Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Morphology and chemistry characterization of intermetallic phases in (Cu + 5 at. % Ni)/Sn-Ag-Sn/(Cu + 5 at. % Ni) interconnections

Wierzbicka-Miernik A.

Inżynieria Materiałowa

|

2013

|

Vol. 34, nr 3

209--211

EN

The paper presents scanning (SEM) and transmission (TEM) electron microscopy studies on the microstructure and chemical composition of the (Cu + 5 at. % Ni)/Sn-Ag-Sn/(Cu + 5 at. % Ni) interconnections. The Sn, Cu and Ag are the main elements in all kinds of environment-friendly substitutes of previously used Pb-Sn eutectic solders in the electronics devices. The addition of the Ni to the copper substrate leads to the acceleration of the Cu6Sn5 intennetallic phase (IP) growth together with the change of the IP morphology. The thin (5 um) Ag interlayer is applied in order to avoid the Kirkendall voids formation in the center of the (Cu + 5 at. % Ni)/Sn/ (Cu + 5 at. % Ni) joints and in a consequence the improvement of the quality of the interconnections. The samples were prepared at various soldering temperature (240, 250 and 260°C) and annealing times (2, 5, 10, 15 and 20 min) necessary to accomplish the diffusion soldering process. The microstructure and chemical composition analyses reveal the formation of two intermetallic phases (Cu1_xNix)6Sn5 and Ag3Sn in the interconnection area. The (Cu1_xNix)6Sn5 phase was detected in the whole reaction zone while the Ag3Sn full field only the centre of joint, taking the shape of the relatively large, rounded linearly located grains. Moreover, the EDS analysis (line scan and mapping) made across the substrate/(Cu1gxNix)6Sn5 interface revealed the signiﬁcant amount of nickel within the layer adj acent to (Cu + 5 at. %Ni).

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań uzyskane za pomocą skaningowej (SEM) i transmisyjnej (TEM) mikroskopii elektronowej dotyczące charakterystyki mikrostrukturalnej oraz składu chemicznego złączy (Cu + 5% at. Ni)/ Sn-Ag-Sn/(Cu + 5% at. Ni). Cyna, miedź i srebro stanowią główne składniki bezołowiowych lutowi, będących zamiennikami dotychczas stosowanych w elektronice eutektycznych stopów Pb-Sn. Dodatek Ni do substratów miedziowych prowadzi do znacznego przyspieszenia wzrostu fazy międzymetalicznej Cu6Sn5 oraz zmiany jej morfologii. Cienką warstwę Ag (5 um) zastosowano w celu uniknięcia powstawania pustek Kirkendalla obserwowanych wzdłuż całego złącza w układzie (Cu + 5 at. % Ni)/Sn/(Cu + 5 at. % Ni), co z kolei skutkuje w polepszeniu jakości i niezawodności złącza. Próbki do badań uzyskano metodą lutowania dyfuzyjnego przez wygrzewanie ich w różnej temperaturze: 240, 250 i 260°C przez 2, 5, 10, 15 i 20 minut. Charakterystyka mikrostrukturalna oraz analiza składu chemicznego spoin ujawniły występowanie dwóch faz międzymetalicznych (Cu1_xNix)6Sn5 i Ag3Sn. Faza (Cu1_xNix)6Sn5 tworzyła się w całej strefie reakcji pomiędzy substratem i lutowiem. Natomiast faza Ag3Sn była obecna tylko w centrum złącza w formie dość dużych, kulistych, liniowo ułożonych ziaren. Ponadto analiza EDS (wzdłuż linii oraz powierzchniowe rozmieszczenie pierwiastków) wykonana na granicy substrat/(Cu1gxNix)6Sn5, potwierdziły znaczne zwiększenie zawartości niklu wtym obszarze.

2

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

Skrzyniarz P., Wojewoda-Budka J., Filipek R., Zięba P.

Inżynieria Materiałowa

|

2010

|

Vol. 31, nr 3

662-665

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.

3

Microstructure and Kinetics of Intermetallic Phases Growth in Ag/Sn/Ag Joint Obtained as the Results of Diffusion Soldering

Skrzyniarz P., Sypień A., Wojewoda-Budka J., Filipek R., Zięba P.

Archives of Metallurgy and Materials

|

2010

|

Vol. 55, iss. 1

123-130

EN

Copper plays the role of the fundamental conductive layer in electronic circuits. Nevertheless, in the crucial areas, silver is used due to its higher electrical and thermal conductivity as well as oxidation resistance. Diffusion soldering is one of the novel technologies of metals joining which can successfully be used in the electronic industry. The main advantage of this process is that a joint produced is characterized by thermal and mechanical stability at temperatures 2-3 times higher than the soldering temperaturę. This paper presents results of optical and scanning electron microscopy observations of Ag/Sn/Ag joints obtained using diffusion soldering at the temperaturę 243 °C and 258 °C. The kinetics of Ag3Sn intermetallic phase growth was also studied as well as the chemical composition at the joint cross sections was determined using the energy dispersive X-ray spectroscopy method. The interdiffusion coemcients were calculated on the basis of the determined Ag3Sn phase growth ratę curves applying the numerical diffusion model developed at the Department of Solid State Chemistry, the Faculty of Materials Science and Ceramics at the AGH University of Science and Technology.

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. Lutowanie dyfuzyjne niskotemperaturowe (ang. diffusion soldering) stanowi jedną z nowatorskich technik łączenia metali ze względu na łatwość zastosowania i szybkość procesu, w szczególności w przemyśle elektronicznym. Główną zaletą lutowania dyfuzyjnego niskotemperaturowego jest otrzymanie połączenia wykazującego stabilność termiczną i mechaniczną w temperaturach 2-3 razy wyższych niż temperatura lutowania. W pracy przedstawiono wyniki badań złącz Ag/Sn/Ag otrzymanych za pomocą lutowania dyfuzyjnego niskotemperaturowego w temperaturze 243 °C i 258 °C wykonane techniką mikroskopii optycznej i skaningowej mikroskopii elektronowej. Określona została także kinetyka wzrostu fazy międzymetalicznej Ag3Sn i skład chemiczny na przekroju spoiny metodą spektroskopii promieniowania rentgenowskiego z dyspersją energii. W oparciu o wyznaczone krzywe szybkości wzrostu fazy Ag3Sn obliczono współczynniki dyfuzji wzajemnej przy zastosowaniu numerycznego modelu dyfuzji opracowanego w Katedrze Fizykochemii Ciała Stałego na Wydziale Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Akademii Górniczo-Hutniczej.

4

Solidification and solid/liquid interface paths for the formation of protective coatings

Wołczyński W., Himemiya T., Kopyciński D., Guzik E.

Archiwum Odlewnictwa

|

2006

|

R. 6, nr 18/1

359--362

EN

A solidification path was determined for the processes of diffusion soldering and hot dip galvanizing occurred at constant temperature. The solidification path is shown for binary Ni-Al and Fe-C phase diagrams. The beginning of solidification path is estimated from measurement of the average solute concentration within coating frozen during solidification. The end of solidification path is a result of a cross-section of the real temperature applied in technology and liquidus line of a given phase diagram.

PL

Ścieżka krystalizacji została wyznaczona dla procesu spajania dyfuzyjnego oraz cynkowania metodą zanurzeniową, które przebiegają w warunkach izotermicznych. Ścieżka krystalizacji jest pokazana na przykładzie podwójnych diagramów fazowych równowagi stabilnej: Ni-Al oraz Fe-C. Początek ścieżki krystalizacji jest oszacowany z pomiarów średniego stężenia składnika stopowego w powłoce zamrożonej w trakcie krystalizacji. Koniec ścieżki krystalizacji jest wynikiem przecięcia rzeczywistej temperatury zastosowanej w danej technologii oraz linii likwidus danego diagramu fazowego równowagi stabilnej.

5

Growth kinetics of the intermetallics formed in diffusion soldered interconnections

Wojewoda J., Zięba P., Onderka B., Filipek R., Romanów P.

Archives of Metallurgy and Materials

|

2006

|

Vol. 51, iss. 3

345-353

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.

6

Lutowanie dyfuzyjne niskotemperaturowe : alternatywna technologia spajania materiałów

Wojewoda J., Zięba P.

Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania

|

2005

|

Vol. 46, nr 9

13-14

PL

Zamieszczono szcegółowyopis procesu lutowania dyfuzyjnego. W świetle zagadnienia ochrony środowiska przedstawiono rolę tej nowoczesnej technologii spajania. Jest ona idealnym rozwiązaniem w przypadku łączenia elementów stosowanych w elektronice, ze względu na jej alety (wysoka stabilność termiczna i mechaniczna produkowanych złączy) oraz prostotę. Ponadto podano przykłady dotychczas zastosowanych materiałów jako lutowi oraz opisano podstawy kinetyki wzrostu faz międzymetalicznych.

EN

Paper contains detailed description of diffusion soldering process. The importance of the new joining technology with the reference to environment protection is discussed. The advantages of the process (high thermal and mechanical stability of the produced interconnections) and its simplicity make it as an excellent solution for joining of devices in electronic equipment. Moreover, the exlamples of so far applied materials as the solders are given together with the kinetic explanation of the typical phenomena occurring during growth of the intermetallic phases.

7

Formation of the structure within Ni-Al alloys of a special application

Wołczyński W., Janczak-Rusch J., Kloch J., Guzik E.

Archiwum Odlewnictwa

|

2004

|

R. 4, nr 11/2

288--293

EN

Formation of the structure during diffusion soldering/brazing is considered. Some intermetallic phases/compounds are growing in a sequence. The growth of the phases/compounds is described by means of the adequate equations. A joint containing Al3Ni2 phase and Al3Ni compound was frozen to reveal the segregation across them as well as the thickness of sub-layers. The applied theory was medified by introducing a parameter responsible for freezing. The Ni-Al-Ni joints were produced using a specially designed vacuum soldering /brazing apparatus with a facility for rapid cooling. The SEM technique was applied to identify the sequence of intermetallic phases/compounds.

PL

Analizowane jest kształtowanie się struktury podczas powstawania złącz dyfuzyjnych. Fazy i związki międzymetaliczne wzrastają w określonej sekwencji. Ich wzrost opisany jest odpowiednimi równaniami. Złącze złożone z fazy Al3Ni2 oraz związku Al3Ni zostało zamrożone celem ujawnienia segregacji na jego szerokości jak również określenia wymiaru podwarstw. Zastosowana teoria została zmodyfikowana przez wprowadzenie parametru odpowiedzialnego za mrożenie struktury. Wyprodukowano złącze dyfuzyjne Ni-Al-Ni przy użyciu specjalnie skonstruowanego urządzenia próżniowego.

8

Secondary ion mass spectrometry: a powerful tool for diffusion studies in solids

De Souza R. A., Martin M.

Archives of Metallurgy and Materials

|

2004

|

Vol. 49, iss. 2

431-446

EN

We disuss the use of secondary ion mass spectrometry (SIMS) as a powerful tool for diffusion studies in solids. The basic principles of SIMS are introduced and examples for oxygen diffusion and cation diffusion in oxides are given. It is shown that SIMS is capable of analysing diffusion profiles on a broad length scale, from some tens of nanometres to several hundred micrometres, which makes it possible to measure diffusion coefficients from ab out 10(-22) m2s(-1) to 10(-10) m2s(-1).

PL

W pracy przedstawiono zalety SIMS jako narzędzia badania dyfuzji w ciałach stałych. Omówiono zasady metody SIMS oraz przykłady dyfuzji tlenu i kationów w tlenkach. Wykazano, ze metodą tą można analizować profile dyfuzji w szerokim zakresie odległości, od dziesiątek nanometrów do setek mikrometrów, co sprowadza sie do mozliwości pomiaru współczynnika dyfuzji w zakresie od 10 (do -18 potęgi) cm kwadr. s-1 do 10 (do-6potęgi)cm kwadr. s-1.

9

Diffusion processes in diffusion-soldered interconnections

Wojewoda J., Lopez G. A., Zięba P., Mittemeijer E. J.

Archives of Metallurgy and Materials

|

2004

|

Vol. 49, iss. 2

277-291

EN

The paper presents fundamentals of the diffusion processes occurring in interconnections produced by means of diffusion soldering. The stages involved in the formation of the interconnection are described for the Al-Ni system as an example. The growth of the formed intermetallic phases is the most important step from the kinetic point of view because it determines the rate of the whole process. If the growth-controlling factor is bulk diffusion, then the solution of the diffusion problem leads to Wagner's integral interdiffusion coefficient. To solve Wagner's equation it is necessary to determine the growth constant kp. The procedure leading to a proper determination of kp from a plot of the intermetallic layer thickness as function of time is described in details. Finally, examples of kinetic calculations for the intermetallic phase growth in the Al-Ni, Cu-Sn, Cu-In and Cu-In-Sn systems are presented.

PL

W pracy przedstawiono opis procesów dyfuzyjnych zachodzących w spoinie (lutowinie) utworzonej w wyniku niskotemperaturowego lutowania dyfuzyjnego. Na przykładzie złącza Ni/Al/Ni zostały opisane poszczególne etapy tworzenia lutowiny. Najważniejszym etapem, determinującym kinetykę całego procesu jest okres wzrostu faz międzymetalicznych. W przypadku, gdy czynnikiem kontrolującym wzrost jest dyfuzja objętościowa, wtedy rozwiązanie zagadnienia dyfuzji sprowadza się do wyznaczenia uśrednionego współczynnika dyfuzji wzajemnej z równania Wagnera. Zastosowanie równania Wagnera wymaga wyznaczenia stałej wzrostu parabolicznego. pokazana została procedura pozwalająca na poprawne wyznaczenie kp z wykresu zależności pomiędzy grubością warstwy metalicznej, a czasem trwania lutowania dyfuzyjnego. Przedstawiono również przykłady obliczeń kinetyki wzrostu faz międzymetalicznych w układach Al-Ni, Cu-Sn, Cu-In oraz Cu-In-Sn.