Modelling and experiments of liquid phase healing in solder alloys

Abstract

Mikroelektronische Baugruppen bestehen aus Bauelementen die mittels Lotpunkten verbunden werden. Lote müssen mechanische Stabilität und elektrische Leitfähigkeit ermöglich und werden durch thermo-mechanische Lasten geschädigt. Ermüdung von Loten ist daher ein kritischer Faktor für Zuverlässigkeit von elektronischen Baugruppen und ist ein aktives Forschungsfeld. Lotwerkstoffe mit Heilungseigenschaften bieten einen neuartigen Zugang zur Verbesserung der Schädigungstoleranz von Lotverbindungen. Das Konzept der Flüssigphasenheilung wird in der vorliegenden Arbeit mittels theoretischen Modellen, Experimenten sowie 3D Bildgebungsverfahren untersucht. Der Schubversuch ist ein häufig eingesetztes Experiment zur Bestimmung der Scherfestigkeit. Der Heilungseffekt bei geringer Schädigung erfordert Messmethoden mit hoher Genauigkeit, die durch geometrische Variationen der Probengeometrie oder systematischen Messfehlern beeinflusst werden. Die vorliegende Arbeit untersucht daher den Einfluss der Probengeometrie auf die Schereigenschaften sowie die Spannungszustände im Lot. Bestehende Schädigungs-Heilungsmodelle basieren auf phänomenologischen Annahmen über die Heilungsevolution. Ein verbessertes Verständnis der physikalischen Zusammenhänge beim Flüssigphasenheilen wird durch Porenkollaps via Rayleigh-Plesset Gleichung beschrieben. Der Zusammenhang von Porengröße, Flüssigkeitsviskosität, Oberflächenspannung und äußeren Druck wird darin formal hergestellt. Die Anwendbarkeit des vorgeschlagenen Modells auf kleine Dimensionen wird mittels Molekulardynamik Simulationen gezeigt. Die Heilungsevolution auf Lotpunktebene wird durch Größeneffekte und Mobilität der Mikrostruktur bestimmt. Geringe Lotspaltdicke führt zu höheren Kapillardrücken und zu beschleunigtem Materialtransport während der Heilungsphase. Die mikrostrukturelle Mobilität ergibt sich aus dem Anteil sowie der Morphologie der Flüssigphase. Diese Faktoren werden in einem kontinuums-mechanischen Modell zusammengefasst und Modellergebnisse mittels Experimenten interpretiert. Potentielle Heilungslegierungen aus dem binären Sn-Bi System werden untersucht. Mithilfe von röntgenbasierter Mikrotomographie werden Mikrostrukturparameter und Morphologie der Flüssigphase charakterisiert sowie Finite Elemente Modelle zur Simulation des Erstarrungsverhaltens abgeleitet. Teil I der vorliegenden Arbeit beschreibt den aktuellen Stand der Technik und liefert allgemeine Grundlagen zur Mechanik von Lotpunkten, Heilung und Bildgebungsverfahren. Teil II besteht aus sechs wissenschaftlichen Arbeiten die in Fachzeitenschriften veröffentlicht wurden.

The degradation of solder joints is a limiting factor of microelectronics reliability. Thermo-mechanical loads initiate mechanical defects, such as cracks or voids, which leads to failure. An innovative approach to achieve higher damage resistance is to incorporate healing mechanisms in materials. The concept of liquid-phase healing in solders is investigated in the present work with contributions to solder characterization, micromechanical modelling of damage and healing, size and composition effects of healing in solder joints, 3D microstructural characterization of potential healing alloys and their solidification behavior. The lap-shear experiment is a widely used method to characterize solder alloys under shear loads, which is the dominant deformation mode in solder joints. In order to quantify the beneficial effect of liquid-phase healing at early stages of damage formation, sensitive measurement methods are necessary. Experiments and computer simulations are used to assess shear properties under varying sample geometries. The healing evolution of existing continuum mechanical models is based on phenomenological relations. A damage-healing model is proposed based on void collapse in liquid phase, which takes the defect-size into account. Furthermore, it gives the formal relationship of liquid-viscosity, surface tension, external loads and healing. Void collapse is modeled by means of the Rayleigh-Plesset equation and its applicability to the nanoscale is studied through molecular dynamics simulations. The healing evolution in solder joints arises from the solder joint size and its composition, which is formulated in a continuum-mechanical model. Capillary forces induce viscous material transport and increase the healing rate with smaller solder dimensions. The role of microstructural mobility depends on the presence of a liquid-phase network, which is accounted for by a model parameter, where high microstructural mobility enhances the healing rate.Sn-Bi alloys are investigated through 3D X-ray micro computed tomography, which shows the variation of liquid phase morphology and its dimensions with regards to solder composition. The microstructure of potential healing alloys is categorized through morphology parameters and finite-element models are deduced from 3D data. Experiments and simulations highlight microstructural requirements of healing alloys under liquid-phase healing. Part I of the present work introduces general concepts of solder joint mechanics, healing and imaging methods. Part II is comprised of six papers published in recognized scientific journals.