chemistry characterization of intermetallic phases in (Cu + 5 at. % Ni)/Sn-Ag-Sn/(Cu + 5 at. % Ni) interconnections

• Autorzy: Wierzbicka-Miernik A.

Warianty tytułu

PL

Charakterystyka morfologii i składu chemicznego faz międzymetalicznych w złączach (Cu + 5% at. Ni)/Sn-Ag-Sn/(Cu + 5% at. Ni)

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents scanning (SEM) and transmission (TEM) electron microscopy studies on the microstructure and chemical composition of the (Cu + 5 at. % Ni)/Sn-Ag-Sn/(Cu + 5 at. % Ni) interconnections. The Sn, Cu and Ag are the main elements in all kinds of environment-friendly substitutes of previously used Pb-Sn eutectic solders in the electronics devices. The addition of the Ni to the copper substrate leads to the acceleration of the Cu6Sn5 intennetallic phase (IP) growth together with the change of the IP morphology. The thin (5 um) Ag interlayer is applied in order to avoid the Kirkendall voids formation in the center of the (Cu + 5 at. % Ni)/Sn/ (Cu + 5 at. % Ni) joints and in a consequence the improvement of the quality of the interconnections. The samples were prepared at various soldering temperature (240, 250 and 260°C) and annealing times (2, 5, 10, 15 and 20 min) necessary to accomplish the diffusion soldering process. The microstructure and chemical composition analyses reveal the formation of two intermetallic phases (Cu1_xNix)6Sn5 and Ag3Sn in the interconnection area. The (Cu1_xNix)6Sn5 phase was detected in the whole reaction zone while the Ag3Sn full field only the centre of joint, taking the shape of the relatively large, rounded linearly located grains. Moreover, the EDS analysis (line scan and mapping) made across the substrate/(Cu1gxNix)6Sn5 interface revealed the significant amount of nickel within the layer adj acent to (Cu + 5 at. %Ni).

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań uzyskane za pomocą skaningowej (SEM) i transmisyjnej (TEM) mikroskopii elektronowej dotyczące charakterystyki mikrostrukturalnej oraz składu chemicznego złączy (Cu + 5% at. Ni)/ Sn-Ag-Sn/(Cu + 5% at. Ni). Cyna, miedź i srebro stanowią główne składniki bezołowiowych lutowi, będących zamiennikami dotychczas stosowanych w elektronice eutektycznych stopów Pb-Sn. Dodatek Ni do substratów miedziowych prowadzi do znacznego przyspieszenia wzrostu fazy międzymetalicznej Cu6Sn5 oraz zmiany jej morfologii. Cienką warstwę Ag (5 um) zastosowano w celu uniknięcia powstawania pustek Kirkendalla obserwowanych wzdłuż całego złącza w układzie (Cu + 5 at. % Ni)/Sn/(Cu + 5 at. % Ni), co z kolei skutkuje w polepszeniu jakości i niezawodności złącza. Próbki do badań uzyskano metodą lutowania dyfuzyjnego przez wygrzewanie ich w różnej temperaturze: 240, 250 i 260°C przez 2, 5, 10, 15 i 20 minut. Charakterystyka mikrostrukturalna oraz analiza składu chemicznego spoin ujawniły występowanie dwóch faz międzymetalicznych (Cu1_xNix)6Sn5 i Ag3Sn. Faza (Cu1_xNix)6Sn5 tworzyła się w całej strefie reakcji pomiędzy substratem i lutowiem. Natomiast faza Ag3Sn była obecna tylko w centrum złącza w formie dość dużych, kulistych, liniowo ułożonych ziaren. Ponadto analiza EDS (wzdłuż linii oraz powierzchniowe rozmieszczenie pierwiastków) wykonana na granicy substrat/(Cu1gxNix)6Sn5, potwierdziły znaczne zwiększenie zawartości niklu wtym obszarze.

Słowa kluczowe

EN

diffusion soldering; intermetallic phase; SEM; TEM

PL

lutowanie dyfuzyjne; faza międzymetaliczna; SEM; TEM

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 34, nr 3
• Strony: 209--211
• Opis fizyczny: Bibliogr. 27 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Wierzbicka-Miernik A.

• Institute of Metallurgy and Materials Science, Polish Academy of Sciences, Kraków

Bibliografia

• [1] Advanced solder materials for high-temperature application - their nature, design, process and control in a multiscale domain. Memorandum of understanding for the implementation of a European Concerted Research Action designated as COST Action MP0602, Brussels, Belgium (2006).
• [2] Abtew M., Selvaduray G.: Lead-free solders in microelectronics. Materials Science & Engineering R-Reports 27 (5-6) (2000) 95÷141.
• [3] Zeng K., Tu K. N.: Six cases of reliability study of Pb-free solder joints in electronic packaging technology. Materials Science & Engineering R- Reports 38 (2) (2002) 55÷105.
• [4] Laurila T., Vuorinen V., Kivilahti J. K.: lnterfacial reactions between leadfree solders and common base materials. Materials Science & Engineering R-Reports 49 (1-2) (2005) 1÷60.
• [5] Suganuma K.: Advances in lead-free electronics soldering. Current Opinion In Solid State & Materials Science 5 (1) (2001) 55÷64.
• [6] Tu K. N, Gusak A. M., Li M.: Physics and materials challenges for lead- free solders. Journal of Applied Physics 93 (3) (2003) 1335÷1353.
• [7] Gale W. F., Butts D. A.: Transient liquid phase bonding. Science and Technology of Welding and Joining 9 (4) (2004) 283÷300.
• [8] Wojewoda J., Lopez G. A., Zięba P., Mittemeijer E. J.: Diffusion process in diffusion-soldered interconnections. Archives of Metallurgy and Materials 49 (2004) 277÷291.
• [9] Humpsten G., Jacobson D. M.: Principles of soldering and brazing. ASM International, Materials Park, OH (1993).
• [10] Zięba P., Wojewoda J.: Application of diffiision soldering in lead-free interconnection technology. Recent Research Developments in Materials Science, Kerala, Research Signpost 4 (2003) 261-282.
• [11] Paul A.: The Kirkendall effect in solid state diffusion. PhD thesis, Eindhoven University of Technology, Eindhoven, The Netherlands (2004) 85÷88.
• [12] Chen S. W., Wu S.-H., Lee S.-W.: lnterfacial reactions in the Sn-(Cu)/Ni, Sn-(Ni)/Cu, and Sn/(Cu,Ni) systems. Journal of Electronic Materials 32 (2003) 1188÷1194.
• [13] Wierzbicka-Miemik A., Wojewoda-Budka J., Zięba P.: Morphology and chemical composition of Cu/Sn/Cu and Cu(5 at. % Ni)/Sn/Cu(5 at. % Ni) interconnections. Science and Technology of Welding and Joining 17 (1) (2012) 32÷35.
• [14] Chung B. M., Hong K. K, Huh J. Y.: Decomposition of Cu6Sn5 particles in solder for the growth of a temary (Cu1[xNix)6Sn5 layer on a Ni substrate. Metals and Materials International 15(3) (2009) 487÷492.
• [15] Borgesen P., Yin L., Kondos P.: Acceleration of the growth of Cu3Sn voids in solder joints. Microelectronics Reliability 52 (2012) 1121÷1127.
• [16] Paul A., Ghosh C., Boettinger W. J.: Diffusion parameters and growth mechanism of phases in the Cu-Sn system. Metallurgical and Materials Transactions A 42A (2011) 952÷963.
• [17] Tsai J. Y., Hu Y. C., Tsai C. M., Kao C. R.: A study on the reaction between Cu and Sn3.5Ag solder doped with small amounts of Ni. Journal of Electronic Materials 32 (2003)1203÷1208.
• [18] Anderson I. E., Harringa J. L.: Suppression of void coalescence in thermal aging of tin-silver-copper-X solder joints. Journal of Electronic Materials 35 (2006) 94÷106.
• [19] Ho C. E., Yang S. C., Kao C. R.: lnterfacial reaction issues for lead-free electronic solders. Journal of Materials Science: Materials in Electronics 18 (2007) 155÷174.
• [20] Cho M. G., Kang S. K., Shih D. Y., Lee H. M.: Effects of minor additions of Zn on interfacial reactions of Sn-Ag-Cu and Sn-Cu solders with various Cu substrates during thermal aging. Journal of Electronic Materials 36 (2007) 1501÷1509.
• [21] Gao F., Nishikawa H., Takemoto T.: Additive effect of Kirkendall void formation in Sn-3.5Ag solder joints on common substrates. Journal of Electronic Materials 37 (2008) 45÷50.
• [22] Wang Y. W., Lin Y. W., Kao C. R.: Kirkendall voids formation in the reaction between Ni-doped SnAg lead-free solders and different Cu substrates. Microelectronics Reliability 49 (2009) 248÷52.
• [23] Laurila T., Vuorinen V., Paulasto-Kröckel M.: Impurity and alloying effects on interfacial reaction layers in Pb-free soldering. Materials Science Engineering R68 (2010) 1÷38.
• [24] Skrzyniarz P., Wojewoda-Budka J., Wierzbicka-Miernik A., Zięba P.: Morphology and chemical composition of Ag/Sn/Ag interconnections. Journal of Microscopy 237(3) (2010) 388÷390.
• [25] Zhang J., Shen Q., Luo G., Li M,. Zhang L.: Microstructure and bonding strength of diffusion Welding of Mo/Cu joints with Ni interlayer. Materials and Design 39 (2012) 81÷86.
• [26] Villars P., Calvert L. D. and Pearson W. B.: Pearson’s handbook of crystallographic data for intermetallic phases. Metals Park, Ohio, American Society for Metals, USA (1985).
• [27] Fairhurst C. W., Cohen J. B.: The crystal structures of two compounds found in dental amalgam: Ag2Hg3 and Ag3Sn. Acta Crystallographica B28 (1972) 371÷378.