DE112007001029T5

DE112007001029T5 - Lötformteil und Elektronikbauteil

Info

Publication number: DE112007001029T5
Application number: DE112007001029T
Authority: DE
Inventors: Naohiko Kariya Hirano; Yoshitsugu Kariya Sakamoto; Tomomi Kariya Okumura; Kaichi Tsuruta; Minoru Matsudo Ueshima; Takashi Mouka Ishii
Original assignee: Denso Corp; Senju Metal Industry Co Ltd
Current assignee: Denso Corp; Senju Metal Industry Co Ltd
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2007-04-26
Publication date: 2009-05-14
Anticipated expiration: 2027-04-27
Also published as: JP5369682B2; WO2007125991A1; CN101432095B; US20090236725A1; US7800230B2; DE112007001029B4; CN101432095A; JPWO2007125991A1

Abstract

Lötformteil, das Metallpartikel mit einem hohen Schmelzpunkt aufweist, die in einer Lotlage einer Lotlegierung aufgelöst sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallpartikel einen Schmelzpunkt von mindestens 300°C höher als den Schmelzpunkt der Lotlegierung aufweisen, und einen Partikeldurchmesser von 20 bis 300 Mikrometer aufweisen, wobei die Änderung des Partikeldurchmessers der Metallpartikel mit einem hohen Schmelzpunkt höchstens 40% des Partikeldurchmessers ist, wobei die Metallpartikel mit einem hohen Schmelzpunkt eine Legierungsschicht aufweisen, die aus der Hauptkomponente des Lots und den Metallpartikeln mit einem hohen Schmelzpunkt auf dem Umfang der Metallpartikel ausgebildet ist.

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung betrifft ein Lötformteil zur Verwendung bei einem Diebonden, um ein Halbleiterelement und ein Substrat zu verbinden. Diese Erfindung betrifft ebenso ein Elektronikbauteil, das ein Halbleiterelement und ein Substrat aufweist, welche unter Verwendung eines derartigen Lötformteils miteinander verbunden sind.
Stand der Technik
In Hochleistungs-Elektronikbauteilen, wie zum Beispiel BGAs (Ball Grid Array Packages) und CSPs (Chip Size Packages) sind ein Halbleiterelement und ein Substrat durch Diebonden unter Verwendung eines Kontaktierungsmaterials miteinander verbunden. Ein Diebonden bezieht sich auf ein Verfahren, in welchem ein Halbleiterelement, das durch Schneiden eines Siliziumwafers erzielt wird, an einem Trägersubstrat dafür befestigt wird. Ein Diebonden eines Halbleiterelements und eines Substrats wird derart ausgeführt, dass dann, wenn das Halbleiterelement Wärme während eines Verwendens des Elektronikbauteils erzeugt, verhindert wird, dass der Halbleiter selbst einem Verringern seines Leistungsvermögens oder einer thermischen Beschädigung unter dem Einfluss von Wärme unterzogen wird. Das heißt, als Ergebnis eines Diebondens eines Halbleiterelements und eines Substrats sind das Halbleiterelement und das Substrat zueinander in engem Kontakt und wird Wärme, die von dem Halbleiterelement erzeugt wird, durch das Substrat abgeleitet. Ein Diebonden wird ebenso ausgeführt, um ein Halbleiterelement elektrisch an Masse zu legen.
Klebeharze und Lot werden im Allgemeinen als Materialien zum Diebonden verwendet. Wenn die Aufgabe des Diebondens ein Ableiten von Wärme von einem Halbleiterelement ist, ist ein Klebeharz ausreichend, wenn jedoch ein Ableiten von Wärme und ein elektrisches Legen an Masse die Aufgaben sind, ist es bevorzugt, Lot zu verwenden, welches eine gute thermische Leitfähigkeit und eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweist.
Beim Diebonden eines Halbleiterelements und eines Substrats wird, wenn ein Lötformteil derart auf einem Substrat angeordnet und erwärmt wird, dass das Lötformteil schmilzt, das sich ergebende geschmolzene Lot von zwischen zu lötenden Abschnitten unter dem Gewicht des Halbleiterelements herausgepresst und wird die Lotmenge zwischen zu lötenden Abschnitten manchmal klein. Ein Bonden mittels eines Lots erfordert eine geeignete Lotmenge zwischen zu lötenden Abschnitten, um die inhärente Kontaktierungsfestigkeit von Lot hervorzubringen. Wenn jedoch, wie es zuvor beschrieben worden ist, Lot zwischen zu lötenden Abschnitten durch das Gewicht eines Halbleiterelements herausgepresst wird, das über dem Lot angeordnet ist, wird der Zwischenraum zwischen dem Halbleiterelement und dem Substrat zu klein und kann keine ausreichende Lotmenge vorhanden sein, was zu einem Verringern einer Kontaktierungsfestigkeit führt. Das heißt, eine maximale Kontaktierungsfestigkeit kann beim Löten hervorgebracht werden, wenn der Zwischenraum geeignet ist, jedoch wird die Kontaktierungsfestigkeit der Verbindung insgesamt schwach, wenn Abschnitte, die einen kleinen Zwischenraum aufweisen, lokal ausgebildet sind.
Um Löten derart durchzuführen, dass zu lötende Abschnitte geeignet getrennt sind und eine geeignete Lotmenge zwischen den zu lötenden Abschnitten aufrecht erhalten wird, ist eine Mehrzahl von Metallpartikeln mit einem hohen Schmelzpunkt, die einen höheren Schmelzpunkt als das Lot aufweisen (nachstehend einfach als Metallpartikel bezeichnet), wie zum Beispiel Metallpartikel aus Ni, Cu, Ag, Fe, Mo oder W zwischen zu lötende Abschnitte gebracht worden. Jedoch ist ein Anordnen von Metallpartikeln zwischen zu lötende Abschnitte zu jeder Zeit, zu der ein Löten ausgeführt wird, äußerst beschwerlich und führt zu einem schlechten Fertigungswirkungsgrad, weshalb Lötformteile, die zuvor darin vermischte Metallpartikel aufweisen, verwendet worden sind.
Die Patentdruckschrift 1 offenbart ein Walzeneinbettverfahren, bei welchem Metallpartikel unter Verwendung eines Zuführbehälters über eine Lotlage verstreut werden und die Metallpartikel unter Verwendung einer Einbettwalze in die Lotlage eingebettet werden. Als die Metallpartikel werden runde, dreieckige, zylindrische oder flachförmige Partikel, winzige Partikel oder dergleichen verwendet.
Die Patentdruckschrift 2 offenbart ebenso ein Walzeneinbettverfahren. Das sich ergebende Lötformteil weist Metallpartikel mit einem Partikeldurchmesser von 30 bis 70 Mikrometer auf, die in Lot eingebettet sind.
Die Patentdruckschrift 3 offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundlotbarrens, der darin aufgelöste Metallpartikel aufweist. Bei diesem Verfahren wird ein Gemisch aus Metallpartikeln und eines Flussmittels, welche zusammengeknetet worden sind, in geschmolzenes Lot gefüllt und umgerührt, abgekühlt und verfestigt. Der Partikeldurchmesser der in diesem Fall verwendeten Metallpartikel ist 20 Mikrometer, 50 Mikrometer oder 100 Mikrometer.
Die Patentdruckschrift 4 offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines Lötformteils, bei welchem überlagerte Lagen, die darin von einem Zuführbehälter verstreute Metallpartikel zwischen zwei Lotlagen aufweisen, derart einem Walzen unterzogen werden, dass die zwei Lagen aneinander geklebt werden. Das Verfahren verwendet Metallpartikel, die einen mittleren Partikeldurchmesser von 30 bis 300 Mikrometer aufweisen, wobei die Standardabweichung des Partikeldurchmessers höchstens 2,0 Mikrometer ist.

Patentdruckschrift 1: JP H03-281088 A
Patentdruckschrift 2: JP H06-685 A
Patentdruckschrift 3: JP H06-31486 A
Patentdruckschrift 4: JP 2005-161338 A

Offenbarung der Erfindung
In einem Elektronikbauteil, das ein Halbleiterelement und ein Substrat aufweist, welche unter Verwendung eines herkömmlichen Lötformteils gelötet wurden, wurde das Halbleiterelement manchmal in einem geneigten Zustand oder derart an dem Substrat befestigt, dass sich der gelötete Abschnitt einfach abstreifen konnte, wenn ein leichter Stoss auf den gelöteten Abschnitt ausgeübt wurde.
In dem Lötformteil, das in der Patentdruckschrift 1 offenbart ist, sind Metallpartikel, welche rund, dreieckig, flachförmig, zylindrisch und dergleichen sind, über einer Lotlage verstreut und wird eine Einbettwalze von oben angewendet, um die Metallpartikel in die Lotlage einzubetten.
3 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Lötformteils der Patentdruckschrift 1 und 4 ist eine vergrößerte schematische Ansicht eines Abschnitts eines Elektronikbauteils, das ein Halbleiterelement und ein Substrat aufweist, die unter Verwendung dieses Lötformteils einem Diebonden unterzogen worden sind.
Wie es in 3 gezeigt ist, ist die Abmessung der Metallpartikel in dem Lötformteil 30 der Patentdruckschrift 1 nicht festgelegt. Deshalb werden, wenn das Lötformteil verwendet wird, um ein Halbleiterelement 31 und ein Substrat 32 zu verbinden, um ein Elektronikbauteil 33 auszubilden (4), das verbundene Halbleiterelement 31 dort niedrig, wo kleine Metallpartikel (die dreieckigen Partikel in der Figur) sind, und dort hoch, wo große Metallpartikel (die großen runden oder rechteckigen Partikel in der Figur) sind. Weiterhin sind, wenn das Lötformteil der Patentdruckschrift 1 auf einem mikroskopischen Niveau untersucht wird, die Metallpartikel 34 und die Lotlage 35 zueinander in bloßem Kontakt, das heißt, Luft 36 ist in dem Umfeld der Metallpartikel 34 vorhanden.
Wenn ein Halbleiterelement und ein Substrat unter Verwendung eines Lötformteils gelötet werden, in welchem Luft um Metallpartikel vorhanden ist, wie es zuvor erwähnt worden ist, dehnt sich das Volumen der Luft aus, welche um die Metallpartikel vorhanden ist, da sich ihre Temperatur erhöht, und bilden sich manchmal große Leerräume 37 aus, wie es in 4 gezeigt ist, und bewirkt, dass sich das Halbleiterelement neigt. Weiterhin wird die Kontaktierungsfestigkeit schwach, wenn die Metallpartikel nicht metallisch mit Lot verbunden sind.
Die Lötformteile der Patentdruckschriften 2 und 4 werden durch dazwischen Bringen von Metallpartikeln zwischen zwei Lotlagen und Verkleben der zwei Lotlagen miteinander durch Pressen mit einer Walze vorbereitet. Demgemäß berühren sich ebenso, wie es in 5 gezeigt ist, Metallpartikel 41 und ein Lot 42 lediglich in den Lötformteilen 40 der Patentdruckschrift 2 und 4 und, wenn die Formteile mikroskopisch betrachtet werden, ist Luft 43 in dem Umfeld der Metallpartikel 41 vorhanden. Wenn ein derartiges Lötformteil zwischen einem Halbleiterelement 44 und einem Substrat 45 angeordnet ist und erwärmt wird, um das Lötformteil zu schmelzen und ein Elektronikbauteil 76 auszubilden, wie es in 6 gezeigt ist, dehnt sich das Volumen der kleinen Luftmenge aus, welche um die Metallpartikel vorhanden ist, wenn ihre Temperatur ansteigt, und bewirkt große Leeräume 47. Diese großen Leerräume können das Halbleiterelement 47 abheben und bewirken, dass es sich neigt.
Daher sind in dem Fall der Patentdruckschriften 2 und 4 wie in dem Fall der Patentdruckschrift 1 Metallpartikel und ein Lot nicht metallisch miteinander verbunden, so dass die Kontaktierungsfestigkeit niedrig ist.
Bei dem Lötformteil, das durch das Verfahren der Patentdruckschrift 3 erzielt wird, wird ein Gemisch aus Metallpartikeln und Flussmittel in ein geschmolzenes Lot gefüllt, weshalb die Metallpartikel metallisch mit dem geschmolzenen Metall verbunden werden, und es gibt weniger Leerräume als in einem Lötformteil, das durch ein Verfahren unter Verwendung von Walzen erzeugt wird. Jedoch werden auch bei dem Lötformteil, das durch das Verfahren der Patentdruckschrift 3 erzeugt wird, manchmal Leerräume entwickelt, um dadurch zu bewirken, dass sich ein Halbleiterelement neigt oder die Kontaktierungsfestigkeit verringert wird. Der Grund dieser Erscheinung wird als das Vorhandensein eines Flussmittels erachtet, das an dem Umfeld von Metallpartikeln klebt.
7 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Lötformteils der Patentdruckschrift 3 und 8 ist eine vergrößerte schematische Ansicht eines Abschnitts eines Elektronikbauteils, das das Halbleiterelement und ein Substrat aufweist, welche unter Verwendung dieses Lötformteils einem Diebonden unterzogen sind.
Wie es in 7 gezeigt ist, bleiben bei dem Lötformteil 50 der Patentdruckschrift 3 winzige Massen eines festen oder flüssigen Flussmittels 52 an Metallpartikeln 51 kleben. Wenn dieses Lötformteil zwischen ein Halbleiterelement 53 und ein Substrat 54 gebracht wird und erwärmt und geschmolzen wird, um ein Elektronikbauteil 55 zu erzielen, verdampfen die winzigen Massen eines Flussmittels und dehnt sich ihre Volumen aus, wenn die Temperatur ansteigt und bilden große Leerräume 56 aus, wie es in 8 gezeigt ist. Die großen Leerräume können das Halbleiterelement 53 anheben. Der geschmolzene Abschnitt wird dann abgekühlt, um das Lot zu verfestigen. Da das Lot schnell gehärtet wird, halten die Leerräume ein großes Volumen aufrecht, ohne kleiner zu werden. Demgemäß erhöht sich die Höhe des Halbleiterelements in einem Abschnitt, an dem ein großer Leerraum ausgebildet ist, um dadurch zu bewirken, dass sich das Halbleiterelement neigt.
Daher wird bei dem Lötformteil der Patentdruckschrift 3 ebenso, obgleich Metallpartikel und Lot metallisch miteinander verbunden sind, die Verbindungsfläche auf Grund des Ausbildens von Leerräumen verringert, was zu einem Schwächen der Kontaktierungsfestigkeit führt.
Wenn ein Halbleiterelement und ein Substrat unter Verwendung eines herkömmlichen Lötformteils gelötet werden, bestehen die Gründe, warum ein Abstreifen leicht auftritt, wenn lediglich ein kleiner Stoß auf die gelöteten Abschnitte ausgeübt wird, darin, dass die Metallpartikel, die in dem Lötformteil enthalten sind, nicht metallisch mit dem Lot in dem Formteil verbunden sind, und dem Ausbilden von Leerräumen um die Metallpartikel. Die Tatsache, dass die Metallpartikel und das Lot nicht metallisch miteinander verbunden sind, schwächt die Kontaktierungsfestigkeit um die Metallpartikel. Das Vorhandensein auch einer kleinen Menge von Luft oder eines Flussmittels um die Metallpartikel bewirkt das Ausbilden von großen Leerräumen zu der Zeit eines Erwärmens, wodurch die Kontaktierungsfläche verringert wird. In den letzten Jahren sind Halbleiterelemente ebenso in der Abmessung kleiner geworden und ist die gelötete Fläche von diesen ebenso kleiner geworden. Deshalb erhöht sich, wenn Leerräume entwickelt werden, das Verhältnis, das von Leerräumen belegt wird, bezüglich der kleinen gelöteten Fläche, weshalb sich die gelötete Fläche und die Kontaktierungsfestigkeit verringern.
Die vorliegenden Erfinder haben festgestellt, dass sich, wenn die Änderung des Partikeldurchmessers von Metallpartikeln in einem bestimmten Bereich ist, ein Neigen verringert, und dass sich, wenn der Umfang der Metallpartikel eine Legierungsschicht mit Lot aufweist, die Kontaktierungsfestigkeit zwischen den Metallpartikeln und dem Lot erhöht, um dadurch ein Lötformteil vorzusehen, welches bei einem Diebonden ein hervorragendes Vermögen hervorbringen kann. Als Ergebnis haben sie die vorliegende Erfindung geschaffen.
Die vorliegende Erfindung ist ein Lötformteil, das Partikel mit einem hohen Schmelzpunkt mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 20 bis 300 Mikrometer aufweist, die in einer Lotlage aufgelöst sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Partikeldurchmessers der Metallpartikel mit einem hohen Schmelzpunkt höchstens 20 Mikrometer ist und dass eine Schicht aus einer Legierung einer Hauptkomponente des Lots und des Metalls der Metallpartikel mit einem hohen Schmelzpunkt um die Metallpartikel mit einem hohen Schmelzpunkt ausgebildet ist.
Bei einem weiteren Aspekt ist die vorliegende Erfindung ein Elektronikbauteil, dadurch gekennzeichnet, dass ein Halbleiterelement und ein Substrat unter Verwendung eines Lötformteils gelötet sind, dass Metallpartikel mit einem hohen Schmelzpunkt und einem mittleren Partikeldurchmesser von 20 bis 300 Mikrometer aufweist, die in einer Lotlage aufgelöst sind, wobei die Metallpartikel mit einem hohen Schmelzpunkt, die in der Lotlage aufgelöst sind, eine Änderung des Partikeldurchmessers von höchstens 20 Mikrometer aufweisen und eine Legierungsschicht aufweisen, die um die Metallpartikel mit einem hohen Schmelzpunkt ausgebildet ist, wobei die Legierungsschicht eine Legierung des Metalls der Partikel mit dem Lot der Lage ist.
In der vorliegenden Erfindung werden Metallpartikel mit einem hohen Schmelzpunkt mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 20 bis 300 Mikrometer verwendet, da ein Zwischenraum von ungefähr 20 bis 300 Mikrometer zwischen einem Halbleiterelement und einem Substrat erforderlich ist. Der mittlere Partikeldurchmesser kann in diesem Bereich unter Berücksichtigung des erforderlichen Spalts ausgewählt werden.
In dem Fall, in welchem der mittlere Partikeldurchmesser der Metallpartikel 50 Mikrometer ist, erhöht sich, wenn die Änderung der Metallpartikel größer als 40% dieses Partikeldurchmessers ist, das heißt, wenn die Änderung größer als 20 Mikrometer ist, auch dann, wenn Leerräume nicht entwickelt werden, ein Neigen des Halbleiterelements bezüglich des Substrats nach einem Löten derart, dass die Kontaktierungsfestigkeit in Abschnitten schwach wird, an denen der Zwischenraum schmal wird. Durch das Ausbilden einer Legierungsschicht um die Metallpartikel werden die Metallpartikel und das Lot vollständig metallisch miteinander verbunden. Als Ergebnis erhöht sich nicht nur die Kontaktierungsfestigkeit zwischen den Metallpartikeln und dem Lot, sondern verringert sich ebenso das Ausbilden von Leerräumen.
Der Bereich für die Änderung des Partikeldurchmessers ist bis zu 40% und vorzugsweise bis zu 20% des Partikeldurchmessers der Metallpartikel.
In einem Lötformteil gemäß der vorliegenden Erfindung gibt es kein Umhüllen oder Zurückhalten von Luft oder Flussmittel in der verbundenen Grenzfläche zwischen Metallpartikeln mit einem hohen Schmelzpunkt und Lot, so dass es überhaupt keine Leerräume in der Grenzfläche gibt, nachdem ein Löten ausgeführt worden ist.
In einem Lötformteil gemäß der vorliegenden Erfindung müssen Metallpartikel, die in einem Lot aufgelöst sind, eine Legierungsschicht einer Legierung mit dem Lot aufweisen, die um die Metallpartikel ausgebildet ist. Das Lot kann irgendein Typ sein, der bei dem Herstellen von typischen Elektronikbauteilen verwendet wird, aber ein bleifreies Lot auf Sn-Basis ist von dem Standpunkt von derzeitigen Regelungen bezüglich der Verwendung von Pb geeignet.
Metallpartikel, welche in Lot aufgelöst sind, sind vorzugsweise irgendwelche von Ni, Ag, Cu und Fe, welche leicht mit Sn eine Legierung bilden, welches die Hauptkomponente eines bleifreien Lots ist. Eine Legierungsschicht, welche um Metallpartikel ausgebildet ist, ist eine intermetallische Verbindung von Sn und dem Metall, das die Metallpartikel bildet. Zum Beispiel sind, wenn die Metallpartikel Ni sind und das Lot ein bleifreies Lot auf Sn-Basis ist, intermetallische Verbindungen von Ni und Sn, wie zum Beispiel Ni₃Sn, Ni₃Sn₂ und Ni₃Sn₄ auf der Oberfläche der Metallpartikel ausgebildet. Wenn die Metallpartikel Cu sind und das Lot ein bleifreies Lot auf Sn-Basis ist, sind intermetallische Verbindungen, wie zum Beispiel Cu₃Sn oder Cu₆Sn₅ auf der Oberfläche der Metallpartikel ausgebildet.
Jedes dieser Metalle weist einen hohen Schmelzpunkt von mindestens 1000°C auf und schmilzt nicht bei üblichen Löttemperaturen. Anders ausgedrückt ist ein Metall, (welches eine Legierung sein kann), welches Metallpartikel bildet, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, ein Metall in der Form von Partikeln, welches eine Legierungsschicht (eine intermetallische Verbindung) mit der Hauptkomponente der Lötlegierung ausbildet, die in dem Lötformteil verwendet wird, und eine Schmelztemperatur von mindestens 300°C höher als den Schmelzpunkt der Lötlegierung aufweist.
Wenn ein Halbleiterelement und ein Substrat unter Verwendung eines Lötformteils gemäß der vorliegenden Erfindung gelötet werden, kann ein hervorragender gelöteter Abschnitt erzielt werden, da ein Verbinden stattfindet, ohne dass das Halbleiterelement bezüglich des Substrats geneigt wird, um dadurch kein Verringern einer Kontaktierungsfestigkeit auf Grund einer unzureichenden Lotmenge zu bewirken, und da die Kontaktierungsfestigkeit zwischen Metallpartikeln und Lot auf Grund einer Legierungsschicht erhöht ist, die um Metallpartikel aus einer Legierung mit dem Lot ausgebildet ist.
Ein Elektronikbauteil gemäß der vorliegenden Erfindung weist keine Leerräume in gelöteten Abschnitten zwischen einem Halbleiterelement und einem Substrat auf und die Kontaktierungsfestigkeit zwischen dem Halbleiterelement und dem Substrat ist stark. Deshalb weist das Elektronikbauteil eine Zuverlässigkeit, die bei einem herkömmlichen Elektronikbauteil fehlt, darin auf, dass kein Abstreifen einfach stattfindet, wenn ein externer Stoß darauf ausgeübt wird.
Ein Elektronikbauteil gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Elektronikbauteil, das durch Diebonden erzielt wird. Genauer gesagt bezieht es sich auf eine Halbleitervorrichtung, die ein Halbleiterelement aufweist, das über einem Substrat einem Diebonden unterzogen worden ist, zum Beispiel einer sogenannten Die-Kontaktierungsfläche, und es kann beispielhaft durch ein Elektronikbauteil dargestellt sein, welches in der Form eines BGA, eines CSP oder dergleichen verwendet wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Lötformteils gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine schematische quer geschnittene Teilansicht eines Elektronikbauteils gemäß der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine schematische Querschnittsansicht eines herkömmlichen Lötformteils.
4 ist eine schematische quer geschnittene Teilansicht eines herkömmlichen Elektronikbauteils.
5 ist eine schematische Querschnittsansicht eines herkömmlichen Lötformteils.
6 ist eine schematische quer geschnittene Teilansicht eines herkömmlichen Elektronikbauteils.
7 ist eine schematische Querschnittsansicht eines herkömmlichen Lötformteils.
8 ist eine schematische quer geschnittene Teilansicht eines herkömmlichen Elektronikbauteils.
9 ist ein Graph, der die Ergebnisse eines Wärmezyklustests eines Beispiels und eines Vergleichsbeispiels zeigt.
Beste Weise zum Ausführen der Erfindung
Ein Lötformteil gemäß der vorliegenden Erfindung wird auf der Grundlage der Zeichnungen erläutert.
1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Lötformteils gemäß der vorliegenden Erfindung und 2 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Abschnitts eines Elektronikbauteils, das ein Halbleiterelement und ein Substrat aufweist, welche unter Verwendung eines Lötformteils gemäß der vorliegenden Erfindung gelötet sind.
Wie es in 1 gezeigt ist, weist ein Lötformteil 10 gemäß der vorliegenden Erfindung Metallpartikel 1 auf, die in einem Lot 2 in der Form einer Lage aufgelöst sind. Die Metallpartikel 1 sind metallisch mit dem Lot 2 verbunden und eine Legierungsschicht 8 ist auf dem Umfang von jedem Metallpartikel 1 ausgebildet. Ein Flussmittel oder Luft ist nicht um die Metallpartikel 1 vorhanden.
Wie es in 2 gezeigt ist, ist in einem Elektronikbauteil 12, in welches das Anordnen des Lötformteils 10 zwischen einem Halbleiterelement und einem Substrat 5 vorbereitet ist, worauf ein Erwärmen folgt, um das Lötformteil zu schmelzen, das Halbleiterelement 4 parallel dazu mit dem Substrat 5 verbunden und es sind keine Leerräume von was auch immer um die Metallpartikel 1 vorhanden, die in dem Lot 2 aufgelöst sind.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Lötformteils gemäß der vorliegenden Erfindung wird als Nächstes unter Verwendung des Verfahrens mit einer gemischten Hauptlegierung als ein Beispiel erläutert.
Zuerst werden Metallpartikel in einem Verhältnis, das höher als das Verhältnis ist, welches tatsächlich in einem Lot aufzulösen ist, mit einem thermisch zersetzbaren flüssigen Flussmittel gemischt, um ein Gemisch zu erzielen. Das sich ergebende Gemisch wird in geschmolzenes Lot gefüllt und nach einem Umrühren wird die Schmelze schnell abgekühlt, um eine gemischte Hauptlegierung auszubilden. Eine vorbestimmte Menge der gemischten Hauptlegierung, welche gemessen wird, wird in das geschmolzene Lot gefüllt und nach einem Umrühren wird die Schmelze in eine Form gegossen und schnell abgekühlt, um einen Barren zu erzielen. Der Barren wird dann durch einen Extruder extrudiert, um einen Streifen zu erzielen, und der sich ergebende Streifen wird in einem Walzwerk gewalzt, um ein Band zu erzielen. Das Band wird dann in eine vorbestimmte Form gestanzt, um ein Lötformteil zu erzielen, das eine große Anzahl von Metallpartikeln aufweist, die in einer Lotlage aufgelöst sind.
In einem Lötformteil, das durch das zuvor beschriebene Verfahren mit einer gemischten Hauptlegierung erzielt wird, werden Metallpartikel mit einem thermisch zersetzbaren Flussmittel gemischt und dann in ein geschmolzenes Lot gefüllt. Deshalb verdampft das Flussmittel in dem geschmolzenen Lot und verbleibt nicht einfach in dem Lot. Auch dann, wenn eine kleine Menge von Flussmittel in der gemischten Hauptlegierung verbleibt, wird die gemischte Hauptlegierung in das geschmolzene Lot gefüllt, in welchem das Flussmittel vollständig verdampft wird und verschwindet. Weiterhin werden in dem zuvor beschriebenen Verfahren Metallpartikel und ein Lot zu der Zeit eines Vorbereitens der gemischten Hauptlegierung metallisch miteinander verbunden und wird die Oberfläche der Metallpartikel durch geschmolzenes Lot zu dieser Zeit vollständig benetzt. Wenn die gemischte Hauptlegierung in das geschmolzene Lot gefüllt wird, wächst eine Legierungsschicht, die in den Abschnitten der Metallpartikel ausgebildet wird, welche durch geschmolzenes Lot benetzt sind, um eine intermetallische Verbindung auszubilden.
Ein Flussmittel, das in dem zuvor beschriebenen Verfahren mit einer gemischten Hauptlegierung verwendet wird, weist ein Harz, einen Aktivator und ein Lösemittel auf. Beispiele eines Harzes beinhalten hydriertes Harz, phenolmodifiziertes Harzester und polymerisiertes Harz. Beispiele eines Aktivators beinhalten Adipinsäure, Succinsäure, Maleinsäure, Benzoisäure und Diethylanilin-HBr. Beispiele eines Lösemittels beinhalten Ethylenglykolmonoethylether, Ethylenglykolmonoethylether, Ethylenglykolmonobutylether, Diethylenglykolmonomethylether, Diethylenglykolmonoethylether und 2-Propanol.
Das Harz und der Aktivator des zuvor beschriebenen Flussmittels zersetzen sich oder schweben auf der Oberfläche des Lotbads und trennen sich bei 285°C von Lot, was die Temperatur ist, bei welcher Metallpartikel in einem bleifreien Sn-Cu-Ni-P-Lot (Schmelztemperatur von ungefähr 230°C) aufgelöst werden, die 99 Massenprozent von Sn enthält, zu welchem winzige Mengen von Cu, Ni und P hinzugefügt sind. Deshalb verbleibt keines des Harzes oder des Aktivators in dem Lot. Das Lösemittel weist einen Siedepunkt von höchstens 230°C auf, so dass es bei der Schmelztemperatur dieses bleifreien Lots vollständig verdampft wird und nicht in dem Lot verbleibt. Ein Beispiel einer geeigneten Zusammensetzung des Flussmittels ist wie folgt.
60,0 Massenprozent eines Harzes (hydriertes Harz);
10,0 Massenprozent eines Aktivators (Diethylanilin-HBr); und
30,0 Massenprozent eines Lösemittels (Ethylenglykolmonoethylether).
Wenn die gemischte Hauptlegierung in eine große Menge von geschmolzenem Lot gefüllt wird, wird auf Grund der Metallpartikel in der Hauptlegierung, welche bereits metallisch mit dem Lot in der Legierung verbunden sind, die eingefüllte gemsichte Hauptlegierung in der großen Menge eines geschmolzenen Lots in einer kurzen Zeitdauer aufgelöst. Zu dieser Zeit wird das Flussmittel auch dann, wenn es in der gemischten Hauptlegierung verbleibt, durch das zweite Schmelzen und Umrühren vollständig beseitigt. Das geschmolzene Lot, das gleichmäßig aufgelöste Metallpartikel darin aufweist, wird dann in eine Form für einen Barren gegossen und ein Barren, der gleichmäßig aufgelöste Metallpartikel darin aufweist, wird durch schnelles Abkühlen der Form erzielt.
Das Gemisch, das verwendet wird, wenn eine gemischte Hauptlegierung vorbereitet wird, enthält ein thermisch zersetzbares Flussmittel, so dass, wenn das Gemisch in das geschmolzene Lot gefüllt wird, weitestgehend alles des Flussmittels zersetzt und verdampft wird. Deshalb wird auch dann, wenn eine winzige Menge eines Flussmittels in der gemischten Hauptlegierung verbleibt, wenn die gemischte Hauptlegierung in einem nachfolgenden Schritt in das geschmolzene Lot gefüllt wird, das Flussmittel vollständig zersetzt und verbleibt nichts von ihm in dem Lot. Wenn es erwünscht ist, das Flussmittel sicher vollständig von dem Lot zu beseitigen, kann das geschmolzene Lot einer Vakuumbehandlung in einer Vakuumvorrichtung unterzogen werden, wenn die gemischte Hauptlegierung vorbereitet wird oder wenn der Barren vorbereitet wird.
Metallpartikel eines hohen Schmelzpunkts, welche in einem Lötformteil gemäß der vorliegenden Erfindung aufgelöst sind, müssen einen höheren Schmelzpunkt als das Lot aufweisen, das in dem Lötformteil verwendet wird, und sie müssen durch das geschmolzene Lot einfach benetzt sein. Metallpartikel, welche in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, beinhalten Partikel aus Ni, Cu, Ag, Fe, Mo und W, aber Ni-Partikel sind zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung bevorzugt. Ni-Partikel werden durch geschmolzenes Lot nicht einfach erodiert, sie sind kostengünstig und sie sind im Allgemeinen auf dem Markt in der Form von winzigen Kugeln verfügbar und sind so leicht zu erhalten. Natürlich können Legierungen von diesen Metallen verwendet werden.
Wenn der Zwischenraum zwischen einem Halbleiterelement und einem Substrat kleiner als 20 Mikrometer wird, wird die Menge von Lot zwischen ihnen klein und kann die inhärente Kontaktierungsfestigkeit von Lot nicht länger hervorgebracht werden. Deshalb ist der Durchmesser von Metallpartikeln mindestens 20 Mikrometer. Vorzugsweise ist er 40 bis 300 Mikrometer.
Im Allgemeinen ist die Dicke eines Lötformteils nahe dem erwünschten Zwischenraum. Demgemäß weisen Metallpartikel, die in dem Lötformteil verwendet werden, einen Durchmesser nahe diesem Zwischenraum auf. Jedoch werden, wenn der Durchmesser der Metallpartikel der gleiche wie die Dicke des Lötformteils ist, die Metallpartikel auf der Oberfläche des Lötformteils zu der Zeit eines Ausbildens des Lötformteils freigelegt und haftet ein Lot nicht auf den freiliegenden Abschnitten. Als Ergebnis werden zu der Zeit eines Lötens, um ein Elektronikbauteil herzustellen, die Abschnitte, an denen die Metallpartikel freiliegen, nicht metallisch mit dem Bauteil verbunden. In dem Fall eines dicken Lötformteils ist der Durchmesser der Metallpartikel höchstens 90% der Dicke des Lötformteils, um einen Raum zu belassen, um die oberen und unteren Abschnitte der Metallpartikel mit Lot zu bedecken.
Ein Lötformteil gemäß der vorliegenden Erfindung kann irgendeine Legierungszusammensetzung aufweisen, jedoch ist ein bleifreies Lot im Hinblick auf derzeitige Regelungen bezüglich der Verwendung von Pb bevorzugt. Bleifreie Lote weisen Sn als die Hauptkomponente auf, zu welchem Metalle, die aus Ag, Cu, Sb, Bi, In, Zn, Ni, Cr, Mo, Fe, Ge, Ga, P und dergleichen ausgewählt sind, geeignet hinzugefügt sind. Da Sn dazu neigt, einfach Metallpartikel zu erodieren, wird Ni vorzugsweise vorhergehend zu dem bleifreien Lot hinzugefügt, wenn Ni-Partikel verwendet werden.
Das heißt, in dem Fall eines Verwendens von Ni-Partikeln als die Metallpartikel mit einem hohen Schmelzpunkt werden, wenn Ni in dem bleifreien Lot enthalten ist, die Ni-Partikel einfach durch das geschmolzene bleifreie Lot erodiert, wenn sie in Kontakt mit dem geschmolzenen bleifreien Lot gebracht werden.
Beispiele von Ni enthaltenden bleifreien Loten beinhalten Sn-Cu-Ni-P-Legierungen, Sn-Ag-Ni-Legierungen, Sn-Cu-Ni-Legierungen, Sn-Ag-Cu-Ni-Legierungen, Sn-Sb-Ni-Legierungen, Sn-Bi-Ni-Legierungen, Sn-In-Ni-Legierungen und dergleichen.
Ein Band kann zum Beispiel durch Stanzen mit einer Presse verarbeitet werden, um sogenannte Lötformteile von verschienen Formen, wie zum Beispiel Pellets oder Scheiben, zu erzielen.
Als Nächstes werden Beispiele der vorliegenden Erfindung und Vergleichsbeispiele erläutert.
Beispiel 1

Lötformteil: 10 × 10 × 0,1 (mm);
Verfahren zum Herstellen eines Lötformteils: Verfahren mit einer gemischten Hauptlegierung;
Metallpartikel: Ni (Durchmesser 50 Mikrometer, Änderung von höchstens 10 Mikrometer);
Lot: Sn-0,7Cu-0,06Ni-0,005P;
Intermetallische Verbindungen, die auf dem Umfang von Metallpartikeln ausgebildet sind: Ni₃Sn, Ni₃Si₂, Ni₃Sn₄;
Lötverfahren: Ein Halbleiterelement, das 10 × 10 × 0,3 (mm) misst, ist mit einem Substrat (nickelplattiertem Kupfersubstrat), das 30 × 30 × 0,3 (mm) misst, unter Verwendung des Lötformteils einem Diebonden unterzogen worden. Das heißt, das Lötformteil ist zwischen das Halbleiterelement und das Substrat gebracht worden und ein Aufschmelzen ist in einer Stickstoff/Wasserstoff-Gasgemisch-Atmosphäre, die eine Sauerstoffkonzentration von 10 ppm aufweist, für drei Minuten bei einer Temperatur von mindestes 235°C mit einer Spitzentemperatur von 280°C und einer Gesamtaufschmelzzeit von 15 Minuten ausgeführt worden.

Beispiel 2

Lötformteil: 10 × 10 × 0,1 (mm);
Verfahren zum Herstellen eines Lötformteils: Verfahren mit einer gemischten Hauptlegierung;
Metallpartikel: Cu (Durchmesser 50 Mikrometer, Änderung von höchstens 10 Mikrometer);
Lot: Sn-3Ag-0,5Cu;
Intermetallische Verbindungen, die auf dem Umfang von Metallpartikeln ausgebildet sind: Cu₃Sn, Cu₆Sn₅;
Lötverfahren: das gleiche wie in Beispiel 1.

Vergleichsbeispiel 1

Lötformteil: 10 × 10 × 0,1 (mm);
Verfahren zum Herstellen eines Lötformteils: Walzeneinbettverfahren;
Metallpartikel: Ni (Durchmesser 50 Mikrometer, Änderung von mindestens 30 Mikrometer);
Lot: Sn-0,7Cu-0,06Ni-0,05P;
Intermetallische Verbindungen, die auf dem Umfang von Metallpartikeln ausgebildet sind: keine;
Lötverfahren: das gleiche wie in Beispiel 1

Wenn die verbundenen Abschnitte von Elektronikbauteilen, die unter Verwendung der Lötformteile der Beispiele 1 und 2 und des Vergleichsbeispiels 1 vorbereitet worden sind, mit einer Röntgenstrahlen-Durchleuchtungsvorrichtung auf das Vorhandensein von Leerräumen untersucht worden sind, sind keine Leerräume in den Elektronikbauteilen gewesen, die aus den Lötformteilen der Beispiele 1 und 2 vorbereitet worden sind, sind jedoch Leerräume in den Elektronikbauteilen entwickelt worden, die aus dem Lötformteil des Vergleichsbeispiels 1 vorbereitet worden sind. Aus diesem Ergebnis ist es zu sehen, dass ein Umhüllen von Luft oder ein Vorhandensein von Flussmittelrest in einem Lötformteil gemäß der vorliegenden Erfindung nicht beobachtet worden ist.
Wenn die Dicke des Umfangs von jedem der Elektronikbauteile, die unter Verwendung der Lötformteile der Beispiele 1 und 2 und des Vergleichsbeispiels 1 vorbereitet worden sind, mit einem Mikrometer gemessen wurden, war die Differenz zwischen der maximalen Dicke und der minimalen Dicke für die Beispiele 1 und 2 höchstens 20 Mikrometer, während die Differenz zwischen der maximalen Dicke und der minimalen Dicke für das Vergleichsbeispiel 1 60 Mikrometer war.
Elektronikbauteile, die unter Verwendung der Lötformteile des Beispiels 1 und des Vergleichsbeispiels 1 vorbereitet worden sind, sind einem Wärmezyklustest von –30°C bis +120°C gemäß dem Standard JASO D001-87 unterzogen worden, der durch die Society of Automotive Engineers of Japan spezifiziert ist.
9 ist ein Graph, der die Ergebnisse dieses Tests zeigt. Mit dem Test des Beispiels entwickeln sich Risse auch nicht nach 500 Zyklen, jedoch entwickeln sich für das Vergleichsbeispiel Risse durch 500 Zyklen. Bezüglich des Ziels bei 3000 Zyklen in dem Standard (eine Rissrate von höchstens 20%), war die Rissrate höchstens 10% für das Beispiel und war ihre Abweichung klein. Im Gegensatz dazu war für das Vergleichsbeispiel die Rissrate 12 bis 28%, so dass die Abweichung groß war und das Ziel nicht erzielt wurde.
Zusammenfassung
Ein Elektronikbauteil, das ein Halbleiterelement aufweist, das mit einem Lot mit einem Substrat verbunden ist, weist eine verringerte Kontaktierungsfestigkeit auf, wenn es keinen geeigneten Zwischenraum zwischen dem Halbleiterelement und dem Substrat gibt. Deshalb ist ein Lötformteil, das Metallpartikel mit einem hohen Schmelzpunkt aufweist, die im Lot aufgelöst sind, bei dem Herstellen von Elektronikbauteilen verwendet worden. Jedoch gab es, wenn ein Elektronikbauteil unter Verwendung eines herkömmlichen Lötformteils hergestellt wurde, Fälle, in welchen das Halbleiterelement geneigt wurde oder die Kontaktierungsfestigkeit nicht angemessen war.
Ein Lötformteil gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Änderung der Abmessung von Metallpartikeln mit einem hohen Schmelzpunkt auf, welche höchstens 20 Mikrometer sind, wenn der Metallpartikeldurchmesser 50 Mikrometer ist, und eine Legierungsschicht der Metallpartikel mit einem hohen Schmelzpunkt und der Hauptkomponente eines Lots ist um die Metallpartikel mit einem hohen Schmelzpunkt ausgebildet. Weiterhin sind überhaupt keine Leerräume in dem Lot vorhanden. Ein Elektronikbauteil gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Halbleiterelement auf, das mit dem zuvor beschriebenen Lötformteil mit einem Substrat verbunden ist und eine hervorragende Beständigkeit bezüglich Wärmezyklen aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 03-281088 A [0009]
- JP 06-685 A [0009]
- JP 06-31486 A [0009]
- JP 2005-161338 A [0009]

Claims

Lötformteil, das Metallpartikel mit einem hohen Schmelzpunkt aufweist, die in einer Lotlage einer Lotlegierung aufgelöst sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallpartikel einen Schmelzpunkt von mindestens 300°C höher als den Schmelzpunkt der Lotlegierung aufweisen, und einen Partikeldurchmesser von 20 bis 300 Mikrometer aufweisen, wobei die Änderung des Partikeldurchmessers der Metallpartikel mit einem hohen Schmelzpunkt höchstens 40% des Partikeldurchmessers ist, wobei die Metallpartikel mit einem hohen Schmelzpunkt eine Legierungsschicht aufweisen, die aus der Hauptkomponente des Lots und den Metallpartikeln mit einem hohen Schmelzpunkt auf dem Umfang der Metallpartikel ausgebildet ist.
Lötformteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallpartikel mit einem hohen Schmelzpunkt aus mindestens einem bestehen, das aus Ni, Ag, Cu, Fe und Legierungen davon ausgewählt ist, wobei das Lot ein bleifreies Lot ist, das Sn als eine Hauptkomponente aufweist, und die Legierungsschicht, die auf dem Umfang der Metallpartikel mit einem hohen Schmelzpunkt ausgebildet ist, eine intermetallische Verbindung aus Sn und dem Metall der Metallpartikel mit einem hohen Schmelzpunkt ist.
Elektronikbauteil, gekennzeichnet durch ein Aufweisen eines Halbleiterelements und eines Substrats und ein Aufweisen einer Lotverbindung, welche durch Löten unter Verwendung des Lötformteils nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 ausgebildet ist, wobei die Lotverbindung frei von Leerräumen ist, die darin ausgebildet sind, und die Differenz zwischen der maximalen Dicke und der minimalen Dicke der Lötverbindung höchstens 40% des Durchmessers des Metallpartikels ist.