Investigation on diffusion soldering in Cu/In/Cu and Cu/In-48Sn/Cu systems (2002)

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 → Cu2In → Cu7In3 bei T < 310 °C und Cu2In → 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 ζ-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.