Influence of nanoparticle incorporation on microstructure and mechanical properties of lead-free solder joints

Abstract

Die Zuverlässigkeit bleifreier Lötstellen stellt in der modernen Mikroelektronik weiterhin eine große Herausforderung dar, insbesondere aufgrund der beschleunigten Bildung spröder intermetallischer Verbindungen (IMCs) an der Grenzfläche zwischen Lot und Substrat. In dieser Arbeit wird die Einarbeitung reaktiver Eisen Nanopartikel (Fe NP) in Sn3.5Ag- und SAC305-Lötverbindungen untersucht, um deren mikrostrukturelle Stabilität und Zuverlässigkeit zu verbessern. Im Gegensatz zu konventionellen Ansätzen, bei denen Nanopartikel direkt der Lötpaste zugesetzt werden, basiert der vorgestellte Ansatz auf der Dotierung handelsüblicher Flussmittel mit Fe NP. Dadurch wird eine lokale Anreicherung an der Grenzfläche erreicht, während der Gesamtverbrauch und die Agglomeration der Partikel reduziert werden. Fe Nanopartikel wurden über chemische Reduktionsverfahren synthetisiert und mittels SEM-EDS, TEM-EDS und Röntgenbeugung charakterisiert. Die Partikel zeigten eine Metallkern/Oxidhülle-Struktur, die ausreichende Luftstabilität gewährleistet und eine Handhabung ohne Inertbedingungen ermöglicht. Darüber hinaus wurde der Einfluss der Fe NP auf die Rheologie und das Benetzungsverhalten des Flussmittels sowie auf die Lötbenetzung während des Reflow-Prozesses untersucht. Mit Fe NP-dotierten Flussmitteln hergestellte Sn-basierte Lötverbindungen wurden im Reflow-Zustand und nach thermischer Alterung analysiert. Dabei wurde das Wachstum intermetallischer Phasen, die mikrostrukturelle Entwicklung und die Zuverlässigkeit mithilfe mikroskopischer und mechanischer Untersuchungen bewertet. Querschnittsanalysen mittels SEM, TEM und Atomsonden-Tomographie (APT) veranschaulichten die zugrunde liegenden Diffusions- und Reaktionsmechanismen. Die Zugabe von Fe NP unterdrückte das IMC-Wachstum an der Cu/Lot-Grenzfläche durch die Bildung von (Cu,Fe)6Sn5 und eine Fe-unterstützte Diffusion innerhalb der Cu6Sn5-Schicht, was zu einer verbesserten mechanischen Integrität führte. Unter hohen Stromdichten reduzierten optimale Fe NP-Konzentrationen die elektromigrationsbedingte Degradation deutlich. Insgesamt zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass NP-dotiertes Flussmittel einen vielversprechenden und skalierbaren Ansatz zur Verbesserung der Zuverlässigkeit bleifreier Lötverbindungen darstellt. Darüber hinaus liefert sie neue Erkenntnisse über das Reaktionsverhalten reaktiver Metallnanopartikel beim Löten.

The reliability of lead-free solder joints remains a major challenge in modern microelectronics, primarily due to the accelerated formation and growth of brittle intermetallic compounds (IMCs) at the solder/substrate interface. This thesis investigates the incorporation of reactive iron nanoparticles (Fe NPs) into Sn3.5Ag and SAC305 solder joints to improve their microstructural stability and mechanical performance. In contrast to conventional approaches where nanoparticles are mixed directly with solder paste, this work introduces a novel method by doping commercial soldering fluxes with Fe NPs. This enables localized enrichment of nanoparticles at the solder/substrate interface while minimizing overall NP usage and mitigating agglomeration. Fe nanoparticles were synthesized via various chemical reduction routes, and the influence of reaction parameter tuning on product characteristics was investigated. The particles were characterized by SEM-EDS, TEM-EDS, and X-ray diffraction to determine size, oxide shell thickness, and oxidation state. Oxidation studies revealed a metal-core/oxide-shell structure providing stability in air, allowing flux mixing without inert conditions and facilitating industrial applicability. The influence of Fe NP addition on flux rheology and wetting behavior, as well as on solder wetting during reflow, was also examined.Fe NP-doped fluxes were used to fabricate Sn-based solder joints, which were analyzed in as-reflowed and thermally aged conditions to evaluate IMC growth, microstructural evolution and reliability using microscopy and mechanical testing. Cross-sectional analyses by SEM, TEM, and atom probe tomography (APT) elucidated the diffusion and reaction mechanisms involved. In addition, current-stressed samples were investigated to assess the influence of Fe NPs on electromigration-driven degradation. The incorporation of Fe NPs effectively suppressed IMC growth at the Cu/solder interface through the formation of (Cu,Fe)6Sn5 and Fe-assisted diffusion within the Cu6Sn5 layer, leading to improved mechanical integrity. Under high current densities, optimal Fe NP concentrations significantly reduced electromigration-induced degradation and IMC growth. Moreover, Fe NP addition improved flux viscosity and at certain concentrations also the wetting behavior.Overall, this study establishes nanoparticle-doped flux as a promising and scalable approach for enhancing the reliability of lead-free solder joints and provides new insights into the reaction behavior of reactive metal nanoparticles during soldering.