Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Microstructural characterization of the Si/Cu/X/Cu/Si (X=In, In-48 at.% Sn) interconnections obtained in diffusion soldering process

Wojewoda J., Zięba P.

Inżynieria Materiałowa

|

2004

|

R. XXV, nr 3

460-463

EN

The paper presents the potential of diffusion soldering process application to the production of thermally stable Si/Si joints designed for microelectronics devices. Pure copper was used for metallization while In and an In-48 at.% Sn alloy as solder interlayers (Fig. 1). The samples were annealed at 180 °C and 200 °C for In and the In-Sn interlayer, respectively. The investigation of interconnections was performed using transmission electron microscope equipped with an energy-dispersive X-ray spectrometer. The presence of two phases: eta(Cu2In) and ...(Cu7ln3) in the Cu/In/Cu joint was found (Fig. 2). The eta phase was also observed in the Cu/Sn-In/Cu samples. However, in the central part of the joint it was based on the Cu6(Sn,In)5 compound and with an increasing distance from the middle of the joint this phase was replaced by eta(Cu2(In,Sn)). In the region adjacent to the copper substrate two phases: ...(Cu10(Sn,In)3) and ...(Cu7In3) were detected (Fig. 3). The high melting point (~600 °C) of all the phases (eta, ...) guarantees the thermal stability of the resulting interconnections (Figs.4, 5).

PL

W pracy przedstawiono możliwości techniki lutowania dyfuzyjnego niskotemperaturowego w produkcji termicznie stabilnych złączy Si/Si stosowanych w przemyśle elektronicznym. Podczas tworzenia złączy przeprowadzono metalizację z czystą miedzią oraz zastosowano jako lutowie warstwę indu oraz stopu eutektycznego indu i cyny (Rys. 1). Próbki z warstwą indu oraz stopu In-Sn były wygrzewane w odpowiednich temperaturach 180 oraz 200 °C. Wykonano mikroanalizę składu chemicznego otrzymanego złącza wykorzystując transmisyjny mikroskop elektronowy wyposażony w spektrometr dyspersji energii promieniowania X (EDX). W złączu Cu/In/Cu obecne były dwie fazy międzymetaliczne eta(Cu2In) oraz ...(Cu7ln3) zaobserwowano również w połączeniach Cu/Sn-In Cu. Jednakże w centralnej części złącza istniała faza eta typu Cu6(Sn,In)5, a wraz ze wzrastającą odległością od środka złącza faza ta była zastępowana przez jej inną odmianę opartą na formule Cu2(In,Sn). W obszarze bliskim substratowi miedzi zaobserwowano dwie fazy ...(Cu10(Sn,In)3) oraz delta(Cu7In3) (Rys. 3). Wysokie topnienia (~600 °C) wszystkich trzech faz (eta ...) gwarantują termiczną stabilność uzyskanych połączeń (Rys. 4,5).

2

Lutowanie dyfuzyjne niskotemperaturowe. II. Aspekty kinetyczne

Wojewoda J., Zięba P.

Inżynieria Materiałowa

|

2004

|

R. XXV, nr 1

24-28

PL

Część pierwsza pracy zawierała aspekty strukturalne procesu lutowania dyfuzyjnego niskotemperaturowego. Opisano przebieg jego kolejnych etapów, a także kryteria doboru materiału spajającego. Przedstawiona została również charakterystyka pokrewnego procesu, jakim jest lutowanie dyfuzyjne wysokotemperaturowe. Scharakteryzowano przykłady zastosowanych dotychczas układów, wyszczególniając tworzące się fazy międzymetaliczne w złączu oraz kolejność ich powstawania. Drugim ważnym zagadnieniem jest kinetyka procesu, której istotę stanowi pomiar grubości warstwy fazy międzymetalicznej i czas jej wzrostu. Omówione zostaną aspekty kinetyczne zarówno dla procesu lutowania wysoko-, jak i niskotemperaturowego. Wyróżnia się dwa rodzaje modeli procesu lutowania dyfuzyjnego wysokotemperaturowego: sekwencyjny i ciągły. W sekwencyjnym każdy kolejny etap procesu rozpatrywany jest osobno jako niezależny, a otrzymane rozwiązanie jest analityczne. W modelu ciągłym uzyskane rozwiązanie jest numeryczne, a proces stanowi jedną całość. W procesie lutowania dyfuzyjnego niskotemperaturowego mamy do czynienia z warstwami charakteryzującymi się bardzo wąskim zakresem jednorodności, tzn. cienkimi warstwami. Dla nich trudno jest obliczyć współczynnik dyfuzji z krzy-wej stężenia, ponieważ gradient stężenia dąży do zera, a współczynnik dyfuzji dąży do nieskończoności. Przedstawiono rozwiązanie tego problemu, podane przez Wagnera w postaci tzw. uśrednionego współczynnika dyfuzji, a także omówiono szybkość wzrostu faz międzymetalicznych w złączu dyfuzyjnym. Na końcu podane zostały przykłady obliczeń kinetyki wzrostu warstw faz międzymetalicznych dla na-stępujących układów: Ni-Al, Cu-Sn, Cu-In oraz Cu-In-Sn.

EN

The first part contained structural aspects of the diffusion soldering process where the principle of the process and its successive stages were described. It also included the selection criteria for diffusion soldering and characteristics of several alloy systems which have been designed and successfully used for diffusion soldering. Diffusion brazing process is related joining technique and from that reason some attention was paid also on it. This paper is focused on the kinetic aspects of the process. Both the kinetics of the diffusion brazing and soldering will be described. For the diffusion brazing two kinds of model can be distinguished - analytical and numerical. First one treats the joining process as a number of discrete stages. Numerical methods describe the process as a continuous one. They can be applied lo two- or three-dimensional joining situations and when the components have complicated shapes. In multiphase systems with intermediate compounds which are characterized by the narrow homogeneity range, one may calculate values of the integral diffusion coefficient extended over the homogeneity range of the various compounds according to the solution given by Wagner. This is accomplished with the use of the growth constants determined from the plots of the growth distance of the intermetallic layer versus time of soldering. The details of the procedure which has to be applied and examples relevant for some systems presented in Part I of the paper are presented, namely Al-Ni, Cu-Sn, Cu-In and Cu-In-Sn.

3

Lutowanie dyfuzyjne niskotemperaturowe. I. Aspekty strukturalne

Wojewoda J., Zięba P.

Inżynieria Materiałowa

|

2004

|

R. XXV, nr 1

11-23

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.