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04.08.2021 | Original Research Article | Ausgabe 10/2021

Journal of Electronic Materials 10/2021

Mechanical Failure of Cu-Sn Solder Joints

Zeitschrift:
Journal of Electronic Materials > Ausgabe 10/2021
Autoren:
Xiaorong Cai, Andrew M. Pham, Marisol Koslowski
Wichtige Hinweise

Publisher's Note

Springer Nature remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.

Abstract

The effects of the microstructure on the fracture mechanisms of Cu-Sn intermetallic compounds (IMC) in solder joints under tensile load are studied with numerical simulations. When solder joints are exposed to elevated temperature environments Cu\(_6\)Sn\(_5\) and Cu\(_3\)Sn nucleate and grow due to the reaction of Cu and Sn, and the fracture strength is degraded. During early stages of the thermal treatment, the Cu\(_3\)Sn layer of the IMC is thin and composed of a single stack of grains, and the simulations indicate that failure occurs at the Cu\(_6\)Sn\(_5\)/Cu\(_3\)Sn interface. After hundreds of hours at temperatures over 150\(^\circ \) the Cu\(_3\)Sn layer thickness grows and is composed of a stack of several grains. Then, failure switches to intergranular fracture inside the Cu\(_3\)Sn layer. Therefore, the reduction of the fracture strength is a consequence of a transition in the Cu\(_3\)Sn layer from a single stack of grains to a multi-stacked structure. This structural transition occurs by the reduction of grain size and the growth of the Cu\(_3\)Sn layer thickness.

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