Tác động của sự bổ sung nhỏ Fe lên vi cấu trúc hợp kim và tính chất kéo của hợp kim hàn Sn‐1Ag‐0.5Cu có hàm lượng Ag thấp

Emerald - Tập 24 Số 4 - Trang 257-266 - 2012
DhaferAbdul Ameer Shnawah1, SuhanaBinti Mohd Said1, MohdFaizul Bin Mohd Sabri1, IrfanAnjum Badruddin1, FaXing Che2
1Department of Mechanical Engineering, University of Malaya, Kuala Lumpur, Malaysia
2Institute of Microelectronics, A*STAR (Agency for Science, Technology and Research), Singapore

Tóm tắt

Mục đíchMục đích của bài báo này là điều tra tác động của các bổ sung nhỏ (0,1 và 0,3 wt%) của Fe lên vi cấu trúc bulk của hợp kim và tính chất kéo của hợp kim hàn không chì Sn‐1Ag‐0.5Cu có hàm lượng Ag thấp.Thiết kế/phương pháp tiếp cậnCác mẫu hàn Sn‐1Ag‐0.5Cu, Sn‐3Ag‐0.5Cu và Sn‐1Ag‐0.5Cu chứa 1 và 3 wt.% Fe đã được chế tạo bằng cách nấu chảy các khối Sn, Ag, Cu và Fe nguyên chất trong lò cảm ứng, sau đó nấu lại và đúc để tạo thành các mẫu hình xương đòn phẳng cho thử nghiệm kéo. Các mẫu hàn đã được thử nghiệm kéo bằng máy thử INSTRON với tốc độ tải 10‐3 s‐1. Để thu được vi cấu trúc, các mẫu hàn đã được chuẩn bị qua các quá trình cắt, tạo hình, mài và đánh bóng. Phân tích vi cấu trúc đã được thực hiện bằng kính hiển vi điện tử quét/Phổ tia X năng lượng tán xạ. Phân tích khuếch tán điện tử phản xạ (EBSD) đã được sử dụng để xác định các pha IMC.Kết quảThêm vào các hạt β‐Sn chính lớn, việc bổ sung Fe vào hợp kim SAC105 đã tạo ra các hạt FeSn2 IMC hình tròn lớn nằm trong các vùng eutectic. Điều này đã có tác động đáng kể làm giảm mô đun đàn hồi và sức bền chảy và duy trì sự kéo dài ở mức SAC105. Hơn nữa, việc bổ sung Fe đã dẫn đến sự hiện diện của Fe trong các hạt IMC Ag3Sn và Cu6Sn5. Các bổ sung Fe không có tác động đáng kể đến hành vi nóng chảy.Giới hạn/hệ quả nghiên cứuBài báo này cung cấp một điểm khởi đầu cho việc nghiên cứu tác động của các bổ sung nhỏ Fe lên khả năng chịu đựng va đập và chu trình nhiệt của hợp kim SAC105, xem xét vi cấu trúc bulk của hợp kim và tính chất kéo. Cần thực hiện thêm các nghiên cứu trong tương lai.Tính mới/gía trịTác động của việc bổ sung Fe lên vi cấu trúc hợp kim bulk và tính chất kéo của hợp kim SAC105 đã được nghiên cứu lần đầu tiên. Hợp kim SAC105 chứa Fe có thể có tiềm năng nâng cao độ tin cậy về khả năng chịu va đập và chu trình nhiệt so với hợp kim SAC105 tiêu chuẩn.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Abtew, M. and Selvaduray, G. (2000), “Lead‐free solders in microelectronics”, Materials Science and Engineering: R: Reports, Vol. 27 Nos 5/6, pp. 95‐141.

Anderson, I.E and Harringa, J. (2004), “Elevated temperature aging of solder joints based on Sn‐Ag‐Cu: effects on joint microstructure and shear strength”, Journal of Electronic Materials, Vol. 33 No. 12, pp. 1485‐96.

Anderson, I.E., Cook, B.A., Harringa, J. and Terpstra, R.L. (2002), “Microstructural modifications and properties of Sn‐Ag‐Cu solder joints induced by alloying”, Journal of Electronic Materials, Vol. 31 No. 11, pp. 1166‐74.

Choi, S., Lucas, J.P., Subramanian, K.N. and Bieler, T.R. (2000), “Formation and growth of interfacial intermetallic layers in eutectic Sn‐Ag solder and its composite solder joints”, Journal of Materials Science: Materials in Electronics, Vol. 11 No. 6, pp. 497‐502.

Chong, D.Y.R., Che, F.X., Pang, J.H.L., Ng, K., Tan, J.Y.N. and Low, P.T.H. (2006), “Drop impact reliability testing for lead‐free and lead‐based soldered IC packages”, Microelectronics and Reliability, Vol. 46 No. 7, pp. 1160‐71.

de Sousa, I., Henderson, D.W., Parry, L., Kang, S.K. and Shih, D.‐Y. (2006), “The influence of low level doping on the thermal evolution of SAC alloy solder joints with Cu pad structures”, ECTC, IEEE.

Dieter, G.E. (1976), Mechanical Metallurgy, McGraw‐Hill, Tokyo.

Gao, L., Xue, S., Zhang, L., Sheng, Z., Ji, F., Dai, W. and Yu, G. (2010), “Effect of alloying elements on properties and microstructures of SnAgCu solders”, Microelectronic Engineering, Vol. 87 No. 11, pp. 2025‐34.

He, M., De Leon, N. and Acoff, V.L. (2010), “Effect of Bi on the microstructure and tensile behavior of Sn‐3.7 Ag solders”, Soldering & Surface Mount Technology, Vol. 22 No. 3, pp. 4‐9.

Huang, B., Hwang, H.‐S. and Lee, N.‐C. (2007), “A compliant and creep resistant SAC‐Al (Ni) alloy”, ECTC, IEEE.

Hutter, M., Schmidt, R., Schmidt, R., Zerrer, P., Rauschenbach, S., Wittke, K., Scheel, W. and Reichl, H. (2009), “Effects of additional elements (Fe, Co, Al) on SnAgCu solder joints”, ECTC, IEEE.

Kariya, Y., Hosoi, T., Terashima, S., Tanaka, M. and Otsuka, M. (2004), “Effect of silver content on the shear fatigue properties of Sn‐Ag‐Cu flip‐chip interconnects”, Journal of Electronic Materials, Vol. 33 No. 4, pp. 321‐8.

Kim, D., Suh, D., Millard, T., Kim, H., Kumar, C., Zhu, M. and Xu, Y. (2007), “Evaluation of high compliant low Ag solder alloys on OSP as a drop solution for the 2nd level Pb‐free interconnection”, ECTC, IEEE.

Kim, K., Huh, S. and Suganuma, K. (2003), “Effects of fourth alloying additive on microstructures and tensile properties of Sn‐Ag‐Cu alloy and joints with Cu”, Microelectronics Reliability, Vol. 43 No. 2, pp. 259‐67.

Kittidacha, W., Kanjanavikat, A. and Vattananiyom, K. (2008), “Effect of SAC alloy composition on drop and temp cycle reliability of BGA with NiAu pad finish”, EPTC, IEEE.

Liu, W., Bachorik, P. and Lee, N.‐C. (2008), “The superior drop test performance of SAC‐Ti solders and its mechanism”, ECTC, IEEE.

Liu, W., Lee, N.‐C., Porras, A., Ding, M., Gallagher, A., Huang, A., Chen, S. and ChangBing Lee, J. (2009a), “Achieving high reliability low cost lead‐free SAC solder joints via Mn or Ce doping”, ECTC, IEEE.

Liu, X., Zhao, Y., Huang, M., Wu, C.M.L. and Wang, L. (2009b), “Liquid‐state interfacial reactions between Sn‐Ag‐Cu‐Fe composite solders and Cu substrate”, ICEPT‐HDP, IEEE.

Massalski, T.B. (1986), Binary Alloy Phase Diagrams, American Society for Metals, Materials Park, OH.

Pandher, R.S. and Healey, R. (2003), “Reliability of Pb‐free solder alloys in demanding BGA and CSP applications”, ECTC, IEEE.

Pandher, R.S., Lewis, B.G., Vangaveti, R. and Singh, B. (2007), “Drop shock reliability of lead‐free alloys‐effect of micro‐additives”, ECTC, IEEE.

Reid, M., Punch, J., Collins, M. and Ryan, C. (2008), “Effect of Ag content on the microstructure of Sn‐Ag‐Cu based solder alloys”, Soldering & Surface Mount Technology, Vol. 20, pp. 3‐8.

Renavikar, M.P., Patel, N., Dani, A., Wakharkar, V., Arrigotti, G., Vasudevan, V., Bchir, O., Alur, A.P., Gurumurthy, C.K. and Stage, R.W. (2008), “Materials technology for environmentally green micro‐electronic packaging”, Intel® Technology Journal, Vol. 12, pp. 1‐16.

Ritchie, R. (1988), “Mechanisms of fatigue crack propagation in metals, ceramics and composites: role of crack tip shielding”, Materials Science and Engineering: A, Vol. 103 No. 1, pp. 15‐28.

Shnawah, D.A., Sabri, M.F.M. and Badruddin, I.A. (2012), “A review on thermal cycling and drop impact reliability of SAC solder joint in portable electronic products”, Microelectronics Reliability, Vol. 52, pp. 90‐9.

Suh, D., Kim, D.W., Liu, P., Kim, H., Weninger, J.A., Kumar, C.M., Prasad, A., Grimsley, B.W. and Tejada, H.B. (2007), “Effects of Ag content on fracture resistance of Sn‐Ag‐Cu lead‐free solders under high‐strain rate conditions”, Materials Science and Engineering: A, Vol. 460, pp. 595‐603.

Tanaka, M., Sasaki, T., Kobayashi, T. and Tatsumi, K. (2006), “Improvement in drop shock reliability of Sn‐1.2 Ag‐0.5 Cu BGA interconnects by Ni addition”, ECTC, IEEE.

Terashima, S., Kariya, Y. and Tanaka, M. (2004), “Improvement on thermal fatigue properties of Sn‐1.2 Ag‐0.5 Cu flip chip interconnects by nickel addition”, Materials Transactions‐JIM, Vol. 45 No. 3, pp. 673‐80.

Yu, A.‐M., Jang, J.‐W., Kim, J.‐K., Lee, J.‐H. and Kim, M.‐S. (2010), “Improved reliability of Sn‐Ag‐Cu‐In solder alloy by the addition of minor elements”, ECTC, IEEE.

Zerrer, P., Fix, A., Hutter, M. and Reichl, H. (2010), “Solidification and wetting behaviour of SnAgCu solder alloyed by reactive metal organic flux”, Soldering & Surface Mount Technology, Vol. 22 No. 1, pp. 19‐25.

Zhang, L., Xue, S.‐B., Gao, L.‐L., Chen, Y., Yu, S.‐L., Sheng, Z. and Zeng, G. (2010), “Microstructure and creep properties of Sn‐Ag‐Cu lead‐free solders bearing minor amounts of the rare earth cerium”, Soldering & Surface Mount Technology, Vol. 22 No. 2, pp. 30‐6.