DE102004046699A1

DE102004046699A1 - Anordnung zum Verbinden von Kontaktflächen durch eine sich verfestigende Flüssigkeit

Info

Publication number: DE102004046699A1
Application number: DE200410046699
Authority: DE
Inventors: Holger Dr. Hübner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2004-09-24
Filing date: 2004-09-24
Publication date: 2006-04-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit zwei sich gegenüberliegenden Kontaktflächen (2, 3), die durch eine sich verfestigende Flüssigkeit (1) verbunden werden, wobei mindestens ein Abschnitt von mindestens einem der Flächenränder (B1, B2) von mindestens einer der Kontaktflächen (2, 3) im Bereich des Flächenrandes Strukturierungen aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit mindestens zwei, sich gegenüberliegenden Kontaktflächen, die durch eine sich verfestigende Flüssigkeit verbunden sind.

Derartige Anordnungen finden sich zum Beispiel in der vertikalen Schaltungsintegration, bei denen zwei Halbleiterchips übereinander angeordnet und durch eine Lötverbindung elektrisch und mechanisch miteinander verbunden werden. Die Chipsubstrate weisen Metallisierungen auf, die als Kontaktflächen dienen. Zwischen den gegenüberliegenden Kontaktflächen befindet sich ein Lötmittel. Diese Anordnung wird unter mechanischem Druck erhitzt, bis das Lötmittel schmilzt und sich mit den Kontaktflächen verbindet. Während des Abkühlens verfestigt sich das Lötmittel und formt eine feste Verbindung zwischen den Kontaktflächen.

Durch die Krafteinwirkung während des Lötvorgangs wölbt sich die Lotschmelze an den Rändern der Kontaktflächen aus. Eine derartige Anordnung ist beispielhaft in 1 dargestellt, bei der sich eine Lötschmelze 1 zwischen einer ersten Kontaktfläche 2 und einer zweiten Kontaktfläche 3 befindet. Durch die Anpresskraft F wird die Dicke D der Lötschmelze reduziert und diese am Rand mit näherungsweise dem Radius R1 herausgepresst. In einer solchen Anordnung stellt sich ein Gleichgewicht zwischen dem durch die Anpresskraft F auf der Fläche A der Kontaktflächen 2, 3 erzeugten Anpressdruck P und dem hydrostatischen Druck PH, den die Lotschmelze aufnehmen kann, ein. Bei geringem Anpressdruck P ist der Radius R1 groß, erhöht sich der Anpressdruck P, wird der Radius R1 kleiner. Minimal kann der Radius R1 die halbe Schichtdicke D betragen. In diesem Fall ist die Tragkraft der Lötschmelze maximal. Wird der Anpressdruck P weiter erhöht, dann wird der Radius R1 größer und die Lotschmelze 1 kollabiert an den Rändern der Kontaktflächen 2, 3. Dieses unkontrollierte Austreten von flüssigem Lötmittel wird Lotauspressung genannt und tritt besonders an Chiprändern und Chipecken auf, da hier aufgrund von Verkippungen höhere lokale Presskräfte als im Inneren der Chipfläche auftreten. Lotauspressungen können zu Kurzschlüssen von benachbarter elektrischer Strukturen oder zu unvollständig verlöteten Bauteilen führen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Anordnung und ein Verfahren anzugeben, mit dem Lotauspressungen vermieden werden, bzw. so in der Richtung gesteuert werden, dass sie in unkritische Gebiete erfolgen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens ein Abschnitt von mindestens einem der Flächenränder von mindestens einer der Kontaktflächen im Bereich des Flächenrandes Strukturierungen aufweist. Durch derartige Strukturierungen ist es möglich, den hydrostatischen Druck, den eine Flüssigkeit aufnehmen kann, zu erhöhen, und somit Lotauspressungen zu vermeiden bzw. zu steuern.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Vorteilhafterweise sind die effektiven Krümmungsradien der Strukturierungen proportional zur Dicke der sich verfestigenden Flüssigkeit. Die Dicke der sich verfestigten Flüssigkeit lässt sich somit als ein Maß für den Krümmungsradius R1 dar stellen und ist bei maximal möglicher Belastung ungefähr gleich 2∙R1. Durch die Proportionalität der effektiven Krümmungsradien R2 wird sichergestellt, dass der Beitrag zum hydrostatischen Druck PH entsprechend einer im Ausführungsbeispiel aufgeführten Formel (Formel 1) abgeschätzt werden kann. Die Proportionalität zur Dicke der Flüssigkeit kann somit zur Dimensionierung der Strukturierungen benutzt werden.

Vorteilhafterweise liegen die effektiven Krümmungsradien der Strukturierungen in der Größenordnung der Dicke der sich verfestigenden Flüssigkeit. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass der hydrostatische Druck PH in der Flüssigkeit zu ungefähr gleichen Teilen aus dem Krümmungsradien R1 der Flüssigkeit am Rand und R2, dem effektiven Krümmungsradien der Strukturierungen, zusammengesetzt wird (siehe Formel 1). Gleichzeitig lässt sich dadurch eine untere Grenze für R1 angegeben. Nach Formel 1 wäre es theoretisch möglich, durch einen verschwindend kleinen Radius R1 eine unendlich hohe hydrostatische Belastbarkeit der Flüssigkeit zu erreichen.

Vorteilhafterweise sind die effektiven Krümmungsradien der Strukturierungen kleiner als das Hundertfache der Größenordnung der Dicke der sich verfestigenden Flüssigkeit. Sind die effektiven Krümmungsradien der Strukturierungen viel größer als die Dicke der Flüssigkeit, so wirken sie sich gemäß Formel 1 nicht mehr stark auf den hydrostatischen Druck aus und sind vernachlässigbar. Auf diese Weise wird also sichergestellt, dass der Beitrag der effektiven Krümmungsradien der Strukturierungen sich noch auf den hydrostatischen Druck der Flüssigkeit auswirken und eine obere Grenze für die Größenordnung der Abmessungen der Strukturierungen angeben.

Vorteilhafterweise ist mindestens eine der Kontaktflächen auf einem Träger aufgebracht. Dadurch ist es möglich, auch Teile, die sich normalerweise nicht gut mit der sich verfestigenden Flüssigkeit verbinden lassen, miteinander zu verbinden. Auch lassen sich dadurch sehr dünne Kontaktflächen mechanisch verstärken.

Vorteilhafterweise ist mindestens eine der Kontaktflächen ein Kühlkörper, eine Metallisierung, eine planare Metallfolie oder eine Abschirmung. Diese metallischen Kontaktflächen lassen sich hervorragend mittels dünner Weichlotschichten verbinden und können z. B. einen Chip, auf dem ebenfalls eine Metallisierung angebracht ist, mit einem Kühlkörper thermisch verbinden oder durch eine Abschirmung vor ungewollten Störeinflüsse schützen.

Vorteilhafterweise ist der mindestens eine Träger ein Wafer, eine mehr oder weniger flexible Folie, ein keramisches oder Halbleitersubstrat. Auf diese Weise ist es möglich, eine Vielfalt von Verbindungen, wie z. B. Chip-Chip, Chip-Wafer herzustellen, wie sie z. B. in der vertikalen Schaltungsintegration oder beim Face-to-Face-Verfahren eingesetzt werden.

Vorteilhafterweise handelt es sich bei der sich verfestigenden Flüssigkeit um ein geschmolzenes Lötmittel. Durch die Strukturierungen im Bereich der Flächenränder lassen sich somit unkontrollierte Lotauspressungen vermeiden. Dies ist vor allem von Interesse, wenn zwei Chips miteinander verbunden werden sollen. Durch Weichlöten oder Diffusionslöten lassen sich gleichzeitig elektrische Verbindungen herstellen, die zudem eine hohe mechanische Festigkeit aufweisen.

Vorteilhafterweise sind die Strukturierungen als ein Teil der Kontaktflächen ausgeführt. Auf diese Weise lassen sich größere Flächen, wie z. B. ein Sealring oder auch schmale Leiterbahnen vorteilhafter gegen Lotauspressungen schützen. Es wird dazu der Rand von den Kontaktflächen mit Strukturierungen, die kleine effektive Krümmungsradien aufweisen, wellig geformt.

Vorteilhafterweise sind die Strukturierungen getrennt von den Kontaktflächen ausgeführt, werden aber ebenfalls durch die sich verfestigende Flüssigkeit verbunden. Auf diese Weise ist es möglich, die Strukturierungen nicht nur zum Erhöhen des maximal aufnehmbaren hydrostatischen Drucks während eines Lötvorgangs, sondern auch für weitere Zwecke, wie z. B. dem Erhöhen der mechanischen Tragfähigkeit oder dem Vorsehen von zusätzlichen elektrischen Funktionen, wie Leiterbahnen, Umverdrahtungen, Sealrings oder Abschirmungen einzusetzen. Die Strukturierungen würden sich in so einem Fall in ähnlicher Weise wie die Kontaktflächen gegenüberliegen.

Vorteilhafterweise sind die Strukturierungen nicht miteinander verbunden. Dadurch ist es möglich, die Strukturierungen einfach, z. B. als kreisförmige Inseln, herzustellen. Aufgrund der sehr kleinen effektiven Krümmungsradien würden diese einen entsprechend kleinen Platzbedarf besitzen und eine hohe hydrostatische Tragfähigkeit aufweisen, die während des Lötvorgangs ausgenutzt werden könnte. Nach dem Lötvorgang lassen sich diese für die Übertragung von elektrisch getrennten Signalen oder zur Erhöhung der mechanischen Stabilität einsetzen.

Vorteilhafterweise sind die Strukturierungen kreisförmig, zungenförmig, dreiecksförmig, trapezförmig, rechteckförmig oder mehreckförmig ausgebildet. Derartige Formen lassen sich leicht herstellen, selbstverständlich sind auch alle anderen Ausführungsformen möglich.

Vorteilhafterweise werden die Strukturierungen durch Überlappungen von versetzten Strukturen an aufeinander gegenüberliegenden Flächenrändern der Kontaktflächen gebildet. Die Strukturen müssen dabei nicht deckungsgleich ausgeführt und dimensioniert werden. Durch die Überlappung ist es möglich, kleinere effektive Krümmungsradien mit physikalisch doppelt so großen Strukturen zu erreichen. Dadurch reduziert sich der Platzbedarf und die Anforderung an die Fertigungsgenauigkeit der Strukturierungen. Dadurch, dass die Strukturen sich gegenüber liegen, bilden sie eine hochgradig verschränkte dreidimensionale Anordnung, die vorteilhaft genutzt werden kann, um Lotauspressungen zu vermeiden.

Vorteilhafterweise sind die Strukturen an den Flächenrändern der versetzten, sich überlappenden Flächen kreisförmig, zungenförmig, dreieckförmig, trapezförmig, rechteckförmig oder mehreckförmig ausgebildet. Diese Geometrien lassen sich einfach herstellen und dienen nur als Beispiele.

Vorteilhafterweise werden die Kontaktflächen mit weiteren auf mindestens einem der Träger liegenden, elektrisch leitenden Kontakten verbunden. Auf diese Weise ist es möglich, die Kontaktflächen für die elektrische Verbindung von miteinander verlöteten Chips zu verwenden. Auch können sie dadurch als Abschirmflächen eingesetzt werden. Der Träger wäre in diesem Fall ein Halbleitersubstrat.

Vorteilhafterweise ist der Abstand der Kontaktflächen zueinander nicht konstant. Dadurch lassen sich weitere Variations möglichkeiten zum Steuern des hydrostatischen Drucks realisieren.

Vorteilhafterweise ist der Abstand der Kontaktflächen in der Mitte der Kontaktflächen größer als an den Flächenrändern. Dadurch lässt sich eine zusätzliche Krümmung der Flüssigkeit erreichen, die die dritte Dimension der Flüssigkeit darstellt und so der maximal aufnehmbare hydrostatische Druck erhöhen.

Vorteilhafterweise ist mindestens eine der Kontaktflächen konkav zur anderen. Durch diese Krümmung lässt sich der hydrostatische Druck der Flüssigkeit weiter einstellen, sodass z. B. im Inneren und an den Rändern unterschiedliche maximale Presskräfte aufgenommen werden können. Auf diese Weise kann man gezielt Lotauspressungen ins Innere oder Äußere verlegen.

Vorteilhafterweise ist der Abstand der Kontaktflächen zueinander an den Flächenrändern unterschiedlich. Auch hier kann man wieder gezielt den Lötausfluss steuern, indem man einen kontrollierten Kollaps an einer Seite herbeiführt. Dies kann z. B. beim Verlöten von Leistungshalbleitern eingesetzt werden.

Vorteilhafterweise sind noch weitere Kontaktflächen zur Übertragung von elektrischen Signalen und/oder zur mechanischen Verbindung zwischen den Trägern vorgesehen. Dadurch ist es z. B. möglich, den Druck an Chipecken durch vorgelagerte Kreisflächen aufzunehmen.

Vorteilhafterweise werden Metallflächen mittels einer Lötschicht verbunden, bei der die flüssige Lötschicht an mindestens einem Abschnitt entlang mindestens einer der Metallflächenränder von mindestens einer der Metallflächen durch Strukturen im Bereich der Flächenränder geformt wird. Auch hier geht es wieder um das gezielte Erhöhen des hydrostatischen Drucks, den die Lötschmelze aufnehmen kann, indem sie an ihren Rändern strukturiert wird.

Vorteilhafterweise sind die Strukturierungen als Inselgebilde ausgeführt, deren Radien zwischen 0,2 bis 500 × der Dicke der Lötschicht entsprechen. Dadurch wird sichergestellt, dass die Inseln einen signifikanten Beitrag zur mittleren Krümmung und damit zum aufnehmbaren hydrostatischen Druck während des Lötvorgangs liefern. Diese Inseln können als elektrische Kontakte oder als mechanische Strukturen weitere Funktionen übernehmen. Bei bestimmten Prozessen sind durch die gewählte Technologie auch Radien von bis zu minimal 0,002 × der Dicke der Lötschicht realisierbar. Diese zeigen sich dann in Form von sogenannten Ausfransungen der Strukturränder.

Vorteilhafterweise sind die Strukturierungen aus für das Lötmittel schwer- oder nicht benetzbaren Substanzen im Bereich der Metallflächenränder geformt. Dadurch erreicht man, dass die Metallflächenränder nicht selber geformt werden müssen. Es reicht aus, dass die flüssige Lötschicht durch andere, auf den Metallflächen oder in Nähe der Metallflächenränder aufgebrachte, schwer- oder nicht benetzbaren Substanzen geformt wird.

Vorteilhafterweise ist die schwer benetzbare Substanz ein Lötstopplack oder eine Passivierungsschicht. Diese kann aus Siliziumnitrid oder Siliziumoxid bestehen oder aus Metallschichten wie Aluminium, Titan, Wolfram, Nickel, die nur schwer zu benetzen und zu löten sind.

Vorteilhafterweise handelt es sich bei der sich verfestigenden Flüssigkeit um ein Klebmittel. Bei Klebemitteln tritt im Grunde das gleiche Problem wie bei flüssigen Lötmitteln auf, durch die Strukturierungen kann man den maximalen hydrostatischen Druck der Flüssigkeit erhöhen und auch gezielt steuern, an welcher Stelle z. B. ein Klebstoff ausgepresst werden soll. Die Erfindung lässt sich auf alle Klebevorgänge anwenden, so z.B. beim Verkleben eines Chips mit einem Träger (die attach).

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsform anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:
1 eine Anordnung mit zwei sich gegenüber liegenden Kontaktflächen, die durch eine sich verfestigende Flüssigkeit verbunden sind,
2 die Oberfläche einer Flüssigkeit mit Schnittebenen zum Bestimmen der mittleren Krümmung,
3 die Definition eines Krümmungskreises,
4 eine Draufsicht auf 1 mit geraden und gekrümmten Kontaktflächenrändern,
5 ein Ausführungsbeispiel mit kreisförmigen Strukturierungen,
6a, 6b, 6c Ausführungsbeispiele von möglichen Strukturierungen der Kontaktflächenränder,
7 ein Ausführungsbeispiel mit einer schwer benetzbaren Substanz,
8 ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Strukturierung durch Überlappung von versetzten Strukturen an aufeinander gegenüberliegenden Flächenrändern gebildet ist,
9 ein Ausführungsbeispiel, bei der Abstand der Kontaktflächen zueinander an den Flächenrändern unterschiedliche Abstände aufweist,
10a, 10b, 10c Ausführungsbeispiele für Leiterbahnen mit unterschiedlichen Strukturierungen,
11 ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Strukturierungen als Inseln in einer Ecke eines Trägers ausgebildet sind,
12 ein Ausführungsbeispiel, bei dem sich die Strukturierungen außerhalb eines Sealrings an der Ecke eines Trägers befinden,
13 Verkippung beim Verlöten von durchgängigen Kontaktflächen,
14 ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Kontaktflächen unterteilt sind, um Verkippungen beim Löten zu minimieren.
Der hydrostatische Druck PH ist proportional zur Oberflächenenergie E und zur mittleren Krümmung KM der Oberfläche der Flüssigkeit.
Um ein Molekül aus dem Inneren einer Flüssigkeit an eine freie Oberfläche zu bringen, ist Arbeit gegen die Kohäsionskräfte zwischen den Molekühlen zu leisten. Die Moleküle an der Flüssigkeitsoberfläche besitzen daher eine Art potentielle Energie, die Oberflächenenergie E genannt wird. Die Oberflächenenergie E ist dabei die Arbeit, die zur Vergrößerung der Oberfläche um eine Flächeneinheit erforderlich ist.
2 zeigt wie man die mittlere Krümmung KM an einem Punkt A auf der Oberfläche einer Flüssigkeit 1 bestimmt. Durch die Normale an Punkt A legt man zwei aufeinander senkrecht stehende Ebenen, die hier in der XY- bzw. XZ-Ebene liegen. Diese Ebenen schneiden die Oberfläche der Flüssigkeit 1, so dass Schnittkurven entstehen, deren Krümmungen man untersucht. Die mittlere Krümmung ergibt sich aus der Summe der Krümmung in der XZ-Ebene und der Krümmung in der XY-Ebene.
3 zeigt, wie Krümmungsradien definiert werden. Die Krümmung einer Kurve 1 an einem Punkt A ist die Krümmung eines Kreises, der die Kurve an diesem Punkt berührt und sich am besten an die Kurve anschmiegt. Dieser Kreis wird Krümmungskreis K genannt und besitzt den Radius R1. Die Krümmung ist ein Maß für die Abweichung einer Kurve oder Oberfläche von einer Geraden bzw. Ebene. Geraden besitzen in jedem Punkt die Krümmung 0, bei Kreisen ist in jedem Punkt die Krümmung 1/R, wobei R der Kreisradius ist. Die mittlere Krümmung am Punkt A der Oberfläche der Flüssigkeit 1 in 2 ergibt sich zu (1/R1 +1/R2)/2, wobei R1 und R2 die Radien der Krümmungskreise in der XY- bzw. XZ-Ebene sind. Der hydrostatische Druck PH, den eine Flüssigkeit 1 aufnehmen kann, ergibt sich mit den in 2 gezeigten Bezeichnungen zu: PH = E* (1/R1 + 1/R2), Formel 1wobei E die Oberflächenenergie der betreffenden Flüssigkeit ist.
Um Lotauspressungen zu vermeiden, bzw. deren Austrittsrichtung zu steuern, wird erfindungsgemäß der maximal aufnehmbare hydrostatische Druck einer Flüssigkeit durch Verändern der mittleren Krümmung der Oberfläche eingestellt. Das Prinzip wird anhand 4 illustriert, in der eine Draufsicht einer Anordnung nach 1 gezeigt ist. Die Flächenränder B1 der Kontaktflächen 2, 3 sind dabei gerade ausgeführt, die Flächenränder B2 weisen eine Krümmung auf. Legt man zur Bestimmung der mittleren Krümmung KM das Modell aus 2 zugrunde, so kann man als ersten Krümmungsradius R1 die halbe Lotdicke D ansetzen. R1 ist an den Flächenrändern B1, B2 gleich groß, da das Lot auf beiden Seiten gleich dick ist. Der zweite Krümmungsradius R2 ergibt sich aus der Krümmung der Flächenränder B1, B2 der Kontaktflächen 2, 3. Im Fall der geraden Ränder B1 ist er unendlich, bei den gekrümmten Rändern B2 endlich.
Wird diese Anordnung, wie in 1 gezeigt, durch die Kraft F belastet, so wird bei zunehmender Belastung zunächst eine Lotauspressung an den geraden Flächenrändern B1 auftreten, da diese aufgrund der geringeren mittleren Krümmung an diesen Stellen die Flüssigkeit einen geringeren hydrostatischen Druck aufnehmen kann als an den gekrümmten Flächenrändern B2. Durch die Strukturierung der Flächenränder B1 und B2 ist es also möglich, die Lotauspressungen zu steuern, so dass zum Beispiel Lot zwar ausgepresst wird, jedoch in einer Richtung, bei der keine Kurzschlüsse durch das Lot auftreten können. Werden die Flächenränder B1, B2 mit gleichen Krümmungsradien R2 ausgeführt, so lässt sich durch die Strukturierungen der maximale hydrostatische Druck PH, den eine Flüssigkeit aufnehmen kann, erhöhen und Lotauspressungen ganz vermeiden.
In 4 ist noch ein Kreis K eingezeichnet, mit dessen Hille das Konzept eines effektiven Krümmungsradiusses illustrieren werden soll. Für unstetige Kurven ist es nicht möglich, einen exakten Krümmungsradius R2 anzugeben, da diese Kurven an den Unstetigkeitsstellen keine definierte Tangente aufweisen und somit kein Krümmungskreis eingezeichnet werden kann. Man zeichnet daher in solchen Kurven einen Kreis mit einem effektiven Krümmungsradius ein, mit dem man versucht, zumindest die Größenordnung des Krümmungsradiusses abzuschätzen. Dazu bestimmt man den Mittelpunkt des Krümmungskreises K durch den Schnitt der Normalen N1, N2, der Flächenränder B1 und B2. Je nachdem, wo man diese Normalen an den Flächenrändern B1, B2 ansetzt, erhält man unterschiedlich große Krümmungsradien, so dass nur von einer Größenordnung gesprochen werden kann.
4 zeigt ein einfaches Ausführungsbeispiel der Erfindung und wurde bereits zum Erläutern des Prinzips der Erfindung herangezogen. Dargestellt ist eine Draufsicht von 1, einer Anordnung, die aus einer Flüssigkeit 1 besteht, die sich zwischen den Kontaktflächen 2 und 3 befindet. Die Flüssickeit 1 tritt dabei über die Berandung der Kontaktflächen 2, 3 hinaus. Die Kontaktflächenränder B1 sind gerade ausgeführt, die Kontaktflächenränder B2 mit Krümmungen. Nach Formel 1 ist der hydrostatische Druck, den die Flüssigkeit 1 aufnehmen kann, an den geraden Kontaktflächenränder B1 geringer als an den gekrümmten Kontaktflächenrändern B2. Nach dem Pascalschen Gesetz breitet sich der Druck in einer Flüssigkeit näherungsweise in alle Richtungen gleich aus, sodass die maximale Tragkraft der Flüssigkeit durch die Tragkraft, die durch den hydrostatischen Druck an den geraden Flächenrändern B1 gegeben ist, bestimmt wird. Über die Wahl, an welcher Stelle die Flächenränder gerade gestaltet sind, kann man bestimmen, an welcher Stelle die Flüssigkeit 1 zuerst austreten soll. Bei der Flüssigkeit 1 kann es sich um ein geschmolzenes Lötmittel handeln oder auch um ein Klebmittel. Die Kontaktflächen 2, 3 in 4 sind identisch groß ausgeführt. Es ist jedoch durchaus möglich, dass sie unterschiedliche Abmessungen aufweisen.
Die in 4 gezeigte Krümmung des Kontaktflächenrandes B2 ist durch die Abmessung der Kontaktflächen 2, 3 begrenzt. Die maximale Krümmung erhält man, wenn der Rand B2 als Halbkreis ausgeführt wird, dessen Radius R2 die Hälfte des Abstands zwischen dem linken und dem rechten Kontaktflächenrand B1 ist. Eine weitere Erhöhung der Krümmung und damit Erhöhung des maximal aufnehmbaren hydrostatischen Drucks lässt sich mit der in 4 gezeigten Anordnung nicht erreichen.
In 5 wird daher ein Ausführungsbeispiel einer Weiterentwicklung des Erfindungsgedanken gegeben, bei dem die Strukturierungen an zwei der Flächenrändern B2 durch eine Vielzahl von Halbkreisen erfolgt. Auf diese Weise ist es möglich, den effektiven Krümmungsradius und damit auch die hydrostatische Belastbarkeit an diesen Stellen zu erhöhen. Der Radius R2 des Flächenrandes B2 ist dabei für großflächige Anordnungen viel kleiner als der gleiche Radius in 4 und liefert daher einen wesentlich größeren Anteil zur mittleren Krümmung KM. Bei einer Belastung über die hydrostatische Tragkraft hinaus würde in 5 die Flüssigkeit 1 wieder an den geraden Rändern B1 zuerst austreten. Sind alle Kontaktflächenränder B1, B2 der 5 mit Halbkreisen versehen, so erhöht sich insgesamt die Tragkraft dieser Anordnung bei hydrostatischer Belastung.
Die Radien R2 der Strukturierungen sollen ungefähr in der Größenordnung der Dicke D der Flüssigkeit liegen. Macht man die Radien R2 sehr klein, z.B. 500 mal kleiner als die Dicke D, und erhöht die Anzahl der Halbkreis entlang der Flächenränder B2, so erhält man im Grenzfall wieder eine Gerade und die gewünschte Erhöhung des hydrostatischen Drucks stellt sich nicht ein. Werden dagegen die Radien R2 zu groß gezogen, z.B. 500 mal größer als die Dicke D, so folgt daraus ebenfalls eine Abnahme des maximal aufnehmbaren hydrostatischen Drucks PH.
Bei der in 4 und 5 dargestellten Anordnung kann es sich um eine Anordnung handeln, in der zwei Halbleiterchips durch eine Lötschicht 1 miteinander verbunden werden. Den Kontaktflächen 2, 3 entsprechen dabei Metallisierungen, die auf den Halbleitersubstraten aufgebracht sind. Die Halbleitersubstrate sind dabei oberhalb der Kontaktfläche 2 und unterhalb der Kontaktfläche 3 in 1 als Träger der Kontaktflächen 2, 3 angeordnet. In weiteren Ausgestaltungen ist eine der Kontaktfläche eine Abschirmung oder ein Kühlkörper und die andere Kontaktfläche eine Metallisierung auf einem Chip.
Die 6a, 6b, 6c zeigen weitere Ausführungsbeispiele der Strukturierungen.
In 6a ist eine trapezförmige Ausgestaltung gezeigt. Da diese Form nicht mehr kreisförmig ist, wird versucht, diese durch einen effektiven Krümmungsradius R2 zu charakterisieren. Beispielhaft ist dabei ein Krümmungskreis K mit dem Radius R2 eingezeichnet. Dieser könnte jedoch, je nach Lage, größer o der kleiner ausfallen, sodass man nur eine Größenordnung des effektiven Krümmungsradiuses R2 angeben kann.
In 6b und 6c ist eine dreieckförmige und eine rechteckförmige Strukturierung angegeben, wobei diese nach Belieben variiert werden können. So ist es z. B. in 6c möglich, die Abstände S, T und Q zu ändern. Für die 6b und 6c lassen sich, wie für alle anderen nicht kreisförmigen Strukturierungen, ebenfalls effektive Krümmungsradien R2 angeben, die wiederum abhängig von der Dicke D der Flüssigkeit 1 zwischen den Kontaktflächen 2, 3 sein sollte.
Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel erhält man, wenn man Kontakte nicht als kleine Kreise, sondern als kleine Ringe ausführt. In diesem Fall, der in den Figuren nicht dargestellt ist, entsteht an der inneren Begrenzung ein Rand mit negativem Radius R2, der die Drucktragfähigkeit an dieser Stelle noch effektiver senkt. Damit werden Lotauspressungen sicher in das innere Volumen erfolgen und Kontakt dieser Bauart können mit engerem Abstand zueinander angeordnet werden als rein zylindrische Kontaktflächen.
In den bisherigen Ausführungsbeispielen waren die Strukturierungen als Teil der Kontaktflächen 2, 3 ausgebildet und mit diesen verbunden. In 7 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die Kontaktflächen 2, 3 jedoch nicht an ihren Rändern strukturiert werden, sondern in einem Bereich außerhalb der Flächenränder eine Strukturierung 4 aufweisen. Diese Strukturierung 4 kann z. B. eine für die Flüssigkeit 1, die ein Lötmittel oder Klebemittel sein kann, schwer zu benetzende Substanz sein. Die Strukturierung 4 ist in der Nähe des Kontaktflächenrandes B1 angebracht ist und formt so die sich herauswölbende Flüssigkeit 1 durch ihren Rand B2. Auf diese Weise ist es möglich, deren effektive Krümmungsradien entlang des Randes B1 zu erhöhen. Geeignete Substanzen für die Strukturierungen 4 sind z. B. Lötstofflacke, Passivierungsschichten, die aus Siliziumnitrid oder Siliziumoxid bestehen oder Metallisierungen aus Aluminium, Titan, Wolfram oder Nickel, die auf einen Träger oder eine Kontaktfläche 2 aufgetragen werden. Ist die Flüssigkeit 1 ein Klebmittel, so können die Strukturierungen 4 aus für Klebemittel schwer benetzbare Kunststoffe, wie z. B. Teflon, geformt sein.
8 zeigt eine Draufsicht und einen Querschnitt durch die Kontaktflächen 2, 3 und die Flüssigkeit 1, wobei die Kontaktflächen 2, 3 mit Strukturierungen an ihren Rändern versehen sind. Diese Strukturierungen sind dreieckförmig ausgeführt, wobei die Dreieckschenkel die Länge 2b besitzen. Da die Kontaktfläche 2 gegenüber der Kontaktfläche 3 versetzt ist, ergibt sich insgesamt eine doppelt so feine Strukturierung, die nur die halbe Abmessung b der ursprünglichen Strukturierung der Kontaktflächen 2, 3 aufweist. Durch diese Versetzung ist es möglich, geringere effektive Krümmungsradien mit größeren Abmessungen der Strukturierungen zu erhalten. Durch die gleichzeitig entstehende dreidimensionale Verschränkung der Flüssigkeit 1 an den Rändern lässt sich der Platzbedarf zusätzlich reduzieren. Anstelle von Dreiecken sind auch andere Formen möglich, auch ist es nicht notwendig, die Strukturierungen periodisch auszuführen. Die Strukturierungen der Kontaktflächen 2, 3 können unterschiedlich zu einander ausfallen, auch ist eine zusätzliche Versetzung der Kontaktflächen 2, 3 nach links oder rechts möglich.
In 9 ist ein Querschnitt eines Ausführungsbeispiels gezeigt, bei dem die Kontaktflächen 2, 3 an den Kontaktflächenrändern unterschiedliche Dicken D1 und D2 aufweisen. Diese Seite mit dem kleineren Krümmungsradius R2 kann dabei höhere hydrostatische Drücke aufnehmen als die Seite mit dem größeren Krümmungsradius R1. Bei einem Zusammenpressen der Kontaktflächen 2, 3 kann man so verhindern, dass Lot an der Stelle mit dem geringeren Abstand D2 austritt. Dies ist z. B. dann sinnvoll, wenn sich an dieser Stelle elektrische Kontakte befinden, die durch das austretende Lot kurzgeschlossen würden. Die Lotauspressung könnte mit einer solchen Anordnung gezielt in Auffangbecken geleitet werden oder in Bereiche, an denen zusätzliche Lot keine Gefährdung darstellt. Eine Anwendung ist z. B. beim Verlöten von Leistungs-Halbleiterbauelementen, bei denen das Bauelement mit relativ großer Kraft und hoher Geschwindigkeit in das Lötmittel 1 hineingedrückt werden, um eine möglichst vollständige Verlötung über die großflächigen Oberflächen zu erreichen.
Die Erfindung lässt sich auch auf Leiterbahnen, wie z. B. der in 10a gezeigten, vorteilhaft anwenden. In 10a sind die Ränder B1 der Leiterbahn gerade ausgeführt und liefern daher keinen Beitrag zur mittleren Krümmung KM. 10b zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Leiterbahn, bei der die Ränder B2 strukturiert ausgeführt sind. Die Ränder ergeben sich durch das Aneinanderreihen von Halbkreisen mit dem Radius R2 und sind zueinander um den Radius R2 versetzt. Durch diese Strukturierungen wird das flüssige Lot besser entlang der Leiterbahn geführt und kann zudem noch höhere Anpresskräfte F aufnehmen, ohne dass es zu Lotauspressungen kommt. In 10c ist eine weitere mögliche Ausführungsform dargestellt, wobei die Ränder B2 mit Hilfe von Rechtecken strukturiert werden und zueinander nicht versetzt sind. Selbstverständlich sind weitere Variationen zur Strukturierung von Leiterbahnen möglich. Auch hier gilt das zuvor über die Beziehung zwischen den effektiven Krümmungsradien und Lotschichtdicke D genannte. Die Strukturierungen könnten auch außerhalb der Leiterbahnen liegen und aus schwer benetzbaren Substanzen 4, ähnlich wie in 7, bestehen.
Lotauspressungen treten besonders bei Lotflächen mit großer lateraler Ausdehnung auf. Derartige Flächen sind z. B. Power- oder Busleitungen, großflächige Abschirmungen und insbesondere geschlossene Sealrings, die um die gesamte Chipperipherie herumgeführt werden. Wenn die obere Kontaktfläche bei einer solchen Anordnung nicht sehr genau parallel zur unteren Fläche geführt wird, dann tritt ein lateraler Lotfluss auf, der zu Lotauspressungen und letztlich zum Kollabieren des gesamten Lotspalts führt. Die exakte Parallelausrichtung ist mit großem gerätetechnischen Aufwand verbunden und kostet Zeit.
Die Erfindung lässt sich in mehrfacher Weise einsetzen, um dieses Problem zu lösen. Bereits beschrieben wurde die Erhöhung der Krümmungen der Flächenränder, so dass die Lotauspressungen erst bei wesentlich höheren Drücken eintreten. In 11 ist eine weitere Möglichkeit mit einem Träger T gezeigt, der in einer Ecke Strukturierungen, die als Inseln ausgeführt sind, aufweist. Die Kontaktflächen 2, 3 sind der Einfachheit halber nicht gezeigt. Die Strukturierungen sind nicht mit den Kontaktflächen und auch nicht untereinander verbunden. Dadurch, dass die Strukturierungen relativ kleine Radien aufweisen, können sie bei geringem Platzbedarf hohe hydrostatische Drücke während des Lötvorgangs aufnehmen. Es lässt sich zeigen, dass ein Lötzylinder mit einem Durchmesser von 1 mm und einer Höhe von 3 μm bei einer Kompression von ca. 100 nm kollabiert und lediglich knapp über 2 bar Anpressdruck aushalten kann. Der gleiche Lötzylinder mit 10 μm Durchmesser kann dagegen um 1,5 μm komprimiert werden und hält über 4,5 bar. Je kleiner der Durchmesser der Lötzylin der, desto höhere Drücke können aufgenommen werden und desto weiter kann ein Lötzylinder zusammengedrückt werden, bevor er kollabiert. Da große Lotzylinder oder Flächen nur geringe Unterschiede in der Oberflächentopographie ausgleichen können, ist der Einsatz von Lötzylindern mit geringem Durchmesser von großer Bedeutung, wenn die Oberflächen nicht perfekt planar sind. Die bei diesem Ausführungsbeispiel angegebenen Werte ergeben sich beim Einsatz von flüssigem Zinn als Lötmittel. Bei gleichen geometrischen Abmessungen, aber unter Verwendung anderer Lötmittel, ergeben sich bedingt durch verschiedene Oberflächenspannungen andere Druckwerte.
Eine Anordnung von derartig kleinen Inseln ist besonders im Bereich von Chipecken, wie in 11 gezeigt, sinnvoll. An den Chipecken möchte man einen möglichst großen Krümmungsradius, um den mechanischen Stress zu minimieren, gleichzeitig sind an den Ecken die Anpresskräfte beim Löten besonders hoch. Durch den Einsatz von Strukturierungen mit geringen effektiven Krümmungsradien lassen sich so mechanische Stützstrukturen erstellen, die die in den Chipecken und Rändern auftretenden Kräfte aufnehmen. Eine Verkippung mit entsprechendem lateralen Lotfluss und die Gefahr eines Lotaustritts lässt sich so minimieren. Des Weiteren ist es möglich, durch die nicht verbundenen Inseln nach dem Lötvorgang elektrische Signale zwischen den Trägern bzw. Kontaktflächen zu übermitteln. Zur Dimensionierung der Inseln, die hier kreisförmig dargestellt sind, aber auch andere Formen haben können, gilt wieder, dass die effektiven Krümmungsradien zwischen 0,002 bis 500 mal der Dicke D der Lötschicht liegen sollen. Die Inseln können auch miteinander verbunden sein, die Stützstrukturen auch in Form von beliebigen, krummlinigen Feldern ausgeführt sein.
In 12 ist eine Anordnung mit einem Träger T gezeigt, auf dem ein Sealring 5 angebracht ist. Da hier wieder besonders an den Chipecken hohe Anpresskräfte auftreten, ist es bei einem geschlossenen Sealring, bei dem große Lötflächen in Kontakt mit dem Lot stehen wahrscheinlich, dass der Lötausfluss in Richtung Chipmitte erfolgt. Um dies und die dadurch entstehenden Kurzschlüsse zu vermeiden, wird der Sealring an den Chipecken etwas zurückgesetzt und der Druck, ähnlich wie in 11, durch vorgelagerte Inseln aufgenommen. Die Inseln können auch im Inneren des Sealrings liegen oder auf beiden Seiten des Sealrings. Für die Form der Inseln gilt wieder das zu 11 Gesagte. Der Sealring S wird durch die Inseln während des Lötvorgangs entlastet und Verkippungen, die zum Lotaustritt führen können, minimiert.
Eine weitere Anwendung des Erfindungsgedanken besteht darin, große Flächen in eine Vielzahl kleiner Flächen zu unterteilen. Die Teilfläche sollte dabei kleiner oder gleich der Fläche eines Quadrates mit der Kantenlänge 100 μm, also 10⁴ μm² sein. Entscheidend ist dabei, dass dadurch das Verhältnis von Umfang zu Fläche vergrößert wird, ähnlich wie das beim Verkleinern der effektiven Krümmungsradien der Flächenränder geschieht. Die Aufteilung erfolgt dabei mittels üblicher Strukturierungsmittel, mit denen durch sogenannte "boolsche Operationen" einer Fläche Teilflächen abgezogen werden.
Diese Aufteilung in kleinere Flächen lässt sich vorteilhaft in der automatischen Parallelausrichtung von Flächen einsetzen. 13 zeigt eine Anordnung aus zwei Platten T mit den Kontaktflächen 2 und 3, zwischen denen sich eine Lotschmelze 1, die aus einem großen zusammenhängendem Volumen besteht, befindet. Die Platten T werden mit der Kraft F belastet. Da nach dem Pascal'schen Gesetz überall in der Lotschmelze 1 der gleiche hydrostatische Druck PH herrscht, kann die resultierende Kraft F nur im Flächenschwerpunkt C angreifen. Der Angriffspunkt G der resultierende Kraft F fällt daher mit dem Flächenschwerpunkt C zusammen. Wenn die Anpresskraft F nicht genau oberhalb des Flächenschwerpunkts C angreift, entsteht ein Drehmoment, das die obere Platte kippen lässt. Dadurch wird das Lot 1 in lateraler Richtung verdrängt, ohne dass sich der Flächenschwerpunkt C und damit der Drehpunkt dieser Kippbewegung bewegt.
14 zeigt eine ähnliche Anordnung wie in 13, jedoch ist die Lötschmelze 1 in zwei Teilvolumen aufgeteilt. Die Kontaktflächen 2 und 3 wurden dazu unterteilt. Im allgemeinen herrschen in den Teilvolumen unterschiedliche Drücke P1 und P2. Bei einer Schiefstellung der oberen Platte verschiebt sich der Angriffspunkt G der resultierenden Kraft F, bis er im Angriffspunkt G der Anpresskraft F zu liegen kommt. Dies ist möglich, da die Teilvolumen unterschiedliche und höhere Drücke aufnehmen können als in 13 und das Drehmoment kompensieren. Eine weitere Kippung der oberen Platte ist nicht mehr möglich, da das Drehmoment verschwindet. Die Verkippung wird minimiert, es kommt zu keinem Lotaustritt.
Die Strukturierungen in allen Ausführungsbeispielen können geätzt, gesägt, gestanzt oder mit einem der sonst gängigen Verfahren erstellt werden. Sämtliche der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele lassen sich auch mit einem Klebemittel anstelle einer Lötschicht realisieren.

1: Flüssigkeit
2: Kontaktfläche
3: Kontaktfläche
4: Schwer benetzbare Substanz
A: Punkt auf Oberfläche der Flüssigkeit
B1, B2: Flächenränder
C: Flächenschwerpunkt
D: Flüssigkeitsdicke
E: Oberflächenenergie
F: Anpresskraft
G: Angriffspunkt
K: Krümmungskreis
KM: Mittlere Krümmung
N1, N2: Normalen der Flächenränder
P: Anpressdruck
PH, P1, P2: Hydrostatischer Druck
R1, R2: Krümmungsradien
S: Sealring
T: Träger

Claims

Anordnung mit zwei sich gegenüberliegenden Kontaktflächen (2, 3), die durch eine sich verfestigende Flüssigkeit (1) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Abschnitt von mindestens einem der Flächenränder (B1, B2) von mindestens einer der Kontaktflächen (2, 3) im Bereich des Flächenrandes Strukturierungen aufweist.
Anordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die effektiven Krümmungsradien der Strukturierungen proportional zur Dicke (D) der sich verfestigenden Flüssigkeit (1) ausgebildet sind.
Anordnung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die effektiven Krümmungsradien der Strukturierungen in der Größenordnung der Dicke (D) der sich verfestigenden Flüssigkeit (1) ausgebildet sind.
Anordnung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die effektiven Krümmungsradien der Strukturierungen kleiner als das 500-fache der Größenordnung der Dicke (D) der sich verfestigenden Flüssigkeit (1) ausgebildet sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Kontaktflächen (2, 3) auf mindestens einem Träger aufgebracht ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Kontaktflächen (2, 3) ein Kühlkörper, Metallisierung, planare Metallfolien oder Abschirmungen ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Träger ein Wafer, eine Folie, ein keramisches Substrat oder Halbleiter-Substrat ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sich verfestigende Flüssigkeit (1) ein geschmolzenes Lötmittel ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierungen als Teil der Kontaktflächen ausgeführt und mit diesen verbunden sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierungen getrennt von den Kontaktflächen ausgebildet sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierungen nicht miteinander verbunden sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierungen kreisförmig, zungenförmig, dreieckförmig, trapezförmig, rechteckförmig oder mehreckförmig ausgeführt sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierungen durch Überlappungen von versetzten Strukturen an aufeinander gegenüberliegenden Flächenrändern (B1, B2) der beiden Kontaktflächen (2, 3) gebildet werden.
Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen an den Flächenrändern (B1, B2) der Flächen kreisförmig, zungenförmig, dreieckförmig, trapezförmig, rechteckförmig oder mehreckförmig ausgebildet sind.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen (2, 3) mit weiteren auf mindestens einem der Träger liegenden elektrischen Kontakten verbunden sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Kontaktflächen (2, 3) zueinander nicht konstant ist.
Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Kontaktflächen (2, 3) in der Mitte der Kontaktflächen (2,3) größer als an der Flächenrändern (B1, B2) ist.
Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Kontaktflächen (2, 3) konkav zur anderen ist.
Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Kontaktflächen (2, 3) zueinander an den Flächenrändern (B1, B2) unterschiedliche Abstände aufweist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Kontaktflächen (2, 3) zur Übertragung von elektrischen Signalen und/oder zur mechanischen Verbindung zwischen den Trägern (T) vorgesehen sind.
Verfahren zum Verbinden von Metallflächen (2, 3) mittels Lötschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige Lötschicht an mindestens einem Abschnitt entlang mindestens eines Metallflächenrandes (B1, B2) von mindestens einer der Metallflächen (2, 3) durch Strukturen im Bereich der Metallflächenränder (B1, B2) geformt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierungen als Inselgebilde mit effektiven Krümmungsradien zwischen 0,002 bis 500 mal der Dicke der Lötschicht (1) ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierungen aus für das Lötmittel schwer- oder nicht-benetzbaren Substanzen (4) im Bereich der Metallflächenränder (B1, B2) geformt werden.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass als schwer benetzbare Substanz (4) ein Lötstopplack oder eine Passivierungsschicht verwendet wird.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die sich verfestigende Flüssigkeit (1) ein Klebemittel ist.