Whisker formation on Sn thin films

Abstract

The system Sn on Cu will usually be applied for interconnection of modern electronic systems, i.e. for mechanical, thermal and electrical “integration” of electronic components (e.g. composed of Cu) on rigid substrates (i.e. printed circuit boards) by (e.g. Sn) solder-joint technology. Nowadays Sn is the material of choice for this purpose because the up to now commonly and successfully used SnPb alloys for soldering and coating applications are prohibited by law since 1st July 2006 due to environmental concerns (Pb-free and “green” legislation). However, it is well known since nearly 60 years that pure Sn thin films deposited on Cu substrates are very prone to spontaneous formation of needle-like Sn single-crystals, called whiskers, during ageing at room temperature. Such filamentary Sn whiskers exhibiting growth rates of about 1 Å/sec constitute an issue of great technological relevance for Sn coated leadframe legs of modern microelectronic devices because whisker-induced short-circuit failures of various electronic devices have resulted in enormous financial damage including breakdowns of satellites, computer centres and military and medical devices. Unfortunately, profound knowledge on this controversially discussed phenomenon of whisker-growth is still lacking. Therefore, particularly in recent years, the electronic industry promotes scientific activities to arrive at fundamental understanding of Sn whisker formation in order to implement industrially reliable (accelerated) whisker tests and/or mitigation strategies. Against the above background, the present thesis focuses in particular on revealing the driving force for Sn whiskering in the system Sn on Cu during room temperature ageing and thus to devise a coherent understanding of the processes leading to the formation and growth of Sn whiskers. The obtained fundamental interrelations of microstructural evolution, phase formation, residual stress development and the associated whiskering of Sn thin films electro- and sputter-deposited on Cu as well as of SnPb thin films electrodeposited on Cu during ageing at room temperature have lead to a qualitative understanding of whisker growth in terms of localized Coble-creep. On this basis, whisker mitigation strategies can be proposed.

Das Materialsystem Sn auf Cu wird heutzutage sehr häufig in der Verbindungstechnologie modern elektronischer Systeme eingesetzt, d.h. zur Realisierung mechanischer, thermischer und elektrischer „Integration“ elektronischer Komponenten (z.B. bestehend aus Cu) auf festen Substraten (d.h. Leiterplatten) mittels (z.B. Sn) Löttechnologie. Der momentan favorisierte Einsatz von reinem Sn für diesen Zweck liegt darin begründet, dass die vor Kurzem sehr häufig und erfolgreich eingesetzten SnPb Legierungen seit dem 01. Juli 2006 aus Umwelt-relevanten Gründen verboten sind (Pb-frei und „grüne“ Gesetzgebung). Es ist jedoch seit fast 60 Jahren bekannt, dass Sn Dünnschichten abgeschieden auf Cu Substraten sehr stark zur spontanen Bildung von nadelförmigen Sn Einkristallen, sogenannten Whiskern, während der Alterung an Raumtemperatur neigen. Diese filamenthaften Sn Whisker, die Wachstumsraten von ungefähr 1 Å/sec aufweisen, sind von großer technologischer Bedeutung im Zusammenhang mit der Zuverlässigkeit von Sn-beschichteten Anschlusskontakten moderner mikroelektronischer Bauteile, weil elektrische Kurzschlüsse, ausgelöst durch das Wachstum von solchen Whisker, bereits zu Ausfällen verschiedenster elektronischer Bauteile und somit zu einem enormen finanziellen Schaden geführt haben; Beispiele hierfür sind Ausfälle von Satelliten, Computerzentren sowie militärischen und medizinischen Geräten. Leider fehlt bis heute ein fundierter Wissensstand zu diesem kontrovers diskutierten Phänomen des Whiskerwachstums. Das ist auch der Grund, warum insbesondere in jüngster Zeit die Industrie wissenschaftliche Aktivitäten auf diesem Gebiet unterstützt. Das Ziel ist ein fundiertes Verständnis zum Thema Whiskerbildung aufzubauen, so dass im industriellen Umfeld verlässliche (beschleunigte) Whiskertests und/oder Whiskervermeidungsmaßnahmen eingeführt werden können. Vor diesem Hintergrund beschäftigt sich die vorliegende Arbeit insbesondere mit der Aufklärung der Triebkraft für Sn Whiskerbildung im System Sn auf Cu während der Alterung an Raumtemperatur, um basierend auf diesen Erkenntnissen ein in sich schlüssiges Verständnis der Vorgänge abzuleiten, die zur Bildung und zum Wachstum von Whiskern führen. Die aufgedeckten, grundlegenden Wechselwirkungen zwischen Mikrostrukturentwicklung, Phasenbildung und Eigenspannungsentwicklung für Whiskerbildung von Sn Dünnschichten auf Cu (galvanisch sowie mittels Kathodenzerstäubung abgeschieden) und von SnPb Dünnschichten auf Cu (galvanisch abgeschieden), während der Alterung bei Raumtemperatur, ermöglichten die Identifizierung der Triebkraft für das Whiskerwachstum sowie die Aufstellung eines qualitativen Modells und die Ausarbeitung möglicher Ansätze zur Vermeidung von Whiskerbildung.