Physics and materials challenges for lead-free solders

Journal of Applied Physics

Volumn 93, Issue 3, 2003, Pages 1335-1353

  Tu, K N ^a   Gusak, A M ^b   Li, M ^c  

^a UNIVERSITY OF CALIFORNIA   (United States)

^b CHERKASY NATIONAL UNIVERSITY   (Ukraine)

^c INSTITUTE OF MATERIALS RESEARCH AND ENGINEERING   (Singapore)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

ELECTROMIGRATION; ELECTRONIC EQUIPMENT MANUFACTURE; ELECTRONICS INDUSTRY; ENVIRONMENTAL PROTECTION; FLIP CHIP DEVICES; INTERFACES (MATERIALS); INTERMETALLICS; LEAD ALLOYS; MICROELECTRONICS; MICROSTRUCTURE; SOLDERED JOINTS; SPALLING;

LEAD-FREE SOLDERS;

SOLDERING ALLOYS;

EID: 0037323121     PISSN: 00218979     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1063/1.1517165     Document Type: Review

References (82)

1. International Technology Roadmap for Semiconductors (Semiconductor Industry Association, San Jose, CA, 2001); see http://public.itrs.net/.
2. K. Puttlitz and P. A. Totta, Area Array Interconnection Handbook (Kluwer Academic, Boston, MA, 2001).
3. K. N. Tu and K. Zeng, Mater. Sci. Eng., R. 34, 1 (2001).
4. J. Cannis, Adv. Packaging 8, 33 (2001).
5. See lead-free.org/legislation and www.nemi.org/PbFreepublic.
6. J. F. Ziegler and G. R. Srinivasan, IBM J. Res. Dev. 40, 1 (1996).
7. H. K. Kim, H. K. Liou, and K. N. Tu, J. Mater. Res. 10, 497 (1995).
8. K. Zeng and K. N. Tu, Mater. Sci. Eng., R. 38, 55 (2002).
9. C. M. Miller, I. E. Anderson, and J. F. Smith, J. Electron. Mater. 23, 595 (1994).
10. D. R. Frear, JOM 48, 49 (1996).
11. K. W. Moon, W. J. Boettinger, U. R. Kattner, F. S. Biancaniello, and C. A. Handwerker, J. Electron. Mater. 29, 1122 (2000).
12. M. E. Loomas and M. E. Fine, Metall. Mater. Trans. A 31A, 1155 (2000).
13. W. Peng, M.Sc. thesis, Helsinki University of Technology, Helsinki, Finland, 2001.
14. H. K. Kim, H. K. Liou, and K. N. Tu, Appl. Phys. Lett. 66, 2337 (1995).
15. H. K. Kim and K. N. Tu, Phys. Rev. B 53, 16027 (1996).
16. P. G. Kim, J. W. Jang, T. Y. Lee, and K. N. Tu, J. Appl. Phys. 86, 6746 (1999).
17. A. A. Liu, H. K. Kim, K. N. Tu, and P. A. Totta, J. Appl. Phys. 80, 2774 (1996).
18. H. K. Kim, K. N. Tu, and P. A. Totta, Appl. Phys. Lett. 68, 2204 (1996).
19. B. S. Berry and I. Ames, IBM J. Res. Dev. 13, 286 (1965).
20. C. Y. Liu, K. N. Tu, T. T. Sheng, C. H. Tung, D. R. Frear, and P. Elenius, J. Appl. Phys. 87, 750 (2000).
21. M. Li, F. Zhang, W. T. Chen, K. Zeng, K. N. Tu, H. Balkan, and P. Elenius, J. Mater. Res. 17, 1612 (2002).
22. R. A. Gagliano and M. E. Fine, JOM 6, 33 (2001).
23. P. Oberndorff, Ph.D. thesis, Technical University of Eindhoven, Eindhoven, The Netherlands, 2001, Chap. 7.
24. K. N. Tu, T. Y. Lee, J. W. Jang, L. Li, D. R. Frear, K. Zeng, and J. K. Kivilahti, J. Appl. Phys. 89, 4843 (2000).
25. T. Y. Lee, W. J. Choi, K. N. Tu, J. W. Jang, S. M. Kuo, J. K. Lin, D. R. Frear, K. Zeng, and J. K. Kivilahti, J. Mater. Res. 17, 291 (2002).
26. C. H. Ma and R. A. Swalin, Acta Metall. 8, 342 (1960).
27. H. K. Kim and K. N. Tu, Appl. Phys. Lett. 67, 2002 (1995).
28. I. M. Lifshiz and V. V. Slezov, J. Phys. Chem. Solids 19, 35 (1961).
29. C. Wagner, Z. Elektrochem. 65, 581 (1961).
30. V. V. Slezov, Theory of Diffusion Decomposition of Solid Solutions (Harwood Academic, 1995), pp. 99-112.
31. A. M. Gusak and K. N. Tu, Phys. Rev. B 66, 115403 (2002).
32. K. N. Tu, F. Ku, and T. Y. Lee, J. Electron. Mater. 30, 1129 (2001).
33. J. H. Lee, J. H. Park, Y. H. Lee, Y. S. Kim, and D. H. Shin, J. Mater. Res. 16, 1227 (2001).
34. F. H. Howie and E. D. Hondros, J. Mater. Sci. 17, 1434 (1982).
35. D. W. G. White, Metall. Trans. 2, 3067 (1971).
36. T. Young, Philos. Trans. R. Soc. London 95, 65 (1805).
37. P. G. de Gennes, Rev. Mod. Phys. 57, 827 (1985).
38. Y. Wang, H. K. Kim, H. K. Liou, and K. N. Tu, Scr. Metall. Mater. 32, 2087 (1995).
39. P. G. Kim and K. N. Tu, Mater. Chem. Phys. 53, 165 (1998).
40. B. G. Bader, Weld. J. (Miami) 48, 551 (1969).
41. C. Y. Liu and K. N. Tu, Phys. Rev. E 58, 6308 (1998).
42. E. W. Washburn, Phys. Rev. 17, 273 (1921).
43. J. A. Mann, Jr., L. Romero, R. R. Rye, and F. G. Yost, Phys. Rev. E 52, 3967 (1995).
44. R. R. Rye, F. G. Yost, and J. A. Mann, Jr., Langmuir 12, 4625 (1996).
45. 45 W. B. Harding and H. B. Pressly, American Electroplating Society, 50th Annual Proceedings, 1963, p. 60.
46. W. A. Mulholland and D. L. Willyard, Weld. Res. (Miami) 54, 466s (1974).
47. H. P. Kehrer and E. W. Wenzel, Metall. 30, 1047 (1979).
48. C. Herring and J. K. Galt, Phys. Rev. 85, 1060 (1952).
49. F. R. N. Nabarro and P. J. Jackson, in Growth and Perfection of Crystals, edited by R. H. Doremus, B. W. Roberts, and D. Turnbull (Wiley, New York, 1958), p. 12.
50. W. C. Ellis, D. F. Gibbons, and R. C. Treuting, in Ref. 49, p. 102.
51. K. N. Tu, Phys. Rev. B 49, 2030 (1994).
52. G. T. T. Sheng, C. F. Hu, W. J. Choi, K. N. Tu, Y. Y. Bong, and L. Nguyen, J. Appl. Phys. 92, 64 (2002).
53. W. J. Choi, T. Y. Lee, K. N. Tu, N. Tamura, R. S. Celestre, A. A. MacDowell, Y. Y. Bong, L. Nguyen, and G. T. T. Sheng, 52nd ECTC Proceedings, San Jose, CA, 2002, p. 628.
54. Y. Kariya, C. Gagg, and W. J. Plumbridge, Solder Surf. Mount Tech. 13, 39 (2001).
55. Q. T. Huynh, C. Y. Liu, C. Chen, and K. N. Tu, J. Appl. Phys. 89, 4332 (2000).
56. G. Xu, M.Sc. thesis, University of California, Los Angeles, 2001.
57. P. G. Shewman, Diffusion in Solids, 2nd ed. (The Minerals, Metals, and Materials Society, Warrendale, PA, 1989), Chap. 7.
58. J. W. Jang, C. Y. Liu, P. G. Kim, K. N. Tu, A. K. Mal, and D. R. Frear, J. Mater. Res. 15, 1679 (2000).
59. Y. Guo, W. T. Chen, and C. K. Lim, Proceedings of the ASME Conference on Electronic Packaging, San Jose, CA, 1992, p. 199.
60. Y. Guo, C. K. Lim, W. T. Chen, and C. G. Woychik, IBM J. Res. Dev. 37, 17 (1993).
61. B. Han and Y. Guo, J. Electron. Packag. 117, 185 (1995).
62. H. B. Huntington and A. R. Grone, J. Phys. Chem. Solids 20, 76 (1961).
63. F. M. d'Heurle and R. Rosenberg, Physics of Thin Films (Academic, New York, 1973), Vol. 7, p. 257.
64. I. A. Blech, J. Appl. Phys. 47, 1203 (1976).
65. I. A. Blech and C. Herring, Appl. Phys. Lett. 29, 131 (1976).
66. F. M. d'Heurle and P. S. Ho, in Thin Films: Interdiffusion and Reactions, edited by J. M. Poate, K. N. Tu, and J. W. Mayer (Wiley-Interscience, New York, 1978), p. 243.
67. P. S. Ho and T. Kwok, Rep. Prog. Phys. 52, 301 (1989).
68. K. N. Tu, Phys. Rev. B 45, 1409 (1992).
69. J. R. Lloyd and J. J. Clement, Thin Solid Films 262, 135 (1995).
70. C. K. Ho and J. M. E. Harper, Mater. Chem. Phys. 52, 5 (1998).
71. P. C. Wang, G. S. Cargill III, I. C. Noyan, and C. K. Hu, Appl. Phys. Lett. 72, 1296 (1998).
72. E. C. C. Yeh, W. J. Choi, and K. N. Tu, Appl. Phys. Lett. 80, 580 (2002).
73. S. Brandenburg and S. Yeh, Proceedings of the Surface Mount International Conference and Exposition, San Jose, CA, p. 337.
74. T. Y. Lee, K. N. Tu, and D. R. Frear, J. Appl. Phys. 90, 4502 (2001).
75. C. Y. Liu, C. Chen, C. N. Liao, and K. N. Tu, Appl. Phys. Lett. 75, 58 (1999).
76. D. Gupta, K. Vieregge, and W. Gust, Acta Mater. Met. 47, 5 (1999).
77. S. W. Chen, C. M. Chen, and W. C. Liu, J. Electron. Mater. 27, 1193 (1998).
78. H. Gan, W. J. Choi, G. Xu, and K. N. Tu, JOM 6, 34 (2002).
79. C. K. Hu and M. Hungtington, Phys. Rev. B 26, 2782 (1982).
80. C. K. Mu and H. Hungtington, Phys. Rev. B 28, 579 (1983).
81. C. K. Hu and H. Hungtington, J. Appl. Phys. 58, 2564 (1985).
82. Y. Wang and K. N. Tu, Appl. Phys. Lett. 67, 1069 (1995).