DE102005047737B4

DE102005047737B4 - Lotmetallisierung

Info

Publication number: DE102005047737B4
Application number: DE200510047737
Authority: DE
Inventors: Matthias Hutter; Hermann Dr. Oppermann; Jordan Dr. Rafael; Tina Thomas
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2005-09-29
Filing date: 2005-09-29
Publication date: 2007-07-12
Anticipated expiration: 2025-09-30
Also published as: DE102005047737A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Lotmetallisierung (1), dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einer Legierung (4) aus mindestens zwei Metallen A und B mittels einer chemischen oder physikalisch-chemischen Reaktion das Metall A selektiv aus dem Bereich der Oberfläche (3) der Legierung (4) entfernt wird, so dass sich das Metall B im Bereich der Oberfläche (3) anreichert, wobei das Metall A mittels eines ersten Reaktionsmittels selektiv aus der Oberfläche (3) der Legierung (4) und mittels eines zweiten Reaktionsmittels von der Oberfläche (3) der Legierung entfernt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lotmetallisierung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Lotmetallisierung.

Lotmetallisierungen werden für die Erzeugung elektrischer Verbindungen eingesetzt, beispielsweise können über Lotmetallisierungen elektronische Bauteile mit einer Leiterstruktur kontaktiert werden.

Neben Lotmetallisierungen, die zur Verarbeitung ein Flussmittel benötigen, gibt es einige eutektische Lotmetallisierungen, wie zum Beispiel eutektisches Au80Sn20-Lot (80 Gew.-% Au und 20 Gew.-% Zinn), welche in flussmittelfreien Prozessen gelötet werden können.

Derartige eutektische Lotverbindungen lassen sich in verschiedenen Techniken einsetzten. Beispielsweise können mit eutektischen Lotmetallisierungen versehene elektronische Bauteile bzw. Chips mittels "Pick & Place"-Technik und anschließender Lötung mit dem Substrat im Ofen als Batchprozess verbunden werden.

Verschiedene Prozesse sind bekannt, um solche eutektischen Lotmetallisierungen (wegen ihrer Form auch "Lotbumps" genannt) zu erzeugen.

Es ist bekannt, Lotmetallisierungen durch Aufdampfen von Gold und Zinn herzustellen, wobei die Abschlussschicht Gold ist.

Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass aufgrund des niedrigen Dampfdrucks des Goldes und insbesondere wegen des Niederschlags im gesamten Raum der Aufdampfanlage und dem zusätzlich damit verbundenen Säubern der Aufdampfanlage dieser Prozess sehr teuer ist. Der Lift-Off lässt des Weiteren nur dünne Lotbumps oder Oversizing zu, wobei letzteres den Pitch begrenzt.

Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Herstellung einer Lotmetallisierung verwendet einen galvanischen Prozess, um einen zweilagigen Schichtverbund aus Gold und Zinn herzustellen.

Nachteilig ist, dass die Abschlussschicht von Zinn gebildet wird, welches leicht oxidiert. Vorteilhaft wäre hingegen eine Abschlussschicht aus Gold. Allerdings ist es problematisch, durch einen galvanischen Prozess eine weitere Goldschicht aufzubringen, da das Zinn beim Auftragen der Goldschicht das Goldbad verunreinigen würde. In der Regel wird eine zusätzliche Goldschicht mittels Sputterns oder Aufdampfens erzeugt, weswegen allerdings dieses Verfahren, insbesondere auch wegen des Ätzens bzw. des Lift-Offs, sehr aufwendig ist.

Die Veröffentlichung „Gold-Tin Solder Electroplating of Photo-Resist Laminated AIN Ceramics" von S. Akhlaghi et al., Electronic Components and Technology Conference (2002), offenbart ein Verfahren, bei dem schichtweise eine intermetallische AuSn-Phase und eine intermetallische Au₅Sn-Phase auf ein Substrat oder ein mit einem Photolack beschichtetes Substrat abgeschieden werden. Für die Galvanik wird ein Bad aus einer mehrkomponentigen Lösung verwendet. Durch Änderung der Stromdichte und Pulsdauer wird jeweils die eine oder die andere Phase abgeschieden.

Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass es verfahrenstechnisch schwierig ist zu gewährleisten, exakt die Zusammensetzung eines Au80Sn20-Lots abzuscheiden. Insbesondere ist diese Zusammensetzung auch von der Größe der Lotmetallisierung abhängig.

Auch erfordert die Kontrolle des Bades bzw. der Lösung einigen Aufwand, insbesondere im Vergleich zu reinen Gold- oder Zinnbädern.

Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens ist, dass die Lotmetallisierungen auf eine benetzende Metallisierung (sogenannte Under Bump Metallization UBM) abgeschieden werden müssen.

Die Druckschrift DE 30 27 730 C2 offenbart ein Verfahren zur Verbesserung der Eigenschaften eines verwendeten Hartlots, welches als hartgelöteter Gegenstand vorliegt. Gemäß diesem Verfahren werden zur Herabsetzung des Schmelzpunkts des Hartlots in einer Legierung verwendete Schmelzpunkt erniedrigende Elemente Si und/oder B nach dem Löten des Hartlots einer Atmosphäre mit gasförmigem Fluoridium ausgesetzt. Die sich im Oberflächenbereich befindenden Schmelzpunk erniedrigenden Elemente reagieren mit den Fluorionen und bilden eine gasförmige Verbindung, die sich von der Oberfläche trennt. Die Diffusion der Schmelzpunkt erniedrigenden Elemente an die Oberfläche des Hartlots lässt sich durch Erwärmen des Hartlots unterstützen. Das Verarmen des Oberflächenbereichs des verlöteten Hartlots verbessert Eigenschaften wie Duktilität, mechanische Festigkeit und Umschmelztemperatur.

Aufgabe der Erfindung ist es somit, ein Verfahren zur Herstellung einer Lotmetallisierung zu schaffen, welches relativ kostengünstig ist, und das die Herstellung von Lotmetallisierungen ermöglicht, die eine hohe Lagerzeit unter atmosphärischen Bedingungen und eine flussmittelfreie Verbindungstechnik mit geringem technischem Aufwand erlauben. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine derartige Lotmetallisierung zu schaffen, die sich neben obigen Eigenschaften auch durch gute mechanische Stabilität auszeichnet.

Die Erfindung löst diese Aufgaben durch die unabhängigen Ansprüche 1 und 16.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass ausgehend von einer Legierung aus mindestens zwei Metallen A und B mittels einer chemischen Reaktion das Element A selektiv aus dem Bereich der Oberfläche der Legierung entfernt wird, so dass sich das Element B im Bereich der Oberfläche anreichert, wobei das Metall A mittels eines ersten Reaktionsmittels selektiv aus der Oberfläche der Legierung und mittels eines zweiten Reaktionsmittels von der Oberfläche der Legierung entfernt wird.

Beispielsweise sei das Element A Zinn (Sn) und das Element B Gold (Au), sowie die Legierung eine intermetallische AuSn-Phase. Erfindungsgemäß wird nun mittels einer chemischen Reaktion das Element A, hier also Sn, aus der Oberfläche der Legierung, hier der AuSn-Phase, entfernt. Der Goldanteil im Oberflächenbereich nimmt zu. Insbesondere bildet sich eine goldreiche Schicht einer intermetallischen Au₅Sn-Phase an der Oberfläche aus.

Aufgrund dessen, dass eine goldreiche Schicht die Lotmetallisierung überzieht, ist diese Lotmetallisierung wesentlich unempfindlicher gegen Oxidation, erlaubt damit eine hohe Lagerzeit der Metallisierung unter atmosphärischen Bedingungen.

Eine derartig hergestellte Lotmetallisierung lässt sich, insbesondere wenn die Elemente A und B Zinn und Gold sind, direkt oder nach einem Umschmelzprozess löten. Durch Heizen auf etwa 280°C reagieren die AuSn-Phase und die goldreiche Phase miteinander eutektisch und bilden eine flüssige Phase mit etwa 80 Gew.-% Au und 20 Gew.-% Zinn aus, welches im Lötprozess den elektrischen Kontakt herstellt. Insbesondere ist für den Lötprozess kein Flussmittel erforderlich. Auch kann der Lötprozess unter Vakuum durchgeführt werden.

Bevorzugt wird als erstes Reaktionsmittel Sauerstoff, sowie als zweites Reaktionsmittel eine Säure, vorzugsweise eine organische Säure, wie Ameisensäure, Essigsäure oder Milchsäure, verwendet.

Erfindungsgemäß wird somit in einer Reaktion zwischen dem Sauerstoff und dem Metall A ein Metalloxid gebil det. Dieses Oxid wird mittels einer weiteren Reaktion mit einer Säure in ein Formiat umgewandelt und in dieser Form von der Oberfläche entfernt.

Im Falle dessen, dass als Element A Zinn und als Element B Gold verwendet wird und eine intermetallische AuSn-Phase vorliegt, bildet sich an der Oberfläche der Legierung durch eine Reaktion mit beispielsweise sich in der Atmosphäre befindendem Sauerstoff eine Zinnoxidschicht aus (da schon geringste Mengen an Sauerstoff ausreichen, um eine Oxidschicht auszubilden, ist es in der Regel nicht notwendig, den Sauerstoff extra zuzuführen). Durch den Kontakt mit der Säure bildet sich ein Formiat. Dieses Formiat lässt sich insbesondere mittels Abdampfen, was über geeignet hohe Temperaturen erreicht wird, von der Oberfläche der Legierung entfernen.

Durch das Entfernen des Elements A, hier Zinn, wird das Element B, hier Gold, in der Oberfläche angereichert. An der Oberfläche der AuSn-Phase entsteht eine Au₅Sn-Außenschicht. Diese Außenschicht unterdrückt die Ausbildung einer Oxidschicht an der Oberfläche der Lotmetallisierung.

Als Säuren eignen sich organische oder anorganische Säuren. Vorteilhaft ist die Verwendung von organischen Säuren wie z.B. Milchsäure, Essigsäure oder Ameisensäure, weil diese Säuren relativ mild sind und einfach entfernt werden können.

Das Verfahren lässt sich grundsätzlich auch auf andere Metalllegierungen anwenden. Insbesondere ist nicht zwingend notwendig, dass die Legierung als eine intermetallische Phase zweier Metalle vorliegen muss. Denkbar sind auch Legierungen aus mehr als zwei Ele menten, die nicht unbedingt Metalle sein müssen, sowie das Vorliegen mehrerer unterschiedlicher Phasen.

Aufgrund dessen, dass mittels einer chemischen Reaktion das Element B im Bereich der Oberfläche angereichert wird, ist es nicht notwendig, eine zusätzliche Abschlussschicht, wie es die Verfahren nach dem Stand der Technik vorsehen, zu erzeugen. Dieser Verfahrensschritt, der wie oben beschrieben einigen Aufwand erfordert, kann entfallen. Aufgrund dessen ist das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber den beschriebenen bekannten Verfahren relativ kostengünstig.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Reaktionsmittel in flüssiger oder in gasförmiger Form, insbesondere in Form eines Gasgemischs, verwendet werden.

Besonders vorteilhaft ist es, ein inertes Gas, beispielsweise Stickstoffgas, mit der Säure anzureichern, und dieses Gas auf die Oberfläche der Legierung zu leiten.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Legierung durch Herstellen eines Schichtverbundes mit den Metallen A und B und einem Diffusionsprozess erzeugt wird.

Nach dem Herstellen des Schichtverbundes liegen die Metalle A und B als reine Metalle A und B beziehungsweise Mischkristalle vor. In den Grenzbereichen der beiden Phasen bilden sich in der Regel intermetallische Phasen aus. Durch einen Diffusionsprozess, insbesondere durch Heizen des Schichtverbundes, können diese Phasen so umgewandelt werden, dass der Schichtverbund eine entsprechend gewünschte legierte Schicht, vorzugsweise als Deckschicht, aufweist. Beispielsweise könnte im Falle dessen, dass das Metall A Zinn ist und das Metall B Gold ist, eine solch legierte Schicht eine schon oben genannte intermetallische AuSn-Phase sein.

Als Prozesse für die Herstellung eines derartigen Schichtverbundes bieten sich beispielsweise ein schichtweises galvanisches Abscheiden, ein schichtweises Aufdampfen oder ein schichtweises Sputtern der Elemente A und B an.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Metalle A und B ein System mit einem A-reicheren und einem B-reicheren Eutektikum bilden, wobei das A-reichere Eutektikum das niedrigschmelzendere ist.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass durch das B-reichere Eutektikum das spätere Lot der Lotmetallisierung gebildet wird, beispielsweise im Falle von Gold und Zinn oben genanntes Au80Sn20-Lot.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zur Bildung der Legierung der Metalle A und B der Schichtverbund unterhalb der Schmelztemperatur des B-reichen Eutektikums geheizt wird.

Zur Bildung der Legierung ist es somit insbesondere möglich, bei Temperaturen zu heizen, bei denen ein Teil des Schichtverbundes flüssig ist/wird. Wesentlich ist allerdings, dass unterhalb der Schmelztemperatur des B-reichen Eutektikums geheizt wird, damit dieses Eutektikum, das insbesondere das spätere Lot bilden soll, nicht aufgeschmolzen wird.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zur Bildung der Legierung der Metalle A und B der Schichtverbund unterhalb der Schmelztemperatur des A-reichen Eutektikums geheizt wird.

Während der Umwandlung der getrennten Phasen A und B des Schichtverbundes in die Legierung besteht die Möglichkeit, dass zumindest bereichsweise ein A-reiches Eutektikum entsteht. Um zu verhindern, dass dieses Eutektikum flüssig wird, wird erfindungsgemäß unterhalb dessen Schmelztemperatur geheizt.

Vorteilhafterweise wird zunächst unterhalb der Schmelztemperatur des A-reicheren Eutektikums ge heizt, bis sich das Element A vollständig in eine Legierung, die in speziellem eine oder mehrere intermetallische Phasen aufweisen kann, umgewandelt hat, Eine vollständige Umwandlung des Metalls B ist dagegen nicht notwendig, so dass es bereichsweise als reine Phase erhalten bleiben kann.

Besonders vorteilhaft ist es, dass zur Bildung der Legierung der Metalle A und B der Schichtverbund im festen Zustand geheizt wird, d.h., unterhalb der Schmelzpunkte möglicher beteiligter Phasen und Eutektika. Dadurch ist gewährleistet, dass der Schichtverbund seine Form im wesentlichen beibehält.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zur Entfernung des Metalls A von der Oberfläche der Legierung die Legierung unterhalb der Schmelztemperatur des B-reichen Eutektikums unter einer mit dem zweiten Reaktionsmittel versetzten Atmosphäre geheizt wird.

Durch das Heizen wird die chemische Reaktion zwischen dem Reaktionsmittel und dem sich an der Oberfläche der Legierung befindenden Element A beschleunigt beziehungsweise erst ermöglicht. Wird als Reaktionsmittel eine Säure eingesetzt, so kann insbesondere durch Heizen das sich an der Oberfläche bildende Formiat durch Abdampfen entfernt werden.

Durch das Entfernen des Elements A von der Oberfläche der Legierung entsteht eine Außenschicht mit einer B-reichen Phase. Um zu verhindern, dass diese B-reiche Phase sich mit angrenzenden Phasen in ein B-reicheres Eutektikum umwandelt und schmilzt, ist es notwendig, unterhalb der Schmelztemperatur des B-reicheren Eutektikums zu bleiben.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zur Ausbildung der Legierung der Schichtverbund unter einer mit dem zweiten Reaktionsmittel versetzten Atmosphäre geheizt wird.

Entfernen des Elementes A und damit verbundene Anreicherung des Elementes B an der Oberfläche des Schichtverbunds und Ausbildung der Legierung finden somit gleichzeitig statt.

Vorteilhafterweise wird zunächst unterhalb der Schmelztemperatur des A-reicheren Eutektikums geheizt, bis sich das Element A vollständig in eine Legierung, die in speziellem eine oder mehrere intermetallische Phasen aufweisen kann, umgewandelt hat. Liegen dann keine A-reicheren Phasen vor, die entweder selbst niedrigschmelzend sind oder miteinander ein A-reicheres Eutektikum bilden, kann bei Temperaturen geheizt werden, die oberhalb des Schmelzpunkts des A-reicheren und unterhalb des Schmelzpunkts des B-reicheren Eutektikums liegen.

Bevorzugt wird bei Temperaturen geheizt, die in der Nähe des Schmelzpunkts des jeweiligen Eutektikums liegen. Auf diese Weise lässt sich der Prozess zur Herstellung der Lotmetallisierung beschleunigen.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Zusammensetzung der Legierung so gewählt wird, dass die Zusammensetzung der Lotmetallisierung B-reicher ist als das B-reiche Eutektikum oder genau dem B-reichen Eutektikum entspricht.

Bevorzugt ist, dass nach Ausbildung des B-reichen Eutektikums der Lotmetallisierung das Element A nicht mehr in einer A-reichen Phase, insbesondere im A-reichen Mischkristall bzw. dem reinen Element A, vorliegt. Dagegen kann eine B-reiche Phase, insbesondere der B-reiche Mischkristall bzw. das reine Element B, bestehen bleiben. Im Falle dessen, dass das Element A Zinn und das Element B Gold ist, könnte so z.B. die Lotmetallisierung einen Sockel aus Gold oder aus einer intermetallischen AuSn-Phase aufweisen. Ein Sockel aus Zinn wäre erfindungsgemäß nicht vorgesehen.

Wie die Zusammensetzung der Elemente A und B gewählt werden muss, ist allerdings von der Geometrie der herzustellenden Lotmetallisierung abhängig. Sie muss in der Regel über Abschätzungen und Versuche ermittelt werden.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Metall A unedler ist als das Metall B.

Demzufolge wird erfindungsgemäß dass unedlere Element der jeweiligen Legierung durch chemische Reaktion selektiv aus der Oberfläche entfernt, und der Anteil des edleren Elements im Oberflächenbereich nimmt zu.

Des Weiteren schafft die Erfindung eine Lotmetallisierung mit einer Außenschicht und einer unter der Außenschicht liegenden Innenschicht, wobei die Außenschicht aus einer homogenen goldreichen intermetallischen Phase der Elemente Gold und Zinn und die Innenschicht aus einer homogenen AuSn-Legierung besteht.

„Homogen" soll in diesem Zusammenhang heißen, dass die goldreiche Phase bzw. die AuSn-Legierung insbesondere im Mikrometerbereich keine erkennbare Struktur, wie beispielsweise eine stäbchenartige, körn chenartige oder lamellenartige Struktur, aufweist.

Eine derartige Lotmetallisierung lässt sich insbesondere mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellen.

Vorteilhafterweise besteht die goldreiche intermetallische Phase aus Au₅Sn. Die AuSn-Legierung besteht vorteilhafterweise aus der intermetallischen AuSn-Phase. Des weiteren kann die Lotmetallisierung grundsätzlich weitere Bereiche bzw. Schichten aufweisen, beispielsweise eine einen Sockel bildende Goldschicht oder eine einen Sockel bildende Schicht aus einer intermetallischen AuSn-Phase.

Auch im Stand der Technik sind, wie schon erwähnt, Lotmetallisierungen bekannt, die eine Schicht aus einer intermetallischen Au₅Sn-Phase und eine Schicht aus einer intermetallischen AuSn-Phase aufweisen. Allerdings sind diese Lotmetallisierungen nicht „homogen" wie im obigen Sinne: Sie weisen im Mikrometerbereich eine stäbchen- bzw. lamellenartige Struktur auf. Diese Struktur ist durch das spezielle Verfahren bedingt, bei dem direkt eine Schicht aus einer AuSn-Phase und die Schicht aus einer Au₅Sn-Phase galvanisch auf einem Substrat oder einem mit Photolack beschichteten Substrat abgeschieden werden.

Nachteil dieser bekannten Lotmetallisierungen ist, dass diese aufgrund ihrer Struktur porös und brüchig sein können. Bei einer homogenen Lotmetallisierung ist dies nicht der Fall. Ein weiterer Nachteil dieser Lotmetallisierungen ist, dass diese auf einer UBM (Under Bump Metallization) abgeschieden werden müssen. Bei den erfindungsgemäßen Lotmetallisierungen ist dies nicht notwendig, da entweder ein Au-Sockel oder ein AuSn-Sockel das Lot von der UBM trennt.

Die Erfindung wird nun anhand mehrerer Ausführungsbeispiele, welche teilweise durch Figuren dargestellt werden, näher erläutert. Dabei zeigt
1 einen im Rahmen eines ersten Ausführungsbeispiels hergestellten Schichtverbund,
2 einen im Rahmen des ersten Ausführungsbeispiels hergestellten Schichtverbund nach Ausbildung einer Legierung,
3 eine im Rahmen des ersten Ausführungsbeispiels hergestellte Lotmetallisierung,
4 einen im Rahmen eines zweiten Ausführungsbeispiels hergestellten Schichtverbund,
5 einen im Rahmen des zweiten Ausführungsbeispiels hergestellten Schichtverbund nach Ausbildung einer Legierung,
6 eine im Rahmen des zweiten Ausführungsbeispiels hergestellte Lotmetallisierung, und
7 eine erfindungsgemäße Lotmetallisierung nach dem Umschmelzprozess.
Erstes Ausführungsbeispiel:
Durch galvanisches Abscheiden von zunächst Gold und dann Zinn wird ein Au/Sn-Schichtverbund 2a hergestellt. Die Dicke der Goldschicht beträgt dabei etwa 5 μm, die der Zinnschicht 2 μm.
1 zeigt den Schichtverbund 2a nach Beenden der galvanischen Abscheidung.
Die unterste Schicht des Schichtverbundes 2a besteht aus Gold 5a, welches als reines Element vorliegt. Die oberste Schicht besteht aus Zinn 6a, welches ebenfalls in reiner Phase vorliegt. Zwischen der reinen Gold- und Zinnphase haben sich intermetallische Phasen ausgebildet. Direkt an die Goldschicht 5a grenzt die intermetallische Phase AuSn 4a. Darüber liegt die intermetallische Phase AuSn₂ 7a. Darüber liegend bildet sich lokal die intermetallische Phase AuSn₄ 8a aus.
Der Schichtverbund 2a wird im Folgenden in einem Ofen unter einer Stickstoffatmosphäre (alternativ wäre beispielsweise auch eine andere inerte Atmosphäre oder Luft möglich) bei Normaldruck und einer Temperatur von 200°C etwa 2 Stunden lang geheizt. Während dieses Heizens wandelt sich das Zinn 6a in die intermetallische Phase AuSn 4a um. Zwischen der Legierung AuSn 4a und der reinen Goldphase 5a bildet sich des Weiteren eine Zwischenschicht aus Au₅Sn 9a aus.
2 zeigt den Schichtverbund 2a nach diesem Prozessschritt.
In einem nächsten Prozessschritt wird der umgewandelte Schichtverbund unter einer reaktiven Atmosphäre bei Normaldruck und einer Temperatur von 260°C etwa 5 Minuten lang geheizt. Die reaktive Atmosphäre besteht aus Stickstoffgas, das mit gasförmiger Ameisensäure angereichert ist. In diesem Ausführungsbeispiel wird diese reaktive Atmosphäre dadurch erzeugt, dass ein Stickstoffgas über die Oberfläche von flüssiger Ameisensäure geleitet wird.
Zwischen der Säure und dem Zinnoxid, das sich in der Zwischenzeit durch Oxidation mit in der Atmosphäre vorhandenen Sauerstoff an der Oberfläche 3a der Legierung 4a angelagert hat, findet eine chemische Reaktion statt. Die Säure bildet mit dem Zinn ein Formiat. Aufgrund der hohen Temperatur wird das Formiat von der Oberfläche 3a abgedampft. Auf diese Weise reichert sich Gold im Bereich der Oberfläche 3a der AuSn-Phase 4a an. Es bildet sich auf der AuSn-Phase eine Außenschicht aus der intermetallischen Au₅Sn-Phase 9a.
3 zeigt die so hergestellte Lotmetallisierung 1a.
Die Dicke der Au₅Sn-Schicht 9a beträgt etwa 1 μm. Diese Schicht hat die Eigenschaft, dass sie nur sehr eingeschränkt und langsam oxidiert.
Die Lotmetallisierung 1a lässt sich nun direkt löten, oder mittels eines Umschmelzprozesses weiter bearbeiten.
Wesentlich für das hier beschriebene Verfahren ist, dass zur Bildung der Legierung, in diesem Ausführungsbeispiel der AuSn-Phase, der Schichtverbund 2a unterhalb des Schmelzpunkts des zinnreichen Eutektikums, der bei 217°C liegt, geheizt wird, und dass zur Entfernung des Zinnoxids von der Oberfläche der Legierung der Schichtverbund unterhalb der Schmelztemperatur des goldreichen Eutektikums, der bei 280°C liegt, geheizt wird.
Es existieren somit nicht nur einzelne Temperaturpunkte, sondern Temperaturbereiche, in denen das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass, unabhängig von der Geometrie und der Zusammensetzung des Schichtverbundes, zur Ausbildung der Legierung der Schichtverbund unter einer nichtreaktiven Atmosphäre im Bereich von 100°C bis 215°C, vorzugsweise zwischen 150°C und 210°C, in einem Zeitraum von 1 Stunde bis 48 Stunden geheizt wird. Vorzugsweise wird so lange geheizt, bis das Zinn 6a und vorzugsweise auch die AuSn₄-Phase 8a vollständig in die AuSn-Phase 4b umgewandelt sind. Die Dauer des Heizprozesses wird dadurch beschränkt, dass sich die AuSn-Phase 4b nicht vollständig in die Au₅Sn-Phase 9a umwandeln darf. Bei dickeren Zinnschichten werden vorzugsweise längere Prozesszeiten und höhere Temperaturen gewählt.
Zur Entfernung des Zinns aus der Oberfläche der Legierung ist es vorteilhaft, die Legierung bei einer Temperatur im Bereich von 200°C bis 280°C, vorzugsweise zwischen 220°C und 260°C, in einem Zeitraum von 1 Minute bis 60 Minuten, vorzugsweise zwischen 3 Minuten bis 30 Minuten, zu heizen. Diesbezüglich ist es vorteilhaft, nach Beenden des Heizprozesses die Lotmetallisierung abzukühlen, beispielsweise mittels Stickstoff, wobei sich ein Zeitraum von wenigen Minuten als geeignet herausgestellt hat.
Zweites Ausführungsbeispiel:
Mittels eines galvanischen Prozesses wird eine 3 μm dicke Goldschicht 5b und eine 5 μm dicke Zinnschicht 2b übereinander liegend abgeschieden, so dass ein Schichtverbund 2b entsteht. Zwischen der Goldschicht 5b und der Zinnschicht 2b bilden sich die intermetallischen Phasen AuSn 4b, AuSn₂ 7b und AuSn₄ 8b aus.
4 zeigt diesen Schichtverbund 2b.
Der Schichtverbund 2b wird nun in einem Ofen unter einer Stickstoffatmosphäre (alternativ beispielsweise auch unter einer anderen inerten Atmosphäre oder Luft) bei Normaldruck und einer Temperatur von 180°C etwa 3 Stunden geheizt. Während dieses Heizprozesses wandeln sich die Zinnschicht 6b, die intermetallischen Phasen 4b, 7b und 8b, sowie die Goldschicht 5b vollständig in die intermetallische AuSn-Phase 4b um.
5 zeigt den umgewandelten Schichtverbund 2b.
Der umgewandelte Schichtverbund 2b wird in einem weiteren Prozessschritt in einem Ofen unter einer reaktiven Atmosphäre bei Normaldruck und einer Temperatur von 240°C etwa 10 Minuten lang geheizt. Die reaktive Atmosphäre besteht in diesem Falle aus einem Stickstoffgas, welches mit gasförmiger Säure angereichert ist.
Durch in der Atmosphäre vorhandenen Sauerstoff bildet sich an der Oberfläche der Legierung 4b eine Zinnoxidschicht aus. Mit einer weiteren chemische Reaktion zwischen der Säure und dem Zinnoxid entsteht ein Formiat, welches aufgrund der hohen Temperatur von der Oberfläche 3b des Schichtverbunds 2b abdampft. Durch das Entfernen von Zinn aus der Oberfläche reichert sich Gold an und es bildet sich eine Au₅Sn-Schicht auf der Oberfläche der AuSn-Phase 4b.
Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel, wo die Zusammensetzung so gewählt wurde, dass die Lotmetallisierung einen Goldsockel 5a aufweist, ist in diesem Ausführungsbeispiel die Zusammensetzung der Legierung so gewählt, dass die Lotmetallisierung keinen Goldsockel aufweist.
Die Lotmetallisierung 2a lässt sich nun direkt löten, oder mittels eines Umschmelzprozesses weiter bearbeiten.
Aufgrund der Hitze beim Löten oder beim Umschmelzen bildet sich aus der goldreichen Au₅Sn-Phase 9b und der darunter liegenden intermetallischen Phase AuSn 4b ein Eutektikum 10b mit der Zusammensetzung Au80Sn20 aus, siehe 7. Mittels dieses Eutektikums wird die Lötverbindung hergestellt.
Drittes Ausführungsbeispiel:
Durch einen galvanischen Prozess wird eine 10 μm dicke Goldschicht und eine 3 μm dicke Zinnschicht übereinander abgeschieden.
In einem nächsten Prozessschritt wird dieser Schichtverbund in einem Ofen unter einer reaktiven Atmosphäre bei Normaldruck und einer Temperatur von 210°C etwa 20 Minuten lang geheizt. Die reaktive Atmosphäre besteht aus gasförmigem Stickstoff, welcher mit gasförmiger Ameisensäure angereichert ist.
In einem nächsten Prozessschritt wird die Temperatur des Ofens auf 260°C erhöht. Bei dieser Temperatur wird etwa nur 5 Minuten geheizt. Danach wird die Lotmetallisierung mittels Stickstoff innerhalb weniger Minuten abgekühlt.
Wie im Rahmen des ersten Ausführungsbeispiels erwähnt, ist es für das erfindungsgemäße Verfahren we sentlich, dass man in der Phase, in der die Legierung, in diesem Ausführungsbeispiel die intermetallische AuSn-Phase, ausgebildet wird, unterhalb der Schmelztemperatur des zinnreichen Eutektikums von 217°C bleibt, und, nachdem das Zinn umgewandelt ist, unterhalb der Schmelztemperatur des goldreichen Eutektikums von 280°C bleibt. Bezüglich des hier angesprochenen Verfahrens ist es erfindungsgemäß bevorzugt, zur Ausbildung der Legierung zwischen 150°C und 215°C, vorzugsweise zwischen 200°C und 210°C für einen Zeitraum von 10 Minuten bis 48 Stunden, vorzugsweise zwischen 45 Minuten und 3 Stunden zu heizen. Vorzugsweise wird so lange geheizt, bis das Zinn und vorzugsweise auch die AuSn₄-Phase vollständig in die AuSn-Phase umgewandelt sind. Die Dauer des Heizprozesses wird dadurch begrenzt, dass sich die AuSn-Phase nicht vollständig in die Au₅Sn-Phase umwandeln darf.
Hat sich die AuSn-Phase ausgebildet, so wird vorteilhafterweise innerhalb einiger Sekunden bis weniger Minuten der Ofen auf eine Temperatur von 217°C bis 270°C, vorzugsweise 240°C bis 260°C, aufgeheizt, und auf dieser Temperatur für eine Dauer von 1 Minute bis 30 Minuten, vorzugsweise 3 bis 10 Minuten verweilt. Danach wird innerhalb weniger Minuten abgekühlt.
Viertes Ausführungsbeispiel:
Alternativ zu oben beschriebenen Verfahren ist es möglich, den Schichtverbund vor dem Umwandeln als auch während des Umwandelns in die Legierung Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur des Sn-reichen Eutektikums, also oberhalb von 217°C, auszusetzen. Ein Teil des Schichtverbunds kann somit schmelzen bzw. in flüssiger Phase vorliegen.
In diesem Falle wird insbesondere ein Sn-reiches Eutektikum, welches sich im Laufe des Prozesses bilden kann oder aber auch schon vorher vorliegen kann, von den durch Diffusion wachsenden intermetallischen Phasen konsumiert. Das Verfahren ist somit insbesondere auch auf Lotmetallisierungen anwendbar, die bereits teilweise flüssig waren.
Eingeschränkt ist dieser Verfahrensschritt dadurch, dass sich das Au-reiche Eutektikum noch nicht ausbilden darf, die Temperaturen sollten somit unterhalb der Schmelztemperatur des Au-reichen Eutektikums liegen.
Des weiteren ist es ebenso möglich, diesen Umwandlungsschritt insbesondere unter einer mit einer Säure angereicherten Atmosphäre durchzuführen.
Fünftes Ausführungsbeispiel:
Herstellung eines hohen Schichtverbundes mit einer 30 μm dicken Goldschicht und einer 15 μm dicken Zinnschicht. Nach Umwandlung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erhält man eine Lotmetallisierung mit einer besonders dicken Lotschicht.
Dies ermöglicht es, Lötungen von Komponenten mit großer Kontaktfläche zu realisieren. Dickere Lotschichten sind dann von besonderer Wichtigkeit, wenn die zu fügenden Partnerteile erhebliche Durchbiegungen aufweisen, so dass mit dünnen Schichten kein Kontakt über die gesamte Fläche der Bauteile realisierbar wäre.
Sechstes Ausführungsbeispiel:
Herstellung von Ringstrukturen mit einer 30 μm dicken Goldschicht und einer 15 μm dicken Zinnschicht. Nach Umwandlung kann eine derartige ringförmige Lotmetallisierung z.B. für die hermetische Verkapselung von Sensoren, optoelektronischen oder MEMS-Bauelementen verwendet werden.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Lotmetallisierungen bieten zum einen die Möglichkeit, ohne Flussmittel zu löten, was für die Verbindung genannter Bauteile unabdingbar ist. Zum anderen kann auf diese Weise eine hermetische Verkapselung im Vakuum realisiert werden.
Siebtes Ausführungsbeispiel:
Herstellen von großflächigen Anschlussgeometrien wie beim Die-Bond-Löten. Nach Umwandlung kann eine derartige flächige Lotmetallisierung für das flächige Löten verwendet werden. Die oberflächennahe Umwandlung in die Au₅Sn-Phase ermöglicht ein flussmittelfreies Löten in nicht-reaktiven Atmosphären und somit auch die Anwendung kostengünstiger Lötverfahren.
An dieser Stelle soll nochmals ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens betont werden:
Durch das erfindungsgemäße Verfahren bedingt stellt sich (im Gegensatz beispielsweise zum dem im Stand der Technik beschriebenen schichtweisen galvanischen Abscheiden einer AuSn- und einer Au₅Sn-Phase) im Regelfall die eutektische Zusammensetzung automatisch ein. Unabhängig von der Größe der Lotmetallisierung und den abgeschiedenen Au- und Sn-Schichten liegt also fast immer eine eutektische Zusammensetzung vor.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Lotmetallisierung (1), dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einer Legierung (4) aus mindestens zwei Metallen A und B mittels einer chemischen oder physikalisch-chemischen Reaktion das Metall A selektiv aus dem Bereich der Oberfläche (3) der Legierung (4) entfernt wird, so dass sich das Metall B im Bereich der Oberfläche (3) anreichert, wobei das Metall A mittels eines ersten Reaktionsmittels selektiv aus der Oberfläche (3) der Legierung (4) und mittels eines zweiten Reaktionsmittels von der Oberfläche (3) der Legierung entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall A als eine erste Verbindung aus der Oberfläche und als eine zweite Verbindung von der Oberfläche entfernt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass als erstes Reaktionsmittel Sauerstoff verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als zweites Reaktionsmittel eine Säure, vorzugsweise eine organische Säure wie Ameisensäure, Essigsäure oder Milchsäure, verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktions mittel jeweils in flüssiger oder in gasförmiger Form, insbesondere in Form eines Gasgemisches, verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung (4) durch Herstellen eines Schichtverbundes (2) mit den Metallen A und B und einem Diffusionsprozess erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtverbund (2) durch schichtweises galvanisches Abscheiden, durch schichtweises Aufdampfen oder durch schichtweises Sputtern der Metalle A und B hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalle A und B ein System mit einem A-reicheren und einem B-reicheren Eutektikum bilden, wobei das A-reichere Eutektikum das niedrigschmelzendere ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 7 in Verbindung mit Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung der Legierung (4) der Metalle A und B der Schichtverbund (2) unterhalb der Schmelztemperatur des B-reichen Eutektikums geheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung der Legierung (4) der Metalle A und B der Schichtverbund (2) unterhalb der Schmelztemperatur des A-reichen Eutektikums geheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung der Legierung (4) der Schichtverbund (2) unter einer mit dem zweiten Reaktionsmittel versetzten Atmosphäre geheizt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche in Verbindung mit Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Entfernung des Metalls A von der Oberfläche (3) der Legierung (4) die Legierung (4) unterhalb der Schmelztemperatur des B-reichen Eutektikums unter einer mit dem zweiten Reaktionsmittel versetzten Atmosphäre geheizt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche in Verbindung mit Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung der Legierung (4) so gewählt wird, dass die Zusammensetzung der Lot-Metallisierung (1) B-reicher ist als das B-reiche Eutektikum oder genau dem B-reichen Eutektikum entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall A unedler ist als das Metall B.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall A Zinn(Sn) und das Metall B Gold(Au) ist.
Lotmetallisierung (1) mit einer Außenschicht (9) und einer unter der Außenschicht liegenden Innenschicht (4), wobei die Außenschicht (9) aus einer homogenen, goldreichen intermetallischen Phase der Elemente Gold und Zinn und die Innen schicht aus einer homogenen AuSn-Legierung (4) besteht.
Lotmetallisierung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die goldreiche Phase aus Au₅Sn besteht.
Lotmetallisierung nach einem der Ansprüche 16 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenschicht (9) eine Dicke im Bereich von 0,05 bis 5 Mikrometer, vorzugsweise von 0,1 bis 2 Mikrometer, aufweist.
Lotmetallisierung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Lotmetallisierung (1) einen Sockel aus Au aufweist.
Lotmetallisierung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Lotmetallisierung (1) einen Sockel aus einer intermetallischen AuSn-Phase (4) aufweist.