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

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.