Lutowanie dyfuzyjne niskotemperaturowe. I. Aspekty strukturalne

• Autorzy: Wojewoda J. , Zięba P.

Warianty tytułu

EN

Diffusion soldering. I: Structural aspects

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Lutowanie dyfuzyjne niskotemperaturowe jest technologicznym procesem spajania materiałów przy użyciu warstwy niskotopliwego metalu lub stopu, umieszczonej pomiędzy substratami o stosunkowo wysokiej temperaturze topnienia. Taki układ jest ogrzewany, przy zastosowaniu minimalnego docisku, do temperatury powyżej punktu topnienia składnika niskotopliwego i utrzymywany w niej przez określony czas. Lutowina tworzy się w wyniku występowania zjawiska krystalizacji izotermicznej oraz następującej po nim dyfuzji w stanie stałym i składa się z faz międzymetalicznych, których temperatury topnienia są znacznie wyższe niż temperatura tworzenia lutowiny. Proces lutowania dyfuzyjnego niskotemperaturowego znajduje zastosowanie m.in. w mikroelektronice i elektrotechnice, dzięki względnie wysokiej temperaturze użytkowania powstającej lutowiny. Jest także przyjazny dla środowiska ze względu na nieobecność materiałów toksycznych, w tym ołowiu. Lutowanie dyfuzyjne łączy w sobie zalety lutowania konwencjonalnego (dobre wypełnienie obszaru lutowiny, brak konieczności specjalnego przygotowania powierzchni) i zgrzewania dyfuzyjnego (wyższe temperatury użytkowania, mniejsze naprężenia cieplne). Tworzenie się lutowiny następuje w kolejnych etapach: grzanie, rozpuszczanie, krystalizacja izotermiczna oraz wzrost faz międzymetalicznych. W przypadku odmiany wysokotemperaturowej lutowania dyfuzyjnego dochodzi jeszcze etap homogenizacji, a tworzenie lutowiny nie wymaga istnienia faz międzymetalicznych. Wszystkie etapy lutowania są przedmiotem szczegółowej analizy uwzględniającej zmiany strukturalne, stężenia składników oraz położenia punktów na układzie równowagi fazowej. Przedstawione są kryteria wyboru doboru materiału spajającego oraz omówione szczegółowo układy, w których proces lutowania dyfuzyjnego znalazł zastosowanie.

EN

Diffusion soldering is a technological process of joining materials, using an interlayer of low melting temperature metal or alloy, which is sandwiched between the substrates of relatively high melting temperature. Such an assembly is heated in a load press to a temperature above the melting point of the low melting component, and held at this temperature for a specified time and at a certain pressure. The joint is formed due to isothermal solidification and subsequent diffusion in solid state, which entirely consists of intermetallic phases with melting temperatures much higher than the temperature used for the fabrication of the joint. The process can find application in heating elements, thick-film hot plates, power electronics etc. due to the a relatively high service temperature of the resultant joint. The process is also environment friendly since no use of toxic materials is involved. The diffusion soldering combines the advantages of conventional soldering (good joint filling and tolerance to surface preparation) and diffusion bonding (higher service temperature, smaller thermal expansion mismatch stresses). The stages involved in joint formation are the following: heating, dissolution, isothermal solidification, growth of intermetallic phases and homogenization. The last stage is discussed from the view point of diffusion brazing, sister process of diffusion soldering which does not require the existence of intermetallic phases during joint formation. Further, the selection criteria for diffusion soldering are discussed. Finally, number of examples of alloy systems which have been designed and successfully used for diffusion soldering are presented and described in detail. Among them are Ag-ln and Ag-Sn, Ni-Sn, Cu-Sn, Au-ln, Au-Sn, Cu-In. Sn-In and Ni-Al.

Słowa kluczowe

PL

lutowanie dyfuzyjne; lutowanie niskotemperaturowe; spajanie

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2004
• Tom: R. XXV, nr 1
• Strony: 11--23
• Opis fizyczny: Bibliogr. 58 poz., tab., rys.

Twórcy

autor

Wojewoda J.

• Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN, Kraków

autor

Zięba P.

• Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN, Kraków

Bibliografia

• [1] Zięba P., Wojewoda J.: Application of diffusion soldering in lead-free interconnection technology. w: Recent research developments in materials science 4, Research Signpost, Kerala 2003, 261-282
• [2] Schmid-Fetzer R.: Fundamentals of bonding by isothermal solidification for high temperaturę semiconductor applications. w: Design fundamentals of high temperaturę composites, intermetallics, and metal-ceramics systems. (eds. R.Y. Lin, A. Chang, R.G. Reddy, C.T. Liu), The Minerals, Metals & Materials Society, Warrendale, PA 1995, 75-98
• [3] Humpsten G., Jacobson D. M.: Principles of soldering and brazing, ASM International, Materials Park, OH, 1993
• [4] Smith C. S.: A search for a structure. Cambridge, The MIT Press., MA 1981, 92-94
• [5] Cellini B.: Due Trattati, uno intorno alle otto principali arti del l'oreficiera. L'altro in materiał delFarte delia scultura. Florence, 1568
• [6] MacDonald W. D., Eagar T. W.: Transient liąuid phase bonding. Annl. Rev. Mater. Sci. 22 (1992) 23-46
• [7] Lynch J. F., Feinstein L., Huggins R. A.: Brazing by the diffusion controlled formation of a liąuid intermediate phase. Welding Journal 38 (1959) 85-89
• [8] Owczarski W. A.: Eutectic brazing of zircaloy 2 to type 304 stainless steel. Welding Journal 42 (1962) 78-83
• [9] Bernstein L., Bartholomew H.: Application of solid-liąuid interdiffusion (SLID) bonding in integrated circuit fabrication. Trans. AIME 236 (1966) 405-412
• [10] MacDonald W. D., Eagar T. W.: Transient liąuid phase bonding. w: The metal science of joining. (eds. M. J. Cieslak, J. H. Perepezko, S. Kang, M. E. Glicksman), The Minerals, Metals & Materials Society 1992, Warrendale, PA 93-100
• [11] Gale W. F.: Applying TLP bonding to the joining of structural intermetallic compounds. J. Metals. February (1999) 49-52
• [12] Shirzadi A. A., Waliach E. R.: Analytical modelling of transient liąuid phase (TLP) diffusion bonding when a temperaturę gradient is imposed. Acta Mater. 47 (1999) 3551-3560
• [13] Kwon Y. S., Kim J. S., Moon J. S., Suk M. J.: Transient liąuid phase bonding process using liąuid phase sintered alloy as an interlayer materiał. J. Mater. Sci. 35 (2000) 1917-1924
• [14] Zhou Y., Gale W. F., North T. H.: Modelling of transient liąuid phase bonding. Inter. Mater. Rev. 40 (1995) 181-196
• [15] Kirihara S., Tomota Y., Tsujimoto T.: Fabrication of Ti/Ti5Si3 functionally graded materiał by eutectic bonding method. Mater. Trans. JIM 39 (1997) 650-652
• [16] MacKay C. A.: Amalgams for improved electronics interconnection. IEEE Micro (4) (1993), 46-58
• [17] Karakaya L, Thompson W. T.: The Ag-Sn (silver-tin) system. Buli. Alloy Phase Diagr. 8 (1987) 340-347
• [18] Jacobson D. M., Humpston G.: Diffusion soldering. Sold. & Surf. Mount Technol. 10 (1992) 27-32
• [19] Baren M. R.: Ag-In (silver-indium). w: Phase diagrams of indium alloys and their engineering applications. (eds. C. Ehite and H. Okamoto), ASM International 1992, Materials Park, OH, 15-19
• [20] Bernstein L.: Semiconductor joining by the solid-liąuid-interdiffusion (SLID) process. J. Electrochem. Soc. 113 (1966) 1282-1288
• [21] Sangha S. P., Humpston G.: Shear strength of diffusion soldered joints. GEC Journal of Research 10 (1993) 174-178
• [22] Lee C. C., So W. W.: High temperaturę silver-indium joints manufactured at Iow temperaturę. Thin Solid Films 366 (2000) 196-201
• [23] Okamoto H., Massalski T. B.: Au-In (Gold-Indium). w: Binary alloy phase diagrams, T. B. Massalski (Editor in-chief), ASM International 1990, Materials Park, OH, 381-383
• [24] Wang T. B., Shen Z. Z., Ye R. Q., Xie X. M., Dtubhan F., Freytag J.: Die bonding with Au/In isothermal solidification techniąue. J. Electronic Materials 29 (2000) 443
• [25] Prince A., Raynor G. V., Evans D. S.: Phase diagrams of ternary gold alloys. The Institute of Metals (1990), London
• [26] Okamoto H., Massalski T. B.: The Au-Sn (gold-tin) system. Buli. Alloy Phase Diagr. 5 (1984) 492-503
• [27] Jacobson D. M., Sangha S. P. S.: Novel applications of diffusion soldering. Sold. & Surf. Mount Technol. 23 (1996) 12-15
• [28] Hou M. M., Eagar T. W.: Low temperaturę transient liąuid phase (LTTLP) bonding for Au/Cu and Cu/Cu interconnections. J. Electronic Packaging 114 (1992) 443-447
• [29] Subramanin P. R., Laughlin D. E.: The Cu-In (copper-indium) system. Buli. Alloy Phase Diagr. 10 (1989) 555-568
• [30] Sommadossi S., Khanna P. K., Bhatnagar S. K., Lityńska L., Zięba P., Gust W., Mittemeijer E. J.: Development of Cu/Cu joints using an In interlayer. Proc. EUROMAT 99, Vol. 4, (eds. B. Jouffrey, J. Svejcar), Willey-VCH 2000, Weinheim, 214-218
• [31] Sommadossi S., Lityńska L., Zięba P., Gust W., Mittemeijer E. J.: Transmission electron microscopy inyestigation of the microstructure and chemistry of Si/Cu/In/Cu/Si interconnections. Mater. Chem. Phys. 81 (2003) 566-568
• [32] Lityńska L., Wojewoda J., Zięba P., Gust W.: Mittemeijer E. J.: Development of Cu/Cu joints using an In interlayer. accepted to Mikroch. Acta.
• [33] Saunders N., Miodownik A. P.: The Cu-Sn (copper-tin) system. Buli. Alloy Phase Diagr. 11 (1990) 278-287
• [34] Bader S., Gust W. and Hieber H.: Rapid formation of intermetallic compound by interdiffusion in the Cu-Sn and Ni-Sn systems. Acta Metali. Mater. 43 (1995) 329-337
• [35] Bartels F., Morris J. W., Jr, Dalke G., Gust W.: Intermetallic formation of thin solid-liąuid diffusion couples. J. Electron. Mater. 23 (1994) 787-790
• [36] In-Sn (Indium-Tin) w: Binary alloy phase diagrams, T. B. Massalski (Editor in-chief), ASM International 1990, Materials Park, OH, 2295
• [37] Sommadossi S., Gust W., Mittemeijer E. J.: Characterization of the reaction process in diffusion-soldered Cu/In-48 at. % Sn/Cu joints. Mater. Chem. Phys. 77 (2002) 924-929
• [38] Zięba P., Wojewoda J.: Phase formation in diffusion-soldered Cu/In-Sn/Cu interconnections. submitted to Interface Sci
• [39] Sommadossi S., Huci J., Khanna P. K., Gust W., Mittemeijer E. J.: Mechanical properties of Cu/In-48Sn/Cu diffusion-soldered joints. Z. Metallkunde 93 (2002) 496-501
• [40] Ni-Sn (Nickiel-Tin) w: Binary alloy phase diagrams, T. B. Massalski (Editor in-chief), ASM International 1990, Materials Park, OH, 2863-2864
• [41] Khanna P. K., Dalke G., Gust W.: Morphology and long term stability of Ni/Ni interconnections based on diffusion soldering. Z. Metallkd. 90 (1999) 722-726
• [42] Gur D., Bamberg B.: Reactiye isothermal solidification in the Ni-Sn system. Acta Mater. 46 (1998) 4917-4923
• [43] Khanna P. K., Bhatnagar S. K.,DalkeG.,BrunnerD., GustW.: Development of thermally stable interconnections for application to resistiye films. Mater. Sci. Eng. B33 (1995) L6-L7
• [44] Okamoto H.: Al-Ni (aluminium-nickel). J. Phase Eąuilibria 14 (1993) 257-259
• [45] Lopez G. A., Sommadossi S., Gust W., Mittemeijer E. J., Zięba P.: Phase Characterization of diffusion soldered Ni/Al/Ni interconnections. Interface Sci. 10 (2002) 13-20
• [46] Lopez G., Zięba P., Sommadossi S., Gust W., Mittemeijer E. J.: Kinetic behaviour of diffusion-soldered Ni/Al/Ni interconnections. Mater. Chem. Phys. 78 (2003) 459-463
• [47] Studnitzky T., Schmid-Fetzer R.: Phase formation and reaction kinetics in M-Sn systems (M = Zr, Hf, Nb, Ta, Mo). Z. Metallkd. 93 (2002) 894-903
• [48] Studnitzky T., Schmid-Fetzer R.: Phase formation and reaction kinetics in M-In systems (M = Pt, Pd, Mn). Z. Metallkd. 93 (2002) 885-893
• [49] Studnitzky T., Schmid-Fetzer R.: Phase formation and diffusion soldering in Pt/In, Pd/In and Zr/Sn thin film systems, J. Electronic Mater. (2003) 70-80
• [50] Wong W. S., Wengrow A. B., Cho Y., Salleo A., Quitoriano N. J., Cheung N. W., Sands T.: J. Electronic Mater. 28 (1999) 1409-1413
• [51] Wong W. S., Sands T., Cheung N. W., Kneissl M., Bour D. P., Mei P., Romano L. T., Johnson N. M.: Appl. Phys. Lett. 77 (2000) 2822
• [52] Bryś S., Kuzio T., Winiowski A.: Spajanie dyfuzyjne. Przegląd Spawalnictwa 2 (1989)
• [53] Król, Z.: Lutowanie dyfuzyjne w piecach próżniowych z jednoczesną obróbką cieplną narzędzi. Mechanik 4 (1983)
• [54] Winiowski, A.: Lutowanie dyfuzyjne zastosowanie w nowoczesnych dziedzinach przemysłu. Przegląd Spawalnictwa 8-10 (2002)
• [55] Winiowski, A.: Lutowanie dyfuzyjne metali i stopów o różnych właściwościach. Praca Badawcza Instytutu Spawalnictwa nr Cc-48/ST-92.1/1996.
• [56] Winiowski, A.: Badania technologiczne dyfuzyjnego lutowania topnikowego aluminium. Praca Badawcza Instytutu Spawalnictwa nr Gn/ST160.1/2000
• [57] Włosiński, W.: The joining of advanced materials. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1999
• [58] Włosiński, W.: Podstawy technologii spajania materiałów zaawansowanych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1997.