High temperature die attach by low temperature gold-tin solid-liquid interdiffusion

Abstract

There is a need for electromechanical devices capable of operating in high temperature environments (>200°C) for a wide variety of applications. Today’s widebandgap semiconductor based power electronics have demonstrated a potential of operating above 400°C, although they are still limited by packaging. Among the most promising alternatives is the Au-Sn eutectic solder, which has been widely used due to its excellent mechanical and thermal properties. However, the operating temperature of this system is still limited to ~250°C owing to its melting temperature of 280°C. Therefore, a higher temperature resistant system is much needed, but one which does not affect the current processing temperature of ~325°C typically exhibited in most high temperature Pb-Free solders. This study presents the development and characterization of a fluxless die attach soldering process based on gold enriched solid liquid inter-diffusion (SLID). A low melting point material (eutectic Au-Sn) and a high melting point material (pure Au) were deposited onto two substrates, assembled as in a sandwich structure and then processed in a vacuum furnace at different temperatures and times. Microscopical examination revealed a bond formation consisting of intermetallic microstructures. Mechanical characterization of the each individual intermetallic phase was achieved by nanoindentation. Differential scanning calorimetry demonstrated the progression of the SLID process by quantifying the remaining low melting point phase as a function of time and temperature. Post-processed samples demonstrated the potential use of the Au-Sn SLID as a die attach technology as they proved the formation of sound joints that where thermally stable up to ~498°C after the completion of the SLID process.

En la actualidad, existe la necesidad de dispositivos electromecánicos capaces de operar en ambientes de alta temperatura (>200°C). Hoy en día, los semiconductores de banda ancha utilizados en módulos de conversión de potencia han demostrado poder operar por encima de los 400°C, sin embargo, estos aparatos todavía se encuentran limitados por sus empaques electrónicos. Entre las alternativas más prometedoras se encuentra la soldadura de oro-estaño (Au-Sn) eutéctico, la cual ha sido ampliamente utilizada debido a sus excelentes propiedades mecánicas y térmicas. Sin embargo, debido a su temperatura de fusión (280°C), la temperatura de funcionamiento de este sistema metalúrgico se encuentra limitada a ~250°C. Por lo tanto, se requiere un sistema que resista altas temperaturas sin que se afecte la temperatura de procesamiento actual de ~325°C que típicamente se utiliza en las soldaduras libres de plomo. Este estudio presenta el desarrollo y caracterización de un tipo de soldadura para dispositivos semiconductores basada en el proceso de interdifusión sólido-líquido (SLID). En este proceso, un material de punto de fusión bajo (Au-Sn eutéctico) y un material de punto de fusión alto (oro puro) fueron depositados en dos sustratos diferentes y luego ensamblados de tal manera que ambos materiales estuvieran en contacto. Luego de esto, las muestras fueron procesadas en un horno de vacío a diferentes tiempos y temperaturas. Observación por medio de microscopía reveló la formación estructuras intermetalicas las cuales constituían la soldadura. La caracterización mecánica del sistema se llevo a cabo por medio de nanoindentación demostrando así las propiedades mecánicas de cada una de las fases intermetalicas. Pruebas de calorimetría demostraron la progresión del proceso SLID, cuantificando la fracción remanente del materia de bajo punto fusión en una función del tiempo y la temperatura. Al finalizar, se demostró el uso del sistema Au-Sn SLID como una excelente alternativa para la manufactura de dispositivos electrónicos, ya que se evidenció la formación de una soldadura que demostró ser térmicamente estable hasta los ~498ºC después de finalizado el proceso SLID.