Verformung und Schädigung von Werkstoffen der Aufbau- und Verbindungstechnik Steffen Wiese Verformung und Schädigung von Werkstoffen der Aufbau- und Verbindungstechnik Das Verhalten im Mikrobereich 1 C Dr.-Ing. Steffen Wiese Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP Walter-Hülse-Str. 1 06120 Halle Deutschland [email protected] ISBN 978-3-642-05462-4 e-ISBN 978-3-642-05463-1 DOI 10.1007/978-3-642-05463-1 Springer Heidelberg Dordrecht London New York Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2010 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. 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Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Einbandentwurf: WMXDesign GmbH, Heidelberg Gedruckt auf säurefreiem Papier Springer ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media (www.springer.com) Vorwort V Vorwort Dieses Buch ist aus den Bedürfnissen universitärer Forschung und Lehre ent- standen. Der Autor beschäftigt sich seit ca. 15 Jahren mit den Fragen des werk- stoff- und bruchmechanischen Verhaltens von Weichloten in kleinstvolumigen Kontakten der Mikroverbindungstechnik in der Elektronik. In dieser Zeit erreichte ihn eine große Anzahl von Anfragen - vor allem von Doktoranden, aber auch von Ingenieuren aus der Industrie - aus welchen die grundsätzlichen Verständnispro- bleme bei der Behandlung von Schadensfällen bzw. der Beurteilung der Zuverläs- sigkeit (mikro-)elektronischer Aufbauten offensichtlich wurden. Ausgehend von diesem konkreten Beratungsbedarf entstand die Idee, wesentliche Grundlagen die- ses interdiziplinären Gebietes in einem Buch zusammenzufassen. Im Mittelpunkt des Buches stehen Zuverlässigkeits- und Lebensdauerfragen in Zusammenhang mit mikroskopisch kleinen Bauteilstrukturen, wie sie für die Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik typisch sind. Diesem zentralen Thema nähert sich das Buch über eine systematische und detaillierte Darstellung des mikrostrukturellen Aufbaus von Werkstoffen, der Werkstoffverformung sowie des Verlaufes von Materialschädigungen, die letztlich den Ausfall von Bauteilstruktu- ren herbeiführen. Hierbei werden besonders die Beziehungen zwischen diesen drei Säulen der thermomechanischen Zuverlässigkeit aufgezeigt, um so zu einer ver- ständlichen und übersichtlichen Darstellung von Ursache-Wirkung-Beziehungen zu gelangen, welche Voraussetzung für ein rationales Verständnis der Auswirkung der Miniaturisierung von Bauteilstrukturen ist. Eine konkrete Vorstellung des abstrakten Begriffes der miniaturisierten Bauteilstrukturen als auch das Verständ- nis für die Besonderheiten einer technologisch bedingten Zuverlässigkeitsproble- matik werden dabei zunächst in einem vorangestellten Kapitel durch eine Beschreibung des Gebietes der Aufbau- und Verbindungstechnik der Mikroelek- tronik vermittelt. Abschließend widmet sich das Buch in mehreren Kapiteln kon- kreten auf die Werkstoffforschung im Mikrobereich bezogenen Themen, in denen spezielle experimentelle Untersuchungsmethoden, konkrete Versuchsergebnisse als auch sich daraus ergebende Schlussfolgerungen bezüglich der Werkstoffmodel- lierung und der entwicklungsbegleitenden Werkstoffuntersuchung dargestellt wer- den. Dabei wird besonders der Werkstoffuntersuchung im Mikrobereich viel Platz eingeräumt und an vielen konkreten Beispielen werden ihre methodischen Beson- derheiten gegenüber der klassischen Werkstoffprüfung erläutert. Das Buch hat das Ziel, einer breiten Gruppe von Nichtexperten (Studenten, Doktoranden, Entwicklungsingenieure, Quereinsteiger) den Einstieg in die Proble- matik der Schadensfälle und Zuverlässigkeit elektronischer Aufbauten zu ermögli- chen und so viel Hintergrundwissen an Grundlagen- und Spezialkenntnissen zu vermitteln, dass der Leser in die Lage versetzt wird, Projekte zu planen und zu lei- ten, Fachartikel zu verstehen und ihre Ergebnisse in Bezug auf die eigenen Zuver- lässigkeitsprobleme richtig einzuordnen. Ein großer Teil des Buches widmet sich der Thematik der Prüfmaschinen (klas- sisch und im Mikrobereich). Zu diesem Thema existiert kaum (klassische Werk- VI Vorwort stoffprüfung) bzw. keine Literatur (Werkstoffprüfung im Mikrobereich). Der Nut- zen für den Leser besteht darin, dass er einen tiefen Einblick in die spezielle Problematik der Werkstoffprüfung im Mikrobereich bekommt. Besonders für Ent- wicklungsingenieure in der Industrie, die über die Anschaffung von Prüftechnik entscheiden müssen, als auch für Doktoranden/Wissenschaftler, die spezielle Mes- sungen vornehmen wollen, sind diese kritischen und gegenüber Firmenprospekten neutralen Darstellungen hilfreich. Die Art der Darstellung ist so gehalten, dass eine unnötige Mathematisierung bei der Erläuterung der verschiedenen Sachverhalte vermieden wurde. Mathemati- sche Terme wurden nur an solchen Stellen eingesetzt, an denen die Komplexität eines Sachverhaltes eine entsprechende Abstraktion verlangt. Dies soll die Zugäng- lichkeit auch für Leser aus mathematikfremden Studienrichtungen (z.B. Chemie, Materialkunde, Wirtschaftsingenieurwesen) erleichtern. Gleichzeitig wurden für die Erläuterung allgemeiner Sachverhalte stets solche Beispiele ausgewählt, die im konkreten Anwendungsfeld elektronischer Aufbauten in der Mikroelektronik zu finden sind, um so die zu vermittelnden Sachverhalte für Praktiker in der Industrie fassbar zu machen. Das Buch, welches aus einer Habilitationsschrift hervorgegangen ist, entstand am Institut für Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik an der Techni- schen Universität Dresden, Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik. Besonders möchte ich mich bei Prof. Dr.-Ing. habil. K.-J. Wolter für seine Bereit- schaft bedanken, mich an seinem Institut aufzunehmen und mir dort Bedingungen einzuräumen, welche ich für meine wissenschaftliche Forschung benötigte. Herrn Prof. Dr. rer. nat. habil. B.Michel vom Fraunhofer Institut für Zuverläs- sigkeit und Mikrointegration, Berlin und Herrn Prof. Dr. rer. nat. habil. W.H.Müller von der Technischen Universität Berlin danke ich für ihre gutachterliche Tätigkeit sowie für die vielen kritischen, aber immer fruchtbaren wissenschaftlichen Diskussionen, die wir in den vergangenen Jahren geführt haben. Ohne die Unterstützung durch die Mitarbeiter des Institutes wären die sehr umfangreichen experimentellen Untersuchungen nicht möglich gewesen. Mein Dank gilt in diesem Zusammenhang vor allem den Doktoranden meiner Arbeits- gruppe Herrn Dr.-Ing. M. Röllig, Herrn Dipl.-Ing. M. Müller, Herrn Dipl.-Ing. K.Meier, Herrn Dipl.-Ing. R. Metasch, Herrn Dipl.-Ing. S. Schindler. Im Zusammenhang mit der Erstellung des Manuskriptes gilt mein besonderer Dank Frau C. Hasenauer für die sorgfältige Anfertigung der Zeichnungen. Die Untersuchungen wurden durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (För- derkennzeichen WI 2030/1-1 und WI 2030/1-2) gefördert. Der DFG sei ausdrück- lich für die von ihr gewährte finanzielle Unterstützung gedankt, ohne die die Anfertigung dieser Arbeit nicht möglich gewesen wäre. Leipzig, im Januar 2010 SteffenWiese Inhaltsverzeichnis VII Inhaltsverzeichnis 1 Problematik ........................................................................................................ 1 1.1 Ausfälle in elektronischen Aufbauten ....................................................... 1 1.2 Rolle der Werkstoffuntersuchung im Entwicklungszyklus ........................4 1.3 Werkstoffverhalten und Miniaturisierung ..................................................8 1.4 Verformungsverhalten von Metallen .......................................................10 1.4.1 Bedeutung ..........................................................................................10 1.4.2 Verformungsverhalten .......................................................................12 1.5 Untersuchungsmethoden ..........................................................................15 1.6 Ziel der Arbeit ..........................................................................................17 2 Untersuchungsgegenstand ................................................................................19 2.1 Zusammenhang zwischen Gegenstand und Methodik der Untersuchung 19 2.2 Wesen und Entwicklung des Untersuchungsgegenstandes ......................22 2.2.1 Begriff der Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik .......... 22 2.2.2 Inhalt der Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik ............ 23 2.2.3 Entwicklung der Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik ..24 2.3 Architektur elektronischer Aufbauten ......................................................27 2.3.1 Grundkonzept und Aufbauhierarchie................................................. 27 2.3.2 Erste Verbindungsebene.................................................................... 29 2.3.3 Zweite Verbindungsebene................................................................. 41 2.3.4 Architekturentwicklung .................................................................... 55 2.3.5 Strukturabmessungen in elektronischen Aufbauten .......................... 59 2.4 Thermisch-mechanische Problematik elektronischer Aufbauten .............61 2.4.1 Ursachenherkunft .............................................................................. 61 2.4.2 Grundlegende physikalische Ursachen ..............................................63 2.4.3 Aspekte der Architektur- und Entwicklungskonzeption ....................65 2.4.4 Werkstoffphysikalische Seiteneffekte ...............................................68 2.4.5 Belastungsszenarien ...........................................................................68 3 Struktur metallischer Werkstoffe .....................................................................71 3.1 Zusammenhang zwischen Verformung und strukturellem Aufbau .........71 3.2 Struktureller Aufbau .................................................................................73 3.2.1 Strukturebenen ...................................................................................73 3.2.2 Atomarer Aufbau ...............................................................................78 3.2.3 Werkstoffgefüge ................................................................................83 3.3 Legierungen ..............................................................................................94 3.3.1 Formen von Legierungen ...................................................................94 3.3.2 Eutektische Systeme ..........................................................................95 3.3.3 Systeme mit intermediären Phasen ....................................................99 3.3.4 Andere Systeme ...............................................................................100 3.3.5 Drei- und Vielstoffsysteme ..............................................................103 VIII Inhaltsverzeichnis 3.4 Gefügeausbildung bei Erstarrung von Legierungen ...............................104 3.4.1 Entstehung des Erstarrungsgefüges ..................................................104 3.4.2 Erstarrungsgefüge von Sn-Basis-Loten ............................................113 3.5 Gefügeveränderung .................................................................................134 3.5.1 Gefügeveränderung durch thermische Belastung .............................134 3.5.2 Gefügeveränderung durch thermisch-mechanische Belastung .........139 4 Elastische Verformung ....................................................................................143 4.1 Phänomenologie der elastischen Verformung ........................................143 4.2 Physikalischer Hintergrund der elastischen Verformung .......................144 4.2.1 Verzerrung des Kristallgitters ...........................................................144 4.2.2 Nichtlinearität der elastischen Verformungsreaktion .......................146 4.3 Beschreibung der elastischen Verformung .............................................147 4.3.1 Elastizitätsmodul ...............................................................................147 4.3.2 Die Querkontraktionszahl .................................................................151 4.3.3 Der Schubmodul ...............................................................................152 4.3.4 Der Bulkmodul .................................................................................152 4.3.5 Richtungsabhängigkeit der elastischen Konstanten ..........................153 4.3.6 Temperaturabhängigkeit der elastischen Konstanten .......................156 5 Plastische Verformung ....................................................................................157 5.1 Phänomenologie der plastischen Verformung ........................................157 5.1.1 Erscheinungsformen .........................................................................157 5.1.2 Verformungsmechanismenkarten .....................................................158 5.2 Kinetik der plastischen Verformung .......................................................160 5.2.1 Versetzungsbewegung ......................................................................160 5.2.2 Versetzungskinetik ............................................................................164 5.2.3 Bedeutung der Kinetik der Versetzungsbewegung für die Beschrei- bung und Charakterisierung der plastischen Verformung ................172 5.3 Niedertemperaturplastizität .....................................................................174 5.3.1 Merkmale ..........................................................................................174 5.4 Hochtemperaturplastizität .......................................................................179 5.4.1 Merkmale ..........................................................................................179 5.4.2 Beschreibung des zeitabhängigen Verformungsverhaltens ..............182 5.4.3 Grundmechanismen ..........................................................................185 5.5 Wechselverformung ................................................................................201 5.5.1 Merkmale ..........................................................................................201 5.5.2 Beschreibung der Wechselverformung .............................................203 5.5.3 Mechanismencharakteristik bei Wechselverformung .......................207 5.5.4 Materialgedächtniseffekte .................................................................211 Inhaltsverzeichnis IX 6 Schädigung .....................................................................................................213 6.1 Technische Ursachen von Ausfällen ......................................................213 6.2 Materialphysik der Schädigung ..............................................................215 6.2.1 Problematik der Ursacheninterferenz ...............................................215 6.2.2 Wichtige nichtmechanische Schädigungsmechanismen ..................216 6.2.3 Mechanismen der mechanischen Schädigung von Werkstoffen ......219 6.3 Modellierung der Materialschädigung ...................................................235 6.3.1 Problematik der Schädigungsmodellierung .....................................235 6.3.2 Bruchmechanische Konzepte ...........................................................236 6.3.3 Empirische Ermüdungsmodelle .......................................................261 6.3.4 Kontinuums-Schadensmechanik ......................................................269 7 Experimentelle Untersuchungsmethoden .......................................................273 7.1 Problematik der experimentellen Untersuchung ....................................273 7.2 Entwicklung, Ziele und Verfahren der klassischen Werkstoffprüfung ..275 7.2.1 Historische Entwicklung ..................................................................275 7.2.2 Verfahren und Ziele .........................................................................276 7.2.3 Entwicklung miniaturisierter Versuche ...........................................280 7.3 Werkstoffprüfung für stark miniaturisierte Proben ...............................282 7.3.1 Grundproblematik ............................................................................282 7.3.2 Besonderheiten der Prüfmaschinen für miniaturisierte Proben .......283 7.4 Probekörper für miniaturisierte Versuche ..............................................306 7.4.1 Ziele der Probengestaltung ..............................................................306 7.4.2 Idealisierte Bulkproben ....................................................................309 7.4.3 Idealisierte Mikroproben ..................................................................312 7.4.4 Reale Mikroproben ..........................................................................318 7.5 Realisierungen von Prüfmaschinen für miniaturisierte Proben .............323 7.5.1 Prüfmaschinenkonzepte ...................................................................323 7.5.2 Kleinlastprüfmaschinen ...................................................................325 7.5.3 Prüfmaschinen für Scherversuche an kleinvolumigen Kontakten ...333 7.5.4 Ring-Pin-Prüfmaschinen für Lot in Durchkontaktierungen ............346 8 Experimentelle Ergebnisse .............................................................................349 8.1 Bewertung des Datenmaterials ...............................................................349 8.2 Einstoffsystem - Zinn .............................................................................350 8.2.1 Auswahl des Datenmaterials ............................................................350 8.2.2 Elastische Eigenschaften ..................................................................351 8.2.3 Instantanplastische Verformung ......................................................353 8.2.4 Kriechverhalten ................................................................................355 8.3 Zweistoffsystem mit Mischkristallbildung - Zinn Blei .........................356 8.3.1 Auswahl des Datenmaterials ............................................................356 8.3.2 Elastische Eigenschaften ..................................................................359 8.3.3 Instantanplastische Verformung ......................................................361 8.3.4 Kriechverhalten ................................................................................369 X Inhaltsverzeichnis 8.3.5 Rissausbreitungsverhalten ................................................................379 8.4 Zweistoffsystem mit Teilchenhärtung - Zinn Silber ...............................386 8.4.1 Auswahl des Datenmaterials .............................................................386 8.4.2 Elastische Eigenschaften ...................................................................388 8.4.3 Instantanplastische Verformung .......................................................390 8.4.4 Kriechverhalten .................................................................................394 8.5 Dreistoffsystem mit Teilchenhärtung - Zinn Silber Kupfer ....................418 8.5.1 Auswahl des Datenmaterials .............................................................418 8.5.2 Elastische Eigenschaften ...................................................................419 8.5.3 Instantanplastische Verformung .......................................................422 8.5.4 Kriechverhalten .................................................................................425 8.5.5 Rissausbreitungsverhalten an Flip-Chip-Kontakten .........................445 9 Schlussfolgerungen und zukünftige Herausforderungen .................................447 9.1 Mechanik und Werkstoffphysik für die Elektronik ................................447 9.2 Der Größeneffekt in Werkstoffstrukturen elektronischer Aufbauten .....450 9.2.1 Ausgangspunkt ..................................................................................450 9.2.2 Auswertung des Datenmaterials an Sn-basierten Loten ...................452 9.2.3 Bezug zur Werkstoffstruktur der Lotlegierungen .............................458 9.2.4 Schlussfolgerungen bezüglich der Mikrofügetechnologien .............460 9.3 Modelle - Schnittstelle zwischen Experiment und Simulation ...............461 9.4 Gestaltung einer entwicklungsbegleitenden Werkstoffdatenermittlung .467 9.4.1 Erfordernisse .....................................................................................467 9.4.2 Retrospektive der eigenen Untersuchungen .....................................469 9.4.3 Ableitungen für die Zukunft einer entwicklungsbegleitenden Werkstoffdatenermittlung .................................................................471 Literaturverzeichnis..............................................................................................475 Weiterführende Literatur zu den Kapiteln............................................................509 Sachverzeichnis....................................................................................................511 1.1 Ausfälle in elektronischen Aufbauten 1 1 Problematik 1.1 Ausfälle in elektronischen Aufbauten Ausfälle sind ein Phänomen, welches eng mit der technischen Entwicklung ver- bunden ist. Besonders bei der Einführung neuer Konstruktions- und Funktionsprin- zipien oder bei Werkstoffsubstitutionen zur Gewichtseinsparung und Kostensen- kung kommt es gehäuft zum Versagen bestimmter technischer Strukturen. In der Geschichte der Technik wurden diese Ausfallprobleme sehr oft durch eine iterative Weiterentwicklung überwunden, welche zum einen die Anwendung neuer Prinzi- pien oder Werkstoffe erlaubte, auf der anderen Seite jedoch einen hohen Grad der Zuverlässigkeit einer technischen Konstruktion gewährleistete. Die Zuverlässig- keit, d.h. die Aufrecherhaltung einer bestimmten technischen Funktion über einen definierten Zeitraum, war und ist ein die technische Entwicklung begrenzender Faktor. Aus diesem Grund ist die Beschäftigung mit Ausfällen und Versagen in technischen Strukturen ein wichtiger Baustein für die Konstruktion neuartiger technischer Anordnungen. Auch bei der Entwicklung der modernen Elektronik, welche nach der Erfindung des Transistors Ende der vierziger und mit der Entwicklung des Konzeptes der integrierten Schaltkreise während der fünfziger Jahre des letzten Jahrhunderts mitt- lerweile in allen Bereichen der Technik und Gesellschaft Einzug gehalten hat, spielt das Auftreten von Ausfällen eine bedeutende Rolle. Die geradezu explosi- onsartige Entwicklung der Elektronikanwendungen wurde nur durch die ständige Veränderung des Aufbaus mikroelektronischer Bauelemente sowie der für ihre Herstellung notwendigen Technologien möglich. Diese Veränderungen waren ver- bunden mit einer exponentiellen Verkleinerung der Transistorabmessungen zur Erhöhung der Integrationsdichte, d.h. Transistoren pro Fläche, bei gleichzeitiger Vergrößerung der Chipflächen mit dem Ziel der Erhöhung des Gesamtintegrations- grades, d.h. Transistoren pro integriertem Schaltkreis. Diese dynamische Entwicklung führte nicht nur im Gebiet der Halbleitertechnik zu einem erheblichen Bedarf an der systematischen Untersuchung von Ausfällen in den sich permanent verändernden Strukturelementen integrierter Schaltkreise, son- dern erzeugte - wenngleich mit etwas Verzögerung - auch bei dem angrenzenden Gebiet der Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik ein vergleichbares wissenschaftlich-technisches Betätigungsfeld. Zwar war die Aufbau- und Verbin- dungstechnik, welche sich vorrangig mit der physischen Systemintegration, d.h. der Verbindung verschiedener spezialisierter Bauelemente (z.B. Sensoren, Spei- cher- und Logikschaltkreise, Leistungstreiber) zu kompletten Geräten (elektroni- schen Systemen), befasst, zunächst in der Lage, mit den von ihr entwickelten Tech- niken zum Aufbau elektronischer Geräte integrierte Schaltkreise weiterverarbeiten zu können, jedoch zog die dynamische Entwicklung in der Halbleitertechnik bald eine drastische Erhöhung des Entwicklungstempos in der Aufbau- und Verbin-