Seosaineiden ja epäpuhtauksien vaikutus kuparin ja tinan välisiin reaktioihin

Abstract

Tässä työssä tutkittiin eräiden elektroniikkakokoonpanoissa yleisesti esiintyvien metallien vaikutusta juoteliitoksen peruselementtien, kuparin ja tinan välisiin reaktioihin. Näitä metalleja olivat nikkeli, kulta, hopea, rauta ja sinkki. Tavoitteena oli selvittää näiden seosaineiden vaikutukset yhdistekerrosten kasvuun sekä rajapinnassa esiintyvien huokosten muodostumiseen.

Työssä käytiin läpi elektroniikan kokoonpanoprosessia, juoteliitokselle tyypillisiä kuormitustilanteita ja käytettyjä luotettavuustestejä kirjallisuuteen ja tieteellisiin julkaisuihin perustuen. Myös diffuusioilmiön perusteita sekä Kirkendallin efektiä tarkasteltiin mahdollisena huokosten aiheuttajana. Lisäksi tarkasteltiin aiemmissa tutkimuksissa havaittuja seosaineiden vaikutuksia juoteliitoksen luotettavuuteen ja mikrorakenteeseen.

Yhdisteiden kasvun ja huokosten esiintymisen tutkimiseksi kuparia ja tinaa seostettiin edellä mainituilla metalleilla ja näistä seoksista valmistettiin erilaisia juote-substraatti -kombinaatioita. Juottamisen jälkeen näitä pareja hehkutettiin vielä kiinteässä tilassa 125-150°C:n lämpötilassa 0-2560 tuntia. Pareista tehtyjä poikkileikkausnäytteitä tutkittiin pyyhkäisyelektronimikroskoopilla.

Nikkelillä oli seosaineista voimakkain vaikutus rajapintareaktioihin. Jo 0,1 atomiprosentin nikkeliosuus kuparissa riitti ohentamaan Cu3Sn-kerrosta. Seoksilla Cu1Ni ja Cu2,5Ni havaittiin puolestaan huokosia yhdistekerrosten ja kuparin rajapinnassa. Suurimmat, viiden ja kymmenen prosentin nikkelipitoisuudet aiheuttivat Cu6Sn5-kerroksen äärimmäisen nopean kasvun, mutta syrjäyttivät kokonaan Cu3Sn-kerroksen. Nikkelin liukeneminen Cu6Sn5-kerrokseen Cu5Ni- ja Cu10Ni-seosten tapauksessa teki siitä mikrorakenteeltaan hyvin epäyhtenäisen. Muiden seosaineiden vaikutukset yhdisteiden paksuuskasvuun olivat puolestaan lieviä eikä huokosia esiintynyt millään muulla kuin nikkeliä sisältävillä seoksilla.

Työn tärkeimmät johtopäätökset liittyvät nikkelipitoisuuden vaikutuksiin liitosrajapinnan yhdisteisiin ja rakenteeseen. Näiden tulosten pohjalta on myös mahdollista suunnitella tarkentavia jatkotutkimuksia esimerkiksi ilmiöiden esiintymiselle kriittisten nikkelipitoisuuksien määrittämiseksi.

Effects of some alloying elements and impurities on the reactions between copper and tin were studied in this thesis. These metals were nickel, gold, silver, iron and zinc. The aim of this work is mainly to find out the effects of these elements on the thickness growth and void formation in the Cu-Sn interface.

The microelectronics assembly process, typical loading conditions and the most used reliability tests methods were considered based on literature and scientific articles. Also the basics of the diffusion phenomena and especially the Kirkendall effect were reviewed as the possible cause of voiding. In addition to this, the effects of the alloying elements on reliability and microstructure were investigated.

Copper and tin were alloyed with the metals and then the solder-substrate couples were prepared. These couples were soldered and then annealed at 125-150°C for 0-2560 hours. The cross-section samples were prepared and their examination was done by scanning electron microscope.

Nickel had the largest effect on the interfacial reactions. Already the 0.1 at-% nickel content in substrate copper decreased the thickness of the Cu3Sn layer. Voids were detected at the interface with Cu1Ni and Cu2.5Ni alloys. The largest nickel contents, 5 and 10 at-%, caused the extremely large growth of Cu6Sn5 layer and displaced the Cu3Sn layer. The dissolution of nickel in Cu6Sn5 compound caused the clear non-uniformity on its microstructure. The other metals had no significant effects on thickness growth and no voids were detected with these metals.

The most important conclusions of this thesis are related to effects of nickel contents on the interfacial structure and reactions. These results provide also the guidelines for further studies. The determination of critical nickel contents could be one topic of further considerations.