The effective charge number and the critical current density of electromigration in eutetic SnPb and Pb Free $(SnAg_{3.8}Cu_{0.7)$ flip chip solder bumps are studied. The effective charge number of electromigration in eutectic SnPb solder is obtained as 34 and the critical current density is $j=0.169{\times}({\delta}_{\sigma}/{\delta}_x})\;A/cm^2,\;where\;({\delta}_{\sigma}/{\delta}_x})$ is the electromigration-induced compressive stress gradient along the length of the line. While the effect of electromigration in Pb free solder is much smaller than that in eutectic SnPb, the product of diffusivity and effective charge number $DZ^{\ast}$ has been assumed as $6.62{\times}10^{-11}$. The critical length for electromigration are also discussed.
Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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v.16
no.1
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pp.19-25
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2003
Electromigration characteristics of eutectic SnPb solder were studied using thin stripe-type test structures. Significant changes in the microstructure were observed after electromigration test, in which the temperature and the current density were varied from 80 to 100 $^{\circ}C$ and from 4.6${\times}$10$^4$A/$\textrm{cm}^2$ to 8.7${\times}$10$^4$A/$\textrm{cm}^2$. While voids or local thinning were found near the cathode end, hillocks were mainly observed near the anode end. From resistance measurements, it was calculated that the activation energy of the eutectic SnPb solder for electromigration was 0.77 eV. The dominant migrating element along the electron flow at 100$^{\circ}C$ was Pb.
Transactions on Electrical and Electronic Materials
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v.15
no.3
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pp.155-158
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2014
The phase transformation of Sn-Pb-Bi solder for photovoltaic ribbon during soldering was studied using real-time synchrotron x-ray scattering. At room temperature, Sn and Pb crystal phases in the solder existed separately. By heating to $92^{\circ}C$, a new PbBi alloy crystal phase was formed, which grew further up to $160^{\circ}C$. The Sn crystal phase first started to melt at $160^{\circ}C$, and was mostly melted at $165^{\circ}C$. In contrast, the Pb and PbBi crystal phases started to melt at $165^{\circ}C$, and were mostly melted at $170^{\circ}C$. The useful result was obtained, that the solder's melting temperature decreased from $183^{\circ}C$ to $170^{\circ}C$ by addition of a small amount of Bi atoms to the eutectic Sn62-Pb38 (wt%) solder. Our study first revealed the detailed in-situ phase transformation of Sn-Pb-Bi solder during heating to the eutectic temperature. Considering the results of peel strength and hardness, adding 1 wt% of Bi atoms to the Sn62-Pb38 (wt%) solder produced an appropriate composition.
Kim Oh-Han;Yoon Min-Seung;Joo Young-Chang;Park Young-Bae
Journal of the Microelectronics and Packaging Society
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v.12
no.4
s.37
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pp.281-287
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2005
in-situ electromigration test was carried out for edge drift lines of eutectic SnPb solder using Scanning Electron Microscopy (SEM). The electromigration test for the eutectic SnPb solder sample was conducted at temperature of $90^{\circ}C$ and the current density of $6{\times}10^4A/cm^2$. Edge drift at cathode and hillock growth at anode were observed in-situ in a SEM chamber during electromigration test. It was clearly revealed that eutectic SnPb solder lines has an incubation stage before void formation during electromigration test, which seemed to be related to the void nucleation stage of flip chip solder electromigration behaviors.
The interfacial reaction and reliability of eutectic Sn-Pb and Pb-free eutectic Sn-Ag ball-grid-array (BGA) solders with an immersion Ag-plated Cu substrate were evaluated following isothermal aging at $150^{\circ}C$. During reflowing, the topmost Ag layer was dissolved completely into the molten solder, leaving the Cu layer exposed to the molten solder for both solder systems. A typical scallop-type Cu-Sn intermetallic compound (IMC) layer was formed at both of the solder/Cu interfaces during reflowing. The thickness of the Cu-Sn IMCs for both solders was found to increase linearly with the square root of isothermal aging time. The growth of the $Cu_3Sn$ layer for the Sn-37Pb solder was faster than that for the Sn-3.5Ag solder, In the case of the Sn-37Pb solder, the formation of the Pb-rich layer on the Cu-Sn IMC layer retarded the growth of the $Cu_6Sn_5$ IMC layer, and thereby increased the growth rate of the $Cu_3Sn$ IMC layer. In the ball shear test conducted on the Sn-37Pb/Ag-plated Cu joint after aging for 500h, fracturing occurred at the solder/$Cu_6Sn_5$ interface. The shear failure was significantly related to the interfacial adhesion strength between the Pb-rich and $Cu_6Sn_5$ IMC layers. On the other hand, all fracturing occurred in the bulk solder for the Sn-3.5Ag/Ag-plated Cu joint, which confirmed its desirable joint reliability.
Kim, Ju-Hee;Kim, A Yong;Park, Nochang;Ha, Jeong Won;Lee, Sang Guon;Hong, Won Sik
Journal of Welding and Joining
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v.32
no.6
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pp.75-81
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2014
Usage of heavy metal element (Pb, Hg and Cd etc.) in electronic devices have been restricted due to the environmental banning of the European Union, such as WEEE and RoHS. Therefore, it is needed to develop the Pb-free solder plated ribbon in photovoltaic (PV) module. This study described that degradation characteristics of PV module under damp heat (DH, $85^{\circ}C$ and 85% R.H.) condition test for 1,000 h. Solar cell ribbons were utilized to hot dipping plate with Pb-free solder alloys. Two types of Pb-free solder plated ribbons, Sn-3.0Ag-0.5Cu (SAC305) and Sn-48Bi-2Ag, and an electroless Sn-40Pb solder hot dipping plated ribbon as a reference sample were prepared to evaluate degradation characteristics. To detect the degradation of PV module with the eutectic and Pb-free solder plated ribbons, I-V curve, electro-luminescence (EL) and cross-sectional SEM analysis were carried out. DH test results show that the reason of maximum power (Pm) drop was mainly due to the decrease fill factor (FF). It was attributed to the crack or oxidation of interface between the cell and the ribbon. Among PV modules with the eutectic and Pb-free solder plated ribbon, the PV module with SAC305 ribbon relatively showed higher stability after DH test than the case of PV module with Sn-40Pb and Sn-48Bi-2Ag solder plated ribbons.
Ham, Young Pil;Heo, Woo Jin;Yu, Hyo Sun;Yang, Sung Mo
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.21
no.1
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pp.145-153
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2013
In this study, shear punch-creep (SP-Creep) at Sn-4Ag/Cu pad the joint was tested by using environment-friendly Pb-free solder alloy Sn-4Ag of electronic components. Pb eutectic alloy (Sn-37Pb) joints limited to environmental issues with reflow time (10sec, 30sec, 100sec, 300sec) according to two types of solder alloy joints are compared and evaluated by creep strain rate, rupture time and IMC (Intermetallic Compound) behavior. As the results, reflow time increases with increasing thickness of IMC can be seen at overall 100sec later in case of two solder joints on the IMC thickness of Sn-4Ag solder joints thicker than Sn-37Pb solder joints. In addition, when considering creep evaluation factors, lead-free solder alloy Sn-4Ag has excellent creep resistance more than Pb eutectic alloy. For this reason, the two solder joints, such as in the IMC (Cu6Sn5) was formed. However, the creep resistance of Sn-4Ag solder joints was largely increased in the precipitation strengthening effect of dispersed Ag3Sn with interface more than Sn-37Pb solder joints.
Journal of the Microelectronics and Packaging Society
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v.5
no.1
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pp.7-18
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1998
In the flip chip interconnection on organic substrates using eutectic Pb/Sn solder bumps highly reliable Under Bump Metallurgy (UBM) is required to maintain adhesion and solder wettability. Various UBM systems such as 1$\mu$m Al/0.2$\mu$m Pd/1$\mu$m Cu, laid under eutectic Pb/Sn solder were investigated with regard to their interfacial reactions and adhesion proper-ties. The effects of numbers of solder reflow and aging time on the growth of intermetallic compounds (IMCs) and on the solder ball shear strength were investigated. Good ball shear strength was obtained with 1$\mu$m Al/0.2$\mu$m Ti/5$\mu$m Cu and 1$\mu$m Al/0.2$\mu$m ni/1$\mu$m Cu even after 4 solder reflows or 7 day aging at 15$0^{\circ}C$. In contrast 1$\mu$m Al/0.2$\mu$m Ti/1$\mu$m Cu and 1$\mu$mAl/0.2$\mu$m Pd/1$\mu$m 쳐 show poor ball shear strength. The decrease of the shear strength was mainly due to the direct contact between solder and nonwettable metal such as Ti and Al resulting in a delamination. In this case thin 1$\mu$m Cu and 0.2$\mu$m Pd diffusion barrier layer were completely consumed by Cu-Sn and pd-Sn reaction.
In-situ observation of electromigration behavior of eutectic SnPb solder was performed as a function of line length at $100^{\circ}C$, $6{\times}10^4A/cm$ condition in a scanning electron microscope chamber. The incubation time for edge drift and the edge drift velocity increase as line length increases, which are discussed with the void nucleation stage of solder bump and the electromigration back flux force, respectively. Finally, the existence of electromigration product (jL) and its line length dependency are also discussed.
Proceedings of the International Microelectronics And Packaging Society Conference
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2003.11a
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pp.63-67
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2003
Electromigration characteristics of $SnAg_3Cu_{0.7}$ and eutectic SnPb solder were studied using thin stripe-type test structures. Significant changes in the microstructure of two solders were observed after electromigration test, in which the temperature and the current density were varied from 90 to $110^{\circ}C$ and from $4.0\times10^4\;A/cm^2\;to\;9.2\times10^4\;A/cm^2$. In SnAgCu solders, hillocks were main]y observed near the anode end. From resistance measurements, it was calculated that the activation energy of the SnAgCu solder for electromigration was 1.04 eV And in eutectic SnPb without the effect of pads, while depleted region was found near cathode end, Sn-rich hillocks were observed near the anode end. During eutectic SnPb electromigration, it were observed that electromigration behavior had two migration modes.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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