Os trabalhos de soldagem branda de placas quadradas de 20 x 20 x 4 mm de silício puro com placas de Invar36 ou Invar39 de 20 x 20 x 5 mm utilizando como metal de adição ligas à base de estanho (Sn-7,2Sb ou Sn-0,3Cu ou Sn-1,4Bi-0,7Cu) com 0,05 mm de espessura, permitem concluir que:
1. Na soldagem realizada sem aplicação de tensão e sem deposição de filmes finos nos materiais base (Si e Invar36), todos os corpos de prova, Invar36/SnSb/Si, Invar36/SnCu/Si e Invar36/SnBiCu/Si, não apresentaram junções efetivas, devido à baixa solubilidade do estanho no silício.
2. No teste de molhabilidade das ligas SnSb, SnCu e SnBiCu nos materiais base (silício e Invar36) com deposição de filmes finos de ouro e cobre, a liga SnBiCu apresentou o menor ângulo de molhamento no Si e no Invar36 em relação a todos os outros materiais, devido á presença de bismuto na mesma.
3. Na soldagem realizada sem aplicação de tensão e com deposição de ouro nos materiais base, sendo o silício com 150 Å de Ti, 1275 Å de Ni e 3000 Å de Au e o Invar com 1,5 µm de Ni e 3000 Å de Au, todos os corpos de prova, Invar36/SnSb/Si, Invar39/SnSb/Si, Invar36/SnCu/Si, Invar39/SnCu/Si, Invar36/SnBiCu/Si e Invar39/SnBiCu/Si, apresentaram junções efetivas. O corpo de prova Invar39/SnBiCu/Si apresentou a menor porosidade na região de interface (19 %). A repetição do teste de soldagem do corpo de prova Invar39/SnBiCu/Si com aplicação
de tensão de 200 kPa e com deposição de ouro foi efetiva, reduzindo a porosidade na interface
de 19 para 4 %. Os compostos intermetálicos encontrados na região de solda foram: AuSn, AuSn2 e AuSn4.
4. No teste de soldagem do corpo de prova Invar39/SnBiCu/Si com aplicação de tensão de 200 kPa e com deposição de cobre nos materiais base, sendo o silício com 150 Å de Ti, 1500 Å de Ni e 3000 Å de Cu e o Invar39 com 1,5 µm de Ni e 3000 Å de Cu, a junção foi efetiva e apresentou uma porosidade na região de interface de 6 %. Os compostos intermetálicos encontrados na região de solda foram: (Cu, Ni)6Sn5 e (Cu, Ni)3Sn.
5. Após o teste de soldagem do corpo de prova Invar39/SnBiCu/Si com aplicação de tensão de 200 kPa e sem ciclagem térmica, a força média obtida em ensaios de cisalhamento foi de 1131 N com deposição de cobre e de 499 N com deposição de ouro. Após o ensaio de cisalhamento, a porcentagem da liga SnBiCu aderida na superfície dos materiais base com deposição de cobre foi superior à desses materiais com deposição de ouro (aproximadamente, 93 e 60 %, respectivamente). A menor resistência das juntas depositadas com ouro deve-se também à formação do intermetálico AuSn4, que foi identificado por MEV e DRX, e que, segundo a literatura, é uma fase bastante frágil.
6. Após o teste de soldagem do corpo de prova Invar39/SnBiCu/Si com aplicação de tensão de 200 kPa e com ciclagem térmica (5 ciclos consecutivos da temperatura ambiente a -196,15 °C), os corpos de prova com materiais base depositados com ouro apresentaram fraturas formadas a partir da zona interfacial entre o metal de solda e o silício. Já os corpos de prova depositados com cobre apresentaram livres de defeitos interfaciais e uma força média obtida em ensaios de cisalhamento de 278 N, tendo uma queda de 75 % comparado aos corpos de prova análogos obtidos anteriormente sem ciclagem térmica (1131 N).
Portanto, estes resultados mostraram a potencial viabilidade da substituição do conjunto Silício/GaIn/Cobre pelo conjunto Silício/SnBiCu/Invar39 com deposição de cobre nos materiais base em escala reduzida, mas testes em escala real serão necessários.
Sugestões para trabalhos futuros
- Analisar a morfologia dos intermetálicos formados na região de solda com MET e/ou MEV- FEG;
- Desenvolver um protótipo com as mesmas dimensões do Monocromador de Cristal Duplo a ser utilizado no Sirius para avaliar a eficiência do processo de soldagem estudado.
- Variar a temperatura e a pressão da soldagem onde se obteve o maior valor de resistência ao cisalhamento após ciclagem térmica neste trabalho visando otimizar o processo de soldagem.
Referências Bibliográficas
AKASAKA, Y., HORIE, K., NAKAMURA, G. et al., Study of Tin Diffusion into Silicon by
Backscattering Analysis. Japanese Journal of Applied Physics, v. 13, n. 10, p. 1533-1540,
1974.
ANAPOLSKY, A. S., Bonding of Silicon to Invar36 for LN Cryogenic Monochromaters. Documentação Técnica Interna do Stanford Linear Accelerator Center, Menlo Park, p. 1-2, 2012.
ASKELAND, D. R., WRIGHT, W. J., Ciência e Engenharia dos Materiais, São Paulo: Cengage Learning, p. 301, 2011.
ASM HANDBOOK COMMITTEE, ASM handbook: Alloy phase diagrams. 10th ed., Materials Park, Ohio: ASM International, v. 3, p. 1-800, 1992.
ASM HANDBOOK COMMITTEE, Metals Handbook: Welding, Brazing and Soldering. 9th ed., Metals Park, Ohio: American Society for Metals, p. 927-976, 1983.
ASTM B 753 - 07, Standard Specification for Thermostat Component Alloys, Copyright ASTM International, p. 1-4, 2001.
ASTM D3359 - 09, Standard Test Methods for Measuring Adhesion by Tape Test, Copyright ASTM International, p. 1-8, 2010.
ASTM F 1684 - 06, Standard Specification for Iron-Nickel and Iron-Nickel-Cobalt Alloys for Low Thermal Expansion Applications, Copyright by ASTM Int'l EST, p. 1-8, 2011.
BADER, W. G., Dissolution of Au Ag Pd Pt Cu and Ni in a Molten Tin-Lead Solder. Welding Journal, v. 48, n. 12, p. 551, 1969.
BAHETI, V. A., KUMAR, P., KASHYAP, S., PAUL, A., Solid-State Diffusion-Controlled
Growth of the Phases in the Au-Sn System. Philosophical Magazine, v. 98, n. 1, p. 20-36,
2017.
BEER, F. P., JOHNSTON, E. R., DEWOLF, J. T. et al., Mechanics of Materials. 5. ed. NY: The McGraw-Hill, p. 444, 2008.
CAMPEN, D. G. V., Bonding Silicon to Invar for LN Cryogenic Manifold. Documentação Técnica Interna do Stanford Synchrotron Radiation Laboratory, Menlo Park, p. 1-14, 2011.
CAMPEN, D. G. V., SSRL - BL11-1 - Low Stress Soldering Invar to Silicon, M386R0. Documentação Técnica Interna do Stanford Synchrotron Radiation Laboratory, Menlo Park, p. 1-2, 2001.
CAWLEY, D. J., Introduction to Ceramic-Metal Joining. Metal-Ceramic Joining. Edited by P. Kumar and V. A. Greenhunt, The Minerals, Metals & Materials Society, p. 3-11, 1991.
CHEN, J., WEI, P., LIAN, J. et al., Joining of Molten Salt Reaction Titanium-Metallized
Si3N4. Mat. Sci. Letters, v. 17, p. 2113-2115, 1998.
CHIA, P. Y., HASEEB, A. S. M. A., MANNAN, S. H., Reactions in Electrodeposited Cu/Sn
and Cu/Ni/Sn Nanoscale Multilayers for Interconnects. Materials, v. 9, n. 6, p. 430, 2016.
CNPEM, Projeto Sirius: A Nova Fonte de Luz Síncrotron Brasileira. Livro do projeto Sirius, Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais, Campinas, p. 45-47, 2014.
CONNOLLEY, T., HANKS, S., DRAKOPOULOS, M. et al., Bonding of single crystal silicon
to Cu and AlN: trial results. Science and Technology of Welding and Joining, v. 14, n. 1, p. 1-
3, 2009.
DAS, S., TIWARI, A. N., KULKARNI, A. R. et al., Economic Metalization Technique for
Ceramic-to-Metal Seals. The American Ceramic Society Bulletin, v. 78, n. 2, p. 85-87, 1999.
DIAMAND, Y. S., ELECTRON, J., Barrier Layers for Cu ULSI Metallization. Journal of Electronic Materials, v. 30, n. 4, p. 336-344, 2001.
ELSSNER, G., PETZOW, G., Review - Metal/Ceramic Joining. ISIJ International, v. 30, n. 12, p. 1011-1032, 1990.
ERICKSON, K. L., HOPKINS, P. L., VIANCO, P. T., Modeling the Solid-State Reaction
between Sn-Pb Solder and a Porous Substrate Coating. Journal of Electronic Materials,
v. 27, n. 11, p. 1177-1192, 1998.
GROZA, J. R., Materials Processing Handbook. Boca Raton: CRC Press, section II, p. 1-8, 2007.
HINOTANI, S., OHMORI, Y., The Microstructure of Diffusion-Bonded Ti/Ni Interface. Transactions of the Japan Institute of Metals, v. 29, n. 2, p. 116-124, 1988.
HOWE, J. M., Bonding, Structure, and Properties of Metal/Ceramic Interfaces: Part 1 Chemical Bonding, Chemical Reaction, and Interfacial Structure. International Materials Reviews, v. 38, n.5, p. 233-256, 1993.
HUANG, T. -T., LIN, S. -W., CHEN, C. -M., CHEN, P. Y., YEN, Y. -W., Phase Equilibria
of the Fe-Ni-Sn Ternary System at 270 °C. Journal of Electronic Materials, v. 45, n. 12, p.,
6208-6213, 2016.
HWANG, C. -W, SUGANUMA, K., LEE, J. -G., MORI, H., Interface Microstructure
Between Fe-42Ni Alloy and Pure Sn. Journal of Materials Research, v. 18, n. 05, p. 1202-
1210, 2003.
JONES, S. W., Diffusion in Silicon. IC Knowledge LLC, p. 57, 2000.
KIM, K. S., HUH, S. H., SUGANUMA, K., Effects of Intermetallic Compounds on
Properties of Sn-Ag-Cu Lead-Free Soldered Joints. Journal of Alloys and Compounds, v.
352, p. 226, 2003.
KIM, P. G., TU, K. N., Morphology of Wetting Reaction of Eutectic SnPb Solder on Au
Foils. Journal of Applied Physics, v. 80, n. 7, p. 3822, 1996.
KITTEL, C., Introdução à Física do Estado Sólido, 5 ed., Rio de Janeiro: Editora Guanabara, quinta edição, p. 572, 1978.
KIVILAHTI, J. K., The Chemical Modeling of Electronic Materials and Interconnections. JOM, v. 54, n. 12, p. 52-57, 2002.
KLOMP, J., Strong Metal-Ceramic Joints. Materials and Manufacturing Processes, v. 8, n. 2, p. 129-157, 1993.
KOHL, W. H., Handbook os Materials and Techniques for Vacuum Devices. New York: American Vacuum Society Classics, p. 335, 1995.
LAURILA, T., VUORINEN, V., KIVILAHTI, J., K., Interfacial Reactions Between Lead-
Free Solders and Common Base Materials. Materials Science Engineering, v. 49, n. 1-2, p.
1-60, 2005.
LEE, S. Y., HONG, S. W., PARK, J. W., Effects of Heat Treatment on Electroless Copper-
Deposited Film in TaN Diffusion Barrier. Materials Science in Semiconductor Processing,
v. 6, n. 4, p. 209-213, 2003.
LI, J., STRANE, J. W., RUSSEL, S. W., HONG, S. Q., MAYER, J. W., Observation and
Prediction of First Phase Formation in Binary Cu-Metal Thin Films. Journal of Applied
Physics, v. 72, n. 7, p. 2810, 1992.
LISON, R., Wege Zum Stoffschluß über Schweiß - Und Lötprozesse. Düsseldorf: Verl. für Schweißen und Verwandte Verfahren, DVS-Verl, p. 97-101, 1998.
LIU, C. Y., TU, K. N., SHENG, T. T. et al., Electron Microscopy Study of Interfacial
Reaction Between Eutectic SnPb and Cu/Ni(V)/Al Thin Film Metallization. Journal of
Applied Physics, v. 87, n. 2, p. 750-754, 2000.
LU, J., Handbook of Measurements of Residual Stress, v. 1, Ed. SEM, p. 238, 1996.
MAHIDHARA, R. K., Design & Reliability of Solders and Solder Interconnections. Warrendale, Pa.: Minerals, Metals & Materials Society, p. 372, 1997.
MARTINELLI, A. E., Diffusion Bonding of Silicon Carbide and Silicon Nitride to
Molybdenum. Tese de Doutorado, Department of Mining and Metallurgical Engineering,
McGill University, Montreal, p. 15-72, 1996.
MATTILA, T., VUORINEN, V., KIVILAHTI, J. K., Impact of Printed Wiring Board
Coatings on the Reliability of Lead-Free Chip-Scale Package Interconnections. Journal of
Materials Research, v. 19, n. 11, p. 3214-3223, 2004.
MOURA, J. A., Filmes Nanométricos de FeN e AlN Crescidos por Sputtering e Aplicações
do Efeito Peltier. Tese de Doutorado, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, p.
20-25, 2010.
MULHOLLAND, W. A., WILLYARD, D. L., Soldering to Thin Film Hybrid Microcircuits. Welding Journal Research Supplement, v. 54, n. 10, p. 466, 1974.
NASCIMENTO, R. M., Metalização Mecânica de Al2O3 para Brasagem Metal/Cerâmica. Tese de Doutorado, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, p. 5-41, 2001.
OKAMOTO, T., Interfacial Structure of Metal-Ceramic Joints. ISIJ International, v. 30, n. 12, p. 1033-1040, 1990.
OLESINSKI, R. W., ABBASCHIAN, G. J., The Si−Sn (Silicon−Tin) System. Bulletin of Alloy Phase Diagrams, v. 5, n. 3, p. 273-276, 1984.
PAUL, A., GHOSH, C., BOETTINGER, W. J., Diffusion Parameters and Growth
Mechanism of Phases in the Cu-Sn System. Metallurgical and Materials Transactions A,
v. 42, n. 4, p. 952-963, 2011.
PETERSEN, K. E., Silicon as a Mechanical Material. Proceedings of the IEEE, v. 70, n. 5, p. 420-457, 1982.
RAHMAN, A. H. M. E., CAVALLI, M. N., Diffusion Bonding of Commercially Pure Ni
Using Cu Interlayer. Materials Characterization, v. 69, p. 90-96, 2012.
RAJENDRA, K. A., YENAMANDRA, S., GUNASEKARAN, R. A., COANE, P., VARAHRAMYAN, K., Electroless Copper Deposition on Silicon with Titanium Seed
Layer. Materials Chemistry and Physics, v. 98, p. 95-102, 2006.
ROBERTSON, M. M., KARNOWSKY, M. M., Gold-Tin and Gold-Tin-Lead Diffusion
Couples, SC-TM-68-728. Documentação Técnica Interna do Sandia National Laboratories,
Albuquerque, p. 38, 1968.
ROMIG, A. D., JR., CHANG, Y. A., STEPHENS, J. J., FREAR, D. R., MARCOTTE, V., LEA, C., Solder Mechanics: A State of the Art Assesment, Chapter 2. Warrendale: The Minerals Metals, and Materials Society, p. 29-104, 1991.
ROONEY, D., T., GULLO, L., XIE, D., J., Evaluation of Reliability and Metallurgical
Integrity of Wire Bonds and Lead Free Solder Joints on Flexible Printed Circuit Board Sample Modules. Microelectronics Reliability, v. 47, n. 12, p. 2152-2160, 2007.
ROY, S., ALOKE, P., DIVINSKI, S. V., Reactive Diffusion in the Ti-Si System and the
Significance of the Parabolic Growth Constant. Philosophical Magazine, v. 94, n. 7, p. 683-
RUSSELL, S. W., RAFALSKI, S. A., SPREITZER, R. L., LI, J., MOINPOUR, M., MOGHADAM, F., ALFORD, T. L., Enhanced Adhesion of Copper to Dielectrics via
Titanium and Chromium Additions and Sacrificial Reactions. Thin Solid Films, v. 262, n.
1-2, p. 154-167, 1995.
SANTOS, R. G., Transformações de Fases em Materiais Metálicos. Campinas: Editora Unicamp, p. 196-199, 2006.
SANTOS, W. A., Galvanoplastia de Metais Preciosos. São Paulo: Conselho Regional de Química - IV, Associação Brasileira de Tratamento de Superfícies, p. 28, 2010.
SANTRA, S., PAUL, A., Vacancy Wind Effect on Interdiffusion in a Dilute Cu(Sn) Solid
Solution. Philosophical Magazine Letters, v. 92, n. 8, p. 373-383, 2012.
SAUTHOFF, G., Intermetallics. Weinheim, New York, Basel, Cambridge, Tokyo: VCH., p. 159, 1995.
SCHWARTZ, M. M., Brazing. 1. ed., Materials Park, OH: ASM International, p. 1-16, 2003.
SCHWARTZ, M. M., Soldering - Understanding the Basics. ASM International, p. 1-29, 2014.
SHARMA, J. K. N., CHAKBRAORTY, B. R., SHIVAPRASAD, S. M., Study of the
Chemical Bonding of Titanium with Silicon and Oxygen by AES and SEELS. Journal of
Electron Spectroscopy and Related Phenomena, v. 50, n. 2, p. 185-194, 1990.
SHAW, D., The solid-liquid interface. Introduction to Colloid and Surface Chemistry. 4. ed., Grã-Bretanha: Reed Educational and Professional Publishing, cap. 6, p. 151-159, 1992.
SPERA, D. A., What is a Thermal Fatigue. Thermal Fatigue of Materials and Components, ASTM STP 612, American Society for Testing and Materials, p. 3-9, 1976.
STOLT, L., CHARAI, A., D’HEURLE, F. M., FRYER, P. M., HARPER, J. M. E., Formation
of Cu3Si and its Catalytic Effect on Silicon Oxidation at Room Temperature. Journal of
Vacuum Science & Technology A, v. 9, n. 3, p. 1501, 1991.
SUGANUMA, K., Recent Advances in Joining Technology of Ceramics to Metals. ISIJ International, v. 30, n. 12, p. 1046-1058, 1990.
SUN, F., HOCHSTENBACH, P., DRIEL, W. D. V., ZHANG, G., Q., Fracture Morphology
and Mechanism of IMC in Low-Ag SAC Solder/UBM (Ni(P)-Au) for WLCSP.
Microelectronics Reliability, v. 48, n. 8-9, p. 1167-1170, 2008.
TOZAWA, K., KIRIYAMA, K., MITSUI, T., SHIWAKU, H., HARAMI, T.,
Characterization of Cryogenically Cooled Dual Symmetric Silicon Geometry, Si(111)/Si(311), for the Double-crystal Monochromator on BL11XU at SPring-8. AIP
Conference Proceedings, n. 705:1, p. 671-674, 2004.
TRUMBORE, F. A., Solid Solubilities of Impurity Elements in Germanium and Silicon. Bell System Technical Journal, v. 39, p. 205, 1960.
VIANCO, P. T., FREAR, D. R., Issues in the Replacement of Lead-Bearing Solders. Journal of The Minerals, Metals & Materials Society, v. 45, n. 7, p. 14-19, 1993.
VIRKKUNEN, I., Thermal Fatigue of Austenitic and Duplex Stainless Steels. PhD, DME, Helsinki University of Tecnology, Finland, p. 32-33, 2001.
YANG, T., ALMEIDA, C. M. R., RAMASAMY, D., LOUREIRO, F. J. A., A Detailed Study
of Au-Ni Bimetal Synthesized by the Phase Separation Mechanism for the Cathode of Low-Temperature Solid Oxide Fuel Cells. Journal of Power Sources, v. 269, p. 46-53, 2014.
ZBRZEZNY, A. R., SAUGOVSKY, P., PEROVIC, D. D., Microelectron, v. 47, Reliab, p. 2205, 2007.