Investigation on diffusion soldering in Cu/In/Cu and Cu/In-48Sn/Cu systems

Abstract

Das Diffusionslöten ist ein bleifreies Verbindungsverfahren, das ein großes Potential zur Lösung vieler moderner Verbindungsprobleme bietet. Sie bestehen darin, dass die Verbindungsstellen in der Mikroelektronik immer kleiner werden, zu immer höheren Temperaturen ausgesetzt werden, bei tieferen Temperaturen herstellbar und bleifrei sein sollen. Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines Verbindungsverfahrens, bei dem die Verbindung zwischen verschiedenen Materialien durch intermetallische Phasen (IP) zustande kommt. Außerdem werden Konzepte über die Mehrkomponenten-diffusion vorgestellt, die als Designstrategie zur Verbesserung von Verbindungesverfahren dienen. Die Kennzeichnung der Cu/In/Cu und Cu/In-48Sn/Cu Verbindungen, die aus einem Diffusionslöten Prozess resultieren, wird dargestellt (Ni/Al/Ni als zusätzliches System). Die resultierenden Verbindungen bestehen somit völlig aus IP. Die entstehenden IP haben in der Regel einen viel höheren Schmelzpunkt als die „Löttemperatur“, bei der sie gebildet sind und halten deshalb Betriebstemperaturen aus, die höher sind als die Herstellungstemperatur! Sie verhalten sich somit konträr zu konventionellen Lötverbindungen, die schon 50-100°C unterhalb der Löttemperatur ihre Beständigkeit verlieren. Der Unterschied zwischen Herstellungs- und Betriebstemperatur kann -je nach Materialsystem- bis zu 400 und 600°C betragen. Das Diffusionslöten hat sogar die Vorteile des herkömmlichen Weichlötens, d.h., gute Füllung der Verbindung und niedrige Herstellungstemperatur, und aber gleichzeitig den großen Vorteil der hohen Betriebstemperatur. Für das Verständnis der Eigenschaften und der Grenzflächenreaktionen in Diffusionslötverbindungen, z.B. die Kenntnis der betreffenden Diffusionskoeffizienten und anderer kinetischer Parameter werden die folgenden Aspekte analysiert: Morphologie, Chemie, Kinetik; Mechanismus der Bildung der IP, Langzeitstabilität und Zusammenhang zwischen Struktur und Eigenschaften der Lötverbindung. Bei der Untersuchung wurden die Möglichkeiten der Licht- und Rasterelektronenmikroskopie (SEM), der Mikroanalyse (EPMA), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und der Röntgenographie (XRD) genutzt. Die EPMA Untersuchungen ergeben dass die Reihenfolge von IP in Cu/In/Cu-Paaren einen zunehmenden Cu-Gehalt zeigen: Cu11In9 &#8594; Cu2In &#8594; Cu7In3 bei T < 310 °C und Cu2In &#8594; Cu7In3 bei T > 310 °C. In den Cu/In-48Sn/Cu-Paaren entwickeln sich zwei Schichten von IP mit folgenden Durchschnittsgehalten (At.%): Cu-16In-27Sn und Cu-10In-13Sn, die den eta- und dseta-Regionen im Zustandsdiagramm Cu-In-Sn entsprechen. Unterhalb von 200 °C wird nur die eta-Phase in der Verbindungszone gebildet. Die kinetischen Untersuchungen des Wachstums der IP zeigte sich im Cu/In/Cu-System als volumendiffusionskontrolliert und im Cu/In-Sn/Cu-System als reaktionskontrolliert. Die dseta-Phase von die Cu/In-48Sn/Cu-Paaren wächst viel schneller als die Schichten in den binären Cu/In/Cu-Diffusionspaaren. Die Diffusionskoeffiziente für das volumendiffusionskontrollierte Wachstum und die Aktivierungsenergie für den Phasenwachstumsprozess wurden berechnet. Das mechanische Verhalten einer Verbindung ist ein wichtiger Aspekt seiner Zuverlässigkeit. Deshalb wurden neben die Temperaturbeständigkeit und der Härte, die Zug- und Scherfestigkeit auch nach thermischen Zyklen bestimmt und zusammen mit fraktographischen Analysen (SEM) interpretiert. Die Experimente zur Temperaturbeständigkeit zeigten, dass die Cu/In/Cu-Proben bis 650°C und die Cu/In-Sn/Cu-Proben bis etwa 750°C beständig sind. Damit sind die Verbindungen noch über 400°C oberhalb der Herstellungstemperatur (250-290°C) beständig. Es zeigte sich, dass die Cu/In-Sn/Cu-Verbindungen fester sind als die Cu/In/Cu-Verbindungen und ein schnelles Wachstum von IP haben. Deswegen wurden nur die mechanischen Eigenschaften der Cu/In-Sn/Cu-Verbindungen in Detail untersucht. Wenn die Verbindungszone eine eta-Schicht enthält (alleine oder zusammen mit einer dseta-Schicht), tritt der Bruch in der eta-Schicht auf. Die Bruchfestigkeitswerte in den Zug- und Scherversuchen waren in diesen Fällen niedrig. Wenn nur die dseta-Phase anwesend war, wurden bessere mechanische Eigenschaften beobachtet. Die Bruchfestigkeitswerte in den Versuchen erhöhten sich drastisch, wenn die eta-Phase vollständig in die &#950;-Phase umwandelt war. Die Scher- und Zugversuche zeigten Bruchfestigkeitswerte von etwa 150 MPa. Die Härtewerte der eta- und dseta-Schichten waren ungefähr 4- bzw. 3mal höher als die von Cu. Folglich war die eta-Schicht spröder als die dseta-Schicht. Außerdem wurde die doppelte Kristallisationsmorphologie der eta-Phase durch zwei unterschiedliche Härtewerte hervorgehoben. Diese Härte-Ergebnisse sind im Einklang mit den Zug- und Scherversuchen, die zeigten, dass die eta-Phase die schwächste intermetallische Phase in den Verbindungen ist.

The diffusion soldering is a lead-free interconnection technology, which offers a large potential for the solution of many modern joining problems. These problems can be explained in the following way: in microelectronics the bonds become thinner, higher service temperatures have to be resisted, lower process temperatures and lead-free solders are required. The goal of this work was the development of a joining process, the diffusion soldering, which is able to connect different materials through intermetallic phases (IP) in the interconnection zone. Additionally, multicomponent diffusion concepts as presented here provide design strategies to improve the performance of bonding techniques. The characterization of the Cu/In/Cu and Cu/In-48Sn/Cu joints resulting from a diffusion soldering process is presented (Ni/Al/Ni as additional system). The resulting bond is suited to applications at service temperatures much higher than the low manufacture temperature because the interconnection zone consists of solid IP. Diffusion soldered joints behave contrarily to conventional soldered joints, which already lose their stability 50 to 100°C below the soldering temperature. The difference between process and service temperature, which depends on the material system, can be around 400 to 600°C. The diffusion soldering has even the advantages of the conventional soft soldering, i.e. good filling of the joint geometry and low manufacture temperature, and additionally offers the large advantage of a high service temperature. Further advantage of this technique is a small joint volume. For the understanding of the bond properties and the process involved in diffusion soldering as diffusion, interface reactions, etc., the following aspects were analyzed: morphology, chemistry, kinetics and mechanism of formation of the IP; in order to obtain interdiffusion coefficients, kinetic parameters and relations between structure and characteristics of the joint. During the investigations optical and scanning electron microscopy (SEM), the electron probe microanalysis (EPMA), transmission electron microscopy (TEM) and the X-ray diffraction analyses (XRD) were used. The EPMA investigations revealed that the sequence of appearance of the IP in Cu/In/Cu couples shows an increasing Cu content according to the Cu-In phase diagram: Cu11In9, CuIn2, Cu7In3 at T < 310°C and CuIn2, Cu7In3 at T > 310 °C. In the Cu/In-48Sn/Cu couples two IP layers developed with the following average compositions (At.%): Cu-16In-27Sn and Cu-10In-13Sn, which correspond to eta- and dseta-regions in the Cu-In-Sn phase diagram. Below 200 °C only the eta-phase is formed in the interconnecting zone. The kinetic investigation of the IP growth has shown that in the Cu/In/Cu system the layer growth is controlled by volume diffusion and in the Cu/In-48Sn/Cu system is controlled by reaction at the interface. The dseta-phase of the Cu/In-48Sn/Cu couples grows much faster than the IP layers of the binary Cu/In/Cu couples. Additionally, the diffusion coefficients for volume diffusion-controlled growth and the activation energy for the IP growth process for both systems were calculated. The mechanical behaviour of a joint is an important aspect of its reliability. Therefore, temperature stability and hardness measurement, tensile and shear testing, also after thermal cycles, were performed. The shear, tensile and hardness values were interpreted together with fractographic analysis (SEM) in order to determine the fracture mode. The temperature stability experiments have shown that the Cu/In/Cu and Cu/In-48Sn/Cu bonds can withstand service temperatures up to 650°C and 750°C, respectively. Thus the joints are still stable over 400°C above the manufacture temperature (250-290°C). Only the mechanical properties of the Cu/In-48Sn/Cu bonds were examined in detail. If the interconnection zone contains a eta-layer (alone or together with dseta-layers), the fracture arises through the eta-layer. The tensile and shear strength values are low in these cases. If only the dseta-phase was present in the bond region, better mechanical characteristics were observed. If the eta-phase converts completely into the dseta-phase, the tensile and shear strength values increase drastically, showing values of 150 MPa approximately. The hardness values of eta- and dseta-layer are approximately 4 and 3 times higher than for Cu substrate, respectively. Therefore, the eta-layer seems to be more brittle than the dseta-layer. In addition, the double crystallization morphology of the eta-phase is emphasized by two different hardness values over this layer. These hardness results are in good agreement with the tensile and shear strength values, which indicate that the eta-phase is the weakest IP in the interconnection zone.