Особливості зародкоутворення і росту проміжних фаз при паянні: протиречиві експериментальні дані і останні досягнення в моделюванні

##plugins.themes.bootstrap3.article.sidebar##

PDF (English)
Опубліковано: січ. 14, 2016
Ключові слова:
пайка, зародкоутворення, ріст, конкуренція фаз, надійність

##plugins.themes.bootstrap3.article.main##

Y. O. Liashenko
<p>Черкаський національний університет імені Богдана Хмельницького</p>

Анотація

В даній роботі приведено огляд робіт по дослідженню процесу реакційної взаємодії між оловом чи люттю на основі олова (як в твердому так і в рідкому стані) і твердою міддю. В більшості робіт показано, що під час оплавлення (англ. reflow) проміжна η-фаза (Cu6Sn5) утворюється першою і росте швидко. Порядок зародкоутворення і кінетика росту проміжних фаз залежать від пересичення міддю рідкої краплини олова. Швидкість зняття цього пересичення може також впливати на кінетику росту фаз. Під час оплавлення, η-фаза (Cu6Sn5) росте відповідно до відомого закону з показником росту 1/3 (режим росту контрольований інтерфейсом), або відповідно до закону з показником росту 1/2 (режим росту контрольований об’ємною дифузією), але також росте відповідно і до інших законів росту. Приведено огляд робіт, що описують ефективні моделі пригнічення і росту фаз. Кінетика росту, морфологія проміжних фаз під час старіння в твердому стані, а також пороутворення в об’ємі проміжних фаз залежить від структури мідної підкладки.

##plugins.themes.bootstrap3.article.details##

Номер
Том 309 № 16 (2014)
Розділ
ФІЗИКА МАТЕРІАЛІВ
Біографія автора

Y. O. Liashenko, <p>Черкаський національний університет імені Богдана Хмельницького</p>

Кандидат фіз.-мат. наук, доцент, директор навчально-наукового інституту фізики, математики та комп’ютерно- інформаційних систем, Черкаський національний університет імені Богдана Хмельницького, бульв. Шевченка 81, 18031, Черкаси, Україна.

Посилання

1. Tu K. N. Transition from flip chip solder joint to 3D IC microbump: Its effect on microstructure anisotropy / K. N. Tu, H. Y. Hsiao, C. Chen // Microelectronics Reliability. – 2013. – Vol. 53, № 1. – P. 2–6.
2. Tu K. N. Solder Joint Technology: Materials, Properties and Reliability / K. N. Tu. – New York : Springer, 2007 – 368 p.
3. Fürtauer S. The Cu–Sn phase diagram, Part I: new experimental results / S. Fürtauer, D. Li, D. Cupid, H. Flandorfer // Intermetallics. – 2013. – Vol. 34. – P. 142–147.
4. Tu K. N. Electronic Thin-Film Reliability / K. N. Tu. – New York : Cambridge University Press, 2011 – 396 p.
5. Laurila T. Interfacial reactions between lead-free solders and common base materials / T. Laurila, V. Vuorinen, J. K. Kivilahti // Materials Science and Engineering : R: Reports. – 2005. – Vol. 49. – № 1. – P. 1–60.
6. Gusak A. M. Diffusion-controlled Solid State Reactions: in Alloys, Thin Films, and Nanosystems / A. M. Gusak, T. V. Zaporozhets, Yu. O. Lyashenko, S. V. Kornienko, M. O. Pasichnyy, A. S. Shirinyan. – Berlin : Wiley-VCH, 2010 – 476 p.

7. Gagliano R. A. Nucleation kinetics of Cu6Sn5 by reaction of molten tin with a copper substrate / R. A. Gagliano, G. Ghosh, M. E. Fine // Journal of Electronic Materials. – 2002. – Vol. 31. – № 11. – P. 1195–1202.
8. Park M. S. Concurrent nucleation, formation and growth of two intermetallic compounds (Cu6Sn5 and Cu3Sn) during the early stages of lead free soldering / M. S. Park, R. Arróyave // Acta Materialia. – 2012. – Vol. 60. – № 3. – P. 923–934.
9. Yang M. Interfacial reactions of eutectic Sn3.5Ag and pure tin solders with Cu substrates during liquid-state soldering / M. Yang, M. Li, C. Wang // Intermetallics. – 2012. – Vol. 25. – P. 86–94.
10. Zou H. F. Morphologies, orientation relationships and evolution of Cu6Sn5 grains formed between molten Sn and Cu single crystals / H. F. Zou, H. J. Yang, Z. F. Zhang // Acta Materialia. – 2008. – Vol. 56. – № 11. – P. 2649–2662.
11. Suh J. O. Dramatic morphological change of scallop-type Cu6Sn5 formed on (001) single crystal copper in reaction between molten SnPb solder and Cu / J. O. Suh, K. N. Tu, N. Tamura // Applied Physics Letters. – 2007. – Vol. 91. – № 5. – P. 051907.
12. Suh J. O. Preferred orientation relationship between Cu6Sn5 scallop-type grains and Cu substrate in reactions between molten Sn-based solders and Cu / J. O. Suh, K. N. Tu, N. Tamura // Applied Physics Letters. – 2007. – Vol. 102. – № 6. – P. 063511.
13. Chen W. M. The orientation relationship between Ni and Cu6Sn5 formed during the soldering reaction / W. M. Chen, T. L. Yang, C. K., Chung C. R. Kao // Scripta Materialia. – 2011. – Vol. 65. – P. 331–334.
14. Suh J. O. Size distribution and morphology of Cu6Sn5 scallops in wetting reaction between molten solder and copper / J. O. Suh, K. N. Tu, G. V. Lutsenko, A. M. Gusak // Acta Materialia. – 2008. – Vol. 56. – P. 1075–1083.
15. Gagliano R. A. Thickening kinetics of interfacial Cu6Sn5 and Cu3Sn layers during reaction of liquid tin with solid copper / R. A. Gagliano, M. E. Fine // Journal of Electronic Materials. – 2003. – Vol. 32. – № 12. – P. 1441–1447.
16. Huang M. L. In situ study on dissolution and growth mechanism of interfacial Cu6Sn5in wetting reaction / M. L. Huang, F. Yang, N. Zhao, Z. J. Zhang // Materials Letters. – 2015. – Vol. 139. – P. 42–45.
17. Mohd Salleh M. A. A. Rapid Cu6Sn5 growth at liquid Sn/solid Cu interfaces / M. A. A. Mohd Salleh, S. D. McDonald, H. Yasuda, A. Sugiyama, K. Nogita // Scripta Materialia. – 2015. – Vol. 100. – P. 17–20.
18. Bader S. Rapid formation of intermetallic compounds by interdiffusion in the Cu-Sn nd Ni-Sn systems / S. Bader, W. Gust, H. Hieber // Acta Metallurgica et Materialia. – 1995. – Vol. 43. – P. 329–337.
19. Görlich J. On the mechanism of the binary Cu/Sn solder reaction / J. Görlich, G. Schmitz // Applied Physics Letters. – 2005. – Vol. 86. – № 5. – P. 053106.
20. Hodaj F. Cu3Sn suppression criterion for solid copper/molten tin reaction / F. Hodaj, O. Liashenko, A. M. Gusak // Philosophical Magazine Letters – 2014. – Vol. 94. – № 4. – P. 217–224.
21. Su L. H. Interfacial reactions in molten Sn/Cu and molten In/Cu Couples / L. H. Su, Y. W. Yen, C. C. Lin, S. W. Chen // Metallurgical and Materials Transactions B. – 1997. – Vol. 28. – P. 927–934.
22. Huang M. L. Size effect model on kinetics of interfacial reaction between Sn-xAgyCu solders and Cu substrate / M. L. Huang, F. Yang // Scientific Reports. – 2014. – Vol. 4. – P. 7117.
23. Gusak A. M. Kinetic theory of flux-driven ripening / A. M. Gusak, K. N. Tu // Physical Review B. – 2002. – Vol. 66. – P. 115403-16.

24. Tu K. N. Interdiffusion and reaction in bimetallic Cu-Sn thin films / K. N. Tu // Acta Metallurgica. – 1973. – Vol. 21. – P. 347–354.
25. Tu K. N. Cu/Sn interfacial reactions: thin-film case versus bulk case / K. N. Tu // Materials Chemistry and Physics. – 1996. – Vol. 46. – P. 217–223.
26. Tu K. N. Kinetics of interfacial reaction in bimetallic Cu-Sn thin Films / K. N. Tu, R. D. Thompson // Acta Metallurgica. – 1982. – Vol. 30. – P. 947 952.
27. Chopra R. Low temperature compound formation in Cu/Sn thin films / R. Chopra, M. Ohring // Thin Solid Films. – 1982. – Vol. 94. – P. 279–288.
28. Tang W. M. Solid state interfacial reactions in electrodeposited Cu/Sn couples / W. M. Tang, A. Q. He, Q. Liu, D. G. Ivey // Transactions of nonferrous metals society of China. – 2010. – Vol. 20. – P. 90–96.
29. Paul A. Intermetallic growth and Kirkendall effect manifestations in Cu/Sn and Au/Sn diffusion couples / A. Paul, A. A. Kodentsov, F. J. van Loo // Zeitschrift fuer Metallkunde. – 2004. – Vol. 95. – № 10. – P. 913–920.
30. Onishi M. Reaction diffusion in the Cu - Sn system / M. Onishi, H. Fujibuchi // The Japan Institute of Metals. – 1975. – Vol. 16. – P. 539–548.
31. Lee T. Y. Morphology, kinetics, and thermodynamics of solid-state aging of eutectic SnPb and Pb-free solders (Sn–3.5Ag, Sn–3.8Ag–0.7Cu and Sn 0.7Cu) on Cu / T. Y. Lee, W. J. Choi, K. N. Tu, J. W. Jang, S. M. Kuo, J. K. Lin, D. R. Frear, K. Zeng, J. K. Kivilahti // Journal of Materials Research. – 2002. – Vol. 17. – № 2. – P. 291–301.
32. Labie R. Solid state diffusion in Cu-Sn and Ni-Sn diffusion couples with flip-chip scale dimensions / R. Labie, W. Ruythooren, J. Van Humbeeck // Intermetallics. – 2007. – Vol. 15. – P. 396–403.
33. Vianco P. T. Solid state intermetallic compound growth between copper and high temperature, tin-rich solders part I: experimental analysis / P. T. Vianco, J. A. Rejent, P. F. Hlava // Journal of Electronic Materials. – 1994. – Vol. 23. – № 9. – P. 721–727.
34. Yu C. Suppression effect of Cu and Ag on Cu3Sn layer in solder joints / C. Yu, J. S. Chen, K. Y. Wang, J. Q. Chen, H. Lu // Journal of Material Science: Materials in Electronics. – 2013. – Vol. 24. – № 11. – P. 4630–4635.
35. Yang W. Microstructure evolution of eutectic Sn-Ag solder joints / W. Yang, R. W. Messler, L. E. Felton // Journal of Electronic Materials. – 1994. – Vol. 23. – № 8. – P. 765–772.
36. Zeng K. Kirkendall void formation in eutectic SnPb solder joints on bare Cu and its effect on joint reliability / K. Zeng // Journal of Applied Physics. – 2005. – Vol. 97. – № 2. – P. 024508.
37. Vuorinen V. Solid-state reactions between Cu (Ni) alloys and Sn / V. Vuorinen, T. Laurila, T. Mattila, E. Heikinheimo, J. K. Kivilahti // Journal of Electronic Materials. – 2007. – Vol. 36. – № 10. – P. 1355–1362.
38. Hsiao H. Y. Unidirectional Growth of Microbumps on (111)-Oriented and Nanotwinned Copper / H. Y. Hsiao, C. M. Liu, H. W. Lin, T. C. Liu, C. L. Lu, Y. S. Huang, C. Chen, K. N. Tu // Science. – 2012. – Vol. 336. – № 6084. – P. 1007–1010.
39. Chiu W. L. Formation of nearly void-free Cu3Sn intermetallic joints using nanotwinned Cu metallization / W. L. Chiu, C. M. Liu, Y. S. Haung, C. Chen // Applied Physics Letters. – 2014. – Vol. 104. – № 17. – P. 171902.
40. Gösele U. Growth kinetics of planar binary diffusion couples: Thin-film case versus bulk cases / U. Gösele, K. N. Tu // Journal of Applied Physics. – 1982. – Vol. 53. – № 4. – P. 3252–3260.
41. Gusak A. M. Kynetyka fazoobrazovanyia v dyffuzyonnoi zone pry vzaymnoi dyffuzyy. Obshchaia teoryia / A. M. Gusak, K. P. Gurov // Fyzyka metallov y metallovedenye. – 1982. – V. 53. – № 5. – P. 842–847.

42. d'Heurle F. M. Kinetics of formation of silicides : A review / F. M. d'Heurle, P. Gas // Journal of materials research. – 1986. – Vol. 1. – № 1. – P. 205–221.
43. Wagner C. The evaluation of data obtained with diffusion couples of binary singlephase and multiphase systems / C. Wagner // Acta Metallurgica. – 1969. – Vol. 17. – № 2. – P. 99–107.