DE112012000872T5

DE112012000872T5 - Aufschmelzverfahren für bleifreies Lötmittel

Info

Publication number: DE112012000872T5
Application number: DE112012000872T
Authority: DE
Inventors: Pascal Blais; Clement J. Fortin
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2011-02-19
Filing date: 2012-02-10
Publication date: 2013-11-14
Anticipated expiration: 2032-02-11
Also published as: GB2502027B; GB2502027A; DE112012000872B4; US20120211276A1; CN103338893A; GB201315481D0; US8673761B2; CN103338893B; WO2012109745A1

Abstract

Ein Aufschmelzverfahren für eine bleifreie Lötmittellegierung beinhaltet die Schritte des Erwärmens des Lötmittels auf eine erste Temperatur, die über einem Liquiduspunkt des Lötmittels liegt; des Abkühlens des Lötmittels auf eine zweite Temperatur, die unter einem Erstarrungspunkt des Lötmittels liegt; des Wiedererwärmens des Lötmittels auf eine dritte Temperatur, die über einem Soliduspunkt des Lötmittels und unter dem Liquiduspunkt des Lötmittels liegt, so dass die Lötmittellegierung von einem festen Zustand in einen flüssig + festen Zustand versetzt wird, in dem ein Teil der Legierungsphasen flüssig geworden ist, wobei die primäre Erstarrungsphase relativ verformbare Körner bildet, die fest bleiben; und des Abkühlens des Lötmittels auf eine vierte Temperatur, die unter dem Erstarrungspunkt des Lötmittels liegt, wobei die durch eine Unterkühlung in dem ersten Abkühlschritt in dem bleifreien Lötmittel verursachte Steifigkeit durch die zweite Erwärmung verringert oder beseitigt werden kann.

Description

HINTERGRUND
Diese Offenbarung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der Halbleitermontage und spezifischer auf ein Aufschmelzverfahren für ein bleifreies Lötmittel für eine Halbleiterbaueinheit.
Eine Halbleiterbaueinheit kann eine Schaltungsanordnung auf einer Komponente beinhalten, die mittels einer Metall(oder C4)-Schicht, die metallische, aus einem Lötmittel bestehende Querverbindungen aufweist, mit einer Schaltungsanordnung auf einer weiteren Komponente verbunden ist. Eine Halbleiterbaueinheit kann außerdem Lötmittelkontakte zu einer Schaltungsanordnung auf einem Halbleiterwafer beinhalten. Das für derartige Querverbindungen und Kontakte verwendete Lötmittel weist typischerweise metallische, Blei (Pb) enthaltende Legierungen auf, die eine relativ niedrige Schmelztemperatur aufweisen und in hohem Maße zuverlässig sind. Bedauerlicherweise ist Blei toxisch und ökologisch gefährlich; daher wird ein bleifreies Lötmittel als eine Alternative zu bleihaltigem Lötmittel verwendet. Bleifreies Lötmittel kann verschiedene legierende Elemente aufweisen, wie Legierungen auf Zinn(Sn)-Basis, die zum Beispiel Silber (Ag) und/oder Kupfer (Cu) beinhalten. Die Erstarrung von bleifreiem Lötmittel kann jedoch schwierig zu steuern sein, da die Erstarrung in einem Unterkühlungszustand auftritt. Eine Unterkühlung tritt auf, wenn ein Metall ohne Bildung von Kristallen auf eine Temperatur abgekühlt wird, die unter der Temperatur liegt, bei der eine Kristallisation normalerweise stattfindet. Intermetallische Verbindungen, die während des Lötprozesses gebildet werden, können an Dendrit-Armen eingefangen werden, die sich während der Unterkühlung bilden, wodurch ein relativ steifes, erstarrtes Lötmittel gebildet wird. Steife Querverbindungen können eine mechanische Spannung in den verbundenen Komponenten induzieren, was das Risiko für einen mechanischen Ausfall oder eine Rissbildung der Halbleiterchip-Baueinheit erhöht, und steife Kontakte können Schwierigkeiten beim Verbinden von Prüfsonden mit den Kontakten während einer Waferprüfung verursachen, was unter Umständen zu mehrfachen Nachprüfungen führt.
KURZDARSTELLUNG
In einem Aspekt beinhaltet ein Aufschmelzverfahren für ein Lötmittel ein Erwärmen des Lötmittels auf eine erste Temperatur, die über einem Liquiduspunkt des Lötmittels liegt; ein Abkühlen des Lötmittels auf eine zweite Temperatur, die unter einem Erstarrungspunkt des Lötmittels liegt; ein Wiedererwärmen des Lötmittels auf eine dritte Temperatur, die über einem Soliduspunkt des Lötmittels und unter dem Liquiduspunkt des Lötmittels liegt; ein Abkühlen des Lötmittels auf eine vierte Temperatur, die unter dem Erstarrungspunkt des Lötmittels liegt.
In einem weiteren Aspekt wird eine Halbleiterbaueinheit gebildet mittels der Schritte des Erwärmens des Lötmittels in der Halbleiterbaueinheit auf eine erste Temperatur, die über einem Liquiduspunkt des Lötmittels liegt; des Abkühlens des Lötmittels auf eine zweite Temperatur, die unter einem Erstarrungspunkt des Lötmittels liegt; des Wiedererwärmens des Lötmittels auf eine dritte Temperatur, die über einem Soliduspunkt des Lötmittels und unter dem Liquiduspunkt des Lötmittels liegt; des Abkühlens des Lötmittels auf eine vierte Temperatur, die unter dem Erstarrungspunkt des Lötmittels liegt.
Zusätzliche Merkmale werden durch die Techniken der vorliegenden exemplarischen Ausführungsform realisiert. Weitere Ausführungsformen sind hierin detailliert beschrieben und werden als ein Teil dessen angesehen, was beansprucht wird. Für ein besseres Verständnis der Merkmale der exemplarischen Ausführungsform sei auf die Beschreibung und auf die Zeichnungen verwiesen.
KURZBESCHREIBUNG DER MEHREREN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
Nunmehr sei auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen gleiche Elemente in gleicher Weise in den mehreren FIGUREN nummeriert sind:
1 stellt einen Ablaufplan einer Ausführungsform eines Aufschmelzverfahrens für ein bleifreies Lötmittel dar.
2 ist ein schematisches Blockschaubild, das eine exemplarische Ausführungsform von Kontakten auf einem Halbleiterwafer darstellt.
3 ist ein schematisches Blockschaubild, das eine exemplarische Ausführungsform einer verbundenen Halbleiterbaueinheit darstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Es werden Ausführungsformen eines Aufschmelzverfahrens für ein bleifreies Lötmittel bereitgestellt, das zur Bildung von Kontakten oder Querverbindungen für eine Halbleiterbaueinheit verwendet werden kann, wobei exemplarische Ausführungsformen nachstehend im Detail erörtert werden. Um die Steifigkeit zu verringern, die durch Unterkühlung in dem bleifreien Lötmittel verursacht wird, erwärmt der Aufschmelzprozess das Lötmittel wieder auf eine Temperatur, die so gewählt ist, dass lediglich ein Teil der Legierungsphasen schmilzt, die das Lötmittel aufweisen. Die zweite Erwärmung bewirkt die Bildung von Körnern einer einzelnen Legierungsphase in dem Lötmittel. Die Körner sind relativ verformbar; daher kann die durch Unterkühlung verursachte Steifigkeit in dem bleifreien Lötmittel durch das zweite Erwärmen verringert oder beseitigt werden. Dies führt zu einer verringerten mechanischen Spannung in Querverbindungen zwischen Komponenten in einer Halbleiterbaueinheit und zu Kontakten mit verbesserter Qualität, was die Notwendigkeit für ein Nachprüfen eines Wafers verringern kann. Das Lötmittel kann ein Lötmittel mit einer bleifreien Legierung aufweisen und kann auf Zinn basieren.
Ein Material ist bei einer Temperatur, die als der Liquiduspunkt des Materials bezeichnet wird, vollständig flüssig und in der Theorie bei einer Temperatur, die als der Soliduspunkt des Materials bezeichnet wird, vollständig fest. In kleinen Mengen eines Materials, wie sie zur Bildung von Lötmittelquerverbindungen oder Lötmittelkontakten für Halbleiterbaueinheiten verwendet werden, kann eine Erstarrung jedoch bei einem Erstarrungspunkt auftreten, der unter dem Soliduspunkt des Materials liegt, da die Abkühlung der kleinen Menge des Materials sehr schnell auftreten kann. Dies wird als ein Unterkühlungszustand bezeichnet. Jedes Material weist einen speziellen Liquiduspunkt, einen speziellen Soliduspunkt und in Fällen, in denen eine Erstarrung unterhalb des Soliduspunkts auftritt, einen speziellen Erstarrungspunkt auf. Für Materialien aus reinen Elementen können der Liquiduspunkt und der Soliduspunkt bei der gleichen Temperatur liegen; für ein Legierungsmaterial, das mehrere Phasen beinhaltet, können jedoch verschiedene Phasen in der Legierung bei unterschiedlichen Temperaturen flüssig werden oder erstarren. Daher kann eine Lücke zwischen dem Liquiduspunkt und dem Solidus-/Erstarrungspunkt einer Legierung vorhanden sein. Eine kontrollierte Erwärmung einer Legierung auf eine Temperatur, die zwischen ihrem Liquiduspunkt und ihrem Soliduspunkt liegt, kann die Legierung von einem festen Zustand in einen flüssig + festen Zustand überführen, in dem ein Teil der Legierungsphasen flüssig geworden ist, wobei die primäre Erstarrungsphase fest bleibt. Zum Beispiel ist die primäre Erstarrungsphase für eine untereutektische bleifreie Lötmittellegierung auf Zinn-Basis Zinn. Die anderen Phasen in dem Lötmittel auf Zinn-Basis (zum Beispiel die eutektische Phase, die Ag₃Sn oder Cu₆Sn₅ aufweist) werden bei einer niedrigeren Temperatur als das Zinn flüssig. Das Verflüssigen einiger Phasen des Lötmittels ermöglicht eine Reinigung der Phasen des Lötmittels, die fest bleiben. Die flüssigen Phasen sind mobiler als die festen Phasen, was bewirkt, dass sich die flüssigen Phasen zu den Grenzen der festen Phasen bewegen. Dies führt dazu, dass die feste Phase des Lötmittels in Körnern verklumpt. Insbesondere kann die reine Zinn-Phase eines bleifreien Lötmittels auf Zinn-Basis reine Zinn-Körner bilden, die vergröbern und verformbare Bereiche in der fertiggestellten Querverbindung bilden. Die reinen Zinn-Körner verringern die Steifigkeit des abgekühlten Lötmittels. Die verflüssigte eutektische Phase, welche die intermetallischen Verbindungen aufweist, kann dann zwischen den primären Erstarrungsphasen während der endgültigen Erstarrung des Kontakts oder der Querverbindung am Soliduspunkt erstarren.
1 stellt einen Ablaufplan einer Ausführungsform eines Aufschmelzverfahrens 100 für ein bleifreies Lötmittel dar. Das Verfahren 100 kann in jedem beliebigen geeigneten Lötprozess angewendet werden, um die Effekte der Unterkühlung in einem bleifreien Lötmittel zu verringern. Das Verfahren 100 von 1 wird nachstehend in Bezug auf die Bildung von Kontakten auf einem Halbleiterwafer, wie in 2 gezeigt, sowie auf die Bildung von Querverbindungen zwischen Kontaktflecken auf einer ersten Komponente und Kontaktflecken auf einer zweiten Komponenten erörtert, wie in 3 gezeigt ist. Um Kontakte zu bilden, wie in 2 gezeigt, wird das Lötmittel 202 zunächst auf Kontaktflecken 203 auf einem Wafer 201 platziert. Um Querverbindungen zu bilden, wie in 3 gezeigt ist, wird ein erster Satz von Kontaktflecken 304 auf einer ersten Komponente 301 zu einem zweiten Satz von Kontaktflecken 305 auf einer zweiten Komponente 302 justiert, wobei sich das Lötmittel 302 zwischen dem ersten Satz von Kontaktflecken 304 und dem zweiten Satz von Kontaktflecken 305 befindet. Dann wird das Lötmittel 202/302 in Block 101 auf eine erste Temperatur erwärmt, bei der das Lötmittel 202/302 schmilzt; die erste Temperatur liegt über dem Liquiduspunkt des Lötmittels.
Der Wafer 201, die erste Komponente 301 und die zweite Komponente 302 können jeden beliebigen geeigneten Typ einer elektrischen Schaltungsanordnung beinhalten, die mit den jeweiligen Kontaktflecken 203, 304 und 305 verbunden ist. Zum Beispiel können der Wafer 201, die erste Komponente 301 und/oder die zweite Komponente 302 in einigen Ausführungsformen Halbleiterchips sein, die jede beliebige geeignete Anzahl und jeden beliebigen geeigneten Typ von Halbleitereinheiten aufweisen. In einigen Ausführungsformen können der Wafer 201, die erste Komponente 301 und/oder die zweite Komponente 302 einen Flip-Chip, ein Substrat, eine Leiterplatte, einen reinen Chip oder einen Packungschip beinhalten. Das Lötmittel 202/302 weist eine bleifreie metallische Legierung auf, die eine Legierung auf Zinn-Basis sein kann, und kann des Weiteren jegliches/jegliche zusätzliche/zusätzlichen geeignete/geeigneten Metall/Metalle beinhalten, die Silber und/oder Kupfer beinhalten, jedoch nicht darauf beschränkt sind.
In Block 102 wird das Lötmittel 202/302 auf eine zweite Temperatur abgekühlt, die unter dem Erstarrungspunkt der Lötmittellegierung liegt, um eine vollständige Erstarrung des Lötmittels 202/302 zu erreichen. Die Temperatur, bei der das Lötmittel 202/302 vollständig erstarrt ist (d. h. der Erstarrungspunkt) kann unter dem Soliduspunkt des Lötmittels liegen, was zu einer Unterkühlung in dem Lötmittel 202/302 führt. Die zweite Temperatur kann so gesteuert werden, dass eine Übertragung mechanischer Spannungen auf den Wafer 201 oder auf die erste Komponente 301 sowie die zweite Komponente 302 begrenzt wird. In einigen Ausführungsformen kann die zweite Temperatur etwa 40°C oder höher sein oder in einem Bereich liegen, der weniger als etwa 30°C unter der Erstarrungstemperatur des Lötmittels liegt.
In Block 103 wird das Lötmittel 202/302 auf eine dritte Temperatur wiedererwärmt, die zwischen dem Soliduspunkt und dem Liquiduspunkt des Lötmittels 202/302 liegt, was das Lötmittel 202/302 in einen flüssig + festen Zustand versetzt. Die festen Legierungsphasen in dem Lötmittel 202/302 klumpen zusammen, um während der Wiedererwärmung von Block 103 Körner zu bilden, und die flüssigen Legierungsphasen werden zu den Korngrenzen hin gedrängt. Für ein Lötmittel auf Zinn-Basis werden relativ große Körner aus reinem Zinn gebildet, und intermetallische Verbindungen (zum Beispiel Ag₃Sn oder Cu₆Sn₅) in dem Lötmittel 202/302 werden aus der primären Erstarrungsphase (d. h. dem Zinn) nach außen gedrängt. Die Körner aus reinem Zinn sind verformbarer als die intermetallischen Verbindungen, wenn sie erstarrt sind, somit führt die Bildung von relativ großen Körnern aus Zinn in dem Lötmittel zu einer verringerten Steifigkeit in dem Lötmittel 202/302.
In Block 104 wird die endgültige Abkühlung und Erstarrung des Lötmittels 202/302 durchgeführt, was zu Lötmittelkontakten 202, wie in 2 gezeigt, oder Lötmittelquerverbindungen 302 führt, wie in 3 gezeigt. Während der endgültigen Erstarrung von Block 104 tritt aufgrund der Kornstruktur, die in Block 103 in dem Lötmittel induziert wurde, keine Unterkühlung auf. Nach der endgültigen Abkühlung von Block 104 beinhalten die Lötmittelkontakte 202/Lötmittelquerverbindungen 302 relativ große, weiche, verformbare Körner der primären Erstarrungsphase (d. h. Zinn) des Lötmittels, wobei die intermetallischen Verbindungen (d. h. Ag₃Sn oder Cu₆Sn₅) in dem Lötmittel aus der primären Erstarrungsphase (d. h. dem Zinn) nach außen gedrängt werden. Nach der Durchführung der endgültigen Erstarrung der Lötmittelkontakte 202/Lötmittelquerverbindungen 302 in Block 104 kann die Halbleiterbaueinheit 200/300 zum Beispiel unter Verwendung von Wasser gereinigt werden. Die Lötmittelkontakte 202 und die Lötmittelquerverbindungen 302 sind lediglich für beispielhafte Zwecke gezeigt; eine Halbleiterbaueinheit, die unter Verwendung des Aufschmelzverfahrens 100 für ein bleifreies Lötmittel gebildet wird, kann jede beliebige geeignete Anzahl von Lötmittelkontakten und/oder Lötmittelquerverbindungen beinhalten.
Die technischen Effekte und Vorteile der exemplarischen Ausführungsformen beinhalten ein relativ kostengünstiges Verfahren zum Verringern mechanischer Spannungen und einer Steifigkeit in bleifreiem Lötmittel.
Die hierin verwendete Terminologie dient lediglich dem Zweck der Beschreibung spezieller Ausführungsformen und ist nicht dazu gedacht, die Erfindung zu beschränken. Wie hierin verwendet, ist beabsichtigt, dass die Singularformen ”ein/eine/eines”, ”ein/eine/eines” und ”der/die/das” ebenso die Pluralformen beinhalten, wenn der Kontext nicht klar etwas Anderes anzeigt. Es versteht sich des Weiteren, dass die Ausdrücke ”weist auf” und/oder ”der/die/das aufweisen” bei Verwendung in dieser Beschreibung das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen und/oder Komponenten spezifizieren, das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einem oder mehreren Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen derselben jedoch nicht ausschließen.
Es ist beabsichtigt, dass die entsprechenden Strukturen, Materialien, Handlungen und Äquivalente aller Mittel oder Schritt-plus-Funktion-Elementen in den nachstehenden Ansprüchen jegliche Struktur, jegliches Material oder jegliche Handlung für eine Durchführung der Funktion in Kombination mit weiteren beanspruchten Elementen beinhalten, wie spezifisch beansprucht. Die Beschreibung der vorliegenden Erfindung wurde zu Zwecken der Illustration und Beschreibung präsentiert, ist jedoch nicht dazu gedacht, erschöpfend oder beschränkend für die Erfindung in der offenbarten Form zu sein. Für den Fachmann sind viele Modifikationen und Variationen ohne Abweichen vom Umfang und Inhalt der Erfindung offensichtlich. Die Ausführungsform wurde gewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und die praktische Anwendung am besten zu erläutern und es anderen Fachleuten zu ermöglichen, die Erfindung für verschiedene Ausführungsformen mit verschiedenen Modifikationen zu verstehen, wie sie für die spezielle, ins Auge gefasste Verwendung geeignet sind.

Claims

Aufschmelzverfahren für Lötmittel, wobei das Verfahren aufweist: Erwärmen des Lötmittels auf eine erste Temperatur, die über einem Liquiduspunkt des Lötmittels liegt; Abkühlen des Lötmittels auf eine zweite Temperatur, die unter einem Erstarrungspunkt des Lötmittels liegt; Wiedererwärmen des Lötmittels auf eine dritte Temperatur, die über einem Soliduspunkt des Lötmittels und unter dem Liquiduspunkt des Lötmittels liegt; Abkühlen des Lötmittels auf eine vierte Temperatur, die unter dem Erstarrungspunkt des Lötmittels liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zweite Temperatur etwa 40°C oder höher ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zweite Temperatur weniger als etwa 30°C unter dem Erstarrungspunkt des Lötmittels liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, das des Weiteren das Justieren eines ersten Satzes von Kontaktflecken auf einer ersten Komponente zu einem zweiten Satz von Kontaktflecken auf einer zweiten Komponente vor dem Erwärmen des Lötmittels auf eine erste Temperatur aufweist, wobei sich das Lötmittel zwischen dem ersten Satz von Kontaktflecken und dem zweiten Satz von Kontaktflecken befindet und wobei das Lötmittel nach der Abkühlung des Lötmittels auf die vierte Temperatur eine Querverbindung zwischen dem ersten Satz von Kontaktflecken und dem zweiten Satz von Kontaktflecken bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei sich das Lötmittel auf einem Kontaktfleck auf einem Wafer befindet und wobei das Lötmittel nach dem Abkühlen des Lötmittels auf die vierte Temperatur einen elektrischen Kontakt zu dem Kontaktfleck bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Lötmittel eine bleifreie metallische Legierung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Lötmittel Zinn (Sn) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Zinn während der Wiedererwärmung auf die dritte Temperatur fest bleibt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Lötmittel des Weiteren Silber (Ag) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Lötmittel Ag₃Sn aufweist und wobei sich das Ag₃Sn während der Wiedererwärmung auf die dritte Temperatur löst.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Lötmittel des Weiteren Kupfer (Cu) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Lötmittel Cu₆Sn₅ aufweist und wobei sich das Cu₆Sn₅ während der Wiedererwärmung auf die dritte Temperatur löst.
Halbleiterbaueinheit, die durch die Schritte gebildet wird: Erwärmen des Lötmittels in der Halbleiterbaueinheit auf eine erste Temperatur, die über einem Liquiduspunkt des Lötmittels liegt; Abkühlen des Lötmittels auf eine zweite Temperatur, die unter einem Erstarrungspunkt des Lötmittels liegt; Wiedererwärmen des Lötmittels auf eine dritte Temperatur, die über einem Soliduspunkt des Lötmittels und unter dem Liquiduspunkt des Lötmittels liegt; Abkühlen des Lötmittels auf eine vierte Temperatur, die unter dem Erstarrungspunkt des Lötmittels liegt.
Halbleiterbaueinheit nach Anspruch 13, wobei das Lötmittel nach dem Abkühlen des Lötmittels auf die vierte Temperatur eines von einer Querverbindung und einem Kontakt aufweist.
Halbleiterbaueinheit nach Anspruch 13, wobei das Lötmittel eine bleifreie metallische Legierung aufweist.
Halbleiterbaueinheit nach Anspruch 13, wobei das Lötmittel Zinn (Sn) aufweist.
Halbleiterbaueinheit nach Anspruch 16, wobei das Zinn während der Wiedererwärmung auf die dritte Temperatur fest bleibt.
Halbleiterbaueinheit nach Anspruch 16, wobei das Lötmittel des Weiteren Silber (Ag) aufweist.
Halbleiterbaueinheit nach Anspruch 18, wobei das Lötmittel Ag₃Sn aufweist und wobei das Ag₃Sn während der Wiedererwärmung auf die dritte Temperatur flüssig wird.
Halbleiterbaueinheit nach Anspruch 16, wobei das Lötmittel des Weiteren Kupfer (Cu) aufweist.
Halbleiterbaueinheit nach Anspruch 20, wobei das Lötmittel Cu₆Sn₅ aufweist und wobei das Cu₆Sn₅ während der Wiedererwärmung auf die dritte Temperatur flüssig wird.
Halbleiterbaueinheit nach Anspruch 13, wobei die zweite Temperatur etwa 40°C oder höher ist.
Halbleiterbaueinheit nach Anspruch 13, wobei die zweite Temperatur weniger als etwa 30°C unter dem Erstarrungspunkt des Lötmittels liegt.