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

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

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

Erzsébet Somogyiné
7 évvel ezelőtt
Látták:

1 FELÜLETI HIBAJELENSÉGEK ELEKTRONIKUS ESZKÖZÖKBEN (NNA-P2-T2) BESZÁMOLÓ Dr. Illés Balázs Témavezető Budapest november 17. Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány

2 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

3 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.

4 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 Tisztán mechanikai feszültségek IMC réteg és oxidáció okozta mechanikai feszültségek 2. A felületi oxidréteg gyengébb pontjain a felszínre tör a whisker Weak spot Tin whisker Compression Cu Tension Oxide layer Sn Cu 6 Sn 5

5 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

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

7 IN-SITU OPTIKAI MONITOROZÁS

8 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

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

10 TISZTÍTOTT ÉS OXIDÁLT CU FELÜLETEK Tisztított Cu felület: Cu+ Oxidált Cu felület: Cu2+ Ion type, Me n+ Solubility product of Me(OH) n, -logk Ag + 8 Cu Cu Pb Sn 2+ 27

11 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

12 SN WHISKER KÉPZŐDÉS NI ÉS AG KÖZTESRÉTEGGEL ELLÁTOTT MINTÁKON Fémezés alkalmazása az Sn réteg és a Cu bázis között Cél a Cu 6 Sn 5 IMC kialakulás megelőzése Köztesrétegek: Ni és Ag Vastagság: µm 1 Az alkalmazott rétegszerkezetek bronz bázison: 1. Ag 1-2 μm Sn 5-7 μm 2. Ni 1-2 μm Sn 5-7 μm 2

13 Average whisker length [ µ m] Kutatóegyetemi stratégia NNA-P2 - NNA 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 C/100RH% Ag 105 C/100RH% Ni 40 C/95RH% Ag 40 C/95RH% Ni 50 C/25RH% Ni Time [h]

14 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)

15 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)

16 RÉTEGSZERKEZET ALAKULÁSA Ag, 105 C/100%RH, 4200 óra Oxidáció hatása: Bokorszerű eloxidálódott felszínű whisker alakzatok, Ag köztesréteg 4200 óra (105 C/100%RH) Whisker on a whisker jelenség Eredmények Ni, 105 C/100%RH, 4200 óra Ón réteg felemésztése a whiskerek által Ag diffúziója az ónba Ni 3 Sn 4 intermetalikus réteg az ón irányába növekszik

17 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 Sn Ag

18 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

19 WHISKER KÉPZŐDÉS ÚJRAKRISTÁLYOSÍTOTT ÉS HŐKEZELT MINTÁKON Emelt hőmérséklet 50 C/ alacsony 15 5% RH 10μm referencia 10μm hőkezelt 10μm újrakristályosított 20μm referencia 20μm hőkezelt 20μm újrakristályosított Emelt hőmérséklet 105 C/ alacsony 15 5% RH 10μm referencia 10μm hőkezelt 10μm újrakristályosított 20μm referencia 20μm hőkezelt 20μm újrakristályosított Hőciklus tesz (TC), C (JEDEC JESD22A121) 10μm referencia 10μm hőkezelt 10μm újrakristályosított 20μm referencia 20μm hőkezelt 20μm újrakristályosított

20 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

21 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

22 STATISZTIKAI EREDMÉNYEK TC ( C), átlagos whisker sűrűségek és hosszak: A mintakezelések késleltető hatása ennél a vizsgálatnál a legszembetűnőbb, viszont hosszúság redukció itt sem volt tapasztalható

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

24 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.

25 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

26 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) (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) (IF=1.909 (2010))

27 INDIKÁTOROK Konferencia cikkek (4 db): B. Medgyes, B. Illés, Contradictory Electrochemical Migration Behavior of Copper and Lead, Proceedings of 34th IEEE-ISSE conference 2011: B. Medgye, B. Illés, Investigating SIR of Cu, OSP, isn and HASL Surface Finishes by THB Test, Proceedings of 17th SIITME 2011: B. Illés, B. Horváth, B. Lipák, Investigating Whisker Growth on Annealed and Recrystallized Tin Platings, Proceedings of 34th IEEE-ISSE conference 2011: B. Illés, B. Horváth, B. Lipák, L. Jakab, Tin Whisker Growth from Sn-Cu (0-5 wt%) Surface Finishes, Proceedings of 17th SIITME 2011: Valamint jövőre 1 db PhD dolgozat és 1 db MSc dolgozat.

Hasonló dokumentumok

ÓN-WHISKER KÉPZŐDÉS AZ ELEKTRONIKÁBAN

ÓN-WHISKER KÉPZŐDÉS AZ ELEKTRONIKÁBAN PhD beszámoló BÁTORFI RÉKA BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM ELEKTRONIKAI TECHNOLÓGIA TANSZÉK WHISKER NÖVEKEDÉS ELŐIDÉZÉSE A whiskerek növekedése spontán