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Main Title: Bildung und Eigenschaften von intermetallischen Phasen in binären SnZn- und ternären SnZnAl-Lotlegierungen auf Cu/Ni/Au- und Cu/Sn-Metallisierungen unter Berücksichtigung des Lotvolumens
Translated Title: Formation and properties of intermetallic compounds in binary and ternary SnZn- and SnZnAl-Solderjoints on Cu/Ni/Au- and Cu/Sn- metallisations considering the solder volume
Author(s): Klima, Simona
Advisor(s): Müller, Wolfgang H.
Villain, Jürgen
Referee(s): Müller, Wolfgang H.
Villain, Jürgen
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Die Herstellung zuverlässiger Lötverbindungen ist zum größten Teil von der Bildung der intermetallischen Phasen an der Grenzfläche zwischen dem Lot und der Metallisierung der elektronischer Bauelemente oder der Leiterplatte, wie Sn, Cu, Ni oder Au, abhängig. Durch den Einsatz immer kleiner werdenden elektronischer Bausteine schrumpft das Lotvolumen und damit steigt der Anteil der intermetallischen Phasenzone an. Das Verständnis der Grenzflächenreaktionen zwischen Lot und Substrat ist von großer Bedeutung, weil sie die Benetzbarkeit, die Festigkeit und die Zuverlässigkeit der Lötverbindung beeinflussen. Die intermetallischen Phasen weisen oftmals mechanische Eigenschaften auf, deren Kennwerte weit über denjenigen der Grundmetalle liegen, aus denen sie entstanden sind. Kenntnisse über die mechanischen Eigenschaften der intermetallischen Phasen sind wichtig um die Beständigkeit kleiner Lötverbindungen, die meistens nur aus einigen Körner bestehen, zu beurteilen. Nanohärtemessungen werden häufig benützt um grundlegende Kennwerte, wie Härte und E-Modul, bei sehr kleinen Proben zu gewinnen. In der vorliegenden Arbeit wurden die Grenzflächenreaktionen zwischen SnZn9- und SnZn9Al1,5-Loten und Cu/Sn und Cu/Ni/Au-Metallisierungen unter Berücksichtigung des umgeschmolzenen Lotvolumens (0,05 mm3, 1,3 mm3 und 31,4 mm3) untersucht. Die Kinetik der Phasenbildung und des Wachstumsverhaltens der Schichten an der Grenzfläche Lot-Substrat wurden mittels Raster Elektronen Mikroskopie und energiedispersiver Röntgenanalyse (EDX) aus Alterungsversuchen bei 100 °C, 125 °C und 150 °C und verschiedene Auslagerungszeiten bestimmt. Weiterhin wurden aus Nanohärtemessungen die Nanohärte, Elastizitätsmodule und Streckgrenzen der intermetallischen Phasen sowohl an der Grenzfläche Lot-Substrat als auch an den Vollmaterialphasen Cu5Zn8, AuZn3, NiZn3 und (AuNi)Zn3 bestimmt. Die ermittelten Werte der Vollmaterialphasen können anschließend für thermo-mechanische Simulationsrechnungen benützt werden. Die Untersuchungen zeigen, dass eine Abhängigkeit vom umgeschmolzenen Lotvolumen vorliegt. Bei der Grenzflächenreaktionen der SnZn9- und SnZn9Al1,5-Lote mit dem Cu/Sn-Substrat entsteht die intermetallische Verbindung Cu5Zn8. Die Wachstumskonstanten der Cu5Zn8-Schicht sowie die Arrheniusparameter des Schichtwachstums wurden für beide Lote bestimmt und verglichen. Bei dem kleinen Volumen stoppt die Grenzflächenreaktion schon nach 500 Stunden. Die Kinetik der Reaktionen an der Grenzfläche SnZn9-Cu/Sn-Substrat der großen Proben ist diffusionskontrolliert mit einer Aktivierungsenergie von 28,06 kJ/mol. Die Kinetik des Cu5Zn8-Schichtwachstums bei der Verwendung von SnZn9Al1,5 ist von Volumen der Proben abhängig. Bei größeren Volumina ist die Kinetik reaktionskontrolliert, bei kleinem Volumen ist sie diffusionskontrolliert. Unter der gebildeten Cu5Zn8-Schicht entstehen bei beiden Loten CuSn-Phasen, die ins Kupfer wachsen. Weiterhin wurden die Diffusionsparameter von Kupfer in SnZn9 und SnZn9Al1,5 bestimmt. Die Aktivierungsenergie der Diffusion von Cu in SnZn9 beträgt 73,7 kJ/mol, die von Cu in SnZn9Al1,5 beträgt 85,6 kJ/mol. Die Grenzflächenreaktionen zwischen Lot und Cu/Ni/Au-Substrate sind von mehreren Faktoren abhängig. Diese Abhängigkeiten sind: Volumen der Proben, Au-Schichtdicke, Auslagerungszeit und Auslagerungstemperatur. Au-Schichtdicken von 400 nm führen bei beiden Loten zur Bildung einer AuZn3-Schicht, die sich von der Grenzfläche abhebt und ins Lotvolumen wandert. Die Reaktionen an der Grenzfläche SnZn9 und Cu/Ni/Au mit Au-Schichtdicken von 100 nm nach Umschmelzen und nach Auslagerung führen zur Bildung der Dreistoffphasen β-(Ni(1-x)Aux)Zn, ϒ1-(Ni(1-x)Aux)Zn3, ϒ-(Ni(1-x)Aux)5Zn21 und δ-(Ni(1-x)Aux)Zn8. Zur Lotseite entsteht neben der δ-Phase auch eine Zn-Schicht. Nach Auslagerungsversuche wächst nur die Zn+δ-(Ni(1-x)Aux)Zn8-Schicht. Der maßgebende Faktor in der Kinetik des Zn+δ-(Ni(1-x)Aux)Zn8-Schichtwachstums ist die Diffusion der Zn-Atome. Bei kleinen Lotvolumina und 100 °C ist die Kinetik des Schichtwachstums reaktionskontrolliert, bei 125 °C und 150 °C ist sie bei allen untersuchten Proben diffusionskontrolliert. Die Reaktionsprodukte an der Grenzfläche SnZn9Al1,5-Lot und Cu/Ni/Au-Substrat sind vom Volumen des umgeschmolzenen Lotes abhängig. Beim großen Volumen entstehen zur Ni-Seite aluminiumhaltige Vierstoffphasen (NiAu)(AlZn)2. Beim kleinen Lotvolumen entstehen die Dreistoffverbindungen ϒ1-(Ni(1-x)Aux)Zn3 und ϒ-(Ni(1-x)Aux)5Zn21. Zur Lotseite entsteht bei allen Proben die Zn+δ-(Ni(1-x)Aux)Zn8-Schicht mit einem diffusionskontrollierten Schichtwachstum. Die Nanohärtemessungen ergaben bei allen untersuchten intermetallischen Phasen, dass eine Lastabhängigkeit vorliegt. Die Werte an der Grenzschicht Cu-Lot stimmen gut mit den gemessenen Werten der Vollmaterialproben bei der entsprechenden Last überein. Bei Cu5Zn8 ist ein Härte und Er-Modul-Anstieg mit kleineren Lasten zu beobachten. Bei AuZn3, NiZn3 und (NiAu)Zn3 fällt die Härte mit fallender Last, die Er-Module bleiben konstant. Im Gegensatz zum Er-Modul stimmen die Härtewerte der AuZn3-Phase aus den Umschmelzproben nicht mit den gemessenen Vollmaterialproben überein.
The fabrication of reliable solder joints mainly depends on the formation of intermetallic compounds at the interface between the solder and the metallization of the electronic components or the circuit boards, such as Sn, Cu, Ni or Au. The solder volume shrinks due to the use of decreasing electronic components and therefore there can be noticed an increase in the amount of the intermetallic compound layer. However it is important to understand the significance of interface reactions between solder and substrat, because of their impact on the wetability, strength and reliability of the solder joints. Often the intermetallic phases show mechanical characteristics, whose specific values lie beyond those of the basic metals they emerged from. Knowledge of mechanical characteristics of the intermetallic compounds is important to assess the stability of small solder joints, which often only consist of few grains. Nano indentations are frequently used to gain basic parameters, such as hardness and E-modules of very small samples. In the following work the interface reactions between SnZn9- und SnZn9Al1,5-solders and Cu/Sn and Cu/Ni/Au-substrates are examined taking account of the reflowed solder volume (0,05 mm3, 1,3 mm3 und 31,4 mm3). The kinetics of IMC formation and growth behavior of the layers at the interface solder-substrate have been determined through scanning electron micoscropy and energy dispersive x-ray analysis (EDX) after ageing tests at 100 °C, 125 °C and 150 °C for various ageing periods. Furthermore nano indentation tests were used to identify the nano hardness, Young-Modulus und Yield strength of intermetallic compounds at the interface of solder-substrate as well as at the bulk IMC Cu5Zn8, AuZn3, NiZn3 and (AuNi)Zn3. Afterwards the determined values of the bulk IMC can be used for thermomechanical simulated calculations. Investigations show a dependence on the reflowed solder volume.The intermetallic compound Cu5Zn8 is formed when SnZn9- and SnZn9Al1,5-solders react with Cu/Sn-substrates. Die growth constant of the Cu5Zn8-layer as well as the Arrheniusparameter of the layer growth have been determined and compared for both solders. At the smaller volume the interface reactions stopped after 500 hours. The reaction kinetics at the interface of the SnZn9-Cu/Sn-substrate are diffusion controlled with an activation energy of 28,06 kJ/mol. When using SnZn9Al1,5 the kinetic of the Cu5Zn8-layer growth depends on the volume of the samples. When using a greater volume, the kinetic is controlled by the reaction and is controlled by the diffusion when using a smaller volume. CuSn-phases that grow into copper are formed underneath the Cu5Zn8-layer. Additionally the Diffusionsparameter of copper in SnZn9 and SnZn9Al1,5 have been determined. The activation energy for the diffusion of copper in SnZn9 is 73,7 kJ/mol. The activation energy of copper in SnZn9Al1,5 is 85,6 kJ/mol. The interface reactions between solder and Cu/Ni/Au-substrate depend on various factors, which are: volume of the sample, Au-layer thickness, ageing time and ageing temperature. Au-layer thickness of 400 nm leads for both solders to the formation of a AuZn3-layer, that flow up from the interface and moves into the solder volume. The reactions at the interface of SnZn9 and Cu/Ni/Au with Au-layer thickness of 100 nm after reflow and aging lead over to the formation of the mixed compounds β-(Ni(1-x)Aux)Zn, ϒ1-(Ni(1-x)Aux)Zn3, ϒ-(Ni(1-x)Aux)5Zn21 und δ-(Ni(1-x)Aux)Zn8. Besides the δ-Phase a Zn-layer is formed to the side of the solder. After aging there can merely be observed a growth in the Zn+δ-(Ni(1-x)Aux)Zn8-layer. The decisive factor in the kinetic of Zn+δ-(Ni(1-x)Aux)Zn8-layer growth is the diffusion of Zn-atoms. The kinetic of the layer growth is reaction controlled at 100°C, using a smaller solder volume, whereas it is diffusion controlled at 125 °C and 150°C for all evaluated samples. The products of the reaction at the interface SnZn9Al1,5-Lot and Cu/Ni/Au-substrate depend on the solder volume. At a greater volume aluminous mixed compounds (NiAu)(AlZn)2 are formed on the Ni-side. At a smaller solder volume only Al-free mixed compounds ϒ1-(Ni(1-x)Aux)Zn3 and ϒ-(Ni(1-x)Aux)5Zn21 are formed. In each sample Zn+ δ-(Ni(1-x)Aux)Zn8-layers with a diffusion controlled layer growth are formed towards the solder side. Nano indentation tests showed a dependency on load in all evaluated intermetallic compounds. The values at the interface of Cu-solder correspond well with the measured values of the bulk IMC at the same load. In Cu5Zn8 there can be noticed an increase in hardness and Young-Modulus for smaller loads. For the AuZn3, NiZn3 und (NiAu)Zn3 samples, the hardness decreases with decreasing load and the Young-Modules remain constant. Unlike the Young-Modulus, the values for the nano hardness of the AuZn3-compound of the interface solder-substrate do not correspond with the measured values of the bulk IMCs.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-56406
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4473
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4176
Exam Date: 6-Jun-2014
Issue Date: 30-Sep-2014
Date Available: 30-Sep-2014
DDC Class: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften
540 Chemie
Subject(s): AuZn3
Cu5Zn8
Intermetallische Phasen
Lotverbindungen
Nanohärte
SnZn9
SnZn9Al1,5
Growth constant
Intermetallic compounds
Nanohardness
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