Microstructure and mechanical properties of the Cu/SnAuCu/Cu joints

• Autorzy: Wojewoda-Budka J. , Sypień A. , Wierzbicka-Miernik A. , Piątkowski A. , Zięba P.

Warianty tytułu

PL

Mikrostruktura i właściwości mechaniczne złączy Cu/SnAuCu/Cu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents the preliminary results obtained on the joints where the new candidate for lead-free solder material was applied. Both SEM microscopy observations combined with the EDX chemical analysis of the Cu/Cu interconnections joined with the SnAuCu alloy at 300°C for different time of flux-less soldering were performed. The scallop-type morphology of n[(Cu, Au)6Sn5] phase growing due to the solid-liquid interaction at the solder/copper interface was observed. Further solid-state diffusion led to the growth of another intermetallics - e[(Cu, Au)3Sn]. The middle of the joined area was fulfilled by the eutectic mixture consisting of the tin and n[AuSn4] phase. The shear tests carried out at the room temperature provided the information about the shear strength of the joints which varied between 12.6÷17 MPa. It was also found that the crack propagation took place inside the solder. Finally, it was concluded that the increasing width of the intermetallic phases caused the decrease of the mechanical properties.

PL

W pracy przedstawiono wstępne wyniki uzyskane dla złączy Cu/Cu, w których jako lutowie zastosowano nowy zamiennik dla lutowi SnPb. Złącza uzyskane w wyniku lutowania bez użycia topnika, w temperaturze 300°C i po rożnych czasach lutowania, poddano obserwacjom mikrostruktury oraz wykonano analizę ich składu chemicznego na skaningowym mikroskopie elektronowym. Pierwsza faza międzymetaliczna n[(Cu, Au)6Sn5], powstająca w obecności ciekłego lutowia, charakteryzowała się morfologią skallopków i wzrastała na granicy międzyfazowej miedź/lutowie. Z kolei dyfuzja w fazie stałej spowodowała wzrost kolejnej fazy e[(Cu, Au)3Sn]. Środkowy obszar złącza został wypełniony przez mieszaninę eutektyczną roztworu stałego cyny oraz fazy n[AuSn4]. Testy na ścianie przeprowadzone w temperaturze pokojowej dostarczyły informacji o wytrzymałości złączy na ścinanie, której wartości wahały się między 12,6÷17 MPa. Stwierdzono także, że pęknięcie rozprzestrzeniało się wewnątrz lutowia. Na podstawie przeprowadzonego eksperymentu wnioskowano, że za spadek właściwości mechanicznych wraz z wydłużającym się czasem lutowania odpowiedzialny jest wzrost szerokości warstwy faz międzymetalicznych.

Słowa kluczowe

EN

lead-free soldering; SnAuCu solders; mechanical properties; microstructure

PL

lutowanie bezołowiowe; lutowia SnAuCu; właściwości mechaniczne; mikrostruktura

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2010
• Tom: Vol. 31, nr 3
• Strony: 666--669
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Wojewoda-Budka J.

autor

Sypień A.

autor

Wierzbicka-Miernik A.

autor

Piątkowski A.

autor

Zięba P.

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

Bibliografia

• [1] RHS 2002/95/EC - Restriction of the Use of Certain Hazardous Substances in Electrical and Electronic Equipment.
• [2] WEEE 2002/96/EC – Waste Electrical and Electronic Equipment.
• [3] Miller C. M., Anderson I. E., Smith J. F.: A viable Sn-Pb solder substitute: Sn-Ag-Cu. J. Electron. Mater. 23 (1994) 595-601.
• [4] Loomans M. E., Fine M. E.: Tin-silver-copper eutectic temperature and composition. Metall. Mater. Trans. 31A (2000) 1155-1162.
• [5] Moon K. W., Boettinger W. J., Kattner U. R., Biancaniello F. S., Handwerker C. A.: Experimental and thermodynamic assessment of Sn-Ag-Cu solder alloys. J. Electron. Mater. 29 (2000) 1122-1136.
• [6] Lutowanie bezołowiowe na bazie Au-Sn. Patent application P-388171, IMIM PAN, Kraków (2009).
• [7] Wojewoda J., Onderka B., Zięba P.: The effect of intermetallic compound on shear strength of diffusion soldered interconnections. Adv. Eng. Mater. 8/3 (2006) 176-179.
• [8] Schwartz M. M.: ASM Handbook: Welding, brazing and soldering vol. 6. ASM International, USA (1993).
• [9] Wojewoda J., Zięba P.: Microstructure and kinetics of the Ag3Sn phase growth in Ag/Sn/Ag diffusion soldered interconnections. Inż. Mat. XXVIII (3-4) (2007) 496-498.
• [10] Karlsen O. B., Kjekshus A., Rost E.: The Ternary System Au-Cu-Sn. Acta Chem. Scand. 46 (1992) 147-156.
• [11] Zeng K., Tu K. N.: Six cases of reliability study of Pb-free solder joints in electronic packaging technology. Mater. Sci. Eng R 38 (2002) 55-105.
• [12] Tu K. N.: Solder joint technology. Materials, Properties and Reliability. Springer Science and Business Media, New York (2007).
• [13] Tu K. N., Zeng K.: Tin-lead (SnPb) solder reaction in flip chip technology. Mater. Sci. Eng. R34 (2001) 1-58.
• [14] Rönkä K. J., van Loo F. J. J., Kivilahti J. K.: The local nominal composition – useful concept for microjoining and interconnection application. Scripta Mater. 37 (1997) 1575-1581.
• [15] Kang S. K., Choi W. K., Shih D. Y., Henderson D. W., Gosselin T., Sarkhel A., Goldsmith C., Puttlitz K. J.: Ag3Sn plate formation in the solidification of near-ternary eutectic Sn-Sg-Cu. JOM 55 (2003) 61-65. [16] Bukat K., Hackiewicz H.: Lutowanie bezołowiowe. Wydawnictwo BTC, Warszawa (2007).
• [17] Wojewoda-Budka J.: Charakterystyka zjawisk na granicach międzyfazowych spoin otrzymanych w wyniku lutowania dyfuzyjnego
• miedzi stopami indu. Ph.D. Thesis in IMMS PAS, Kraków (2007).
• [18] Schmetterer C., Ipser H., Pearce J.: Elfnet & COST Action 531 Handbook of Properties of SAC Solders and Joints. COST Office, Vienna (2008).
• [19] Unal O., Foley J. C.: Effects of temperature and loading rate on the shear strength and shear yield stress of lead-free 97Cu-3Sn and 5.5Cu-4Sn-0.5Ag solder alloys. J. Mat. Sci. Let. 20 (2001) 1585-1587.
• [20] Chan Y. C., Alex C. K., Lai J. K. L.: Growth kinetic studies of Cu-Sn intermetallic compound and its effect on shear strength of LCCC SMT solder joints. Mat. Sci. Eng. B55 (1998) 5-13.
• [21] Ahat S., Sheng M., Luo L.: Microstructure and shear strength evolution of SnAg/Cu surface mount solder joint during aging. J. Electron. Mater. 30 (2001) 1317-1322.
• [22] Lee H. T., Chen M. H., Jao H. M., Liao T. L.: Influence of interfacial intermetallic compound on fracture behavior of solder joints. Mater. Sci. Eng. A 358 (2003) 134-141.
• [23] Kim K. S., Huh S.H., Suganuma K.: Effects of intermetallic compounds on properties of Sn-Ag-Cu lead-free soldered joints. J. Alloys Compd. 352 (2003) 226-236.
• [24] Deng X., Shidhu R. S., Johnson P., Chawla N.: Influence of reflow and thermal aging on the shear strength and fracture behavior of Sn-3.5Ag solder/Cu joints. Metall. Mater. Trans. A 36 (2005) 55-64.
• [25] Yoon J. W., Kim S. W., Jung S. B.: Interfacial reaction and mechanical properties of eutectic Sn-0.7Cu/Ni BGA solder joints during isothermal long-term aging. J. Alloys Compd. 391 (2005) 82-89.