Gefüge- und Phasenausbildung in kleinvolumigen Vielstoff-Systemen unter verschiedenen Abkühlgeschwindigkeiten

Abstract

In der elektronischen Verbindungstechnik ist das Weichlöten eines der Verfahren, um elektronische Bauteile mit der Leiterplatte zu verbinden. Neben der Gefügeausbildung entstehen spröde intermetallische Phasen an der Grenzfläche zwischen Lot und Leiterplattenmetallisierung bzw. Bauteilmetallisierung. Diese bestimmen wesentlich die Zuverlässigkeit einer Lötverbindung. Im Zuge der Miniaturisierung elektronischer Geräte nimmt der Anteil dieser Phasen in der Lötstelle zu und sie führen gehäuft zu Problemen. In einem komplexen System - Cu/Ni/Au-Metallisierung des Leiterplattenpads /SnAgCu-Lot mit unterschiedlichen eutektischen und naheutektischen Zusammensetzungen bilden sich CuNiAu-haltige intermetallische Phasen an der Grenze Leiterplattenpad/Lot. Diese und die Auswirkungen im Gefüge werden in dieser Arbeit erstmals parameterübergreifend betrachtet, um Hinweise auf das Design zukünftiger Mikroelektroniken zu geben. In der Industrie werden verschiedene Elementekombinationen anwendungsbezogen verwendet. Um das o. g. komplexe Zusammenspiel zu analysieren, wurden folgende Parameter nach industriellen Anforderungen ausgewählt: \- Variation der Abkühlgeschwindigkeiten über drei Dekaden mit dem Ziel der Erzeugung von Ungleichgewichtsgefügen (0,1 °C/s, 5 +- 2 °C/s, 470 +- 85 °C/s) \- Variation des Lotvolumens über drei Dekaden (0,05 mm3, 1,3 mm3, 31 mm3), bei konstantem Verhältnis von Lotvolumen zu Paddurchmesser, mit dem Ziel der Extrapolation auf miniaturisierte Elektroniken \- Variation des Cu- und Ag-Gehaltes des Lotes (SnAg1Cu0,5; SnAg1Cu1,2; SnAg3Cu0,9; Sn94,5Ag5Cu0,5; Sn93,8Ag5Cu1,2), mit dem Ziel der Optimierung der Kupfer- und Silbergehalte in der Lotlegierung \- Variation der Haltezeit über der Liquidustemperatur (2s; 60s; 600s) mit dem Ziel der Optimierung der Fertigungsparameter Die Lotvolumina wurden auf einer Musterleiterplatte mit einer Cu/Ni/Au-Beschichtung umgeschmolzen und metallographisch nach den o. g. Abkühlungsgeschwindigkeiten und an einer schnell abgekühlten Probe nach einer Alterung (Temperatur-Wechsel 150°C/-40°C, 2000 Zyklen) analysiert. Geprüft wurde, inwieweit sich das Gefüge wieder dem Gleichgewichtszustand annähert und inwieweit die intermetallischen Phasen ihre chemische Zusammensetzung ändern. Folgende Erkenntnisse wurden gewonnen: \- Die Gefügeausbildung (Größe der Zinndendriten) wird bei einem Lotvolumen von 0,05 mm3 vor allem von der volumenbedingten Unterkühlung der Lotlegierung beeinflusst und nicht von der Abkühlungsgeschwindigkeit. \- Bei Lotvolumen größer als 1,3 mm3 wird die Gefügeausbildung vor allem von den Parametern Abkühlgeschwindigkeit bzw. der Haltezeit über der Liquidustemperatur bestimmt. \- Die Zusammensetzung der Phase Cu(1-x-y), Ni(x), Au(y)6Sn5 an der Grenzfläche wird vor allem von der Legierungszusammensetzung und dabei insbesondere vom Kupfer-Gehalt beeinflusst. \- Gold, das von der Leiterplattenoberfläche in die Lötstelle diffundiert, baut sich indie o.g. intermetallische Phase volumenabhängig ein. \- Es deutet sich an, dass der Einbau von Gold in der o. g. Phase die Bildung der intermetallischen Phase Ni3Sn4 unterdrückt. \- Die bei den schnell abgekühlten Proben entstehenden (Cu, Ni, Au)6Sn5-Phasen können auch nach einer Alterung nicht in den Gleichgewichtszustand überführt werden. Die o. g. Ergebnisse geben wichtige Hinweise, welche Parameter bei weiterer Miniaturisierung unbedingt berücksichtigt werden müssen, was bisher im komplexen Zusammenspiel der untersuchten Parameter noch nicht klar herausgearbeitet wurde. So müsste z. B. die Au-Schichtdicke auf dem Leiterplattenpad bei sehr kleinen Lotvolumina stark reduziert werden, was verbesserte bzw. neue Beschichtungstechniken oder den Einsatz von Nanowerkstoffen erfordert. Es muss berücksichtigt werden, dass sehr kleine Lotvolumina (<1 mm3) unabhängig von den technologischen Abkühlbedingungen aufgrund der feinen Gefügestruktur ein sprödes Verhalten zeigen. Weitere Untersuchungen in Richtung Zuverlässigkeit von vollständig aufgebauten Hybriden müssten folgen, um auch diesen Bereich abzudecken.

Soldering is one of the processes in packaging of integrated circuits to connect electronic devices with a circuit board. Brittle intermetallic phases form at the interface between solder and pad (electronic component and circuit board). These phases fundamentally determine the reliability of a solder joint. With ongoing miniaturization of electronic equipement the percentage of these phases in the solder joint rises. This leads to more/greater extend of problems. In a complex system with a Cu/Ni/Au-metallization from the circuit board pad in combination with SnAgCu-alloy (with eutectic or near eutectic composition) CuNiAu-containing intermetallic phases form at the interface solder/pad (circuit board). These phases and their effect on the texture of the solder joint are studied in this thesis. Various parameters are covered for the frst time in order to give more indication on the design of future microelectronics. For soldering different element combinations are applied use-oriented. To be able to analyse the complex system mentioned above in all aspects, the following parameters were chosen considering industrial necessities: \- Variation of the cooling rate covering three decades with the goal to create a disequilibrium (0.1 °C/s, 5 +- 2 °C/s, 470 +- 85 °C/s). \- Variation of the solder volume over three decades (0,05 mm3, 1,3 mm3, 31 mm3), with constant proportion of soldervolume to diameter of the pad. Thus to achieve an extrapolation on the design of miniaturized electronics. \- Variation of the Cu- and Ag-content of the solder (SnAg1Cu0,5; SnAg1Cu1,2; SnAg3Cu0,9 (eutectic composition); Sn94,5Ag5Cu0,5; Sn93,8Ag5Cu1,2) to optimize the element concentrations of the solder alloy. \- Variation of the dwell time above liquidus temperature (2s; 60s; 600s) to improve manufacturing parameters. The different solder volumes were remelted on a sample circuit board with a Cu/Ni/Au metallization and subsequently cooled with the cooling rates mentioned above. The samples were metallographically analysed afterwards; additionally a fast cooled sample which was altered (temperature cycling 150 °C/-40 °C, 2000 cycles). It was investigated, if the texture of fast and normal cooled and altered samples converges to a texture similar to equilibrium. Further it was analysed, if the intermetallic phases change their chemical composition. The following results were achieved: \- The texture (size of the tin dendrites) of a solder volume of 0,05 mm3 is primarily influenced by a volume depending undercooling of the solder alloy and not by the cooling rate. \- In a solder joint greater than 1,3 mm3 the formation of the texture is determined by the parameters cooling rate and/or dwell time above liquidus temperature. \- The composition of the phase Cu(1-x-y), Ni(x), Au(y)6Sn5 at the interface is strongly influenced by the composition of the solder alloy, especially by the copper content. \- Gold that diffuses from the pad metallisation of the circuit board in the solder is absorbed completely in the intermetallic phase mentioned above depending on the volume of the solder. \- The integration of gold in the mentioned phase seems to supress the formation of the phase Ni3Sn4. \- The CuNiAuSn-Phases formed in the fast cooled samples cannot be transfered by alteration into equilibrium. These results give important indications on which parameters have to be considered in the miniturizing process. For example should the gold layer on the pad (circuit board) be diminished using small solder volumes. This might require an improved or new coating technology or the application of nano materials. It has to be considered that very small solder volumes (<1 mm3) with a very fine texture show a brittle behaviour not depending on the technological cooling rates. Further investigations covering complete hybrides should follow.