Correlation between microstructure and lifetime of metallic materials in semiconductor application

Ziel dieser Arbeit ist es den Zusammenhang zwischen der Mikrostruktur und der Lebenszeit von Lotbällen zu untersuchen. Der Fokus der Arbeit liegt dabei vor allem auf der Findung einer passenden Probenpräparation für die Analyse mittels rasterelektronenmikroskopischer Verfahren und entsprechender Datenauswertung, um etwaige mikrostrukturellen Änderungen der Lebenszeit gegenüberzustellen.
In der Mikroelektronik dienen Lotverbindungen in Form von Lotbällen zur Verbindung von Chips mit der Leiterplatte. Diese Lotbälle stellen dabei sowohl einen elektrischen sowie thermischen Kontakt her als auch die mechanische Stabilität der Verbindung sicher. Die Zuverlässigkeit dieser Verbindung wird stark von den mikrostrukturellen Eigenschaften des Lotmaterials beeinflusst. Während in der Vergangenheit noch hauptsächlich bleihaltige Lote verwendet wurden, werden heutzutage bleifreie Alternativen verwendet, wie jene Lote auf Basis einer Zinn-Silber-Kupfer-Legierung (Sn-Ag-Cu oder SAC-Lote).
Das in dieser Arbeit untersuchte Material SAC305 (96.5 wt%. Sn – 3.0 wt%. – Ag – 0.5 wt%. Cu) besteht zum Großteil aus Zinn (β-Sn Phase), wodurch die mikrostrukturellen Eigenschaften des Materials und damit die Zuverlässigkeit der Lotverbindung vor allem durch die anisotropen Eigenschaften des tetragonalen β-Sn bestimmt werden. In dieser Untersuchung wurden SAC305 Lotbälle einem ‘thermal cycling on board‘ Test unterzogen, um damit das Materialverhalten während zyklischer thermischer Belastung zu analysieren. Proben mit unterschiedlicher Anzahl thermischer Zyklen bilden dabei verschiedene Stadien der Ermüdung ab.
Im ersten Teil der Arbeit wurden die Proben für die Elektronenrückstreubeugung (EBSD) Analyse vorbereitet. Aufgrund der niedrigen homologen Temperatur von Zinn sind für die Präparation von Querschnittsproben mehrere Präparationsschritte notwendig, die einen möglichst geringen thermischen und mechanischen Schädigungseintrag gewährleisten sollen. Die EBSD-Daten wurden im Anschluss mittels der MATLAB Toolbox MTEX ausgewertet. Für eine erste Charakterisierung der mikrostrukturellen Änderung des Lotmaterials wurde die Rekristallisation der Proben untersucht. Als erste konkretere Charakterisierung der Mikrostruktur wurde der Degradation Indicator ermittelt. Dieser bezieht jedoch keine Schädigung in Form von Rissen mit ein. Für die Bewertung dieser mechanischen Schädigung wurde eine Röntgen-Mikrotomographie (μCT) Untersuchung durchgeführt. Diese beiden Methoden ermöglichen die Untersuchung der Schädigung des Lotmaterials in zwei unterschiedlichen Ermüdungsstadien. Während der Degradation Indicator ein Werkzeug für die Untersuchung vor dem Auftreten mechanischer Schädigung ist, kann die μCT Untersuchung für die Ermittlung der Schädigung ab dem Auftreten von Rissen herangezogen werden.