Interfacial reactions between Sn-based solders and common metallisations used in electronics

Thumbnail Image

Files

isbn9512285274.pdf (10.61 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Doctoral thesis (monograph)
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2006-12-08

Department

Department of Electrical and Communications Engineering
Sähkö- ja tietoliikennetekniikan osasto

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

136

Series

Report series / Helsinki University of Technology, Laboratory of Electronics Production Technology, 16

Abstract

During their lifetimes the electrical interconnections of portable electronic devices are subjected to high thermal, mechanical, chemical, and electrical loadings, and therefore the metallurgical compatibility between solder alloys and component pad metallisations has become ever more essential from the point of view of interconnection reliability. For this reason, the mechanisms of interfacial reactions are studied in this thesis by making use of thermodynamic calculations together with diffusion kinetic considerations and microstructural analyses. The formation of interfacial intermetallic compounds is investigated experimentally by using solid|liquid and solid|solid diffusion couples of several binary and ternary member systems. These systems include the most important metals used in electronics, tin (Sn), copper (Cu), nickel (Ni), silver (Ag), and gold (Au). The effects of additional elements such as P, Fe, Zn, and Ti on the growth kinetics and defect structures of interfacial intermetallics are also investigated. It is shown that the main factors affecting the thickness and morphology of interfacial intermetallic compounds in soldering are: i) the solubilities and, consequently, the dissolution rates of solid metals in liquid solders; ii) local equilibria and their changes as a function of time and temperature, and iii) the chemical reactions at the supersaturated liquid solder interfaces. The experimental results from isothermal aging at elevated temperatures demonstrate that alloying elements and impurities can change the microstructural evolution of solder interconnections drastically and thus diminish their mechanical integrity. The thermodynamic-kinetic approach, together with detailed microstructural observations, proved to be a very useful tool when studying the interfacial intermetallic reactions, as well as the evolution of solder interconnection microstructures, during long-term aging at elevated temperatures.

Kannettavat kulutuselektroniikkatuotteet joutuvat elinaikanaan kokemaan suuria termisiä, mekaanisia, kemiallisia sekä sähköisiä rasituksia. Siksi juotemateriaalien ja kontaktimetallointien välinen metallurginen yhteensopivuus on tullut yhä tärkeämmäksi tuotteiden luotettavuuden näkökulmasta. Tässä väitöskirjassa on tutkittu rajapintareaktioita termodynaamisten laskelmien, kineettisten tarkastelujen ja mikrorakennetutkimuksen avulla. Metallienvälisten rajapintayhdisteiden syntyä on kokeellisesti tutkittu sekä sula-kiinteä että kiinteä-kiinteä diffuusioparein useilla binäärisillä ja ternäärisillä systeemeillä. Nämä systeemit koostuvat tärkeimmistä elektroniikassa käytetyistä metalleista kuten tina (Sn), kupari (Cu), nikkelil (Ni), hopea (Ag) ja kulta (Au). Lisäksi työssä on tarkasteltu tyypillisten seosaineiden, kuten fosfori (P), rauta (Fe), sinkki (Zn) ja titaani (Ti), vaikutuksia sekä rajapintareaktioiden kinetiikkaan että virherakenteisiin. Työssä on osoitettu, että juotosprosessissa tärkeimmät metallienvälisten yhdisteiden paksuuteen ja morfologiaan vaikuttavat tekijät ovat: i) kontaktimetallien liukoisuus ja liukenemisnopeus sulaan juotteeseen; ii) paikallinen tasapaino ja sen muutokset lämpötilan ja ajan funktiona ja iii) juoterajapinnoilla ylikyllästeisessä sulassa tapahtuvat kemialliset reaktiot. Kokeelliset tulokset isotermisissä vanhennuskokeissa korotetussa lämpötilassa osoittavat, että seosatomeilla ja epäpuhtauksilla on voimakas vaikutus mikrorakenteiden käytönaikaisiin muutoksiin ja siten juoteliitosten luotettavuuteen. Työssä on osoitettu, että termodynaamis-kineettisen metodin käyttö yhdessä yksityiskohtaisen mikrorakenteellisen tarkastelun kanssa tarjoaa tehokkaan työvälineen juoteliitosten mikrorakenteiden muutosten tutkimukseen.

Description

Keywords

interfacial reactions, lead-free solder interconnections, microstructural evolution, thermodynamic-kinetic approach, Sn-Cu-Ni system

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/urn:nbn:fi:tkk-008728

Collections

[diss] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC