Growth kinetics of the intermetallics formed in diffusion soldered interconnections

• Autorzy: Wojewoda J. , Zięba P. , Onderka B. , Filipek R. , Romanów P.

Warianty tytułu

PL

Kinetyka wzrostu faz miedzymetalicznych w spoinie utworzonej w wyniku lutowania dyfuzyjnego niskotemperaturowego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The In-48 at.% Sn eutectic alloy was used in order to make Cu/Cu interconnection in the joining process called diffusion soldering. The sequence of intermetalic phases formation and their growth kinetics were determined by means of the light microscopy and scanning electron microscopy. This allowed to calculate the growth rate constant k and exponential factor n in the equation: x = k · tn as well as to draw the diffusion path on the appropriate isotherm of Cu-In-Sn system. It was revealed that the η [Cu6(Sn,In)5] phase appeared as the first one in the solid-liquid reaction between the Cu and In-Sn liquid and possessed dual morphology of fine and coarse grains. The deep grooves separating particular scallops of the η phase were considered to be “fast diffusion paths” at the early stage of the process. The gradual disappearance of grooves during further soldering makes the volume diffusion to be predominant way of mass transport. The second intermetallic phase δ [Cu41(Sn,In)11] was formed in the solid-solid reaction between the copper and η phase. It was observed either at lower temperatures after longer annealing time (tens of hours) or after short time (minutes) at 300C and higher temperatures. This phase had rather regular interface and its growth was governed by the chemical reaction at the interface. The growth rate constant grew with the temperature and it was even three times higher then that one for the η phase. A short incubation time preceded the growth of this phase. The fundamentals of mathematical model enabling the description of the growth of intermetallic phases in multi-component systems were presented.

PL

Stop eutektyczny In-48 at.% Sn został zastosowany do utworzenia spoiny Cu/Cu w procesie lutowania dyfuzyjnego-niskotemperaturowego. Sekwencja tworzących się faz międzymetalicznych w spoinie oraz kinetyka ich wzrostu została opisana przy pomocy mikroskopii optycznej i skaningowej mikroskopii elektronowej. Pozwoliło to wyznaczyć stałą szybkości wzrostu oraz wykładnik potęgowy w równaniu: x = k · tn oraz wykreslić tzw. scieżkę dyfuzji w oparciu o przekroje izotermiczne układu Cu-Sn-In. Jako pierwsza tworzy sie faza η [Cu6(Sn,In)5] w reakcji między Cu i ciekłym stopem In-Sn. Posiada dwie morfologie różniące się wielkościami ziaren. Faza η w kontakcie z lutowiem tworzy charakterystyczne skalopki oddzielone od siebie wąskimi kanałami, które identyfikowane są jako ścieżki szybkiej dyfuzji w wczesnym stadium lutowania. Stopniowy zanik kanałów prowadzi do zwiększenia roli dyfuzji objętościowej jako czynnika kontrolującego kinetykę wzrostu faz w spoinie. Druga faza międzymetaliczna δ[Cu41(Sn,In)11] tworzy się podczas reakcji w stanie stałym między Cu i faza η. Jej wzrost obserwowano w niższych temperaturach po kilkudziesięciu godzinach wygrzewania lub po kilku minutach lutowania w temperaturze 300C i wyższych. Tworzenie się fazy η poprzedzone jest krótkim okresem inkubacyjnym a jej wzrost kontrolowany jest reakcją na granicy faz. Stała szybkości wzrostu fazy η wzrasta wraz ze wzrostem temperatury procesu i jest nawet trzy razy większa od stałej właściwej dla wzrostu fazy η. Przedstawiono podstawy modelu matematycznego dyfuzji w układach wieloskładnikowych, który może być wykorzystany do opisu wzrostu faz międzymetalicznych w spoinie.

Słowa kluczowe

EN

intermetallic phases; diffusion soldering

PL

fazy międzymetaliczne; lutowanie dyfuzyjne

• Wydawca: Institute of Metallurgy and Materials Science of Polish Academy of Sciences ; Committee of Materials Engineering and Metallurgy of Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Metallurgy and Materials
• Rocznik: 2006
• Tom: Vol. 51, iss. 3
• Strony: 345--353
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Wojewoda J.

autor

Zięba P.

autor

Onderka B.

autor

Filipek R.

autor

Romanów P.

• Institute of Metallurgy and Materials Science, PAS, 30-059 Kraków, 25 Reymonta Str.

Bibliografia

• [1] G. Humpsten, D. M. Jacobson, Principles ofs oldering and brazing, ASM International, Materials Park, OH (1993).
• [2] P. K. Khanna, S. K. Bhatnagar, L. S. Chang, W. Gust, Z. Metallkd. 90, 470 (1999).
• [3] W. F. Gale, J. Metals, February, 49 (1999).
• [4] P. K. Khanna, S. Sommadossi, G. Lopez, E. Bielańska, P. Zięba, L. S. Chang, W. Gust, E. J. Millemeijer, Conf. Proc, EUROMAT 99, edited by B. Jouffrey, J. Svejcar, Vol. 4, Willey-VCH, Weinheim, 219 (2000).
• [5] P. Zięba, J. Wojewoda, Application of diffusion soldering in lead-free interconnection technology. In: Recent research developments in materials science 4, Research Signpost, Kerala, 261 (2003).
• [6] S. Sommadossi, W. Gust, E.J. Mittemeijer, Mater. Sci. Techol. 19, 528 (2003).
• [7] S. Bader, W. Gust, H. Hieber, Acta Metali. Mater. 43, 329 (1995).
• [8] G. Lopez, P. Zięba, S. Sommadossi, W. Gust, E. J. Mittemeijer, Mater. Chem. Phys. 78, 459 (2003).
• [9] X. J. Liu, H. S. Liu, I. Ohnuma, R. Kainuma, K. Ishida, S. Itabashi, K. Kameda, K. Yamaguchi, J. Electr. Mater. 30, 1093 (2001).
• [10] B. Pieraggi, Oxid. Met. 27, 177 (1987).
• [11] C. Wagner, Acta Metali. 17, 99 (1969).
• [12] F. Sauer, V. Freise, Z. Elektrochem. 66, 353 (1962).
• [13] L. Boltzmann, Annal. Physik 53, 960 (1884).
• [14] C. Mat ano, Jap. J. Phys. 8, 109 (1933).
• [15] M. Danielewski, M. Wakihara, Defect and Diffusion Forum 237-240, 151 (2005).
• [16] L. Kaufman, B. Bernstein, "Computer Calculations of Phase Diagrams with Special Reference to Refractory Materials", Academic Press, New York (1970).
• [17] U. R. Kattner, J. Phase Equlibria and Diffusion 27, 126 (2006).
• [18] S. Datta, R. Filipek, M. Danielewski, Defect and Diffusion Forum 203-205, 47 (2002).
• [19] S. V. Divinski, F. Hisker, Chr. Herzig, R. Filipek, M. Danielewski, Defect and Diffusion Forum 237-240, 50 (2005).
• [20] M. Planck, Ann. Phys. Chem. (Wiedemann) 39, 161 (1890).
• [21] L. S. Castleman.L. L. Siegle, Jour. Met. 9, 1173 (1957).
• [22] R. Filipek, P. Zięba, M. Danielewski, J Wojewoda, K. Szyszkiewicz, "Mathematical model and numerical solution of the problem of the growth of intermediate phases", Computational Materials Science, in preparation.