DE112011101556B4 - Gemischtlegierungslötmittelpaste - Google Patents

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Abstract

Lötmittelpaste bestehend aus:einer Menge an einem ersten Lötmittellegierungspulver zwischen 60 Gew.-% und 92 Gew.-%,einer Menge an einem zweiten Lötmittellegierungspulver von mehr als 0 Gew.-% und weniger als 12 Gew.-%; undeinem Fließmittel;wobei das erste Lötmittellegierungspulver eine erste Lötmittellegierung enthält, die eine Solidustemperatur oberhalb von 260 °C hat, wobei die erste Lötmittellegierung eine Bi-Ag, Bi-Cu oder Bi-Ag-Cu Legierung ist; undwobei das zweite Lötmittellegierungspulver eine zweite Lötmittellegierung enthält, die eine Solidustemperatur hat, die niedriger als 250 °C ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Lötmittelzusammensetzungen und insbesondere beziehen sich einige Ausführungsformen auf Lötmittelzusammensetzungen für Hochtemperaturlötmittelverbindungsanwendungen.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Blei, das bei der Entsorgung von elektronischen Bauteilen erzeugt wird, wird als für die Umwelt und die menschliche Gesundheit gefährlich erachtet. Verordnungen verbieten immer mehr die Verwendung von Pb-haltigen Lötmitteln in der elektronischen Verbindungs- und elektronischen Bauteilindustrie. Pb-freie, Lötmittel die das traditionelle eutektische Pb-Sn ersetzen, wurden weitgehend erforscht. SnAg, SnCu, SnAgCu und SnZn Lötmittel werden Durchschnittslötmittel für Verbindungen in der Halbleiter- und Elektronikindustrie. Jedoch befindet sich die Entwicklung von Pb-freien Hochtemperaturlötmitteln, die die herkömmlichen hoch Pb-haltigen ersetzen, d.h. Pb-5Sn & Pb-5Sn-2,5Ag noch in den Kinderschuhen. Hochtemperaturlötmittel werden verwendet, um die interne Verbindung innerhalb der Komponenten einer Anordnung zu erhalten, wenn die Anordnung auf eine Leiterplatte (PWB) gelötet ist.
  • Eine gebräuchliche Verwendung von Hochtemperaturlötmitteln ist die für die Chipbefestigung. In einem Beispielprozess wird die Anordnung durch Löten eines Siliziumchips auf einen Bleirahmen unter Verwendung des Hochtemperaturlötmittels gebildet. Dann wird die entweder eingekapselte oder nicht eingekapselte Siliziumchip/Bleirahmen Anordnung durch Löten oder mechanische Befestigung, an dem PWB befestigt. Die Platte kann für die Oberflächenmontage anderer elektronischer Vorrichtungen auf der Platte wenigen weiteren Reflow-Prozessen ausgesetzt werden. Während der weiteren Lötprozesse sollten die internen Verbindungen zwischen dem Siliziumchip und dem Bleirahmen gut erhalten bleiben. Dies erfordert, dass das Hochtemperaturlötmittel vielfachen Reflows ohne jegliche funktionale Fehler übersteht.
  • Dementsprechend umfassen die Hauptanforderungen an die Hochtemperaturlötmittel, um mit den Lötmittel-Reflow-Profilen, die in der Industrie verwendet werden, kompatibel zu sein (i) eine Schmelztemperatur um 260 °C und darüber (in Übereinstimmung mit typischen Lötmittel-Reflow-Profilen), (ii) gute thermische Ermüdungsbeständigkeit, (iii) hohe thermische/elektrische Leitfähigkeit, und (iv) niedrige Kosten.
  • Derzeit sind keine einlegbaren bleifreien Alternativen in den Industrien verfügbar. Dennoch wurden kürzlich einige wenige bleifreie Lötmittelkandidaten für die Hochtemperaturchipbefestigungsanwendung vorgeschlagen, wie (1) Sn-Sb, (2) Zn-basierte Legierungen, (3) Au-Sn/Si/Ge und (4) Bi-Ag.
  • Sn-Sb Legierungen mit weniger als 10 Gew.-% Sb erhalten die guten mechanischen Eigenschaften ohne massive intermetallische Verbindungen zu bilden. Aber ihre Solidustemperatur ist nicht höher als 250 °C, was die 260 °C Anforderung für die Reflow-Beständigkeit nicht erfüllt.
  • Zn-basierte Legierungen, umfassend eutektisches Zn-Al, Zn-Al-Mg und Zn-Al-Cu, haben Schmelztemperaturen oberhalb von 330 °C. Dennoch verursacht die hohe Affinität von Zn, Al und Mg zu Sauerstoff eine extrem geringe Benetzung auf unterschiedlichen Metallisierungsendoberflächen. Zn-(20-40 Gew.-%)Sn Lötmittellegierungen, die als eines der Hochtemperaturlötmittelsubstitute vorgeschlagen sind, haben eine Liquidustemperatur oberhalb von 300 °C aber die Solidustemperatur liegt nur um 200 °C. Der halbfeste Zustand von Zn-Sn Lötmitteln um 260 °C soll während des nachfolgenden Reflows eine gute Verbindung zwischen den Komponenten erhalten. Dennoch entstehen Probleme wenn das halbfeste Lötmittel in einer vergossenen Baugruppe gedrückt wird was das halbfeste Lötmittel zwingt auszufließen. Dies erzeugt ein Risiko von unerwartetem Versagen. Zn-basierte Lötmittellegierungen werden ebenso massive IMC Schichten zwischen der Metallisierungsoberfläche und dem Lötmittel bilden. Die Existenz der IMC Schicht und ihr intensives Wachstum während dem anschließenden Reflow und Arbeitsgang, verursacht auch Beständigkeitsbedenken.
  • Eutektisches Au-Sn, das aus zwei intermetallischen Verbindungen gebildet ist, hat sich experimentell aufgrund seiner Schmelztemperatur von 280 °C, guten mechanischen Eigenschaften, hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit und exzellenter Korrosionsbeständigkeit als ein zuverlässiges Hochtemperaturlötmittel gezeigt. Dennoch beschränken extrem hohe Kosten seine Anwendung in Gebieten, in denen die Kosten die Beständigkeitsüberlegungen überwinden.
  • Bi-Ag Legierungen mit einer Solidustemperatur von 262 °C erfüllen die Schmelztemperaturanforderung für Hochtemperaturchipbefestigungslötmittel. Dennoch gibt es einige wenige Hauptbedenken: (1) geringes Benetzen auf unterschiedlichen Endoberflächen und (2) die damit verbundene schwache Verbindungsgrenzfläche, die von der schlechten Benetzung herrührt.
  • Die Schmelztemperaturanforderung für hochschmelzende Lötmittel macht Sn-Sb und Zn-Sn Lötmittel ungeeignet. Die extrem hohen Kosten von Au reichen Lötmitteln beschränkt ihre Akzeptanz durch die Industrie. Zn-Al und Bi-Ag halten die Schmelztemperaturanforderung ein und sind einigermaßen kostengünstig. Dennoch, ihre schlechte Benetzung, bedingt durch die hohe Affinität zu Sauerstoff (in dem Zn-Al Lötmittelsystem), oder bedingt durch ihre schlechte Reaktionschemie zwischen dem Lötmittel und der Substratmetallisierung (in dem Bi-Ag Lötmittelsystem oder selbst in einigen bleihaltigen Lötmitteln wie Pb-Cu und Pb-Ag Systemen), machen diese hochschmelzenden Lötmittel aufgrund der schwachen Bindungsstärke, die aus der schlechten Benetzung resultiert, in der Industrie schwer nutzbar. Dennoch macht die gewünschte hohe Schmelztemperatur von BiAg und ZnAI sie noch zu geeigneten Kandidaten für bleifreie Hochtemperaturlötmittel.
  • Wie oben beschrieben, rührt die geringe Benetzung eines Lötmittels aus (1) der schlechten Reaktionschemie oder (2) der Oxidation des Lötmittels her. Eine schwache Bindung wird immer mit einer schlechten Benetzung in Verbindung gebracht. Zum Beispiel entsteht die schlechte Benetzung von Bi-basierten Lötmitteln auf unterschiedlichen Metallisierungsendoberflächen hauptsächlich durch die schlechte Reaktionschemie zwischen Bi und den Substratmaterialien (d.h. Cu) oder der Oxidation von Bi während des Reflow. Gedotiertes BiAg, das die Verhinderung der exzessiven Bildung von Absonderungen auf einer Legierungsoberfläche während des Schmelzens zum Ziel hat, sind entwickelt worden. Dennoch wird diese Dotierung die Reaktionschemie zwischen Bi und den Metallisierungsendoberfläche des Substrats nicht ändern. Bi und Cu werden keine IMCs an einer Bi/Cu Grenzfläche bilden, was die vorherrschende Ursache für die schlechte Benetzung und die schwache Bindungsgrenzfläche ist. Bi und Ni werden eine IMC Schicht zwischen einer Bi/Ni Grenzfläche bilden, aber die brüchigen IMCs (Bi3Ni oder BiNi) schwächen die Verbindungsstärke, weil Risse immer entlang entweder der Grenzfläche zwischen Bi3Ni und der Lötmittelmatrix oder der Grenzfläche zwischen BiNi und dem Ni Substrat wachsen. Entsprechend führt die Reaktionschemie zwischen Bi und Substratmaterialien zu der schlechten Benetzung und schwachen Bindungsstärke.
  • Es wurden Versuche unternommen, die Reaktionschemie zwischen der Lötmittellegierung und der Metallisierungsendoberfläche durch Legieren von zusätzlichen Elementen in das Lötmittel zu modifizieren. Dennoch geht Legieren normalerweise mit einigen unerwarteten Eigenschaftsverlusten einher. Zum Beispiel zeigt Sn eine bessere Reaktionschemie mit Substraten im Vergleich zu Bi. Dennoch, kann ein direktes Legieren von Sn in BiAg (wo das Ag darauf abzielt, die thermische/elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen) (1) ein signifikantes Absenken der Schmelztemperatur oder (2) die Bildung von Ag3Sn IMC in der Legierung verursachen. Dies wird, wenn nicht ausreichend Zeit für sie vorhanden ist, sich während des Rückflusses in dem geschmolzenen Lötmittel zu lösen, die Reaktionschemie zwischen Sn und den Substratmetallen nicht verbessern. Daher zeigt das direkte Legieren von Elementen in das Lötmittel, wie das direkte Legieren von Sn in Bi-Ag Legierungen, minimale Verbesserungen.
  • JP 2010-036199 A hat sich die Aufgabe gestellt, die Sprödigkeit an einer Grenzfläche zwischen einem Verbindungsmaterial und einem verbundenen Material zu reduzieren und eine Erhöhung der Wärmebeständigkeit und Verbesserung der mechanischen Zuverlässigkeit eines Halbleiterbauelements zu erzielen. Hierzu wird auf ein isolierendes Substrat ein Bindungsmaterial aufgetragen, in dem ein Metall-A-Pulver und ein Metall-B-Pulver mit einem höheren Schmelzpunkt und einem geringeren spezifischen Gewicht im Vergleich zum Metall-A-Pulver mit einem Flussmittel dispergiert sind und ein Halbleiterchip als Wärmeerzeugungsquelle platziert wird. Dann wird der über dem Verbindungsmaterial positionierte Halbleiterchip in einen Heizofen gegeben, während das Verbindungsmaterial zwischen dem Halbleiterchip und dem isolierenden Substrat gehalten wird, und auf eine Temperatur erhitzt, die gleich oder höher als der Schmelzpunkt des Metalls ist A-Pulver, das dem Schmelzpunkt des Metall-B-Pulvers entspricht oder darunter liegt, und dann auf eine Temperatur erhitzt wird, die dem Schmelzpunkt des Metall-B-Pulvers entspricht oder darüber liegt.
  • JP H11-186712 A stellt eine Lötpaste bereit, die kein Pb enthält und eine ausreichende Benetzbarkeit durch das Reflow bei der gegenwärtigen oder niedrigeren Temperatur bietet, ohne die Löteigenschaften zu verschlechtern. Offenbart wird eine Lötpaste zum Löten elektronischer Komponenten, die kein Pb, aber zwei oder mehr Arten von Legierungspulvern enthält, die sich im Schmelzpunkt unterscheiden, was zu einer unterschiedlichen Zusammensetzung führt.
  • US 2009/0301607 A1 stellt eine Lötpaste bereit, die eine Solidustemperatur von 255°C oder mehr aufweist und in der Benetzbarkeit zwischen Bi- und Cu- oder Ag-Elektrode verbessert ist, um selbst bei niedrigen Temperaturen eine etwa gleichwertige Benetzbarkeit wie Pbhaltige Hochtemperaturlote zu erreichen. Die Lötpaste umfasst eine Metallpulverkomponente bestehend aus Bi oder einer Bi-Legierung, ein die Solidustemperatur senkendes Metall für Bi und ein Festphasenmetall, das mit dem die Solidustemperatur senkenden Metall eine intermetallische Verbindung bilden kann, sowie eine Flussmittelkomponente.
  • Kurze Zusammenfassung der Ausführungsformen der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung beansprucht eine neue Technologie zum Gestalten und Herstellen von Gemischtlegierungslötmittelpasten, die die kombinierten Vorzüge der Bestandteile der Legierungspulver liefern. In einigen Ausführungsformen sind die Gemischtlegierungslötmittelpasten für Hochtemperaturlötmittelanwendungen, wie die Chipbefestigung, geeignet, da die Bestandteile die gewünschten Vorzüge, umfassend eine verbesserte Reaktionschemie, gut kontrollierte IMC Schichtdicke und die erhöhte Beständigkeit, entsprechend von der zweiten Legierung und die hohe Schmelztemperatur und gute thermische/elektrische Leitfähigkeit von der ersten Legierung, bereitstellen. Die Erfindung zeigt auch das Verfahren zur Herstellung der Gemischtlegierungslötmittelpasten und die Methodik zum Verbinden der elektronischen Komponenten oder mechanischen Teile mit den Gemischtlegierungslötmittelpasten auf.
  • Die erfundene Technologie stellt ein Verfahren zur Gestaltung von Gemischtlegierungspulverpasten bereit, in denen die zusätzlichen Pulver in der Paste vorhanden sind, um die Reaktionschemie bei einer relativ niedriger Temperatur oder zusammen mit dem Schmelzen der ersten Legierungslötmittelpulver, zu verbessern. In einigen Ausführungsformen enthalten die Gemischtlegierungspulverpasten zwei oder mehr Legierungspulver und ein Fließmittel. Die Legierungspulver in der Paste sind aus einem Lötmittellegierungspulver als Majorität und einem zusätzlichen Legierungspulver als Minorität zusammengesetzt. Die Zusätze stellen die ausgezeichneten chemischen Eigenschaften bereit, verschiedene Metallisierungsendoberflächen der Substrate, nämlich der herkömmlich verwendeten Cu und Ni Endoberflächen, etc. zu benetzen, bereit.
  • In einigen Ausführungsformen werden die Zusätze vor oder zusammen mit dem Schmelzen des Majoritätslötmittels schmelzen. Die geschmolzenen Zusätze werden vor oder zusammen mit der teilweise oder vollständig geschmolzenen ersten Legierung das Substrat benetzen und daran anhaften. Die Zusätze sind ausgebildet, die Bildung von IMCs entlang der Substratmetallisierungsendoberfläche zu dominieren und werden während des Reflow-Prozesses vollständig in IMCs umgewandelt. Die Dicke der IMC Schicht wird daher, aufgrund der dominanten Rollen, die die Zusätze in der IMC Bildung spielen, gut durch die Menge an den Zusätzen in der Paste kontrolliert. In einigen Ausführungsformen wird das erste Legierungslötmittel eine starke Affinität zu der zwischen den Zusätzen und dem Substrat gebildeten IMC Schicht aufweisen. Diese starke Affinität wird die Bindungsstärke zwischen dem Lötmittelkörper und den IMCs erhöhen. Daher verbessern die gewünschte Reaktionschemie und die gut kontrollierte Dicke der IMC Schicht nicht nur die Benetzungsfähigkeit, sondern erhöhen auch die Bindungsstärke, die mit der Benetzungsfähigkeit verbunden ist.
  • Andere Merkmale und Aspekte der Erfindung werden offenbar durch die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen, die beispielhaft die Merkmale in Übereinstimmung mit den Ausführungsformen der Erfindung zeigen. Die Zusammenfassung ist nicht dazu vorgesehen den Umfang der Erfindung einzuschränken, der allein durch die hier angefügten Ansprüche definiert ist.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die vorliegende Erfindung wird in Übereinstimmung mit einem oder mehreren verschiedenen Ausführungsformen im Detail unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren beschrieben. Die Zeichnungen werden nur für Zwecke der Veranschaulichung bereitgestellt und geben lediglich typische oder beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung wieder. Diese Zeichnungen werden bereitgestellt, um das Verständnis des Lesers für die Erfindung zu erleichtern und soll nicht als die Breite, den Umfang oder die Anwendbarkeit der Erfindung einschränkend aufgefasst werden. Es soll angemerkt werden, dass diese Zeichnungen für die Deutlichkeit und Erleichterung der Erläuterung nicht zwangsläufig maßstabsgetreu sind.
    • 1 zeigt einen Reflow-Lötprozess, der entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung ausgeführt ist.
    • 2 zeigt die Benetzungsfähigkeit einer Beispiellötmittelpaste, die aus 90Gew.- %Bi10,02Ag3,74Sn + 10 Gew.-% Fließmittel besteht auf einem Cu Coupon und einem Legierung 42 Coupon.
    • 3 zeigt die Benetzungsfähigkeit eines Beispiels der Gemischtlegierungspulverlötmittelpaste, die aus 84Gew.-%Bi11Ag + 6Gew.-%Bi42Sn + 10 Gew.-% Fließmittel besteht auf einem Cu Coupon und einem Legierung 42 Coupon.
    • 4 zeigt die Benetzungsfähigkeit eines Beispiels der Gemischtlegierungspulverlötmittelpaste, die aus 84Gew.-%Bi11Ag + 6Gew.-%52ln48Sn + 10 Gew.-% Fließmittel besteht auf einem Cu Coupon und einem Legierung 42 Coupon.
    • 5 ist ein DSC Diagramm einer Gemischtlegierungspulverlötmittelpaste, die aus 84Gew.-%Bi11Ag + 6 Gew.-%Sn15Sb + 10 Gew.-% Fließmittel besteht.
    • 6 ist ein DSC Diagramm einer Gemischtlegierungspulverlötmittelpaste, die aus 84Gew.-%Bi11Ag + 6 Gew.-%Sn3,5Ag + 10 Gew.-% Fließmittel besteht.
    • 7 ist ein DSC Diagramm einer Gemischtlegierungspulverlötmittelpaste, die aus 84Gew.-%Bi11Ag + 6 Gew.-%Bi42Sn + 10 Gew.-% Fließmittel besteht.
    • 8A und B sind Querschnittabbildungen von den Verbindungen, die aus einer Gemischtlegierungspulverlötmittelpaste auf Cu und Ni Coupons gemacht wurden. Die Gemischtlegierungspulverpaste besteht aus 84Gew.-%Bi11Ag + 6Gew.-%Sn3,5Ag + 10 Gew.-% Fließmittel.
  • Die Figuren sind nicht dazu vorgesehen erschöpfend zu sein oder die Erfindung auf die präzise offenbarte Form einzuschränken. Hierbei soll verstanden werden, dass die Erfindung mit Modifikation und Änderungen ausgeübt werden kann und dass die Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt ist.
  • Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung ist auf Lötmittelpasten, die Mischungen von unterschiedlichen Lötmittellegierungen in einem Fließmittel enthalten, gerichtet und ist in den anliegen den Ansprüchen definiert. Zwei oder mehr Lötmittellegierungen oder Metalle sind in einem Fließmittel enthalten. Eine erste Lötmittellegierung oder Metall (die „erste Legierung“) wird den Hauptkörper der Lötmittelverbindung während des Reflow bilden. Die übrige zweite Lötmittellegierung oder Metall, oder weitere zusätzliche Lötmittellegierungen oder Metalle (die „zweite Legierung“) ist entsprechend der Reaktionschemie mit dem Metallsubstrat oder der Affinität zu der ersten Legierung ausgewählt. Die Schmelztemperatur der zweiten Legierung Tm(B) ist niedriger als die Schmelztemperatur der ersten Legierung Tm(A). Während des Reflow schmilzt die zweite Legierung zuerst und verteilt sich auf dem Substrat. Wenn die erste Legierung schmilzt, erleichtert die Anwesenheit der zweiten Legierung das Absetzen der geschmolzenen ersten Legierung auf dem Substrat. Die zweite Legierung ist ausgebildet, um sich vollständig in IMCs umzuwandeln womit eine minimale oder nicht anwesende niedrigschmelzende Phase in der finalen Verbindung verbunden ist.
  • Die Zusätze in den Pasten modifizieren die Reaktionschemie während des Reflow, verbessern die Benetzung, kontrollieren die Dicke der IMCs und erhöhen daher die Bindungsstärke. Zusätzlich zu Lötmitteln für bleifreies Hochtemperaturlöten mit der gewünschten Benetzung und Beständigkeit, kann der Gestaltungsprozess ausgeweitet werden auf viele andere Lötanwendungen, wo immer ein schlecht benetzendes Lötmittel in Verwendung ist. Zum Beispiel haben Pb-Cu Legierungen eine hohe Schmelztemperatur aber eine schlechte Benetzung auf verschiedenen Metallsubstraten. Daher sind sie schwer für das Löten zu verwenden. Mit der jetzigen Erfindung werden kleine Zusätze wie Sn oder Sn-haltige Legierungen Pb-Cu dazu verhelfen, verschiedene Metalloberflächen zu benetzen. Dennoch, wenn das Sn lediglich in Pb-Cu legiert würde, würde die Cu6Sn5 IMC Bildung die Reaktionschemie des Sn herabsetzen. Legieren höherer Mengen Sn in dem Lötmittel wird die Schmelztemperatur von Pb-Cu signifikant herabsetzen, was unerwünscht ist.
  • 1 zeigt einen Reflow-Prozess, der eine Gemischtlötmittelpaste gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verwendet. Die Gemischtlötmittelpaste enthält Lötmittelpartikel 118 der ersten Legierung und Lötmittelpartikel 115 der zweiten Legierung, die in einem Fließmittel suspendiert sind. In einigen Ausführungsformen ist die zweite Legierung gemäß ihrer ausgezeichneten Reaktionschemie mit dem Substrat, oder mit einer Auswahl an üblichen Substraten, ausgewählt. Die Gemischtlötmittelpaste wird auf ein Substrat 124 aufgebracht. (Zum Zweck der Erklärung ist das Fließmittel in der Figur weggelassen.)
  • Während des Reflow steigt die Temperatur der Anordnung über die Schmelztemperatur der zweiten Legierung Tm(B). Die zweite Legierung schmilzt und verteilt sich 112 über das Substrat 124 und um die noch festen Partikel 118 der ersten Legierung. Die ausgezeichnete Oberflächenreaktionschemie der zweiten Legierung wird das Benetzen der geschmolzenen Lötmittellegierung 112 auf dem Substrat 124 erleichtern. Dies führt zu der Bildung einer IMC Schicht 109 zwischen der geschmolzenen zweiten Legierung 112 und dem Substrat 124. Dementsprechend wird die IMC Schicht hauptsächlich durch die Menge an zweiter Legierung 115 in der Ausgangspaste kontrolliert.
  • Zusätzlich ist die zweite Legierung so ausgebildet, dass sie eine gute Affinität zu der ersten Legierung aufweist. Diese Affinität kann bestimmt werden durch (1) die negative Mischungsenthalpie zwischen der ersten Legierung und der zweiten Legierung, oder (2) durch die Bildung einer eutektischen Phase, die aus den die ersten Legierungen und die zweiten Legierungen bildenden Elementen, gebildet ist. In einigen Ausführungsformen führt die Affinität dazu, dass sich etwas der ersten Legierung 118 in der geschmolzenen zweiten Legierung 112 löst, um eine Mischung 106 der ersten und zweiten Legierungen zu bilden.
  • Wenn die Temperatur über die Schmelztemperatur der ersten Legierung, Tm(A), ansteigt, beendet die erste Legierung das Schmelzen, wobei eine Lösung 103 der ersten und zweiten Legierungen ausgebildet wird, die die IMC Schicht 109 benetzt. Wenn die Anordnung oberhalb Tm(A) gehalten wird, wird die zweite Legierung aus der Lösung 103 entfernt, was die IMC Schicht erhöht, und die geschmolzene erste Legierung 100 zurück lässt. In einigen Ausführungsformen können zusätzlich zur Bildung der IMC Schicht 109 überschüssige Bestandteile aus der zweiten Legierung mit Bestandteilen aus der ersten Legierung in der IMC enthalten sein. Die Affinität zwischen der ersten Legierung und der zweiten Legierung trägt zur Verbesserung der Benetzung der ersten Legierung 100 auf der IMC Schicht 109 bei und erhöht dabei die Bindungsstärke.
  • Wenn die Anordnung gekühlt wird, wird eine Lötmittelerhebung oder Verbindung für das auf der IMC 109 gebondete Substrat 124, gebildet, die an die verfestigte erste Legierung gebunden ist. Nach der Verfestigung wurde eine homogene Lötverbindung mit verbesserter Bindungsgrenzfläche erhalten.
  • Die Lötmittelverbindung, die aus der Verwendung der Gemischtlötmittelpaste resultiert, zeigt große Anwendungsverbesserungen gegenüber der Verwendung einer Lötmittelpaste, die eine einzige Lötmittellegierung enthält, selbst wenn die einzelne Lötmittellegierung aus den Elementen der ersten und zweiten Lötmittellegierungen gebildet ist. 2 zeigt die Lötmittelerhebungen 201 und 207, die unter Verwendung einer nicht erfindungsgemäßen Lötmittelpaste, die aus 90Gew.-%Bi10,02Ag3,74Sn + 10 Gew.-% Fließmittel besteht, auf einem Cu Substrat 200 und entsprechend auf einem Legierung 42 Substrat 205, gebildet sind. Wie diese Ergebnisse zeigen, tritt bei der Verwendung einer einzelnen Lötmittellegierung eine signifikante Entnetzung 202 und 206 auf. Im Vergleich dazu zeigt 3 Lötmittelerhebungen 211 und 216, die unter Verwendung einer Gemischtlötmittelpaste, die aus 84Gew.-%Bi11Ag + 6Gew.-%Bi42Sn + 10 Gew.-% Fließmittel besteht, auf einem Cu Substrat 210 und entsprechend auf einem Legierung 42 Substrat 215, gebildet wurden. Wie die Ergebnisse zeigen, zeigt die Verwendung einer Gemischtlötmittelpaste kleine bis nicht sichtbare Entnetzungen.
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die Gemischtlötmittelpaste BiAg als erste Legierung und SnSb als zweite Legierung. In der zweiten Legierung ist Sn wegen seiner ausgezeichneten Reaktionschemie über Bi mit verschiedenen Substraten ausgewählt. SnSb hat eine niedrigere Schmelztemperatur als BiAg. Sn und Bi weisen eine negative Mischungsenthalpie auf und bilden in einem weiten Zusammensetzungsbereich die eutektische Phase gemäß dem binären Phasendiagramm. Sb und Bi zeigen ebenfalls eine negative Mischungsenthalpie und unbeschränkte Löslichkeit ineinander. Während des Reflow schmilzt SnSb zuerst und bildet auf der Substratoberfläche eine Sn-haltige IMC Schicht. Wenn die Temperatur eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur von BiAg erreicht, schmelzen alle Legierungspulver in der Paste. Die gute Affinität zwischen Bi und Sn/Sb garantiert eine gute Adhäsion des geschmolzenen Bi auf der Sn-haltigen IMC Schicht. Zusätzlich kann das Vorliegen von Ag in der ersten Legierung jegliches extra Sn in Ag3Sn IMCs umwandeln, die sich in dem Lötmittelkörper ansiedeln. Daher verbleibt eine minimale oder keine niedrigschmelzende BiSn Phase, da Sn durch die Bildung von (1) der IMC Schicht zwischen dem Lötmittel und dem Metallsubstrat und (2) von Ag3Sn innerhalb der BiAg Lötmittelerhebung, vollständig verbraucht ist.
  • 5 zeigt eine DSC Kurve der Verbindung, die sich aus der Verwendung von 84Gew.-%Bi11Ag + 6Gew.-%Sn15Sb + 10Gew.-% Fließmittel ergibt. Die obere Kurve zeigt das Wärmeflussprofil nach dem Reflow auf einem keramischen Coupon. Eine Spitze bei um die 138 °C zeigt die Anwesenheit der zweiten Legierung. Die untere Kurve zeigt ein Wärmeflussprofil der Paste nach dem Reflow auf einem Cu Coupon. Die Abwesenheit dieser Spitze in der unteren Kurve bestätigt das Verschwinden der niedrigschmelzenden Phase in dem BiAg + SnSb System. 6 zeigt das Verschwinden der niedrigschmelzenden Phase in dem BiAg + SnAg System. Das Experiment von 6 verwendete 84Gew.-%Bi11Ag + 6Gew.-%Sn3,5Ag + 10 Gew.-% Fließmittel auf keramischen und Cu Coupons wie in 5. 7 zeigt das Verschwinden in dem BiAg+BiSn System. Das Experiment aus 7 verwendete 84Gew.-%Bi11Ag+ 6 Gew.-%Bi42Sb + 10 Gew.-% Fließmittel auf keramischen und Cu Coupons wie in 5 und 6. In 7 zeigt die obere Kurve, die das Wärmeflussprofil nach dem Lötmittel-Reflow auf Keramik darstellt, ein Fehlen der niedrigschmelzenden Phase. Dies liegt wahrscheinlich an der geringen Menge an dem reaktiven Agens, Sn, in der Gemischtlötmittelpaste und der hohen Affinität zwischen Sn und Ag, was dazu führt, dass das Sn der zweiten Legierung mit einigem an Ag der ersten Legierung im IMC der finalen Lötmittelerhebung enthalten ist.
  • 8 ist eine mikroskopische Aufnahme einer Lötmittelverbindung, die sich aus der Verwendung einer Gemischtlötmittelpaste, bestehend aus 84Gew.-%Bi11Ag + 6Gew.- %Sn3,5Ag + 10 Gew.-% Fließmittel, ergibt. In diesem Beispiel wurde die Gemischtlötmittelpaste auf ein Cu Coupon 300 aufgebracht. Ein IMC 301 bildet sich zwischen der Cu 300 und der zweiten Legierung. Die Größe dieser IMC 301 ist primär abhängig von der Menge an zweiter Legierung in der Paste. In dem gezeigten Beispiel führten 6 Gew.-% der zweiten Legierung Sn3,5Ag zu einer IMC, die nur einige µm dick ist. Die Masse der Lötmittelverbindung wurde aus Ag 303 in einer Bi-reichen Phase 302 gebildet. Altern bei 150 °C für 2 Wochen erhöhte die IMC Dicke nicht signifikant. Im Gegensatz dazu formen Bi und Cu keine intermetallischen Verbindungen, so dass Bi11Ag alleine schwache Bindungen bildet, da keine IMC Schicht zwischen dem Lötmittel und dem Substrat vorhanden ist.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Ausbilden einer Gemischtlötmittelpaste das Auswählen einer ersten Legierung entsprechend der gewünschten Charakteristik einer vollendeten Lötmittelverbindung und dann das Auswählen einer zweiten Legierung entsprechend den anwendbaren Substraten und der Affinität mit der ausgewählten ersten Legierung. Die relativen Mengen der ersten Legierung, der zweiten Legierung und des Fließmittels können entsprechend den Faktoren, wie der gewünschten IMC Schichtdicke, den erforderlichen Anwendungsbedingungen und den Reflow-Prozessen, bestimmt werden. Die IMC Schichtdicke steht in Beziehung zu der Menge an zweiter Legierung in der Lötmittelpaste, dem Reflow-Profil und den der Anwendung folgenden Alterungsbedingungen. Akzeptable Dicken der IMC Schicht können mit den unterschiedlichen Anwendungsbedingungen und unterschiedlichen IMC Zusammensetzungen variieren. Zum Beispiel kann für eine Cu6Sn IMC Schicht eine Dicke von etwa 10 µm akzeptabel sein.
  • Da die Menge der zweiten Legierung in der Paste erhöht ist, kann in der finalen Verbindung eine niedrigschmelzende Phase übrig sein. Wenn die Menge an zweiter Legierung in der Lötmittelpaste reduziert ist, kann es schwierig sein, die gewünschte Benetzungsfähigkeit zu erhalten. Da die Menge an zweiter Legierung reduziert ist, erfordert eine gute Benetzung die Verwendung einer großen absoluten Menge an Paste, die auf das Substrat gedruckt oder abgegeben ist. Dennoch kann eine Erhöhung der absoluten Menge an Paste die geometrischen Auflagen der Lötbaugruppe beeinträchtigen.
  • Für Hochtemperaturlötmittelanwendungen muss die erste Legierung ausgewählt sein aus verschiedenen hochschmelzenden Lötmittellegierungen. Erfindungsgemäß werden Bireiche Legierungen, deren Solidustemperatur um 258 °C und darüber liegt, d.h. Bi-Ag, Bi-Cu und Bi-Ag-Cu, verwendet. Die zweiten Legierungen (oder Zusätze) werden ausgewählt aus Legierungen die ausgezeichnete chemische Eigenschaften, um verschiedene Metallisierungsendoberflächen zu benetzen und daran anzuhaften und eine gute Affinität zu dem geschmolzenen Bi, gezeigt haben.
  • In diesen Ausführungsformen wird die zweite Legierung vor oder zusammen mit den Bi-reichen Legierungen schmelzen und dann das Substrat leicht benetzen und daran anhaften. Unterdessen wird die gute Affinität zwischen Bi und der zweiten Legierung eine gute Benetzung bereitstellen. Dementsprechend werden Sn, Sn-Legierungen, In und In-Legierungen als die zweite Legierung ausgewählt. Auf Basis der Schmelztemperatur der ausgewählten zweiten Legierungen wurden drei Gruppen kategorisiert. Gruppe A umfasst die zusätzlichen Legierungen mit einer Solidustemperatur zwischen um die 230 °C und 250 °C, d.h. Sn, Sn-Sb, Sn-Sb-X (X=Ag, AI, Au, Co, Cu, Ga, Ge, In, Mn, Ni, P, Pd, Pt und Zn) Legierungen etc. Gruppe B enthält die Lötmittellegierungen mit einer Solidustemperatur zwischen um die 200 °C und 230 °C, umfassend Sn-Ag, Sn-Cu, Sn-Ag-X (X= AI, Au, Co, Cu, Ga, Ge, In, Mn, Ni, P, Pd, Pt, Sb und Zn) und Sn-Zn Legierungen etc. Gruppe C umfasst die Lötmittellegierungen mit einer Solidustemperatur von niedriger als 200 °C, d.h. Sn-Bi, Sn-In, Bi-In, In-Cu, In-Ag und In-Ag-X (X= AI, Au, Bi, Co, Cu, Ga, Ge, Mn, Ni, P, Pd, Pt, Sb, Sn und Zn) Legierungen etc. In diesen Legierungen ist Sn das reaktive Agens in dem System.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist die erste Legierung eine Legierung aus dem Bi-Ag System und hat eine Solidustemperatur um 260 °C und darüber. In einer besonderen Ausführungsform enthält die erste Legierung von 0 bis 20 Gew.-% Ag mit Rest Bi. In einer weiteren Ausführungsform enthält die Legierung von 2,6 bis 15 Gew.-% Ag mit Rest Bi.
  • In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist die erste Legierung ausgewählt aus dem Bi-Cu System und hat einer Solidustemperatur um 270 °C und darüber. In einer besonderen Ausführungsform enthält die erste Legierung von 0 bis 5 Gew.-% Cu mit Rest Bi. In einer weiteren Ausführungsform enthält die erste Legierung von 0,2 bis 1,5 Gew.-% Cu mit Rest Bi.
  • In einer dritten Ausführungsform der Erfindung ist die erste Legierung ausgewählt aus dem Bi-Ag-Cu System und hat einer Solidustemperatur um 258 °C und darüber. In einer besonderen Ausführungsform enthält die erste Legierung von 0 bis 20 Gew.-% Ag und von 0 bis 5 Gew.-% Cu mit Rest Bi. In einer weiteren Ausführungsform enthält die erste Legierung von 2,6 bis 15 Gew.-% Ag und von 0,2 bis 1,5 Gew.-% Cu mit Rest Bi.
  • In einer vierten Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Legierung ausgewählt aus dem Sn-Sb System und hat einer Solidustemperatur zwischen um die 231 °C und um die 250 °C. In einer besonderen Ausführungsform enthält die zweite Legierung von 0 bis 15 Gew.-% Sb mit Rest Sn. In einer weiteren Ausführungsform enthält die zweite Legierung von 0 bis 15 Gew.-% Sb mit Rest Sn.
  • In einer fünften Ausführungsform der Erfindung enthält ist die zweite Legierung Sn-Sb-X (worin X= Ag, Al, Au, Co, Cu, Ga, Ge, In, Mn, Ni, P, Pd, Pt und Zn) und hat eine Solidustemperatur zwischen 230 °C und 250 °C. In einer besonderen Ausführungsform enthält die zweite Legierung von 0 bis 20 Gew.-% Sb und von 0-20 Gew.-% X mit Rest Sn. In einer weiteren Ausführungsform enthält die zweite Legierung von 0 bis 10 Gew.-% Sb und von 0 bis 5 Gew.-% X mit Rest Sn.
  • In einer sechsten Ausführungsform der Erfindung enthält die zweite Legierung Sn-Ag und hat einer Solidustemperatur um 221 °C und darüber. In einer besonderen Ausführungsform enthält die zweite Legierung von 0 bis 10 Gew.-% Ag mit Rest Sn. In einer weiteren Ausführungsform enthält die zweite Legierung von 0 bis 5 Gew.-% Ag mit Rest Sn.
  • In einer siebten Ausführungsform der Erfindung enthält die zweite Legierung Sn-Cu und hat eine Solidustemperatur um 227 °C und darüber. In einer besonderen Ausführungsform enthält die zweite Legierung von 0 bis 5 Gew.-% Cu mit Rest Sn. In einer weiteren Ausführungsform enthält die zweite Legierung von 0 bis 2 Gew.-% Cu mit Rest Sn.
  • In einer achten Ausführungsform der Erfindung enthält ist die zweite Legierung Sn-Ag-X (worin X= Al, Au, Co, Cu, Ga, Ge, In, Mn, Ni, P, Pd, Pt, Sb und Zn) und hat eine Solidustemperatur um 216 °C und darüber. In einer besonderen Ausführungsform enthält die zweite Legierung von 0 bis 10 Gew.-% Ag und von 0 bis 20 Gew.-% X mit Rest Sn. In einer weiteren Ausführungsform enthält die zweite Legierung von 0 bis 5 Gew.-% Ag und von 0 bis 5 Gew.-% X mit Rest Sn.
  • In einer neunten Ausführungsform der Erfindung enthält die zweite Legierung Sn-Zn und hat einer Solidustemperatur um 200 °C und darüber. In einer besonderen Ausführungsform enthält die zweite Legierung von 0 bis 20 Gew.-% Zn mit Rest Sn. In einer weiteren Ausführungsform enthält die zweite Legierung von 0 bis 9 Gew.-% Zn mit Rest Sn.
  • In einer zehnten Ausführungsform der Erfindung enthält die zweite Legierung eine Bi-Sn Legierung und hat einer Solidustemperatur um 139 °C und darüber. In einer besonderen Ausführungsform enthält die zweite Legierung von 8 bis 80 Gew.-% Sn mit Rest Bi. In einer weiteren Ausführungsform enthält die zweite Legierung von 30 bis 60 Gew.-% Sn mit Rest Bi.
  • In einer elften Ausführungsform der Erfindung enthält die zweite Legierung eine Sn-In Legierung und hat einer Solidustemperatur um 120 °C und darüber. In einer besonderen Ausführungsform enthält die zweite Legierung von 0 bis 80 Gew.-% In mit Rest Sn. In einer weiteren Ausführungsform enthält die zweite Legierung von 30 bis 50 Gew.-% In mit Rest Sn.
  • In einer zwölften Ausführungsform der Erfindung enthält die zweite Legierung eine Bi-In Legierung mit einer Solidustemperatur zwischen um die 100 und um die 200 °C . In einer besonderen Ausführungsform enthält die zweite Legierung von 0 bis 50 Gew.-% In mit Rest Bi. In einer besonderen Ausführungsform enthält die zweite Legierung von 20 bis 40 Gew.-% In mit Rest Bi.
  • In einer dreizehnten Ausführungsform der Erfindung enthält die zweite Legierung eine In-Cu Legierung mit einer Solidustemperatur zwischen um die 100 und um die 200 °C. In einer besonderen Ausführungsform enthält die zweite Legierung von 0 bis 10 Gew.-% Cu mit Rest In. In einer besonderen Ausführungsform enthält die zweite Legierung von 0 bis 5 Gew.-% Cu mit Rest In.
  • In einer vierzehnten Ausführungsform der Erfindung enthält die zweite Legierung eine In-Ag Legierung mit einer Solidustemperatur zwischen um die 100 und um die 200 °C. In einer besonderen Ausführungsform enthält die zweite Legierung von 0 bis 30 Gew.-% Ag mit Rest In. In einer weiteren Ausführungsform enthält die zweite Legierung von 0 bis 10 Gew.- % Ag mit Rest In.
  • In einer fünfzehnten Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Legierung eine In-Ag-X (X= Al, Au, Bi, Co, Cu, Ga, Ge, Mn, Ni, P, Pd, Pt, Sb, Sn und Zn) Legierung mit einer Solidustemperatur zwischen um die 100 und um die 200 °C. In einer weiteren Ausführungsform enthält die zweite Legierung von 0 bis 20 Gew.-% Ag, 0 bis 20 Gew.-% X mit Rest In. In einer besonderen Ausführungsform enthält die zweite Legierung von 0 bis 10 Gew.-% Ag, 0 bis 5 Gew.-% X mit Rest In.
  • Weitere Ausführungsformen der Erfindung stellen Verfahren zur Herstellung von Gemischtlötmittelpasten bereit. In einigen Ausführungsformen sind Partikel der ersten Legierung und Partikel der zweiten Legierung gebildet. Die Partikel der ersten und zweiten Legierungen werden dann mit einem Fließmittel gemischt, um eine Lötmittelpaste zu bilden. Die finale Paste enthält das erste Legierungspulver, das zweite Legierungspulver mit dem Fließmittel als Ausgleich. In einigen Ausführungsformen sind die Partikel der ersten Legierung aus einer Legierung, die eine Solidustemperatur von mindestens 260 °C hat. In weiteren Ausführungsformen enthält die zweite Legierung eine Legierung, die eine Solidustemperatur zwischen 230 °C und 250 °C, eine Legierung, die eine Solidustemperatur zwischen 200 °C und 230 °C oder eine Legierung, die eine Solidustemperatur unterhalb von 200 °C hat. In einigen Ausführungsformen ist die Paste aus zwischen 60 und 92 Gew.-% des ersten Legierungspulvers und einer Menge an zweitem Legierungspulver von größer als 0% aber weniger als oder gleich 12 Gew.-% mit dem Fließmittel als Ausgleich, zusammengesetzt. In weiteren Ausführungsformen beträgt das zweite Legierungspulver zwischen 2 und 10 Gew.-% der Gemischtlötmittelpaste.
  • Die erste Legierung ist eine Bi-Ag Legierung, eine Bi-Cu Legierung oder eine Bi-Ag-Cu Legierung. In einer weiteren Ausführungsform enthält die Legierung, die eine Solidustemperatur zwischen 230 °C und 250 °C hat, eine Sn Legierung, eine Sn-Sb Legierung oder ein Sn-Sb-X (wobei X= Ag, Al, Au, Co, Cu, Ga, Ge, In, Mn, Ni, P, Pd, Pt und Zn) Legierung. In einer anderen Ausführungsform enthält die Legierung, die eine Solidustemperatur zwischen 200 °C und 230 °C hat, eine Sn-Ag Legierung, eine Sn-Cu Legierung, eine Sn-Ag-X (wobei X= Al, Au, Co, Cu, Ga, Ge, In, Mn, Ni, P, Pd, Pt, Sb und Zn) Legierung oder eine Sn-Zn Legierung. In noch einer weiteren Ausführungsform enthält die Legierung, die eine Solidustemperatur unterhalb von 200 °C hat eine Sn-Bi Legierung, eine Sn-In Legierung oder eine Bi-In Legierung.
  • In weiteren Ausführungsformen enthält das zweite Legierungspulver ein Pulver, das aus einer Vielzahl an Legierungspulvern zusammengesetzt ist. Zum Beispiel kann das zweite Legierungspulver eine Mischung aus unterschiedlichen Legierungen, ausgewählt aus den hierin beschriebenen Legierungen, enthalten.
  • In einigen Ausführungsformen werden die relativen Mengen der ersten und der zweiten Legierungen in den Gemischtlötmittelpasten entsprechend der Lötmittelanwendung bestimmt. In einigen Fällen, wenn die Menge an zweiter Lötmittellegierung in der Paste über einen bestimmten Schwellenwert erhöht ist, können die Chancen, dass etwas von der niedrigschmelzenden Phase in der finalen Lötmittelverbindung gehalten wird, erhöht sein. In einigen Fällen, wenn die Menge an zweiter Lötmittellegierung in der Paste unterhalb eines bestimmten Schwellenwertes es ist, kann die Benetzung des Substrats reduziert sein. In einer Ausführungsform ist die Menge an zweiter Lötmittellegierung in der Paste so bestimmt, dass die niedrigschmelzende Phase nach dem Reflow vollständig in die hochschmelzenden IMCs umgewandelt werden kann. In einer weiteren Ausführungsform variiert die zweite Legierung in der Paste zwischen einer Menge von mehr als 0 Gew.-% aber weniger als 12 Gew.-%. In einer besonderen Ausführungsform beträgt die zweite Legierung in der Paste mehr als 2 Gew.-% aber weniger als 10 Gew.-%.
  • Zusätzlich zu den verschiedenen normalen Verunreinigungen oder geringen Mengen an unterschiedlichen Elementen, können andere Elemente zugegeben oder in diesen Legierungen enthalten sein, solange die reaktiven Eigenschaften des Sn erhalten bleiben.
  • In einigen Ausführungsformen ist das zum Löten mit einer Gemischtlötmittelpaste verwendete Reflow-Profil ausgebildet, um sich schnell über die Schmelztemperatur der ersten Legierung aufzuwärmen. In diesen Fällen kann es eine kürzere Einwirkzeit bei niedriger Temperatur dem reaktiven Agens, wie Sn, erlauben, schnell zu dem Substrat zu fließen und eher mit dem Substrat in einer vollständig geschmolzenen Mulde (pool) zu reagieren als in einer halbfesten geschmolzenen Mulde. Das Schmelzen von beiden, der ersten und zweiten Legierung, wird die Diffusion der Elemente der zweiten Legierung aus dem geschmolzenen Lötmittel zu dem Substrat und dem Teil und ein „Absetzen“ auf der Oberfläche erleichtern, um eine IMC Schicht zu bilden.
  • Beispiel
  • Verschiedene Gemischtlegierungslötmittelpasten, die die hierin beschriebenen Bereiche umspannen, wurden hinsichtlich ihrer Lötmittelfähigkeit getestet.
  • Tabelle 1 beschreibt Formulierungen von beispielhaften Gemischtlötmittelpasten, die unter Verwendung einer ersten Legierung, enthaltend Bi11Ag oder Bi2,6Ag, einer zweiten Legierung, enthaltend Sn10Ag25Sb oder Sn10Ag10Sb und einem Fließmittel gebildet wurden. Tabelle 1 Gewichtsprozent von Gemischtlötmittellegierungen unter Verwendung von zweiten Legierungen der Gruppe A
    Bi11Ag Bi2,6Ag Sn10Ag25Sb Sn10Ag10Sb Sn15Sb Fließmittel
    80 Gew.-% 10 Gew.-% 10 Gew.-%
    82 Gew.-% 8 Gew.-% 10 Gew.-%
    84 Gew.-% 6 Gew.-% 10 Gew.-%
    86 Gew.-% 4 Gew.-% 10 Gew.-%
    42 Gew.-% 42 Gew.-% 6 Gew.-% 10 Gew.-%
    86 Gew.-% 4 Gew.-% 10 Gew.-%
    84 Gew.-% 6 Gew.-% 10 Gew.-%
    86 Gew.-% 4 Gew.-% 10 Gew.-%
  • Tabelle 2 beschreibt Formulierungen von beispielhaften Gemischtlötmittelpasten, die unter Verwendung einer ersten Legierung, enthaltend Bi11Ag, einer zweiten Legierung, enthaltend Sn3,8Ag0,7Cu, Sn3,5Ag, Sn0,7Cu oder Sn9Zn und einem Fließmittel gebildet wurden. Tabelle 2 Gewichtsprozent von Gemischtlötmittellegierungen unter Verwendung von zweiten Legierungen der Gruppe B
    Bi11Ag Sn3,8Ag0,7Cu Sn3,5Ag Sn0,7Cu Sn9Zn Fließmittel
    84 Gew.-% 6 Gew.-% 10 Gew.-%
    86 Gew.-% 4 Gew.-% 10 Gew.-%
    84 Gew.-% 6 Gew.-% 10 Gew.-%
    86 Gew.-% 4 Gew.-% 10 Gew.-%
    84 Gew.-% 6 Gew.-% 10 Gew.-%
    86 Gew.-% 4 Gew.-% 10 Gew.-%
    84 Gew.-% 6 Gew.-% 10 Gew.-%
    86 Gew.-% 4 Gew.-% 10 Gew.-%
  • Tabelle 3 beschreibt Formulierungen von beispielhaften Gemischtlötmittelpasten, die unter Verwendung einer ersten Legierung, enthaltend Bi11Ag, einer zweiten Legierung, enthaltend Bi42Sn, Bi33ln oder In48Sn und einem Fließmittel gebildet wurden. Tabelle 3 Gewichtsprozent von Gemischtlötmittellegierungen unter Verwendung von zweiten Legierungen der Gruppe C
    Bi11Ag Bi42Sn Bi331n In48Sn Fließmittel
    82 Gew.-% 8 Gew.-% 10 Gew.-%
    84 Gew.-% 6 Gew.-% 10 Gew.-%
    86 Gew.-% 4 Gew.-% 10 Gew.-%
    82 Gew.-% 8 Gew.-% 10 Gew.-%
    84 Gew.-% 6 Gew.-% 10 Gew.-%
    86 Gew.-% 4 Gew.-% 10 Gew.-%
    82 Gew.-% 8 Gew.-% 10 Gew.-%
    84 Gew.-% 6 Gew.-% 10 Gew.-%
    86 Gew.-% 4 Gew.-% 10 Gew.-%
  • Jede in Tabellen 1, 2 und 3 beschriebene Paste wurde zubereitet und unter Verwendung einer rostfreien Edelstahl-Dreiloch-Matrize auf ein Coupon gedruckt. Cu, Ni, Legierung 42 und Aluminium Coupons wurden verwendet. Jede Paste wurde auf jeden Coupon gedruckt. Die Löcher waren ¼ Inch im Durchmesser. Die gedruckten Coupons wurden durch einen Reflow-Ofen mit einem für die Gemischtlegierungspulverlötmittelpasten ausgebildeten Profil wiederaufgeschmolzen. Der Reflow wurde in einem Dreizonen-Reflow-Ofen bei 380 °C, 400 °C und 420 °C mit einer Bandgeschwindigkeit von 13" pro Minute unter N2 Atmosphäre ausgeführt.
  • Die Benetzungsfähigkeit auf den Cu und Ni Coupons wurde visuell inspiziert. Alle Gemischtlötmittellegierungen zeigten eine verbesserte Benetzung wenn sie mit einer einzelnen BiAg Lötmittelpste verglichen wurden. 3 und 4 sind Bilder, die für diese typischen Ergebnisse repräsentativ sind. 3 zeigt die Benetzungsfähigkeit eines Beispiels der Gemischtlegierungspulverlötmittelpaste, die aus 84 Gew.-%Bi11Ag + 6 Gew.- %Bi42Sn + 10 Gew.-% Fließmittel besteht. Das linke Bild zeigt die Paste, die auf einem Cu Coupon wiederaufgeschmolzen wurde; das rechte Bild zeigt die Paste, die auf einem Legierung 42 Coupon wiederaufgeschmolzen wurde. 4 zeigt die Benetzungsfähigkeit eines Beispiels der Gemsichtlegierungspulverlötmittelpaste, die aus 84 Gew.-%Bi11Ag + 6 Gew.-%52ln48Sn + 10 Gew.-% Fließmittel besteht. Das linke Bild zeigt eine Paste, die auf einem Cu Coupon wiederaufgeschmolzen wurde; das rechte Bild zeigt die Paste, die auf einem Legierung 42 Coupon wiederaufgeschmolzen wurde.
  • Die wiederaufgeschmolzenen Lötmittelkugeln wurden für DSC Tests von den Aluminiumoxid Coupons abgezogen. Die Lötmittelerhebungen, die auf den Cu Coupons und Ni Coupons gebildet waren, wurden ebenso für DSC Tests abgeschlagen. DSC Messungen wurden unter Verwendung eines Differenzialkalorimeters bei einer Heizrate von 10 °C/min durchgeführt. Die repräsentativen DSC Kurven sind in 5-7 gezeigt. 5 zeigt eine DSC Kurve für eine Verbindung, die sich aus der Verwendung von 84 Gew.-%Bi11Ag + 6 Gew.-%Sn15Sb + 10 Gew.-% Fließmittel ergibt. Die obere Kurve zeigt das Wärmeflussprofil nach dem Reflow auf einem Keramikcoupon. Eine Spitze bei um die 138 °C zeigt die Anwesenheit der zweiten Legierung. Die untere Kurve zeigt das Wärmeflussprofil der Paste nach dem Reflow auf einem Cu Coupon. Die Abwesenheit dieser Spitze in der unteren Kurve bestätigt das Verschwinden der niedrigschmelzenden Phase in dem BiAg + SnSb System. 6 zeigt das Verschwinden der niedrigschmelzenden Phase in dem BiAg + SnAg System. Das Experiment von 6 verwendete 84 Gew.-%Bi11Ag + 6 Gew.-%Sn3,5Ag + 10 Gew.-% Fließmittel auf Keramik und Cu Coupons wie in 5. 7 zeigt das Verschwinden in dem BiAg + BiSn System. Das Experiment von 7 verwendete 84 Gew.-%Bi11Ag + 6 Gew.-%Bi42Sn + 10 Gew.-% Fließmittel auf Keramik und Cu Coupons wie in 5 und 6. In 7 zeigt die obere Kurve, die das Wärmeflussprofil nach dem Lötmittel Reflow auf Keramik zeigt ein Fehlen der niedrigschmelzenden Phase. Dies liegt wahrscheinlich an der hohen Affinität zwischen Sn und Ag, die sich daraus ergibt, dass das Sn der zweiten Legierung in IMC in den finalen Lötmittelerhebungen enthalten ist.
  • Querschnitte der Proben wurden abgebildet, um die IMC Dicke an der Grenzfläche zwischen der Lötmittelerhebung und dem Cu oder Ni Coupon zu bestimmen. Die repräsentativen Bilder sind in 8 gezeigt. 8a ist ein Querschnitt einer Lötmittelerhebung, die 84 Gew.-%Bi11Ag + 6 Gew.-% Sn3,5Ag + 10 Gew.-% Fließmittel auf einem Cu Coupon verwendet. 8b ist ein Querschnitt einer Lötmittelerhebung, die dieselbe Lötmittelpaste auf einem Ni Coupon verwendet. Wie diese Ergebnisse zeigen, ist die IMC Schichtdicke auf beiden Coupons auf einige wenige µm beschränkt.
  • Während verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hier oben beschrieben wurden, soll klargestellt werden, dass sie nur beispielhaft dargestellt wurden und nicht einschränkend. Ebenso können die verschiedenen Darstellungen ein Beispiel architektonisch oder eine andere Konfiguration der Erfindung darstellen, was gemacht wurde, um das Verständnis der Merkmale und der Funktionalität, die in der Erfindung enthalten sein können, zu fördern. Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Strukturbeispiele oder Konfigurationen beschränkt, aber die gewünschten Merkmale können unter Verwendung einer Vielfalt an Alternativstrukturen und Konfigurationen ausgeführt werden. Gewiss wird es dem Fachmann offenbar, wie alternative funktionale, logische oder physikalische Aufteilungen und Konfigurationen ausgeführt werden können, um die gewünschten Merkmale der vorliegenden Erfindung zu erfüllen. Auch kann eine Vielzahl an einen unterschiedlichen Teil bildenden Modulnamen anders als diejenigen, die hierin dargestellt sind auf die verschiedenen Partitionen angewendet werden. Zusätzlich soll, bis der Zusammenhang anderes vorschreibt, im Hinblick auf die Flussdiagramme, Betriebsbeschreibungen und Verfahrensansprüche die Reihenfolge, in der die Schritte hier dargestellt sind, nicht vorschreiben, dass verschiedene Ausführungsformen ausgeführt werden, um die zitierte Funktionalität in derselben Folge durchzuführen.
  • Obwohl die Erfindung oben mit Begriffen von verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen und Anwendungen beschrieben ist, soll klargestellt werden, dass die verschiedenen Merkmale, Aspekte und Funktionalitäten, die in einer oder mehreren der einzelnen Ausführungsformen beschrieben wurden, nicht in ihrer Anwendbarkeit auf die besondere Ausführungsform, im Hinblick auf die sie beschrieben ist, beschränkt sein soll, aber anstelle davon allein oder in verschiedenen Kombinationen auf eine oder mehrere der anderen Ausführungsformen der Erfindung angewendet werden kann, ob solche Ausführungsformen beschrieben sind oder nicht, und ob solche Merkmale als ein Teil der beschriebenen Ausführungsform dargestellt werden oder nicht. Daher soll die Breite und der Umfang der vorliegenden Erfindung nicht durch eine der oben beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen beschränkt sein.
  • Begriffe und Ausdrücke, die in diesem Dokument verwendet werden, und Variationen davon, sollen, sofern nicht anderweitig ausdrücklich angegeben, offen und nicht einschränkend ausgelegt werden. Als Beispiel des Vorangehenden: der Begriff „enthaltend“ soll mit der Bedeutung „enthaltend, ohne Einschränkung“ oder dergleichen gelesen werden; der Begriff „Beispiel“ wird verwendet, um beispielhafte Umstände des diskutierten Punktes darzustellen und nicht eine erschöpfende oder einschränkende Liste davon; die Begriffe „ein“ oder „eine“ sollen mit der Bedeutung „mindestens ein(e)“, „ein(e) oder mehrere“ oder dergleichen, gelesen werden; und Adjektive wie „herkömmlich“, „traditionell“, „normal“, „standard“, „bekannt“ und Begriffe mit gleicher Bedeutung, sollen nicht so ausgelegt werden, als dass sie den Punkt, der zu einer gegebenen Zeitperiode beschrieben wird oder einen Punkt, der zu einer gegebenen Zeit erhältlich ist, beschränken, aber anstelle davon sollen sie so gelesen werden, dass sie herkömmliche, traditionelle, normale oder Standardtechnologien, die jetzt oder zu jeder Zeit in der Zukunft erhältlich oder bekannt sein können, umfassen. Ebenfalls umfassen solche Technologien, wo dieses Dokument sich auf Technologien bezieht, die dem Fachmann offenbar werden oder bekannt sein würden, solche, die dem Fachmann jetzt, oder zu jeder Zeit in der Zukunft offenbar oder bekannt sind.
  • Die Anwesenheit von ausweitenden Wörtern und Ausdrücken wie „eines oder mehrere“, „mindestens“, „aber nicht beschränkt auf“ oder andere solche Ausdrücke, sollen in einigen Fällen nicht so gelesen werden als dass sie bedeuten, dass der engere Fall beabsichtigt oder notwendig ist, in Fällen, in denen solche ausweitenden Ausdrücke abwesend sind. Die Verwendung des Begriffes „Modul“ beinhaltet nicht dass die beschriebenen oder beanspruchten Komponenten oder Funktionalitäten alle als Teil des Moduls in einer gemeinsamen Baubgruppe konfiguriert sind. Allerdings kann jede oder können alle unterschiedlichen Komponenten eines Moduls, wenn auch logisch kontrolliert, oder andere Bestandteile, in einer Einzelanordnung oder separat vorbehalten werden und können ferner in vielfachen Gruppierungen oder Baugruppen oder über mehrere Plattformen verteilt sein.
  • Zusätzlich werden die verschiedenen oben dargelegten Ausführungsformen im Hinblick auf beispielhafte Blockdiagramme, Flussdiagramme und andere Abbildungen beschrieben. Wie es dem Fachmann nach dem Lesen dieses Dokuments offenbar wird, können die gezeigten Ausführungsformen und ihre verschiedenen Alternativen, ohne Beschränkung auf die gezeigten Beispielen ausgeführt werden. Zum Beispiel sollen Blockdiagramme und ihre begleitende Beschreibung nicht so ausgelegt werden als dass sie eine besondere Struktur oder Konfiguration anordnen.

Claims (17)

  1. Lötmittelpaste bestehend aus: einer Menge an einem ersten Lötmittellegierungspulver zwischen 60 Gew.-% und 92 Gew.-%, einer Menge an einem zweiten Lötmittellegierungspulver von mehr als 0 Gew.-% und weniger als 12 Gew.-%; und einem Fließmittel; wobei das erste Lötmittellegierungspulver eine erste Lötmittellegierung enthält, die eine Solidustemperatur oberhalb von 260 °C hat, wobei die erste Lötmittellegierung eine Bi-Ag, Bi-Cu oder Bi-Ag-Cu Legierung ist; und wobei das zweite Lötmittellegierungspulver eine zweite Lötmittellegierung enthält, die eine Solidustemperatur hat, die niedriger als 250 °C ist.
  2. Lötmittelpaste nach Anspruch 1, wobei die zweite Lötmittellegierung eine Solidustemperatur zwischen 230 °C und 250 °C hat.
  3. Lötmittelpaste nach Anspruch 2, wobei die zweite Lötmittellegierung eine Sn Legierung, eine Sn-Sb Legierung oder eine Sn-Sb-X (wobei X = Ag, Al, Au, Co, Cu, Ga, Ge, In, Mn, Ni, P, Pd, Pt oder Zn) Legierung ist.
  4. Lötmittelpaste nach Anspruch 1, wobei die zweite Lötmittellegierung eine Solidustemperatur zwischen 200 °C und 230 °C hat.
  5. Lötmittelpaste nach Anspruch 1, wobei die zweite Lötmittellegierung eine Sn-Ag Legierung, eine Sn-Cu Legierung, eine Sn-Ag-X (wobei X = Al, Au, Co, Cu, Ga, Ge, In, Mn, Ni, P, Pd, Pt, Sb oder Zn) Legierung oder eine Sn-Zn Legierung ist.
  6. Lötmittelpaste nach Anspruch 1, wobei die zweite Lötmittellegierung eine Solidustemperatur unter 200 °C hat.
  7. Lötmittelpaste nach Anspruch 6, wobei die zweite Lötmittellegierung eine Sn-Bi Legierung, eine Sn-In Legierung oder eine Bi-In Legierung ist.
  8. Lötmittelpaste nach Anspruch 1, wobei die Menge an zweitem Lötmittellegierungspulver zwischen 2 Gew.-% und 10 Gew.-% beträgt.
  9. Lötmittelpaste nach Anspruch 1, wobei die erste Lötmittellegierung aus bis zu 20 Gew.-% Ag mit Rest Bi, aus bis zu 5 Gew.-% Cu mit Rest Bi oder aus bis zu 20 Gew.-% Ag und bis zu 5 Gew.-% Cu mit Rest Bi, besteht.
  10. Lötmittelpaste nach Anspruch 1, wobei die erste Lötmittellegierung aus 2,6 bis 15 Gew.-% Ag mit Rest Bi, aus 0,2 bis 1,5 Gew.-% Cu mit Rest Bi oder aus 2,6 bis 15 Gew.-% Ag und 0,2 bis 1,5 Gew.-% Cu mit Rest Bi, besteht.
  11. Verfahren zur Herstellung einer Lötmittelpaste bestehend aus einem Zusammengeben von: einer Menge an einem ersten Lötmittellegierungspulver zwischen 60 Gew.-% bis 92 Gew.-%; und einer Menge an einem zweiten Lötmittellegierungspulver von mehr als 0 Gew.-% und weniger als 12 Gew.-%; mit einem Fließmittel; wobei das erste Lötmittellegierungspulver eine erste Lötmittellegierung enthält, die eine Solidustemperatur oberhalb von 260 °C hat, wobei die erste Lötmittellegierung eine Bi-Ag, Bi-Cu oder Bi-Ag-Cu Legierung ist; und wobei das zweite Lötmittellegierungspulver eine zweite Lötmittellegierung enthält, die eine Solidustemperatur hat, die niedriger als 250 °C ist.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die zweite Lötmittellegierung eine Sn Legierung, eine Sn-Sb Legierung, eine Sn-Sb-X (wobei X = Ag, Al, Au, Co, Cu, Ga, Ge, In, Mn, Ni, P, Pd, Pt oder Zn) Legierung, eine Sn-Ag Legierung, eine Sn-Cu Legierung, eine Sn-Ag-X (wobei X = Al, Au, Co, Cu, Ga, Ge, In, Mn, Ni, P, Pd, Pt, Sb oder Zn) Legierung, eine Sn-Zn Legierung, eine Sn-Bi Legierung, eine Sn-In Legierung oder eine Bi-In Legierung ist.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Menge an zweitem Lötmittellegierungspulver zwischen 2 Gew.-% und 10 Gew.-% beträgt.
  14. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die erste Lötmittellegierung aus bis zu 20 Gew.- % Ag mit Rest Bi, aus bis zu 5 Gew.-% Cu mit Rest Bi oder aus bis zu 20 Gew.-% Ag und bis zu 5 Gew.-% Cu mit Rest Bi, besteht.
  15. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Lötmittellegierung aus 2,6 bis 15 Gew.- % Ag mit Rest Bi, aus 0,2 bis 1,5 Gew.-% Cu mit Rest Bi oder aus 2,6 bis 15 Gew.-% Ag und 0,2 bis 1,5 Gew.-% Cu mit Rest Bi, besteht.
  16. Lötverfahren umfassend: Aufbringen der Lötmittelpaste nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zwischen ein Substrat und eine Vorrichtung, um eine Anordnung zu bilden; und Reflow-Löten der Anordnung unter Verwendung eines Reflow-Profils, um eine Lötverbindung zu bilden.
  17. Verwendung der Lötmittelpaste nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Herstellung einer Lötverbindung.
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