Microstructure and kinetics of intermetallic phases growth in Ag/In/Ag joint obtained as the result of diffusion soldering

• Autorzy: Skrzyniarz P. , Wojewoda-Budka J. , Filipek R. , Zięba P.

Warianty tytułu

PL

Mikrostruktura i kinetyka wzrostu faz międzymetalicznych w złączu Ag/In/Ag otrzymanym w wyniku lutowania dyfuzyjnego niskotemperaturowego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Copper plays the role of the fundamental conductive layer in short circuits. Nevertheless, in crucial areas silver is used due to higher electrical and thermal conductivity as well as oxidation resistance. This paper presents results of light and scanning electron microscopy observations of Ag/In/Ag joints obtained using diffusion soldering at the temperature 178°C and 193°C. The chemical composition analysis was performed at the joint cross-section using the energy dispersive X-ray spectrometry and two intermetallic phases: Ag2In and AgIn2, were identified. The AgIn2 phase with the melting temperature 144°C appears during joint solidification and it was neglected in calculation due to its nonequilibrium nature. The Ag2In phase growth at the temperature 178°C takes place when the volume diffusion predominated (n = 0.45) while at 193°C (n = 0.37) the contribution from the grain boundary diffusion became significant. The interdiffusion coefficients were calculated on the basis of the determined Ag2In phase growth rate curves at the temperature 178°C and 193°C. They were found to be: 1.27.10-15 m2/s and 1.97?10-15 m2/s for the numerical model, and: 2.53.10-15 m2/s and 4.93?10-15 m2/s for the Wagner model.

PL

Rolę podstawowej warstwy przewodzącej w układach drukowanych spełnia miedź. Mimo to w obszarach newralgicznych, stosuje się srebro ze względu na wyższą przewodność elektryczną i cieplną, a także odporność na utlenianie. W pracy przedstawiono wyniki badań złącz Ag/In/Ag otrzymanych za pomocą lutowania dyfuzyjnego niskotemperaturowego w temperaturze 178°C i 193°C wykonane techniką mikroskopii świetlnej i skaningowej mikroskopii elektronowej. Na przekroju spoiny wykonano analizy składu chemicznego metodą spektroskopii promieniowania rentgenowskiego z dyspersją energii i wykazano obecność dwóch faz międzymetalicznych: Ag2In i AgIn2. Faza AgIn2 o temperaturze topnienia 144°C pojawia się podczas krzepnięcia i ze względu na nierównowagowy charakter jej wzrostu pominięto ją w obliczeniach. Wzrost fazy Ag2In w temperaturze 178°C zachodzi przy przewadze dyfuzji objętościowej (n = 0,45), a w 193°C (n = 0,37) wzrasta udział dyfuzji po granicach ziaren. Na podstawie wyznaczonych krzywych szybkości wzrostu d = f(t) dla fazy Ag2In w temperaturze 178°C i 193°C, stosując numeryczny model dyfuzji, obliczono współczynniki dyfuzji wzajemnej, które wynoszą 1,27?10-15 m2/s i 1,97.10-15 m2/s, a z modelu Wagnera: 2,53.10-15 m2/s i 4,93?10-15 m2/s.

Słowa kluczowe

EN

diffusion soldering; microstructure; kinetics; AgInAg system

PL

lutowanie dyfuzyjne; mikrostruktura; kinetyka; układ AgInAg

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2010
• Tom: Vol. 31, nr 3
• Strony: 662--665
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Skrzyniarz P.

autor

Wojewoda-Budka J.

autor

Filipek R.

autor

Zięba P.

• Institute of Metallurgy and Materials Science of Polish Academy of Science, Krakow,

Bibliografia

• [1] Welch W. C., Chae J., Najafi K.: Transfer of metal MEMS packages using a wafer-level solder transfer technique. IEEE T. Adv. Packaging 28 (2005) 643-649.
• [2] Zięba P., Wojewoda J.: Lutowanie dyfuzyjne niskotemperaturowe – nowoczesna technologia spajania materiałów w elektronice. Prace Komisji Nauk Technicznych PAU II (2007) 85-94.
• [3] Jacobson D. M., Humpston G.: Fluxless soldering. Int. Mater. Rev. 51 (2006) 313-328.
• [4] Sommadossi S., Troiani H. E., Guillermet A. F.: Diffusion soldering using gallium metallic paste as solder alloy: study of the phase formation systematics. J. Mater. Sci. 42 (2007) 9707-9712.
• [5] Program Pandat 2006 (Database: Cost531, ver. III).
• [6] Chin C. Lee, William W. So.: High temperature silver-indium joints manufactured at low temperature. Thin Solid Films 366 (2000) 196-201.
• [7] Made R. I., Gan C. L., Yan L. L., Yu A., Yoon S. W., Lau J. H., Lee C.: Study of low-temperature thermocompression bonding in Ag-In solder for packaging applications. J. Electron. Mater. 38 (2009) 365-371.
• [8] Kim J. S., Wang P. J., Lee C. C.: Very high-temperature joints between Si and Ag-copper substrate made at low temperature using InAg system. IEEE Transactions On Components And Packaging Technologies 31 2008 782-789.
• [9] Liu Y. M., Chen Y. L., Chuang T. H.: Interfacial reactions between liquid indium and silver substrates. J. Electron. Mater. 29 2000 405-410.
• [10] Jacobson D. M., Humpston G.: Diffusion soldering. Solder. Surf. Mt. Tech. 10 (1992) 27-32.
• [11] Roy R., Sen S. K.: The kinetics of formation of intermetallics in Ag/In thin film couples. Thin Solid Films 197 (1991) 303-318.
• [12] Chuang R. W., Lee C. C.: Silver-indium joints produced at low temperature for high temperature devices. IEEE T. Compon. Pack. T. 25 (2002) 453-458.
• [13] Oh S. Y., Kim H. R., Jeong Y. H., Hyun O. B., Kim C. J.: Joining of Bi- 2212 high-Tc superconductors and metals using indium solders. Physica C 463-465 (2007) 464-467.
• [14] Shieu Z. C. Chang J. G. Sheen C. F. Chen: Microstructure and shear strength of a Au-In microjoint. Intermetallics 8 (2000) 623-627.
• [15] Skrzyniarz P., Sypień A., Wojewoda-Budka J., Filipek R., Zięba P.: Microstructure and kinetics of intermetallic phases growth in Ag/Sn/Ag joint obtained as the result of diffusion soldering. Arch. Metall. Mater. 55 (2010) (in print).
• [16] Wodniecka B., Wodniecki P., Hrynkiewicz A. Z.: PAC studies of AgIn2 and Ag2In growth kinetics at the Ag-In interface. Hyperfine Interact. 78 (1993) 323-326.
• [17] Kim H. K., Liou H. K., Tu K. N.: Tree-dimensional morphology of a very rough interface formed in the soldering reaction between eutectic SnPb and Cu. Appl. Phys. Lett. 66 (1995) 2337-2339.
• [18] Lee C., Yu A., Yan L., Wang H., He J. H., Zhan Q. X., Lau J. H.: Characterization of intermediate In/Ag layers of low temperature fluxless solder based wafer bonding for MEMS packaging. Sensor. Actuat. A-Phys. 154 (2009) 85–91.
• [19] Wagner C.: The evaluation of data obtained with diffusion couple of binary single phase and multiphase systems. Acta Metall. 17 (1969) 99-107.
• [20] Wojewoda J., Zięba P., Onderka R., Filipek R., Romanów P.: Growth kinetics of the intermetallics formed in diffusion soldered interconnections. Arch. Metall. Mater. 51 (2006) 345-353.
• [21] Structure and kinetic characteristics of electronic joints obtained in the diffusion soldering process, Report from the Project No. 3 TO8C 028 29 financially supported by Ministry of Science and Higher Education, Institute of Metallurgy and Materials Science of the Polish Academy of Sciences, Kraków 2008 (In Polish).
• [22] Anthony T.R., Turnbull D.: Interstitial diffusion of gold and silver in indium. Phys. Rev. 151 (1996) 495-498.
• [23] Mehrer H., Weiler D.: Measurement of the impurity diffusion of In in Ag single crystal by ion-beam sputtering (IBS). Z. Metallkd. 75 (1984) 203-205.