DE10226423A1 - Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen mindestens einem Siliziumeinkristallchip und einer Leiterplatte sowie für diese Verfahren geeignete Lötpasten - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen mindestens einem Siliziumeinkristallchip und einer Leiterplatte sowie für diese Verfahren geeignete Lötpasten

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DE10226423A1
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Wolfgang Schmitt
Joachim Wiese
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Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung einer elekrtrischen Verbindung zwischen mindestens einem Siliziumeinkristallchip und einer Leiterplatte, wobei Kontakthöcker (bumps) aus einem Metall-Lot auf elektrisch leitenden Anschlussflächen (wafer pads), die auf einer Oberfläche des Siliziumeinkristallchips angeordnet sind, gebildet werden. Des Weiteren betrifft die Erfindung Lötpasten, die zum Einsatz bei solchen Verfahren geeignet sind. Diese Lötpasten verlaufen beim Umschmelzen nicht, wodurch die Bildung von Lötbrücken und Killerbumps vermieden wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft zwei Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen mindestens einem Siliziumeinkristallchip und einer Leiterplatte, wobei Kontakthöcker (bumps) aus einem Metall-Lot auf elektrisch leitenden Anschlussflächen (wafer pads), die auf einer Oberfläche des Siliziumeinkristallchips angeordnet sind, gebildet werden. Des weiteren betrifft die Erfindung Lötpasten, die zum Einsatz bei einem solchen Verfahren geeignet sind.
  • Die oben genannten Verfahren sind beispielsweise aus dem Seminar "Flip Chip on Board: Bumping, Assembly und Zuverlässigkeit", VDIVDE-IT, 26.-27.09.2001, Stuttgart, bekannt. So werden bei der Herstellung von Schaltkreisen auf Siliziumeinkristallchips bumps aus Metall auf den wafer pads angebracht. Dies kann auf verschiedene Weise geschehen, beispielsweise durch Elektroplattieren, Aufdampfen (PVD), durch Schablonendruck oder Siebdruck. Beim Schablonendruck wird Lötpaste durch die Hohlräume einer Schablone auf die wafer pads gedrückt. Die Lötpaste wird daraufhin umgeschmolzen, so dass ein sphäroidischer Kontakthöcker, der bump, entsteht, der das üblicherweise verwendete Kontaktbeinchen inklusive Kunststoffgehäuse ersetzt. Die üblicherweise im Mehrfachnutzen auf einer Siliziumeinkristallscheibe (wafer disc) gefertigten Chips werden dann vereinzelt. Die erhaltenen bumps werden nach Aufsetzen des vereinzelten Siliziumeinkristallchips (flip chip) auf eine Leiterplatte mit dieser mittels Umschmelzen (reflow) bei höheren Temperaturen kontaktiert. Es bleibt zu erwähnen, dass nicht nur auf dem Siliziumeinkristallchip sondern auch auf der Leiterplatte elektrisch leitende Anschlussflächen vorgesehen sind, auf welche die bumps gesetzt werden.
  • Beim herkömmlichen Reflow-Lötverfahren wird im Gegensatz dazu eine Lötpaste direkt auf die Leiterplatte aufgetragen und elektronische Bauteile wie zum Beispiel Chips, die ein Kunststoffgehäuse und Kontaktbeinchen aufweisen, mit den Kontaktbeinchen in die noch feuchte, klebrige Lötpaste gesetzt. Beim sich anschließenden Reflow-Lötverfahren wird die Lötpaste umgeschmolzen und eine Lötverbindung zwischen Leiterplatte und Kontaktbeinchen hergestellt.
  • Ein generelles Problem beim Umschmelzen von Lötpasten ist, dass diese beim Aufheizen verlaufen können (hot slump). Zwei benachbarte Lötpastenbereiche können dabei in Kontakt kommen und eine Lotbrücke ausbilden, die einen elektrischen Kurzschluss bildet. Da das geschmolzene Lot sich über die Brücken ungleichmäßig auf den Anschlussflächen verteilen kann, kann das bei der Verwendung von Bumps anstelle der Kontaktbeinchen zur Ausbildung sehr unterschiedlich großer Bumps (sogenannter "killerbumps") führen. Ein ebenes Aufsetzen des mit bumps versehenen Chips auf eine Leiterplatte wird dadurch unmöglich, wodurch einige bumps keinen-Kontakt zur Leiterplatte aufweisen und der Chip nicht einsatzfähig ist.
  • Die DE 197 50 104 A1 beschreibt sogenannte Doppelpeak-Legierungen mit einem Erstarrungstemperaturbereich von 184°C bis 195°C (enthaltend Pb, Sn, Ag, Sb), die im herkömmlichen Reflow-Lötverfahren bei Leiterplatten eingesetzt werden, um ein Aufwerten der aufzulötenden elektronischen Bauteile (Tombstone-Effekt) zu vermeiden.
  • Aus der US 5,382,300 sind ferner Lötpasten für das herkömmliche Reflow-Lötverfahren bekannt (Tabelle 1), die Schmelzbereiche von 235°C bis 240°C sowie von 144°C bis 163°C aufweisen. Des weiteren wird hier ein Verfahren zur Herstellung einer Zinn-Blei-Lötpaste unter Mischung mindestens zwei unterschiedlich zusammengesetzter Lötpulver und eines Flussmittelsystems beschrieben. Ein erstes Lötpulver ist dabei eine eutektische oder nahezu eutektische Zinn-Blei-Legierung, während ein zweites Lötpulver mindestens ein reines Metall oder mindestens eine Metall-Legierung oder eine Mischung aus mindestens einem Metall und mindestens einer Metall-Legierung ist. Dabei ergeben sich meist Weichlote mit nicht eutektischer Zusammensetzung. Es ist aber auch die Herstellung einer nach dem Aufschmelzen eutektisch oder nahezu eutektisch zusammengesetzten Zinn-Blei-Lötpaste beschrieben. Dazu wird als zweites Lötpulver eine Mischung aus reinem Zinn und einer nicht eutektischen Zinn-Blei-Legierung verwendet, die nach dem Aufschmelzen die eutektische oder nahezu eutektische Zinn-Blei- Legierung ergibt. Das erste Lötpulver wird im Hinblick auf die Mischung aus erstem und zweitem Lötpulver mit 5 bis 95 Gew.-% eingesetzt.
  • Die US 5,328,521 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Lötpaste mit 4 bis 96 Gew.-% eutektischer oder pseudo-eutektischer Metalllegierung oder Mischungen daraus als erster Komponente und 96 bis 4 Gew.-% eines reinen Metalls, einer Mischung oder einer Legierung aus reinen Metallen als zweiter Komponente. Dabei weist die zweite Komponente einen Schmelzpunkt auf, der mindestens 30°C höher ist als der der ersten Komponente. Nach dem Aufschmelzen der Mischung aus den unterschiedlichen Legierungen weist das Lot keine eutektische Zusammensetzung auf.
  • Aus der US 5,527,628 ist ein bleifreies Weichlot, welches eine eutektische oder nahezu eutektische Zusammensetzung aus dem Dreistoffsystem Zinn-Silber-Kupfer enthält, bekannt. Dabei werden der eutektischen Legierung Sn93,6Ag4,7Cu1,7 weitere, nicht eutektische Legierungen aus dem Dreistoffsystem Zinn-Silber-Kupfer oder Legierungen aus den Zweistoffsystemen Zinn- Silber und Zinn-Kupfer zugegeben, um einen Schmelzbereich für das Weichlot zu erzeugen. Nach dem Aufschmelzen der Mischung aus den unterschiedlichen Legierungen liegt keine homogene Verteilung der Legierungsbestandteile und insgesamt auch keine eutektische Zusammensetzung im Weichlot vor.
  • Es stellt sich die Aufgabe, Verfahren sowie Lötpasten bereitzustellen, die bei der Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen einem Siliziumeinkristallchip und einer Leiterplatte mittels bumps die Bildung von Lotbrücken und killerbumps verhindern.
  • Die Aufgabe wird für ein erstes Verfahren dadurch gelöst, dass eine das Metall-Lot und ein Flussmittel enthaltende Lötpaste flächig auf die Anschlussflächen aufgebracht und erhitzt wird, die Lötpaste dabei umgeschmolzen wird und jeweils ein sphärischer Kontakthöcker aus dem Metall-Lot auf jeder elektrisch leitenden Anschlussfläche gebildet wird, wobei
    • a) das Metall-Lot in der Lötpaste als Pulver vom Typ 5 und/oder Typ 6 eingesetzt wird, wobei
    • b) das Pulver aus einer Mischung von mindestens zwei chemisch unterschiedlichen Metallpulvern gebildet wird, wobei
    • c) ein erstes der mindestens zwei Metallpulver aus einer eutektischen oder nahezu eutektischen Metalllegierung gewählt wird und ein weiteres oder mehrere weitere Metallpulver aus der Gruppe der reinen Metalle Silber, Kupfer, Blei, Zinn und/oder aus der Gruppe der binären Legierungen Silber-Kupfer, Silber-Zinn, Silber-Blei, Zinn- Kupfer, Zinn-Blei, Kupfer-Blei und/oder aus der Gruppe der ternären Legierungen Silber-Kupfer-Zinn, Silber-Kupfer-Blei, Zinn-Kupfer-Blei, Silber-Zinn-Blei gewählt wird/werden, und wobei die Kontakthöcker auf ihrer dem Siliziumeinkristallchip abgewandten Seite mit einem - vorzugsweise klebrigen - Flussmittel oder einem Leitkleber versehen werden und mit diesem auf Kontaktfeldern der Leiterplatte befestigt werden.
  • Die Bezeichnungen Typ 5 beziehungsweise Typ 6 sind Angaben zur Kornverteilung im Lotpulver, die in der Norm IPC-TM-650 (Januar 1995), Tabelle 2B, angegeben und dem Fachmann hinreichend bekannt sind. Die Pulverkörnungen sind dort folgendermaßen definiert:


  • Bevorzugt sind dabei Lötpasten, die in einem Temperaturbereich zwischen 183°C und 217°C einen Erweichungsbereich von mindestens 5°C haben. Insbesondere durch die Feinheit des Metall-Lots in der Lötpaste in Kombination mit der Zusammensetzung aus chemisch unterschiedlichen Pulvern gelingt es, die Ausbildung von Lötbrücken und killerbumps wirksam zu unterdrücken. So wird sowohl beim Umschmelzen auf dem Siliziumeinkristallchip eine gute Trennung der einzelnen Anschlussflächen und somit der entstehenden bumps erreicht als auch bei einem nochmaligen Aufschmelzen des bumps bei der Befestigung auf einer Leiterplatte in einem Reflow-Lötverfahren.
  • Das eingesetzte pulverförmige Metall-Lot weist vorzugsweise eine spezifische Oberfläche von ≥400 cm2/g, idealerweise von ≥700 cm2/g (gemessen mit einem Pulvergranulometer) auf.
  • Besonders bevorzugt ist es, wenn die Kontakthöcker und angrenzende Bereiche der Anschlussflächen beziehungsweise des Chips vor dem Auftrag des - vorzugsweise klebrigen - Flussmittels oder des Leitklebers von etwaigen Flussmittelresten der Lötpaste gereinigt werden.
  • Werden die bumps über ein Flussmittel auf der Leiterplatte befestigt, so werden die verbundenen Bauteile einem Reflow-Lötverfahren unterzogen, wobei die Kontakthöcker aufschmelzen und eine Lötverbindung mit den Kontaktfeldern der Leiterplatte ausbilden. Um die Haftung zwischen dem Chip und der Leiterplatte weiter zu verbessern, wird nach Aushärten der Lötverbindung ein verbliebener Spalt zwischen dem Siliziumeinkristallchip und der Leiterplatte vorzugsweise mit einem Klebstoff (underfill) gefüllt.
  • Die Lötpaste für das erste Verfahren wird bevorzugt mit einem Gehalt an Flussmittel von etwa 10 Gew.-% und einem Gehalt an Metall-Lot von 90 Gew.-% gewählt. Dieser Flussmittelgehalt wird bevorzugt für Metall-Lotpulver mit einer spezifischen Oberfläche von ≥400 cm2/g (gemessen mit einem Pulvergranulometer) eingesetzt. Je nach Kornoberfläche beziehungsweise spezifischer Oberfläche des Metall-Lotpulvers kann aber auch ein anderer Flussmittelgehalt vorteilhaft sein.
  • Besonders bevorzugt ist es, wenn als das erste der mindestens zwei Metallpulver Sn63Pb37 eingesetzt wird, welches eine eutektische Zusammensetzung aufweist. Weiterhin hat es sich bewährt, wenn als einziges weiteres Metallpulver Sn95,5Ag4Cu0,5 eingesetzt wird. Besonders hat sich dabei eine Lötpaste bewährt, die aus 10 Gew.-% Flussmittel, 45-80 Gew.-% Sn63Pb37 und 10-45 Gew.-% Sn95,5Ag4Cu0,5 gebildet wird.
  • Weiterhin hat es sich bewährt, wenn dem Sn63Pb37 zwei weitere Metallpulver zugemischt werden, die aus reinem Zinn und Sn45Pb55 gewählt werden. Dabei hat es sich insbesondere bewährt, wenn das reine Zinn und das Sn45Pb55 in einem Mengenverhältnis zueinander eingesetzt werden, dass ein eutektisches Metall-Lot der Zusammensetzung Sn63Pb37 resultiert. Das umgeschmolzene Metall-Lot weist dann eine glänzende Oberfläche auf, die über optische Qualitätssicherungssysteme leichter beurteilt werden kann.
  • Weiterhin ist es von Vorteil, wenn als erstes der mindestens zwei Metallpulver Sn62Pb36Ag2 eingesetzt wird, welches ebenfalls eine eutektische Zusammensetzung aufweist.
  • Hier ist es besonders vorteilhaft, wenn dem Sn62Pb36Ag2 zwei weitere Metallpulver zugesetzt werden, die aus reinem Zinn und Sn43Pb54Ag3 gewählt werden. Dabei hat es sich bewährt, wenn das reine Zinn und Sn43Pb54Ag3 in einem Mengenverhältnis zueinander eingesetzt werden, dass ein eutektisches Metall-Lot der Zusammensetzung Sn62Pb36Ag2 resultiert. Das umgeschmolzene Metall-Lot weist dann eine glänzende Oberfläche auf, die über optische Qualitätssicherungssysteme leichter beurteilt werden kann.
  • Die Aufgabe wird für ein zweites Verfahren dadurch gelöst, dass eine das Metall-Lot und ein Flussmittel enthaltende Lötpaste flächig auf die Anschlussflächen aufgebracht und erhitzt wird, die Lötpaste dabei umgeschmolzen wird und jeweils ein sphärischer Kontakthöcker aus dem Metall-Lot auf jeder elektrisch leitenden Anschlussfläche gebildet wird, wobei
    • a) das Metall-Lot in der Lötpaste als Pulver vom Typ 5 und/oder Typ 6 eingesetzt wird, wobei
    • b) das Pulver aus einer Mischung von mindestens zwei chemisch unterschiedlichen Metallpulvern gebildet wird, wobei
    • c) ein erstes der mindestens zwei Metallpulver aus der Gruppe der reinen Metalle Silber, Kupfer, Blei, Zinn oder aus der Gruppe der binären Legierungen Silber-Kupfer, Silber- Zinn, Silber-Blei, Zinn-Kupfer, Zinn-Blei, Kupfer-Blei oder aus der Gruppe der ternären Legierungen Silber-Kupfer-Zinn, Silber-Kupfer-Blei, Zinn-Kupfer-Blei, Silber-Zinn-Blei gewählt wird und
      ein weiteres oder mehrere weitere Metallpulver aus der Gruppe der binären Legierungen Silber-Kupfer, Silber-Zinn, Silber-Blei, Zinn-Kupfer, Zinn-Blei, Kupfer-Blei und/oder aus der Gruppe der ternären Legierungen Silber-Kupfer-Zinn, Silber-Kupfer-Blei, Zinn-Kupfer-Blei, Silber-Zinn-Blei gewählt wird/werden, und wobei
    die Kontakthöcker auf ihrer dem Siliziumeinkristallchip abgewandten Seite mit einem - vorzugsweise klebrigen - Flussmittel oder einem Leitkleber versehen werden und mit diesem auf Kontaktfeldern der Leiterplatte befestigt werden.
  • Bevorzugt sind dabei Lötpasten, die in einem Temperaturbereich zwischen 183°C und 217°C einen Erweichungsbereich von mindestens 5°C haben. Insbesondere durch die Feinheit des Metall-Lots in der Lötpaste in Kombination mit der Zusammensetzung aus chemisch unterschiedlichen Pulvern gelingt es, die Ausbildung von Lötbrücken und killerbumps wirksam zu unterdrücken. So wird sowohl beim Umschmelzen auf dem Siliziumeinkristallchip eine gute Trennung der einzelnen Anschlussflächen und somit der entstehenden bumps erreicht als auch bei einem nochmaligen Aufschmelzen des bumps bei der Befestigung auf einer Leiterplatte in einem Reflow-Lötverfahren.
  • Das eingesetzte pulverförmige Metall-Lot weist vorzugsweise eine spezifische Oberfläche von ≥400 cm2/g, idealerweise von ≥700 cm2/g (gemessen mit einem Pulvergranulometer) auf. Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn die Kontakthöcker und angrenzende Bereiche der Anschlussflächen beziehungsweise des Chips vor Auftragen des - vorzugsweise klebrigen - Flussmittels oder des Leitklebers von Flussmittelresten der Lötpaste gereinigt werden.
  • Wird der Chip mittels eines - vorzugsweise klebrigen - Flussmittels auf der Leiterplatte befestigt, so werden die Bauteile einem Reflow-Lötverfahren unterzogen, wobei die Kontakthöcker aufschmelzen und eine Lötverbindung mit den Kontaktflächen der Leiterplatte ausgebildet wird.
  • Nach dem Verbinden des Chips mit der Leiterplatte kann der verbleibende Spalt zwischen diesen zur weiteren Verbesserung der Haftung mit Klebstoff (underfill) gefüllt werden.
  • Besonders hat sich bei diesem Verfahren eine Lötpaste bewährt, die mit einem Gehalt an Flussmittel von 10 Gew.-% und einem Gehalt an Metall-Lot von 90 Gew.-% gewählt wird. Dieser Flussmittelgehalt wird bevorzugt für Metall-Lotpulver mit einer spezifischen Oberfläche von ≥400 cm2/g (gemessen mit einem Pulvergranulometer) eingesetzt. Je nach Kornoberfläche beziehungsweise spezifischer Oberfläche des Metall-Lotpulvers kann aber auch ein anderer Flussmittelgehalt vorteilhaft sein.
  • Besonders bevorzugt ist es, wenn reines Zinn als das erste der mindestens zwei Metallpulver eingesetzt wird. Weiterhin hat es sich bewährt, wenn Sn45Pb55 als einziges weiteres Metallpulver eingesetzt wird. Idealerweise werden das reine Zinn und das Sn45Pb55 in einem Mengenverhältnis zueinander eingesetzt, dass ein eutektisches Metall-Lot der Zusammensetzung Sn63Pb37 resultiert. Das umgeschmolzene Metall-Lot weist dann eine glänzende Oberfläche auf, die über optische Qualitätssicherungssysteme leichter beurteilt werden kann.
  • Weiterhin hat es sich bewährt, wenn neben dem reinen Zinn das Sn43Pb54Ag3 als einziges weiteres Metallpulver eingesetzt wird. Idealerweise werden das reine Zinn und Sn43Pb54Ag3 in einem Mengenverhältnis zueinander eingesetzt, dass ein eutektisches Metall-Lot der Zusammensetzung Sn62Pb36Ag2 resultiert. Das umgeschmolzene Metall-Lot weist dann eine glänzende Oberfläche auf, die über optische Qualitätssicherungssysteme leichter beurteilt werden kann.
  • Die Aufgabe wird weiterhin durch eine erste Lötpaste gelöst, die in einem Temperaturbereich zwischen 183°C und 217°C einen Erweichungsbereich von mindestens 5°C hat und deren Legierungsanteil durch Beimischen von Sn, Sn/Cu oder Sn/Cu/Ag zu eutektischem Lotpulver erhalten wird.
  • Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn das eutektische Lötpulver Sn63Pb37 ist.
  • Insbesondere hat sich eine Lötpaste bewährt, die etwa 10 Gew.-% Flussmittel sowie 45 bis 80 Gew.-% Sn63Pb37 und 10 bis 45 Gew.-% Sn95,5Ag4Cu0,5 enthält.
  • Der Einsatz dieser Lötpaste in einem Verfahren zum Anbringen von Schaltkontakten an Anschlussstellen von Siliziumscheiben im Reflow-Lötverfahren ist optimal.
  • Die Aufgabe wird durch eine weitere Lötpaste gelöst, die in einem Temperaturbereich zwischen 183°C und 217°C einen Erweichungsbereich von mindestens 5°C hat, enthaltend ein pulverförmiges Metall-Lot vom Typ 5 und/oder Typ 6, wobei das Metall-Lot aus einer Mischung von mindestens zwei chemisch unterschiedlichen Metallpulvern gebildet ist, wobei ein erstes der mindestens zwei Metallpulver aus einer eutektischen oder nahezu eutektischen Metalllegierung gebildet ist und ein weiteres oder mehrere weitere Metallpulver aus der Gruppe der reinen Metalle Silber, Kupfer, Blei, Zinn und/oder aus der Gruppe der binären Legierungen Silber-Kupfer, Silber-Zinn, Silber-Blei, Zinn-Kupfer, Zinn-Blei, Kupfer-Blei und/oder aus der Gruppe der ternären Legierungen Silber-Kupfer-Zinn, Silber-Kupfer-Blei, Zinn-Kupfer-Blei, Silber-Zinn-Blei gebildet ist/sind.
  • Insbesondere durch die Feinheit des Metall-Lots in der Lötpaste in Kombination mit der Zusammensetzung aus chemisch unterschiedlichen Pulvern gelingt es, die Ausbildung von Lötbrücken und killerbumps bei Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren wirksam zu unterdrücken. So wird sowohl beim Umschmelzen auf dem Siliziumeinkristallchip eine gute Trennung der einzelnen Anschlussflächen und somit der entstehenden bumps erreicht als auch bei einem nochmaligen Aufschmelzen des bumps bei der Befestigung auf einer Leiterplatte in einem Reflow-Lötverfahren.
  • Besonders bewährt hat es sich, wenn die Lötpaste ein Gehalt an Flussmittel von 10 Gew.-% und einen Gehalt an Metall-Lot von 90 Gew.-% aufweist.
  • Von Vorteil ist es, wenn das erste der mindestens zwei Metallpulver aus Sn63Pb37 gebildet ist. Weiterhin hat es sich bewährt, wenn das einzige weitere Metallpulver Sn95,5Ag4Cu0,5 ist. Besonders bewährt hat sich eine Lötpaste aus 10 Gew.-% Flussmittel, 45-80 Gew.-% Sn63Pb37 und 10-45 Gew.-% Sn95,5Ag4Cu0,5.
  • Weiterhin hat es sich bewährt, wenn neben dem Sn63Pb37 zwei weitere Metallpulver eingesetzt werden, die aus reinem Zinn und Sn45Pb55 gebildet sind. Idealerweise werden das reine Zinn und das Sn45Pb55 in einem Mengenverhältnis zueinander eingesetzt, dass ein eutektisches Metall-Lot der Zusammensetzung Sn63Pb37 resultiert. Das umgeschmolzene Metall-Lot weist dann eine glänzende Oberfläche auf, die über optische Qualitätssicherungssysteme leichter beurteilt werden kann.
  • Zudem hat es sich bewährt, wenn Sn62Pb36Ag2 das erste der mindestens zwei Metallpulver ist. Vorzugsweise wird dieses zusammen mit zwei weiteren Metallpulvern verwendet, die aus reinem Zinn und Sn43Pb54Ag3 gebildet sind. Es hat sich dabei bewährt, das reine Zinn und Sn43Pb54Ag3 in einem Mengenverhältnis zueinander einzusetzen, so dass ein eutektisches Metall-Lot der Zusammensetzung Sn62Pb36Ag2 resultiert. Das umgeschmolzene Metall-Lot weist dann eine glänzende Oberfläche auf, die über optische Qualitätssicherungssysteme leichter beurteilt werden kann.
  • Die Aufgabe wird durch eine weitere Lötpaste gelöst, die in einem Temperaturbereich zwischen 183°C und 217°C einen Erweichungsbereich von mindestens 5°C hat, enthaltend ein pulverförmiges Metall-Lot vom Typ 5 und/oder Typ 6, wobei das Metall-Lot aus einer Mischung von mindestens zwei chemisch unterschiedlichen Metallpulvern gebildet ist, wobei ein erstes der mindestens zwei Metallpulver aus der Gruppe der reinen Metalle Silber, Kupfer, Blei, Zinn oder aus der Gruppe der binären Legierungen Silber-Kupfer, Silber-Zinn, Silber-Blei, Zinn-Kupfer, Zinn-Blei, Kupfer-Blei oder aus der Gruppe der ternären Legierungen Silber-Kupfer-Zinn, Silber- Kupfer-Blei, Zinn-Kupfer-Blei, Silber-Zinn-Blei gebildet ist und ein weiteres oder mehrere weitere Metallpulver aus der Gruppe der binären Legierungen Silber-Kupfer, Silber-Zinn, Silber-Blei, Zinn-Kupfer, Zinn-Blei, Kupfer-Blei und/oder aus der Gruppe der ternären Legierungen Silber- Kupfer-Zinn, Silber-Kupfer-Blei, Zinn-Kupfer-Blei, Silber-Zinn-Blei gebildet ist/sind.
  • Insbesondere durch die Feinheit des Metall-Lots in der Lötpaste in Kombination mit der Zusammensetzung aus chemisch unterschiedlichen Pulvern gelingt es, die Ausbildung von Lötbrücken und killerbumps bei Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren wirksam zu unterdrücken. So wird sowohl beim Umschmelzen auf dem Siliziumeinkristallchip eine gute Trennung der einzelnen Anschlussflächen und somit der entstehenden bumps erreicht als auch bei einem nochmaligen Aufschmelzen des bumps bei der Befestigung auf einer Leiterplatte in einem Reflow-Lötverfahren.
  • Besonders hat es sich dabei bewährt, wenn die Lötpaste einen Gehalt an Flussmittel von 10 Gew.-% und einen Gehalt an Metall-Lot von 90 Gew.-% aufweist.
  • Insbesondere hat es sich bewährt, wenn reines Zinn als das erste der mindestens zwei Metallpulver eingesetzt ist. Weiterhin hat es sich bewährt, wenn Sn45Pb55 dass einziges weiteres Metallpulver ist. Vorzugsweise werden das reine Zinn und das Sn45Pb55 in einem Mengenverhältnis zueinander eingesetzt, so dass ein eutektisches Metall-Lot der Zusammensetzung Sn63Pb37 resultiert. Das umgeschmolzene Metall-Lot weist dann eine glänzende Oberfläche auf, die über optische Qualitätssicherungssysteme leichter beurteilt werden kann.
  • Weiterhin hat es sich bewährt, wenn neben dem reinen Zinn als einziges weiteres Metallpulver Sn43Pb54Ag3 verwendet wird. Dabei werden das reine Zinn und das Sn43Pb54Ag3 vorzugsweise in einem Mengenverhältnis zueinander eingesetzt, so dass ein eutektisches Metall-Lot der Zusammensetzung Sn62Pb36Ag2 resultiert. Das umgeschmolzene Metall-Lot weist dann eine glänzende Oberfläche auf, die über optische Qualitätssicherungssysteme leichter beurteilt werden kann.
  • Die Mischungen aus Metallpulver zur Bildung der Lötpaste können bleihaltig oder bleifrei sein.
  • Geeignete Ingredienzien für Flussmittel sind dem Fachmann bekannt. Als Flussmittel eignen sich typischerweise flüssige oder harz- oder wachsartige Zubereitungen aus einem natürlichen oder synthetischen Harz (z. B. Kolophonium), einem Aktivator, (z. B. aus der Gruppe der organischen Halogenide, hydrohalogenierten Aminsalze wie Diphenylguanidin.HBr, Cyclohexylamin.HBr, organischen Säuren oder Mineralsäuren); einem Lösungsmittel (etwa aus der Gruppe der Alkohole, Glykole, Ester, Ketone oder Aromaten, insbesondere z. B. einem niederen Alkohol im Fall von flüssigen Flussmitteln oder einem höhersiedendem Lösungsmittel wie Diethyleneglykolmonobutylether, Diethyleneglykolmonohexylether, alpha-Terpineol im Fall von Pastenflussmitteln) sowie wahlweise Thixotropiermittel (z. B. gehärtetes Rhizinusöl oder ein Amid einer höheren Fettsäure) und anionischen Detergentien.
  • Dem Fachmann ist bekannt, nach welchen Kriterien er die Ingredienzien einschließlich hier eventuell nicht genannter Zutaten auszuwählen hat und in welchen Mengenverhältnissen er sie einsetzen sollte.
  • Im allgemeinen wird der Metallanteil als Pulver in dem Flussmittel durch Mischen dispergiert. So entstehen Pasten mit typischerweise 5 bis 20 Gew.-% Flussmittel, bevorzugt 8 bis 15% und besonders um die 10%, wobei der Rest jeweils der Metallanteil ist.
  • Die folgenden Beispiele 1 bis 3 erläutern die Erfindung, ohne sie zu beschränken. Prozentangaben beziehen sich auf das Gewicht. Beispiel 1 10 Gew.-% eines Flussmittels enthaltend:
    60% Kolophonium;
    1% Diethylaminhydrochlorid (Aktivator);
    5% hydriertes Castor-Öl (Thixotropier-Mittel); sowie
    34% Terpineol
    werden mit
    54 Gew.-% Sn63Pb37 (Pulver Typ 6) und
    36 Gew.-% Sn95,5Ag4Cu0.5 (Pulver Typ 6)
    zu einer Paste vermischt. Beispiel 2 10 Gew.-% eines Flussmittels enthaltend:
    60% Kolophonium;
    1% Diethylaminhydrochlorid (Aktivator);
    5% hydriertes Castor-Öl (Thixotropier-Mittel); sowie
    34% Terpineol
    werden mit
    22,5 Gew.-% Sn63Pb37 (Pulver Typ 6) und
    67,5 Gew.-% (reines Sn + Sn45Pb55) (Mischung mit eutektischer Zusammensetzung, sowohl reines Sn als auch Sn45Pb55 ein Pulver vom Typ 6)
    zu einer Paste vermischt. Beispiel 3 10 Gew.-% eines Flussmittels enthaltend:
    60% Kolophonium;
    1% Diethylaminhydrochlorid (Aktivator);
    5% hydriertes Castor-Öl (Thixotropier-Mittel); sowie
    34% Terpineol
    werden mit reinem Sn (Pulver Typ 6) und
    Sn45Pb55 (Pulver Typ 6)
    zu einer Paste vermischt, wobei die Mischung aus reinem Sn und Sn45Pb55 die eutektische Zusammensetzung Sn63Pb37 aufweist.

Claims (44)

1. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen mindestens einem Siliziumeinkristallchip und einer Leiterplatte, wobei Kontakthöcker aus einem Metall-Lot auf elektrisch leitenden Anschlussflächen, die auf einer Oberfläche des Siliziumeinkristallchips angeordnet sind, gebildet werden, indem eine das Metall-Lot und ein Flussmittel enthaltende Lötpaste flächig auf die Anschlussflächen aufgebracht und erhitzt wird, die Lötpaste dabei umgeschmolzen wird und jeweils ein sphärischer Kontakthöcker aus dem Metall-Lot auf jeder elektrisch leitenden Anschlussfläche gebildet wird, wobei
a) das Metall-Lot in der Lötpaste als Pulver vom Typ 5 und/oder Typ 6 eingesetzt wird, wobei
b) das Pulver aus einer Mischung von mindestens zwei chemisch unterschiedlichen Metallpulvern gebildet wird, wobei
c) ein erstes der mindestens zwei Metallpulver aus einer eutektischen oder nahezu eutektischen Metall-Legierung gewählt wird und ein weiteres oder mehrere weitere Metallpulver aus der Gruppe der reinen Metalle Silber, Kupfer, Blei, Zinn und/oder aus der Gruppe der binären Legierungen Silber-Kupfer, Silber-Zinn, Silber-Blei, Zinn- Kupfer, Zinn-Blei, Kupfer-Blei und/oder aus der Gruppe der ternären Legierungen Silber-Kupfer-Zinn, Silber-Kupfer-Blei, Zinn-Kupfer-Blei, Silber-Zinn-Blei gewählt wird/werden, und wobei
die Kontakthöcker auf ihrer dem Siliziumeinkristallchip abgewandten Seite mit einem Flussmittel oder einem Leitkleber versehen werden und mit diesem auf Kontaktfeldern der Leiterplatte befestigt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakthöcker und angrenzende Bereiche der Anschlussflächen vor Auftragen des Flussmittels oder des Leitklebers von Flussmittelresten der Lötpaste gereinigt werden.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte und der mindestens eine darauf mit Flussmittel befestigte Siliziumeinkristallchip einem Reflow-Lötverfahren unterzogen werden, wobei die Kontakthöcker aufschmelzen und eine Lötverbindung mit den Kontaktfeldern der Leiterplatte ausgebildet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spalt zwischen dem Siliziumeinkristallchip und der Leiterplatte mit einem Klebstoff gefüllt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötpaste mit einem Gehalt an Flussmittel von 10 Gew.-% und einem Gehalt an Metall-Lot von 90 Gew.-% gewählt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Sn63Pb37 als das erste der mindestens zwei Metallpulver eingesetzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Sn95,5Ag4Cu0,5 als einziges weiteres Metallpulver eingesetzt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötpaste aus 10 Gew.-% Flussmittel, 45-80 Gew.-% Sn63Pb37 und 10-45 Gew.-% Sn95,5Ag4Cu0,5 gebildet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei weitere Metallpulver eingesetzt werden, die aus reinem Zinn und Sn45Pb55 gewählt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das reine Zinn und Sn45Pb55 in einem Mengenverhältnis zueinander eingesetzt werden, dass ein eutektisches Metall-Lot der Zusammensetzung Sn63Pb37 resultiert.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Sn62Pb36Ag2 als das erste der mindestens zwei Metallpulver eingesetzt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwei weitere Metallpulver eingesetzt werden, die aus reinem Zinn und Sn43Pb54Ag3 gewählt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das reine Zinn und Sn43Pb54Ag3 in einem Mengenverhältnis zueinander eingesetzt werden, dass ein eutektisches Metall-Lot der Zusammensetzung Sn62Pb36Ag2 resultiert.
14. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen mindestens einem Siliziumeinkristallchip und einer Leiterplatte, wobei Kontakthöcker aus einem Metall-Lot auf elektrisch leitenden Anschlussflächen, die auf einer Oberfläche des Siliziumeinkristallchips angeordnet sind, gebildet werden, indem eine das Metall-Lot und ein Flussmittel enthaltende Lötpaste flächig auf die Anschlussflächen aufgebracht und erhitzt wird, die Lötpaste dabei umgeschmolzen wird und jeweils ein sphärischer Kontakthöcker aus dem Metall-Lot auf jeder elektrisch leitenden Anschlussfläche gebildet wird, wobei
a) das Metall-Lot in der Lötpaste als Pulver vom Typ 5 und/oder Typ 6 eingesetzt wird, wobei
b) das Pulver aus einer Mischung von mindestens zwei chemisch unterschiedlichen Metallpulvern gebildet wird; wobei
c) ein erstes der mindestens zwei Metallpulver aus der Gruppe der reinen Metalle Silber, Kupfer, Blei, Zinn oder aus der Gruppe der binären Legierungen Silber-Kupfer, Silber- Zinn, Silber-Blei, Zinn-Kupfer, Zinn-Blei, Kupfer-Blei oder aus der Gruppe der ternären Legierungen Silber-Kupfer-Zinn, Silber-Kupfer-Blei, Zinn-Kupfer-Blei, Silber- Zinn- Blei gewählt wird und
ein weiteres oder mehrere weitere Metallpulver aus der Gruppe der binären Legierungen Silber-Kupfer, Silber-Zinn, Silber-Blei, Zinn-Kupfer, Zinn-Blei, Kupfer-Blei und/oder aus der Gruppe der ternären Legierungen Silber-Kupfer-Zinn, Silber-Kupfer-Blei, Zinn-Kupfer-Blei, Silber- Zinn-Blei gewählt wird/werden, und wobei
die Kontakthöcker auf ihrer dem Siliziumeinkristallchip abgewandten Seite mit einem Flussmittel oder einem Leitkleber versehen werden und mit diesem auf Kontaktfeldern der Leiterplatte befestigt werden.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakthöcker und angrenzende Bereiche der Anschlussflächen vor Auftragen des Flussmittels oder des Leitklebers von Flussmittelresten der Lötpaste gereinigt werden.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte und der mindestens eine darauf mit dem Flussmittel befestigte Siliziumeinkristallchip einem Reflow-Lötverfahren unterzogen werden, wobei die Kontakthöcker aufschmelzen und eine Lötverbindung mit den Kontaktflächen der Leiterplatte ausgebildet wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spalt zwischen dem Siliziumeinkristallchip und der Leiterplatte mit einem Klebstoff gefüllt wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötpaste mit einem Gehalt an Flussmittel von 10 Gew.-% und einem Gehalt an Metall-Lot von 90 Gew.-% gewählt wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass reines Zinn als das erste der mindestens zwei Metallpulver eingesetzt wird.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass Sn45Pb55 als einziges weiteres Metallpulver eingesetzt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das reine Zinn und Sn45Pb55 in einem Mengenverhältnis zueinander eingesetzt werden, dass ein eutektisches Metall-Lot der Zusammensetzung Sn63Pb37 resultiert.
22. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass Sn43Pb54Ag3 als einziges weiteres Metallpulver eingesetzt wird.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das reine Zinn und Sn43Pb54Ag3 in einem Mengenverhältnis zueinander eingesetzt werden, dass ein eutektisches Metall-Lot der Zusammensetzung Sn62Pb36Ag2 resultiert.
24. Lötpaste, die in einem Temperaturbereich zwischen 183°C und 217°C einen Erweichungsbereich von mindestens 5°C hat und deren Legierungsanteil durch beimischen von Sn, Sn/Cu oder Sn/Cu/Ag zu eutektischem Lotpulver erhalten wird.
25. Lötpaste nach Anspruch 24, wobei das eutektische Lötpulver Sn63Pb37 ist.
26. Lötpaste nach Anspruch 25, enthaltend etwa 10 Gew.-% Flussmittel sowie 45 bis 80 Gew.-% Sn63Pb37 und 10 bis 45 Gew.-% Sn95,5Ag4Cu0,5.
27. Verfahren zum Anbringen von Schaltkontakten an Anschlussstellen von Siliziumscheiben im Reflow-Solder-Verfahren unter Aufbringen von Lötpaste gemäß einem der Ansprüche 24 bis 26.
28. Lötpaste, die in einem Temperaturbereich zwischen 183°C und 217°C einen Erweichungsbereich von mindestens 5°C hat, enthaltend ein pulverförmiges Metall-Lot vom Typ 5 und/oder Typ 6, wobei das Metall-Lot aus einer Mischung von mindestens zwei chemisch unterschiedlichen Metallpulvern gebildet ist, wobei ein erstes der mindestens zwei Metallpulver aus einer eutektischen oder nahezu eutektischen Metall-Legierung gebildet ist und ein weiteres oder mehrere weitere Metallpulver aus der Gruppe der reinen Metalle Silber, Kupfer, Blei, Zinn und/oder aus der Gruppe der binären Legierungen Silber-Kupfer, Silber- Zinn, Silber-Blei, Zinn-Kupfer, Zinn-Blei, Kupfer-Blei und/oder aus der Gruppe der ternären Legierungen Silber-Kupfer-Zinn, Silber-Kupfer-Blei, Zinn-Kupfer-Blei, Silber-Zinn-Blei gebildet ist/sind.
29. Lötpaste nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötpaste einen Gehalt an Flussmittel von 10 Gew.-% und einen Gehalt an Metall-Lot von 90 Gew.-% aufweist.
30. Lötpaste nach einem der Ansprüche 28 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass Sn63Pb37 als das erste der mindestens zwei Metallpulver ist.
31. Lötpaste nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass Sn95,5Ag4Cu0,5 das einzige weitere Metallpulver ist.
32. Lötpaste nach einem der Ansprüche 29 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötpaste aus 10 Gew.-% Flussmittel, 45-80 Gew.-% Sn63Pb37 und 10-45 Gew.-% Sn95,5Ag4Cu0,5 gebildet ist.
33. Lötpaste nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass zwei weitere Metallpulver eingesetzt werden, die aus reinem Zinn und Sn45Pb55 gebildet sind.
34. Lötpaste nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass das reine Zinn und Sn45Pb55 in einem Mengenverhältnis zueinander eingesetzt sind, so dass ein eutektisches Metall-Lot der Zusammensetzung Sn63Pb37 resultiert.
35. Lötpaste nach einem der Ansprüche 28 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass das erste der mindestens zwei Metallpulver Sn62Pb36Ag2 ist.
36. Lötpaste nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass zwei weitere Metallpulver eingesetzt sind, die aus reinem Zinn und Sn43Pb54Ag3 gebildet sind.
37. Lötpaste nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass das reine Zinn und Sn43Pb54Ag3 in einem Mengenverhältnis zueinander eingesetzt sind, so dass ein eutektisches Metall-Lot der Zusammensetzung Sn62Pb36Ag2 resultiert.
38. Lötpaste, die in einem Temperaturbereich zwischen 183°C und 217°C einen Erweichungsbereich von mindestens 5°C hat, enthaltend ein pulverförmiges Metall-Lot vom Typ 5 und/oder Typ 6, wobei das Metall-Lot aus einer Mischung von mindestens zwei chemisch unterschiedlichen Metallpulvern gebildet ist, wobei ein erstes der mindestens zwei Metallpulver aus der Gruppe der reinen Metalle Silber, Kupfer, Blei, Zinn oder aus der Gruppe der binären Legierungen Silber-Kupfer, Silber-Zinn, Silber-Blei, Zinn-Kupfer, Zinn-Blei, Kupfer- Blei oder aus der Gruppe der ternären Legierungen Silber-Kupfer-Zinn, Silber-Kupfer-Blei, Zinn-Kupfer-Blei, Silber- Zinn-Blei gebildet ist und ein weiteres oder mehrere weitere Metallpulver aus der Gruppe der binären Legierungen Silber-Kupfer, Silber-Zinn, Silber-Blei, Zinn- Kupfer, Zinn-Blei, Kupfer-Blei und/oder aus der Gruppe der ternären Legierungen Silber- Kupfer-Zinn, Silber-Kupfer-Blei, Zinn-Kupfer-Blei, Silber- Zinn-Blei gebildet ist/sind.
39. Lötpaste nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötpaste einen Gehalt an Flussmittel von 10 Gew.-% und einen Gehalt an Metall-Lot von 90 Gew.-% aufweist.
40. Lötpaste nach einem der Ansprüche 38 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass reines Zinn als das erste der mindestens zwei Metallpulver eingesetzt ist.
41. Lötpaste nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, dass Sn45Pb55 als einziges weiteres Metallpulver eingesetzt ist.
42. Lötpaste nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, dass das reine Zinn und Sn45Pb55 in einem Mengenverhältnis zueinander eingesetzt sind, so dass ein eutektisches Metall-Lot der Zusammensetzung Sn63Pb37 resultiert.
43. Lötpaste nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, dass als einziges weiteres Metallpulver Sn43Pb54Ag3 eingesetzt ist.
44. Lötpaste nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, dass das reine Zinn und Sn43Pb54Ag3 in einem Mengenverhältnis zueinander eingesetzt sind, so dass ein eutektisches Metall-Lot der Zusammensetzung Sn62Pb36Ag2 resultiert.
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