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Interaction of Sn-based solders with Ni(P)-substrates
the Ni-P, P-Sn and Ni-P-Sn phase diagrams
Clemens Johannes Schmetterer
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Betreuer*in
Herbert Ipser
DOI
10.25365/thesis.5878
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29333.38392.857562-9
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Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die Elektronikindustrie vertraut heutzutage auf komplexe Produktionsabläufe (z.B. BGA Aufbauten, SMT) und auf hohe Anschlussdichten bei gleichzeitig hohen Qualitätsansprüchen. Die Qualität von Lötverbindungen ist ein zentrales Thema, und daher ist es unerlässlich, die Bildung intermetallischer Verbindungen in einer Lötstelle zu verstehen und zu beherrschen.
Das System Ni-P-Sn hat große technologsiche Bedeutung, da es die wissenschaftliche Grundlage für das Verständnis, die Interpretation und Beherrschung der Verbindungsbildung zwischen Ni(P)/Au Oberflächen und Sn-basierten Loten liefert. Durch die Umstellung auf bleifreie Lote hat dieses System nochmals an Bedeutung gewonnen, da die verwendeten bleifreien Lote einen weit höheren Sn-Gehalt haben.
In der vorliegenden Arbeit wurden die Systeme Ni-P und Ni-P-Sn mittels Röntgenbeugung, Elektronenmikroskopie (mit Elektronenstrahlmikrosonde) und Differenzthermoanalyse untersucht. Das Ni-P Phasendiagramm erfuhr zwar keine grundlegenden Änderungen, wurde aber in Bezug auf zahlreiche Details gemäß den neuen Daten gründlich überarbeitet. Für die Verbindungen Ni5P2 HT und Ni12P5 HT wurden signifikante Phasenbreiten gefunden, und im Gegensatz zur vorhandenen Literatur wurde Ni12P5 HT als kongruent schmelzende Verbindung interpretiert. Dies muss jedoch allein auf Daten aus DTA-Messungen beruhen, da keine der beiden HT-Phasen durch Abschrecken bei Raumtemperatur stabilisiert werden kann, was gut mit Berichten aus der Literatur übereinstimmt. Weiters wurde eine peritektische Bildung von Ni5P4 gemäß L + Ni2P = Ni5P4 gefunden, was eine Änderung gegenüber der Literatur bedeutet. Im Mittelteil des Phasendiagramms wurden außerdem die Temperaturen von invarianten Reaktionen mittels DTA bestimmt.
Im ternären System Ni-P-Sn wurden ausgehend von den XRD und EPMA Daten vier Isothermen bei 200, 550, 700 und 850 °C erstellt. Invariante Reaktionen und die Reaktionstemperaturen wurden aus den DTA Messungen abgeleitet. Drei Isoplethen (vertikale Schnitte), die Liquidus-Oberfläche und das Scheil-Diagramm für den Ni-reichen Teil wurden unter Berücksichtigung aller Ergebnisse erstellt.
Fünf ternäre Verbindungen existieren im Ni-P-Sn System, von denen vier in der Literatur beschrieben worden sind. Ni21P6Sn2 wurde während der Arbeit am ternären Phasendiagramm entdeckt. Die Kristallstruktur dieser Verbindung wurde mittels Einkristallröntgenbeugung als ein weiterer Vertreter des C6Cr23 Strukturtyps identifiziert. Damit gehört Ni21P6Sn2 zu einer ganzen Familie von ternären Boriden, Carbiden und Phosphiden. Ihre Zusammensetzung unterscheidet sich von der benachbarten Phase Ni10P3Sn nur um ein Atomprozent im P-Gehalt. Erwartungsgemäß gibt es daher mehrere Gemeinsamkeiten zwischen den beiden Strukturen, z.B. in der Anordnung der Sn- und P-Atome, und in der kompletten Abschirmung von P und Sn durch Ni-Atome. Für beide Verbindungen, Ni10P3Sn und Ni21P6Sn2, wurde kongruentes Schmelzverhalten gefunden.
Der Großteil der invarianten Reaktionen im Ni-reichen Teil des Phasendiagramms liegt in einem vergleichsweise engen Temperaturbereich von 861 bis 1010 °C, d.h. bei Temperaturen oberhalb der höchsten untersuchten Isotherme (850 °C). Im Scheil Diagramm ist die gefundene konsistente Abfolge dieser Reaktionen dargestellt. In Summe wurden bis jetzt 28 invariante Reaktionen allein im Ni-reichen Teil identifiziert, wobei aber der Übergang von Ni3Sn2 HT in die zahlreichen Tieftemperaturphasen nicht im Detailaufgeklärt werden konnte. Aus der Literatur is bekannt, dass Phasenübergänge in Phasen vom NiAs-Typ kristallographisch sehr komplex sind, was sich auch stets im Phasendiagramm manifestiert.
Wie erwartet, erschwerte die Anwesemheit von Phosphor die Probenherstellung und auch die Interpretation der Ergebnisse. Ab einem P-Gehalt von 40 at.% konnten Verdampfung / Sublimation und der Verlust von Phosphor aus der Probe nicht verhindert werden, was anfänglich zu Explosionen der verwendeten Quartzgefäße während der Probenherstellung führte. Außerdem wurden auch nach langem Gleichgewichtsglühen häufig Proben erhalten, die das thermodynamsiche Gleichgewicht nicht erreicht hatten, was auf das Vorhandensein einer P-haltigen Gasphase vor allem im (P,Sn)-reichen Bereich zurückzuführen ist. Auch eine metastabile Reaktion im binären Ni-P dürfte eine Entsprechung im ternären System haben, wodurch widersprüchliche Phasendiagramminformation von Proben erhalten wurde, die bei 200 °C geglüht worden waren.
Trotz dieser experimentellen Schwierigkeiten konnte eine konsistente Version des Ni-P-Sn Phasendiagramms erstellt werden. Dieses Phasendiagramm wird nützlich sein für die Interpretation der Bildung von intermetallischen Verbindungen in einer Lötstelle durch chemische Reaktion, sowie auch für die Entwicklung von neuen Materialien und Techniken für die Elektronikindustrie (z.B. Diffusionslöten). Abgesehen davon sollten die experimentellen Daten auch Ausgangspunkt für eine CALPHAD-Modellierung sein, denn die gewonnenen Erfahrungen haben gezeigt, dass eigentlich nur durch die Kombination von experimentellen Methoden und Modellrechnungen die Unklarheiten in solch einem komplexen System gelöst werden können.
Abstract
(Englisch)
Today’s electronics industry faces complex production chains (e.g. BGA assemblies, SMT), a high lead density on their circuit boards and high demands in reliability. Thus the quality of the solder joints has become the central issue. IMC formation in the joint during soldering therefore needs to be precisely controlled.
The system Ni-P-Sn has high technological relevance as it provides the scientific basis for the understanding, interpretation and subsequent control for the IMC formation between common ENIG (electroless Ni(P)-Au) surfaces and Sn-based solders. Within the transition to lead-free solders this has become particularly important due to the much higher Sn-content in the solders now in use.
In this thesis the Ni-P and Ni-P-Sn systems have been investigated by X-ray diffraction, electron microscopy including electron probe microanalysis and differential thermal analysis.
While the basic outline of the binary Ni-P phase diagram was not changed too much, many details were altered based on the new results. Significant homogeneity ranges were introduced for the Ni5P2 and Ni12P5 HT-phases, and in contrast to the literature reports Ni12P5 HT was interpreted to be a congruently melting compound. However, in agreement with the literature, it was found that none of these two phases can be retained by quenching, so that this high temperature area had to be exclusively based on DTA data. Furthermore, Ni5P4 was found to be formed by the peritectic reaction L + Ni2P = Ni5P4, which contradicts the literature, and invariant reaction temperatures in the middle part of the phase diagram were determined by DTA.
In the Ni-P-Sn system four partial isothermal sections at 200, 550, 700 and 850 °C were established based on the primary XRD and EPMA data. Invariant reactions and their reaction temperatures were deduced from the DTA data. Three (partial) isopleths (vertical sections) in the Ni-rich corner, a liquidus surface and the reaction scheme (Scheil Diagram) were drawn from the combined data.
Five ternary compounds exist in the Ni-rich part of the Ni-P-Sn system, of which four have been described in the literature. Ni21P6Sn2 was found during work on the ternary phase diagram. Its crystal structure was determined by single crystal X-ray diffraction to be a C6Cr23 type structure, and its composition differs from neighbouring Ni10P3Sn by only one atomic per cent phosphorus. It is therefore not surprising that there exist several similarities between the two crystal structures, e.g. in the arrangement of the Sn- and P-networks and the complete separation of P and Sn by Ni-atoms. Both Ni21P6Sn2 and Ni10P3Sn were included as congruently melting compounds. Furthermore, Ni21P6Sn2 is part of a family of isotypic ternary borides, carbides and phosphides.
In the Ni-rich part most invariant reactions were found in the temperature interval from 861 to 1010 °C, i.e. at temperatures above the highest investigated isotherm. A consistent description of the phase equilibria could be established and is represented by the Scheil Diagram. A total of 28 invariant reactions have so far been identified in this region, whereas the detailed transition from the ternary solid solution based on the Ni3Sn2 HT-phase to the various phases forming out of it at lower temperatures has not been elucidated in detail. Phase transitions in such NiAs-type phases are known from literature to be crystallographically complex, which is is usually reflected in the phase diagram, too.
As expected, P caused a number of serious experimental problems during sample preparation and interpretation. At P-contents higher than 40 at.% the evaporation and loss of P could not be avoided, which resulted in explosions of the employed quartz capsules during the initial production runs. Furthermore, non-equilibrium samples were frequently obtained even after prolonged annealing due to the influence of the gas phase, which plays a significant role on the (P,Sn)-rich side. A metastable reaction from the binary Ni-P appears to have a counterpart in the ternary system, too. As a result, inconsistent phase field information was obtained from samples annealed and quenched from 200 °C.
Despite all experimental difficulties a consistent version of the Ni-P-Sn phase diagram could be compiled. Information from this phase diagram will be helpful in interpreting the reactive phase formation in solder joints and for the development of new materials and techniques for the electronics industry (e.g. transient liquid phase bonding). In addition, the experimental information from this work should be used as input for CALPHAD modelling, because our experiences showed that a combination of experimental work and theoretical and semi empirical modelling will be required to solve this system.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Nickel-Phosphorus-Tin phase diagram crystal structure
Schlagwörter
(Deutsch)
Nickel-Phosphor-Zinn Phasendiagramm Kristallstruktur
Autor*innen
Clemens Johannes Schmetterer
Haupttitel (Englisch)
Interaction of Sn-based solders with Ni(P)-substrates
Hauptuntertitel (Englisch)
the Ni-P, P-Sn and Ni-P-Sn phase diagrams
Publikationsjahr
2009
Umfangsangabe
II, 136 S. : Ill., graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Gabriella Borzone ,
Peter Franz Rogl
AC Nummer
AC05040910
Utheses ID
5276
Studienkennzahl
UA | 091 | 419 | |