Investigation of Allotropic ß→α-Sn Transition in High Tin Content Solder Alloys with Different Microscopy and Spectroscopy Techniques

In the microelectronics, β-Sn (white tin) is the base material of the solder alloys and surface finishes. The so-called “tin pest” phenomenon is the spontaneous allotropic transition of ß-Sn to the semiconductor α-Sn (gray tin) below 13.2°C. In this work, different microscopy and spectroscopy techniques were applied to characterize the tin pest phenomenon in the case of different solder alloys and inoculator materials as well as to study the applicability of these techniques in tin pest research. The optical imaging technique was used to compare the surface marks of the allotropic transition in the case of different inoculator materials. The development of the transition towards the sample bodies was studied on metallurgical cross-sections. Electrical resistance measurements were applied to determine the different phases of the transition in the case of different alloys and inoculators. The grain sliding and α -Sn expansion during the transition was observed by scanning electron microscopy and focused ion beam - scanning ionic microscopy. The ratio of the transitioned tin and the duration of the transition process was determined by Mössbauer spectroscopy. Our results have shown that the transition phases can considerably differ at the different alloys and inoculators, like different nucleation, growth, and the saturation phase. The accurate characterization of the transition in the given material combinations is possible only with the combined application of the applied analytical methods

Effect of Recrystallization on β to α-Sn Allotropic Transition in 99.3Sn-0.7Cu wt. % Solder Alloy Inoculated with InSb

The effect of recrystallization of 99.3Sn-0.7Cu wt % solder alloy on the allotropic transition of β to α-Sn (so-called tin pest phenomenon) was investigated. Bulk samples were prepared, and an InSb inoculator was mechanically applied to their surfaces to enhance the transition. Half of the samples were used as the reference material and the other half were annealed at 180 °C for 72 hours, which caused the recrystallization of the alloy. The samples were stored at -10 °C and -20 °C. The -Sn to α-Sn transition was monitored using electrical resistance measurements. The expansion and separation of the tin grains directly during the -Sn to α-Sn transition process were studied using scanning electron microscopy. The recrystallization of the alloy suppresses the tin pest phenomenon considerably since it decreased the number of defects in the crystal structure where heterogeneous nucleation of -Sn to α-Sn transition could occur. In the case of InSb inoculation, the spreading of the transition towards the bulk was as fast as the spreading parallel to the surface of the sample

Corrosion Resistance

The book has covered the state-of-the-art technologies, development, and research progress of corrosion studies in a wide range of research and application fields. The authors have contributed their chapters on corrosion characterization and corrosion resistance. The applications of corrosion resistance materials will also bring great values to reader's work at different fields. In addition to traditional corrosion study, the book also contains chapters dealing with energy, fuel cell, daily life materials, corrosion study in green materials, and in semiconductor industry

Characterization of Nanomaterials: Selected Papers from 6th Dresden Nanoanalysis Symposiumc

This Special Issue “Characterization of Nanomaterials” collects nine selected papers presented at the 6th Dresden Nanoanalysis Symposium, held at Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems in Dresden, Germany, on 31 August 2018. Following the specific motto of this annual symposium “Materials challenges—Micro- and nanoscale characterization”, it covered various topics of nanoscale materials characterization along the whole value and innovation chain, from fundamental research up to industrial applications. The scope of this Special Issue is to provide an overview of the current status, recent developments and research activities in the field of nanoscale materials characterization, with a particular emphasis on future scenarios. Primarily, analytical techniques for the characterization of thin films and nanostructures are discussed, including modeling and simulation. We anticipate that this Special Issue will be accessible to a wide audience, as it explores not only methodical aspects of nanoscale materials characterization, but also materials synthesis, fabrication of devices and applications

Properties of Fe-Mn-Si and Ni-Ti shape memory alloys prepared by pulsed-current sintering

芝浦工業大学2018年

Review of Bi2O3-based glasses for electronics and related applications

The present work critically reviews the scientific and patent literature on low-melting bismuth-based oxide glass frits in materials for electronics, sensors and related applications such as sealing glasses, solar cells, architectural and automotive glass, the main motivation being to replace lead-based materials by environmentally more benign ones. Due to similar glass-forming properties of Bi and Pb, Bi-based glasses are the closest "drop-in" alternative for lead-bearing formulations, and are therefore actually replacing them in many applications, helped also by previous experience with Bi-containing materials in thick-film technology and component metallisations. The outstanding issues are discussed, e.g. matching the lowest processing temperatures achieved by the classical lead-based glasses without sacrificing durability and stability, as well as stability vs. chemical reduction. Finally, consideration is also given to special "heavy" glasses (often containing Bi and Pb together) that are useful in fields such as optics, superconductors and nuclear technology, as well as to specific Bi2O3-containing crystalline compounds

Estudio de primeros principios de propiedades estructurales, electrónicas y magnéticas de óxidos complejos (ferritas) y materiales calcogenuros basados en Te : El rol de los dopantes, defectos y las superficies

Los óxidos de metales de transición presentan una increíblemente amplia variedad de comportamientos. Pueden ser aisladores, semiconductores, metálicos o presentar propiedades tales como ferroelectricidad, magnetismo o superconductividad. Los defectos (vacancias, antisitios, distorsiones, impurezas sustitucionales o intersticiales, efectos de superficie, etc.) cumplen un rol protagónico en la variedad de propiedades que presentan estos sistemas, por lo cual el estudio y comprensión de la influencia de los defectos sobre las propiedades de estos materiales es fundamental para el control y la obtención de nuevas funcionalidades. Dentro del universo de los óxidos, las ferritas (MFe2O4, M: Zn, Fe, Co, Ni, Ti, Mg entre otros) han recibido mucha atención desde el punto de vista básico como aplicado. Las ferritas se caracterizan por su arreglo atómico de dos sitios para los cationes: sitios A (coordinación tetraedral de oxígeno) y sitios B (coordinación octaédrica de oxígeno). Se pueden distinguir dos tipos básicos de ferritas, las normales y las invertidas. En el primer caso, los iones M2+ ocupan el sitio A y los Fe3+ el sitio B. En el caso de las ferritas invertidas los iones Fe3+ ocupan los sitios A y los iones M2+ y Fe3+ ocupan los sitios B en igual proporción. Existen también casos de inversión parcial. En este tipo de óxidos complejos las propiedades magnéticas dependen de la distribución de cationes en la red. El acoplamiento magnético es de súper-intercambio entre los cationes metálicos vía “intermediación” con los átomos de oxígeno de la estructura, dando como resultado acoplamientos A-O-A, B-O-B y A-O-B (A y B representan los sitios estructurales). En los casos en que M sea un metal no magnético y la ferrita sea normal se presentan sólo interacciones B-O-B. Sin embargo, dependiendo del método y condiciones de crecimiento de la muestra, o cuando se reducen las dimensiones del sistema pueden inducirse fases meta-estables con un arreglo desordenado de iones M y Fe en los sitios A y B y formación de defectos. Esto produce cambios en la interacción Fe-Fe y por ende en la respuesta magnética del sistema. La relación entre estas respuestas y los tipos y concentración de defectos es un tema abierto. En los últimos años se ha venido reportando los efectos de diferentes defectos y factores estructurales en las propiedades magnéticas de ferritas. Por ejemplo, en el caso de nano partículas con una alta relación superficie/volumen, se genera un desorden de espín superficial, cambiando la respuesta magnética, siendo mayor la contribución de estos efectos conforme disminuye el tamaño de la nanopartícula. Debido a que las interacciones de intercambio están mediadas por los átomos de oxígeno, el estudio de los efectos de superficie toma importancia. Estos efectos superficiales y su relación con la respuesta magnética no se encuentran tan ampliamente estudiados. Otro tipo de sistema que ha recibido mucha atención tanto desde el punto de vista básico como aplicado es el formado por los materiales calcogenuros, compuestos que contienen un átomo del grupo VI de la tabla periódica, principalmente S, Se, o Te. Si bien los sistemas volumétricos son interesantes de por sí, cuando se reducen las dimensiones y se presentan en forma de películas delgadas, se vuelven particularmente atractivos debido a sus inusuales propiedades, dando lugar a una amplia gama de aplicaciones, como memorias de cambio de fase (PCM) y termoeléctricos (TE). Dentro del conjunto de materiales con potencial aplicación en PCMs, el sistema Ge-Sb-Te con la composición Ge2Sb2Te5 (GST) ha concentrado buena parte del interés científico y aplicado. El dopaje controlado de la aleación GST en particular, con impurezas metálicas como Al, Cu, Ag o Sn puede mejorar el rendimiento de las memorias PCM. Por ejemplo, la adición de Sn en Ge2Sb2Te5 aumenta la velocidad de transformación de fase. Por lo tanto, un paso necesario para diseñar materiales con mejores propiedades para sus aplicaciones es estudiar y conocer la estructura de diferentes aleaciones de estos sistemas y determinar el papel que juegan y como afectan los dopantes a sus propiedades. La búsqueda de nuevos materiales y composiciones con propiedades mejoradas, respecto a las existentes está en continuo desarrollo. Entre las aleaciones estudiada para su posible aplicación como materiales para PCMs o termoeléctricos, en los últimos años se ha dedicado cada vez más atención a la aleación SnSb2Te4 (SST). En forma similar al GST, el sistema SST dopado con Sn presenta una fase cúbica metaestable cuando se produce la transición amorfo-cristalina y una TC adecuada para su aplicación en dispositivos PCM. Sin embargo, el sistema SST no ha sido tan ampliamente estudiado como el GST y aún persisten cuestiones abiertas. Hay una característica en común en los sistemas discutidos, ferritas y SST: el desorden. Estructural y de espín en el caso de las ferritas. Estructural en el caso del sistema SST. Y ese es el punto a tratar en esta Tesis: describir y entender en profundidad las propiedades estructurales y electrónicas de ambos sistemas y, para el caso de las ferritas, las propiedades y el orden magnético del estado fundamental y cómo estas propiedades son afectadas por el desorden introducido por los defectos y las superficies (este último para el caso de las ferritas). En esta Tesis hemos estudiado mediante métodos de primeros principios ferritas y materiales calcogenuros basados en Te, analizando los cambios en las propiedades electrónicas, estructurales, magnéticas e hiperfinas originados por la presencia de defectos estructurales y electrónicos y extendiendo el análisis al caso de superficies. La relación entre los cambios en las propiedades electrónicas y estructurales de los sistemas en estudio en función del tipo y concentración de defectos es un tema abierto al que se pretende aportar. El modelado teórico de la estructura cristalina y electrónica de ambos tipos de materiales, se realizó mediante métodos de primeros principios, en particular el método Augmented Plane Waves plus Local Orbitals (APW+lo), ondas planas y pseudopotenciales, implementados en los códigos Wien2k y Quantum Espresso (QE). Para entender el comportamiento y las propiedades de los sistemas en estudios tanto en muestras volumétricas como superficies y cómo estas propiedades son afectadas por la presencia de defectos, los modelos teóricos fueron combinados y contrastads con resultados de técnicas hiperfinas (espectroscopía Mössbauer), espectrpscopía Raman, magnetométricas y de absorción de rayos X (EXAFS, XANES, etc.), El estudio de las ferritas en volumen es un problema que presenta tres variables fundamentales: el grado de inversión catiónico, la distribución de cationes en los sitios A y B de la estructura y la configuración magnética. Por lo tanto, se realizaron cálculos en función de estas tres variables. Para determinar la distribución y el ordenamiento de espín de menor energía para diferentes grados de inversión entre 0 y 1, se consideraron diferentes distribuciones de los cationes en los sitios estructurales y distintas configuraciones magnéticas (ferromagnética, ferrimagnéticas y antiferromagnéticas), evaluando la energía de cada estructura para encontrar cual es la de menor energía. A partir de la estructura electrónica del sistema en estudio se determinaron la estructura de bandas, densidad de estados, ancho de la banda prohibida, las propiedades hiperfinas en los sitios Fe y M (gradientes de campo eléctrico, corrimientos isoméricos, campos hiperfinos). En una segunda instancia, se extendieron los estudios al caso de superficies. Para esto, se empleó el método de slabs, estudiando en profundidad el espesor del slab como el vació necesario para evitar interacciones espurias entra las caras del slab y entre slabs vecinos. Discutiremos como depende el grado de inversión y la respuesta magnética de cada sistema en estudio cuando se reducen las dimensiones del volumen a películas delgadas. En todos los casos, analizamos los cambios en la estructura, la densidad electrónica y la configuración magnética originados por la presencia de la superficie. En el caso de los sistemas calcogenuros Sb-Te se estudiaron los sistemas Sb-Te puros, dopados y con defectos empleando los métodos antes mencionados. El QE se empleó para determinar la estabilidad de fases, propiedades estructurales (parámetros de red, distancias de enlace, localización y distribución de dopantes en el sistema en estudio) y la estructura que adopta la aleación teniendo en cuenta las distorsiones estructurales inducidas por los dopantes y las propiedades elásticas y vibracionales. Conocida la estructura de equilibrio, las mismas se “trasladaron” al FP-LAPW para estudiar las propiedades electrónicas e hiperfinas en sitios Sn para los compuestos en estudio, a fin de comparar con los resultados obtenidos en los experimentos 119Sn-ME. La dilución de la impureza se simuló mediante súper-celdas de tamaño tal que reproduzcan las concentraciones y estequiometrías experimentales. Los resultados obtenidos nos han permitido determinar el estado fundamental de las aleaciones Sb-Te puras y dopadas y que el dopante Sn sustituye los átomos de Sb de la red-huésped. Además, se encontró que el sistema Sb70Te30 cristaliza en una estructura tetragonal (grupo espacial P-3m1) y el dopaje con Sn distorsiona la estructura, dando lugar a una que puede ser descripta por el grupo espacial C2/m, para todas las concentraciones de Sn. Finalmente, desde el punto de vista de la estructura electrónica de estos sistemas SST dopados con Sn, los cálculos predicen que la estructura no dopada presenta un carácter semiconductor con un band-gap del orden de 0.1 eV. El dopaje con Sn induce niveles aceptores que a temperatura ambiente se encuentran ocupados, teniendo en consecuencia los sistemas (Sb0,70Te0,30)100-xSnx un carácter semiconductor con un band-gap directo de 0.3 eV, en buen acuerdo con los resultados obtenidos por el grupo experimental, que estudiaron la resistencia eléctrica de las películas en el rango de temperaturas ambiente-650 K. Como último punto, se estudió como el proceso de oxidación afecta las propiedades estructurales y electrónicas del sistema.Facultad de Ciencias Exacta

Kupari-tina mikroliitosten karakterisointimenetelmät

The microelectronics industry constantly aspires to shrink the device features. At the package level, this implies a decrease in the interconnect size leading to small volume interconnections that are commonly called micro-connects. Smaller material volumes may give rise to new reliability challenges, such as open circuits, due to Kirkendall voiding. The root cause(s) for Kirkendall voiding is not yet clear and the methods for characterization are still varied. This thesis reviews techniques to characterize the microstructure and impurities in Cu-Sn micro-connects. The evaluated techniques are Auger Electron Spectroscopy (AES), Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS), Energy-Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDX), X-Ray Spectroscopy (XPS), Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS), Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS), Elastic Recoil Detection Analysis (EELS), Transmission Electron Microscopy (TEM), Focused Ion Beam (FIB), and Scanning Acoustic Microscopy (SAM). From the reviewed techniques, EDX, FIB, SAM, and TEM are used in the experimental section. For the first time, impurities are measured directly inside Kirkendall voids. It was discovered that the Kirkendall voids in annealed Cu-Sn samples contained a significant amount of chlorine and oxygen. The ASTM grain size counting method was applied to FIB-polished samples. It was observed that the grain size did not increase by annealing at 150 ◦C. Furthermore, for the first time, GHz-SAM was used to characterize Kirkendall voids. The technique is promising but it is still affected by the low lateral resolution.Mikroelektroniikkateollisuus pyrkii jatkuvasti pienentämään laitekokoa. Paketointitasolla tämä tarkoittaa sitä, että sirujen välisten liitosten kokoluokka on siirtymässä kohti mikroliitoksia, jotka saattavat aiheuttaa uusia luotettavuusongelmia. Kirkendall-aukot ovat yksi syy kyseisiin luotettavuusongelmiin ja aukkojen alkuperä on vielä tuntematon. Sen lisäksi, mikroliitosten ja Kirkendall aukkojen karakterisointiin käytetään toisistaan poikkeavia menetelmiä eikä sopivista metodeista ole vielä yhteisymmärrystä. Tämä diplomityö tarkastelee kupari-tina mikroliitoksien mikrorakenteen ja epäpuhtauksien analysointiin käytettyjä menetelmiä. Tarkasteltavat menetelmät ovat Auger elektronispektroskopia (AES), epäelastinen elektronisironta (EELS), energiadispersiivinen röntgenspektroskopia (EDX), röntgenfotoelektronispektroskopia (XPS), sekundääri ionimassaspektroskopia (SIMS), Rutherford-takaisinsirontaspektroskopia (RBS), rekyylispektrometria (ERDA), läpäisyelektronimikroskopia (TEM), keskitetty ionisuihku (FIB) ja akustinen mikroskopia (SAM). Esitellyistä menetelmistä kokeellisessa osiossa käytettiin EDX:ää, FIB:ä, SAM:a ja (S)TEM:ä. Tässä diplomityössä on mitattu ensimmäistä kertaa epäpuhtauksia Kirkendall-aukkojen sisältä. Mittauksista saatiin selville, että hehkutettujen kupari-tina -näytteiden Kirkendall-aukot sisälsivät huomattavan määrän happea ja klooria. Raekokoa tarkasteltiin kiillottamalla näytteet FIB:llä ja soveltamalla ASTM:n raekoko -standardia. Työssä huomattiin, että raekoko ei kasvanut, jos näytteitä hehkutettiin 150 ◦C lämpötilassa. Tämä on myös ensimmäinen kerta, kun GHzSAM:a on käytetty Kirkendall-aukkojen tutkimiseen. Tulokset olivat lupaavia, mutta menetelmän alhainen sivuttaissuuntainen resoluutio on vielä rajoittava tekijä

Microstructure and Corrosion Behavior of Advanced Alloys

In many industrial applications, metallic materials are exposed to harsh operating conditions. Due to a combination of chemical and thermal stresses, the constructional and functional materials are degraded, and their utility properties are lost. These undesirable events are of a physicochemical nature and are commonly known as ‘corrosion’. In this Special Issue Book, 3 reviews and 18 original research papers focused on the complex relationships between the microstructure, phase constitution, and corrosion behavior of metallic materials are collected. Both high temperature and low temperature corrosion studies are included as they investigate the physicochemical processes at the material interfaces. Furthermore, possibilities for increasing the corrosion resistance of metallic materials are studied by means of surface modification and application of protective layers. This Special Issue Book, Microstructure and Corrosion Behavior of Advanced Alloys, displays the diversity and complexity of modern corrosion research. It is hoped that it will become a valuable source of reference for corrosion scientists