FELÜLETI HIBAJELENSÉGEK ELEKTRONIKUS ESZKÖZÖKBEN (NNA-P2-T2) PEJ BESZÁMOLÓ

Kutatóegyetemi Kutatóegyetem Kutatóegyetem – stratégia – NNA-P2 NNA-P2 - NNA PEJ PEJ

FELÜLETI HIBAJELENSÉGEK ELEKTRONIKUS ESZKÖZÖKBEN (NNA-P2-T2) PEJ BESZÁMOLÓ Dr. Illés Balázs Témavezető

Budapest 2011. november 17. Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány


Résztvevők: Horváth Barbara (doktorjelölt), Medgyes Bálint (tanszéki mérnök), Dr. Harsányi Gábor, Dr. Jakab László

Tartalom  Felületi hibajelenségek az elektronikus eszközökben (ón whiskerek és az elektrokémiai migráció)  Elektrokémiai migrációs kutatások  „In-situ” optikai monitorozás THB kamrában  Kontaktusfelület bevonatok migrációs vizsgálata  Ón whisker növekedés kutatása  Ni és Ag köztesréteggel ellátott mintákon  Újrakristályosított és hőkezelt Sn rétegeken  Sn-Cu ötvözeteken  Indikátorok


ELEKTROKÉMIAI MIGRÁCIÓS JELENSÉGEK Elektrokémiai migráció: nedvesség valamint feszültség alatt lévő vezetősávok között a fémek beoldódása és kiválása következtében vezető dendritek növekedése tapasztalható.

A folyamat hajtóereje: az anód és katód közötti elektromos tér, amely hatására az anódról fém ionok oldódnak be, majd a katódon kiválva tű vagy fa alakzatokat formálnak.


ÓN WHISKEREK KÉPZŐDÉSE Az ón whiskerek néhány mikron átmérőjű (általában egykristály) kinövések, amelyek az ón bevonatból „spontán” növekednek.

A növekedés mechanizmusa: 1.Az ónrétegen mechanikai feszültség keletkezik: • • • •

Galvanizálás után visszamaradó feszültségek Termo-mechanikai feszültségek Tin whisker Tisztán mechanikai feszültségek Weak spot Tension IMC réteg és oxidáció okozta mechanikai feszültségek Compression

2. A felületi oxidréteg „gyengébb” pontjain a felszínre tör a whisker

Oxide layer Sn Cu6Sn5

Cu




„IN-SITU” OPTIKAI MONITOROZÁS THB KAMRÁBAN • Migráció valós idejű optikai monitorozása THB kamrában, a dendrit növekedés és nedvesség kondenzáció megfigyelése • Műszaki paraméterek: • hőmérséklet tartomány: -20-+150 oC • pára tartomány: 0-100 %RH • Maximális nyomás 1.7 atm, • Megvilágítás: diffúz LED mátrix (alul) + direkt reflektor • látószög: 50


„IN-SITU” OPTIKAI MONITOROZÁS


KONTAKTUSFELÜLET BEVONATOK MIGRÁCIÓS VIZSGÁLATA • Vizsgált bevonatok: immerziós ezüst (iAg), tiszta réz (bCu), HASL 63Sn/37Pb, immerziós ón (iSn) • Teszt struktúra: IPC-B-24 test lemez • Vizsgálati módszer: WD (Water Drop) teszt (15μl desztillált víz, 10 VDC) • Hibahatár: 0.1 VDC • Irodalmi migrációs sorrend:

Ag>Pb>Cu>Sn • Cél: MTTF (Mean Time To Failure) értékek meghatározása, a sorrend felülvizsgálata


KONTAKTUSFELÜLET BEVONATOK MIGRÁCIÓS VIZSGÁLATA • A Cu és a Pb (HASL) szignifikánsan helyet cserélt a migrációs sorrendben. Ag>>(CuPb)>>Sn • Jelenség okai: • Eutektikumból nehezebben válnak ki a fémionok. • Lényeges, hogy Cu2+ vagy Cu+ ionok vesznek részt a folyamatban, mivel az oldhatósági szorzatuk eltérő.


TISZTÍTOTT ÉS OXIDÁLT CU FELÜLETEK Tisztított Cu felület: Cu+

Ion type, Men+ Ag+ Cu1+ Cu2+ Pb2+ Sn2+

Solubility product of Me(OH)n, -logK 8 15 20 20 27

Oxidált Cu felület: Cu2+




SN WHISKER KÉPZŐDÉS NI ÉS AG KÖZTESRÉTEGGEL ELLÁTOTT MINTÁKON Az alkalmazott rétegszerkezetek bronz bázison: • 1. Ag 1-2 μm Sn 5-7 μm • 2. Ni 1-2 μm Sn 5-7 μm

• Fémezés alkalmazása az Sn réteg és a Cu bázis között • Cél a Cu6Sn5 IMC kialakulás megelőzése • Köztesrétegek: Ni és Ag • Vastagság: 0.2–2 µm

1

2


SN WHISKER KÉPZŐDÉS NI ÉS AG KÖZTESRÉTEGGEL ELLÁTOTT MINTÁKON Erősen korrodáló öregbítési körülmények: •

40 C/95% RH (trópusi)

•

T2: 105 C/100% RH (HAST)

•

T3: 50 C/25%RH, kontroll 70 65

Average whisker length [µm]

60

105°C/100RH% Ag 105°C/100RH% Ni 40°C/95RH% Ag

55

40°C/95RH% Ni

50

50°C/25RH% Ni

45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 1500

2000

2500

3000

Time [h]

3500

4000

4500


WHISKER ALAKZATOK A KÖZTESRÉTEGGEL ELLÁTOTT MINTÁKON

Ni köztesréteg 4200 óra (50 C/25%RH)

Ag köztesréteg 4200 óra (40 C/95%RH)

Ag köztesréteg 3400 óra (105 C/100%RH)


WHISKER ALAKZATOK A KÖZTESRÉTEGGEL ELLÁTOTT MINTÁKON Oxidáció hatása: • „Bokorszerű”, eloxidálódott felszínű whisker alakzatok, Ag köztesréteg 4200 óra (105 C/100%RH) • „Whisker on a whisker” jelenség

Ag köztesréteg (105 C/100%RH) teszt, 2200 óra (a) és 3400 óra (b) Ag köztesréteg 4200 óra (105 C/100%RH)


RÉTEGSZERKEZET ALAKULÁSA Oxidáció hatása: • Bokorszerű eloxidálódott felszínű whisker alakzatok, Ag köztesréteg 4200 óra (105 C/100%RH) • „Whisker on a whisker” jelenség Ag, 105 C/100%RH, 4200 óra

Eredmények • Ón réteg felemésztése a whiskerek által • Ag diffúziója az ónba • Ni3Sn4 intermetalikus réteg az ón irányába növekszik

Ni, 105 C/100%RH, 4200 óra


RÉTEGSZERKEZET ALAKULÁSA TEM-XRD, Ni köztesréteg 105 C/100%RH teszt 4200 óra

Sn

Ni

TEM-XRD, Ag köztesréteg 105 C/100%RH teszt 4200 óra

Ag

Sn


WHISKER KÉPZŐDÉS ÚJRAKRISTÁLYOSÍTOTT ÉS HŐKEZELT MINTÁKON • Az ón réteg tulajdonsága befolyásolják a whisker növekedési hajlamot, két fő paraméter a rétegvastagság és a szemcseméret.

• Előnyös a minél vastagabb réteg (így nagyobb a réteg relaxációs képessége) és a minél nagyobb szemcsék (így kevesebb a szemcsehatár). • A rétegben lévő feszültség csökkenthető hőkezeléssel és újrakristályosítással • Minták: • Réz bázison 10µm és 20µm vastag ón réteg • Hőkezelés 150 C 1 óráig • Újrakristályosítás 5%-os megnyújtás és hőkezelés 150 C 1 óráig


WHISKER KÉPZŐDÉS ÚJRAKRISTÁLYOSÍTOTT ÉS HŐKEZELT MINTÁKON Emelt hőmérséklet 50 C/ alacsony 15 5% RH

10μm referencia

20μm referencia

10μm hőkezelt

20μm hőkezelt

10μm újrakristályosított


Emelt hőmérséklet 105 C/ alacsony 15 5% RH 10μm referencia

20μm referencia

10μm hőkezelt

20μm hőkezelt



Hőciklus tesz (TC), -55-+85 C (JEDEC JESD22A121) 10μm referencia

20μm referencia

10μm hőkezelt

20μm hőkezelt




STATISZTIKAI EREDMÉNYEK 50 C / 15 5% RH, átlagos whisker sűrűségek és hosszak:

• Első whiskerek megjelenése 800 óránál a „kezelt” mintákon • A mintakezelések késleltették a whiskerek megjelenését

• A mintakezelések nem voltak hatással a whiskerek hosszára


STATISZTIKAI EREDMÉNYEK 105 C / 15 5% RH, átlagos whisker sűrűségek és hosszak:

• Az eredmények szignifikánsan elkülönülnek a rétegvastagság alapján, a whisker növekedés szaturációs jellegű • A mintakezelések hatása kevésbé érezhető mint az 50 C esetben, csak a 20μm-es mintáknál számottevő


STATISZTIKAI EREDMÉNYEK TC (-55-+85 C), átlagos whisker sűrűségek és hosszak:

• A mintakezelések késleltető hatása ennél a vizsgálatnál a legszembetűnőbb, viszont hosszúság redukció itt sem volt tapasztalható


Whiskerek a 10 μm-es mintákon; a) 50 C, 1600 óra; b) 105 C, 1600 óra; c) TC (-55-+85 C) 1000 ciklus.


RÉTEGSZERKEZET ALAKULÁSA

A késleltetett whisker növekedés oka a „kezelések” által kiváltott ón szemcseméret növekedés (feszültség csökkentés a rétegben). FIB eredmények: Referencia

Hőkezelt

Újrakristályosított

Lényeges, hogy az alkalmazott öregbítések által kiváltott stressz nem csökkenthető a „kezelésekkel”.


WHISKEREK NÖVEKEDÉS RÉZZEL ÖTVÖZÖTT ÓN BEVONATOKON • Az ötvöző anyagok megváltoztatják az ón réteg whisker állósági tulajdonságait. • Minták: • Rézzel ötvözött (0-5wt%) ón bevonat, réz bázison

• Bevonat létrehozása: merítéssel • Rétegvastagság: 6–8 μm • Alkalmazott öregítési tesztek: • 85 C/85%RH, 2400 óra • HAST 105 C/100%RH, 2400 óra


INDIKÁTOROK

Folyóirat cikkek (4 db): • B. Medgyes, B. Illés, G. Harsányi, Electrochemical Migration Behaviour of Cu, Sn, Ag and Sn63/Pb37, JOURNAL of MATERIALS SCIENCE: MATERIALS in ELECTRONICS, in press, (IF=0.927 (2010)) • B. Medgyes, B. Illés, R. Berényi, G. Harsányi, In situ optical inspection of electrochemical migration during THB tests, JOURNAL of MATERIALS SCIENCE: MATERIALS in ELECTRONICS 22 (2011) 694-700 (IF=0.927 (2010)) • B. Horváth, B. Illés, T. Shinohara, G. Harsányi, Determining Whiskering Properties of Tin-Copper Alloy Solder-dipped Platings, PERIODICA POLYTECHNICA - ELECTRICAL ENGINEERING, in press • B. Horváth, B. Illés, T. Shinohara, G. Harányi, Effects of Humidity on Tin Whisker Growth - Investigated on Ni and Ag Underplated Layer Construction, THIN SOLID FILMS 520 (2011) 384-390 (IF=1.909 (2010))


INDIKÁTOROK

Konferencia cikkek (4 db): • B. Medgyes, B. Illés, Contradictory Electrochemical Migration Behavior of Copper and Lead, Proceedings of 34th IEEE-ISSE conference 2011:206211 • B. Medgye, B. Illés, Investigating SIR of Cu, OSP, iSn and HASL Surface Finishes by THB Test, Proceedings of 17th SIITME 2011:345-348. • B. Illés, B. Horváth, B. Lipák, Investigating Whisker Growth on Annealed and Recrystallized Tin Platings, Proceedings of 34th IEEE-ISSE conference 2011:141-146. • B. Illés, B. Horváth, B. Lipák, L. Jakab, Tin Whisker Growth from Sn-Cu (0-5 wt%) Surface Finishes, Proceedings of 17th SIITME 2011:49-54.

Valamint jövőre 1 db PhD dolgozat és 1 db MSc dolgozat.

FELÜLETI HIBAJELENSÉGEK ELEKTRONIKUS ESZKÖZÖKBEN (NNA-P2-T2) PEJ BESZÁMOLÓ

Recommend Documents