joining of metals and ceramics using au-(ge, si - ETH E

DISS. ETH No. 22995
JOINING OF METALS AND CERAMICS USING
AU-(GE, SI)-BASED SOLDER ALLOYS
A dissertation submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCE of ETH ZURICH
(Dr. sc. ETH Zurich)
presented by
NICO PASCAL WEYRICH
Dipl. Wirtsch. –Ing., TU Kaiserslautern
born October 10th 1984
citizen of Germany
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Konrad Wegener, examiner
Dr. Christian Leinenbach, co-examiner
2015
Abstract
Abstract
Au-based solder alloys are interesting alternatives to lead-containing alloys due to their
interesting properties such as good thermal conductivity, high corrosion and oxidation
resistance at elevated temperatures and good mechanical behavior. To fully make use of
these alloys in advanced joining process a fundamental investigation of the joint properties
is required. In this work, soldering and TLP bonding processes for the joining of metals
and ceramics using Au-28Ge and Au-18Si (at.-%; Materion, USA) solder alloys were
evaluated. For the joining of ceramic materials applying Au-based solder alloys metallic
coatings consisting of a Ti adhesion layer (30 nm) and a W diffusion barrier (100 nm) were
realized and analyzed via different experimental methods. It was observed that already
during sputter deposition the formation of the TiAl3 and Al2TiO5 phase takes place at the
Ti-Al2O3 interface. After annealing at 900 °C for 1 hour the content of IMCs increased and
extensive oxidation of Ti occurred. Consequently, a heat treatment temperature for coated
components in the range of 500 to 600 °C was recommended to form additional IMCs and
enhance the adhesion of the coating, while avoiding detrimental oxidation. The
microstructure and mechanical properties of the joints were analyzed in detail. In most of
the cases Ge and Si strongly reacted with the substrate material (Ni, Ti) to form new
phases (Ni5Ge3, NiGe, TiSi2, NiSi, Ni3Si) while the eutectic structure vanished completely
leaving a pure Au layer around the centre line of the joints. The highest shear strength
values of up to 202 MPa could be achieved for Ni-AuGe-Ni joints. Additionally, the remelting temperature of the joints was measurement via DSC indicating that the re-melting
temperature was more than 400°C above the melting temperature of the filler alloys and
the initial joining temperature. Therefore, depending on the material combination the
joining process was considered as a TLP bonding process. For the TLP bonding systems,
the isothermal solidification process and the microstructural evolution were investigated.
In comparison with other TLP bonding systems, short processing times could be realized
in TLP bonding using the Ni-Au28Ge interlayer system. Complete solidification of a 25 µm
thick Au-28Ge interlayer was achieved in less than one hour at 400 °C, by the formation
of NiGe and Ni5Ge3 IMCs. For Ni-Au18Si the surface and wetting conditions were strongly
dependent on the surrounding atmosphere of the experimental setup. An oxygen
containing atmosphere leads to a considerable prolongation of the solidification time up to
6 hours.
XVII
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Gold-basierte Lote gelten als interessante Alternative zu bleihaltigen Legierungen, da sie
eine Reihe von positiven Eigenschaften aufweisen. So bieten sie zum Beispiel gute
thermisch Leitfähigkeit, ausgeprägte Beständigkeit gegen Oxidation und Korrosion bei
erhöhten Temperaturen und gute mechanische Eigenschaften. Damit diese Legierungen
in Fügeprozessen vorteilhaft eingesetzt werden können, muss fundiertes Wissen über die
Eigenschaften möglicher Verbunde geschaffen werden. In der vorliegenden Arbeit wurden
die Lote Au-28Ge und Au-18Si (at.-%; Materion, USA) in Löt und TLP Bonding Prozessen
für das Fügen von Metallen und Keramiken eingesetzt und analysiert. Speziell für das
Fügen von Keramiken wurden Beschichtungen, bestehend aus einer 30 nm Ti Haftschicht
und 100 nm W Diffusionsbarriere entwickelt. Die Untersuchung der Beschichtungen hat
ergeben, dass sich bereits während des Abscheidens TiAl3 und Al2TiO5 an der
Grenzfläche bildet. Nach einer Wärmebehandlung bei 900 °C für eine Stunde stieg der
Anteil an intermetallischen Phasen stark an und die Ti Schicht war deutlich oxidiert.
Resultierend aus den Ergebnissen wurde eine Wärmebehandlung beschichteter Bauteile
zwischen 500 und 600 °C empfohlen, um die Adhäsion durch das bilden von
intermetallischen Phase zu erhöhen und gleichzeitig eine nachteilige Oxidation zu
vermeiden. Bei der Analyse der Mikrostrukturen wurden starke Reaktionen von
Substartmaterial (Ni, Ti) und Lot festgestellt, die dazu führten, dass neue Phasen (Ni5Ge3,
NiGe, TiSi2, NiSi, Ni3Si) gebildet wurden, die eutektische Struktur verschwand und eine
gold-reiche Schicht blieb in der Mitte der Fügezone zurück. Scherfestigkeiten von bis zu
202 MPa konnten mit Ni-AuGe-Ni Verbunden erzielt werden. Zusätzlich wurden in DSC
Analysen die Wiederaufschmelztemperaturen der Verbunde gemessen. Sie langen
durchschnittlich
400
°C
höher
als
die
Liquidus-Temperatur
der
Lote
und
Fügeprozesstemperatur. Daher wurde angenommen, dass es sich in der Mehrzahl der
Fügeprozesse um TLP Bonding Prozesse handelt. Für diese Prozesse wurde die
isotherme Erstarrung und die damit verbundene Entwicklung der Mikrostruktur näher
untersucht. Im Vergleich zu anderen TLP Prozessen ist die Erstarrung in Ni-Au28Ge
System bereits nach einer kurzen Prozessdauer von weniger als einer Stunde vollständige
abgeschlossen, wobei sich die Intermetallischen Phasen NiGe und Ni5Ge3 bilden. Für die
Kombination aus Ni und Au-18Si hat sich ein starker Einfluss der Atmosphäre auf die
Oberflächen- und Benetzungseigenschaften gezeigt. Sauerstoff in der umgebenden
Atmosphäre verlängerte die Verfestigungszeit deutlich (≈ 6 Stunden).
XVIII

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