DE112015002600T5 - 0Verfahren zur dauerhaften Verbindung zweier Elemente mittels transienter flüssigphasen Interdiffusion - Google Patents

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Jean-Michel Morelle
Laurent Vivet
Ky Lim Tan
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Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
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Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Verbindung eines ersten Elements (8) und eines zweiten Elements (11) durch Interdiffusion eines ersten Metalls (Ag) und eines zweiten Metalls (Sn) umfasst die aufeinanderfolgenden Schritte des Aufbringens zumindest einer Schicht des ersten Metalls (Ag) auf zu verbindende Oberflächen des ersten Elements (8) und zweiten Elements (11), der Anordnung einer Schicht (15) des zweiten Metalls (Sn) zwischen den zu verbindenden Oberflächen, die mit dem besagten ersten Metall (Ag) überzogen sind, des Ausübens eines Drucks (18) auf die Elemente, so dass die zu verbindenden Oberflächen so nah wie möglich zusammen gebracht werden, und des Erhitzens der so gebildeten Verbindung, so dass eine Verschmelzung der Schicht des zweiten Metalls (Ag) und die Herstellung einer Erstes Metall-Zweites Metall intermetallischen Schicht (19) durch Keimung und Wachstum bewirkt wird, die die Verbindung der Elements sicherstellt. Erfindungsgemäß hat die Schicht des ersten Metalls (14) eine lückenhafte Struktur, die ein Eindringen des zweiten Metalls in die Schicht des ersten Metalls erleichtert.

Description

  • Technologisches Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das dauerhafte Verbinden zweier Elemente mittels transienter flüssigphasen Interdiffusion.
  • Insbesondere betrifft die Erfindung das Verbinden elektronischer Strukturen bestehend aus einem vertikalen Stapel zumindest zweier zu verbindender Elemente.
  • Technologischer Hintergrund der Erfindung
  • Der transiente Flüssigphasenverbindungsprozess ist im Stand der Technik bekannt und wird unter Gebrauchnahme von Interdiffusion zwischen Silber im festen Zustand und Zinn im flüssigen Zustand für das Verbinden elektronischer Strukturen verwendet.
  • Unter Bezugnahme auf 1a sind in diesem Prozess die beiden zu verbindenden Teile 1, 1' jeweils mit einer dünnen Silberschicht (Ag) 2, 2' überzogen, zwischen denen eine dünne Schicht Zinn (Sn) 4 in der Form eines festen Streifens, typischerweise mit einer Dicke in der Größenordnung von 5 μm, angeordnet ist. Die Silberschichten 2, 2' sind in einer flachen, kompakten Form hergestellt und haben typischerweise eine Dicke in der Größenordnung von 15 μm.
  • Um die Verbindung auszuführen wird ein Druck in der Größenordnung von 75 bis 120 Kilopascal (kPa) allgemeinen auf den Stapel Ag/Sn/Ag Schichten ausgeübt und dieser auf 300°C für einen Zeitraum erhitzt, der zwischen einigen Minuten bis mehreren Stunden, abhängig von der Anwendung, dauern kann. Mit dem Erhöhen der Temperatur schmilzt der Zinnstreifen 4 und benässt damit die Silberschichten 2, 2'. Es findet dann das Phänomen der Keimung und des Wachstums einer intermetallischen Phase seitens heterogener Keimungbildung auf Fehlstellen 3 mikroskopischer Größe statt, die auf den Oberflächen der Silberschichten vorhanden sind.
  • Der klassische Mechanismus von Keimung und Wachstum ist in den 1b und 1c gezeigt. Das flüssige Zinn 4 benässt die Oberflächen der Silberschichten 2, 2' und, wie in dem binären Phasendiagramm SnAg gezeigt, gibt es dann die Entstehung einer festen Schicht der intermetallischen Phase Ag3Sn durch isotropes Wachstum 6 von Nuklei der intermetallischen Phase 5, welche mit der zinnreichen Flüssigphase 4 koexistiert, deren Zusammensetzung von der Temperatur abhängig ist und deren Schmelzpunkt demjenigen des eutektischen Sn 96.2% Ag 3.8% entspricht, welche deutlich unterhalb (221,3°C) derjenigen von reinem Zinn (232°C) liegt. Während die Verbindung bei Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes des Eutektikums (221,3°C) aufrechterhalten wird, wächst die Ag3Sn intermetallische Phase in dem Silber durch Diffusion durch die Schichten der intermetallischen Phase zu der Schnittstelle mit der flüssigen Zinnphase. Die Körner 6 der intermetallischen Phase wachsen somit beginnend von den zwei Silberschichten 2, 2'. Diese Körner 6 zeigen ein bevorzugtes Wachstum äquiaxial und rechtwinklig zu der Ag/Sn Schnittstelle, wobei dieses Wachstum orientierte Korngrenzen 7 produziert, die in 1c gezeigt sind. Dabei ist zu beachten, dass der Diffusionsweg des Silbers durch die Schicht der intermetallischen Phase mit dem Wachstum der Körner zunimmt.
  • Die Verbindung der zwei Elemente 1, 1' ist erfolgt, sobald die gesamte zinnreiche Flüssigphase aufgebraucht und durch die Körner der intermetallischen Phase ersetzt worden ist. Somit wird durch das Verbleiben bei einer vergleichsweise geringen Temperatur (≤ 350°C) während des Verbindungsprozesses ein intermetallischer Kontakt hergestellt, dessen Schmelzpunkt deutlich höher ist (Tsolidus = 480°C, Tliquidus ≈ 680°C).
  • Ein Nachteil dieses bekannten Verbindungsprozesses besteht darin, dass am Ende der Verbindung der intermetallische Kontakt aus großen, gestreckten Körnern besteht, die senkrecht zur Kontaktebene orientiert sind. Diese Art kristalline Struktur ist dafür bekannt, die mechanischen Eigenschaften des metallischen Kontaktes zu ändern, wobei die Elastizitätsgrenze und die Bruchspannung reduziert wird. Des Weiteren wäre es wünschenswert, die Dauer des Verbindungsvorgangs zu reduzieren.
  • Allgemeine Beschreibung der Erfindung
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst das Verfahren zur Verbindung eines ersten Elements und eines zweiten Elements durch Interdiffusion eines ersten Metalls und eines zweiten Metalls, wobei das genannte zweite Metall einen Schmelzpunkt deutlich unterhalb dem des ersten Metalls hat, die aufeinanderfolgenden Schritte des Aufbringen zumindest einer Schicht des ersten Metalls auf die ersten und zweiten zu verbindenden Oberflächen des ersten und zweiten Elements, der Anordnung einer Schicht des besagten zweiten Metalls zwischen die zu verbindenden ersten und zweiten Oberflächen, die mit dem besagten ersten Metall überzogen sind, des Ausübens eines Drucks auf das erste und zweite Element, um die ersten und zweiten zu verbindenden Oberflächen so nah wie möglich zusammenzubringen, und des Erhitzens der so gebildeten Verbindung mit dem ersten und zweiten Element für eine vorbestimmte Zeit, so dass eine Verschmelzung der Schicht des zweiten Metalls und die Herstellung einer Erstes Metall – Zweites Metall intermetallischen Schicht durch Keimung und Wachstum bewirkt wird, die die Verbindung des ersten und zweiten Elements ergibt.
  • Bezogen auf den zuvor beschriebenen Verbindungsprozess nach dem Stand der Technik, erlaubt die Schicht aus Silber mit einer lückenhaften Struktur eine höhere Wachstumsrate der Körner der intermetallischen Phase und folgemäßig eine Verringerung der Dauer des Verbindungsprozesses. Dies resultiert aus der Verringerung des Oberflächenaustauschbereichs zwischen dem Silber und dem Zinn im flüssigen Zustand und einem kürzeren Diffusionspfad des Silbers durch die intermetallische Phase hin zur flüssigen Zinnphase.
  • Gemäß einem besonderen Merkmal der Erfindung ist die Silberschicht lückenhafter Struktur eine zumindest teilweise poröse und/oder körnige Schicht.
  • Gemäß einem anderen besonderen Merkmal der Erfindung ist die Zinnschicht ein fester Streifen aus Zinn.
  • Gemäß einem noch anderen besonderen Merkmal der Erfindung liegt der auf das erste und zweite Element angewandte Druck zwischen etwa 9 kPa und 55 kPa.
  • Gemäß einem noch anderen besonderen Merkmal der Erfindung wird die Verbindung des ersten und zweiten Elements auf eine Temperatur zwischen etwa 250°C und 350°C für einen Zeitraum zwischen etwa 2 Minuten und 15 Minuten erhitzt.
  • Gemäß einem noch anderen besonderen Merkmal der Erfindung ist das erste Element ein Substrat umfassend zumindest eine Kupferspur, und das zweite Element ein auf der besagten Kupferspur zu verbindender elektronischer Chip.
  • Gemäß einem anderen Aspekt betrifft die Erfindung auch eine Verbindung umfassend ein erstes und zweites Element, die nach dem Verbindungsverfahren miteinander verbunden sind, wie es nachstehend kurz beschrieben ist.
  • Kurzbeschreibung der Figuren
  • Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden beim Lesen der folgenden Beschreibung von mehreren besonderen Ausführungsvarianten unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren deutlich, in denen:
  • 1a, 1b und 1c sich auf den Stand der Technik beziehen und in dem bekannten transienten Flüssigphasenverbindungsprozess einen Schritt vor der Verbindung der beiden Elemente, einen Schritt der Keimung der intermetallischen Phase und entsprechend einen Schritt des Wachstums der Körner der intermetallischen Phase zeigen;
  • 2a, 2b und 2c sich auf die Erfindung beziehen und in einer besonderen Ausführungsvariante des Verbindungsprozesses gemäß der vorliegenden Erfindung einen Schritt vor der Verbindung der beiden Elemente, einen Schritt der Verschmelzung des zweiten Metalls (Sn), das in die Schicht des ersten Metalls (Ag) hineindringt, respektive einen Schritt des Endes der Verbindung mit dem gebildeten intermetallischen Kontakt zwischen den beiden Elementen zeigt; und
  • 3a, 3b und 3c sich auf die Erfindung beziehen und das Verfahren zur Erzeugung eines intermetallischen Kontaktes in der besonderen Ausführungsvariante nach 2a, 2b und 2c zeigen.
  • Beschreibung verschiedener Ausführungsvarianten der Erfindung
  • Eine besondere Ausführungsvariante des Verbindungsprozesses gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die 1a bis 2c und 3a bis 3c beschrieben. Diese Ausführungsvariante ist anwendbar auf eine Verbindung eines blanken Elektronikchips auf einem Substrat und benutzt eine Kombination der Metalle Sn und Ag.
  • Wie in 2a gezeigt, umfasst das Substrat 8 eine Kupferspur 8' die, in dem Beispiel hier, eine Dicke von 1 bis 2 mm aufweist. Die Kupferspur 8' ist von einer Nickelschicht 9 abgedeckt, die bei dem Beispiel hier eine Dicke in der Größenordnung von 4 μm aufweist und durch elektrolytisches Aufbringen erhalten worden ist. Eine Silberschicht 10, in dieser Anwendung etwa 500 mn dick, wird dann auf der Nickelschicht 9 aufgetragen, beispielsweise mittels „Flash” Auftragen („flash” deposition).
  • Bei dem Verbindungsverfahren gemäß der Erfindung wird eine poröse Silberschicht 14, die hier eine Dicke in der Größenordnung von 20 μm besitzt, auf die Silberschicht 10 des Substrats 8 aufgetragen.
  • Verschiedene Auftragungstechniken zur Erzeugung der porösen Silberschicht 14 können in dem Verbindungsverfahren gemäß der Erfindung verwendet werden, abhängig von den Ausführungsvarianten des Letzteren.
  • Bei der Ausführungsvariante des Verfahrens gemäß der hier beschriebenen Erfindung wird die poröse Silberschicht 14 durch die so genannte „Kaltsprüh” (cold spray) Technik aufgebracht, indem Silberpartikel mit einem Durchmesser zwischen 2 μm und 5 μm auf die Oberfläche der Silberschicht 9 aufgesprüht werden.
  • In Abhängigkeit der Ausführungsvarianten des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung können auch andere Verfahren zur Aufbringung der porösen Silberschicht 14 verwendet werden, beispielsweise partielles Sintern von Silberpulver und Pulver-Plasma-Auftragung (powder plasma deposition).
  • Nach der Herstellung der porösen Silberschicht 14 wird dann eine kompakte Zinnschicht 15, hier mit einer Dicke in der Größenordnung von 5 μm, auf die poröse Silberschicht 14 mittels einem gewöhnlichen elektrolytischen Prozess aufgebracht.
  • In dieser Phase wird die Anordnung umfassend das Substrat 8, 8', 9, 10, die poröse Silberschicht 14 und die kompakte Zinnschicht 15 auf einer Heizplatte 16 platziert.
  • Der elektronische Chip 11, 12, 13 wird dann durch Ansaugen von einem Greifwerkzeug 17, das an einem Aktuator 18 befestigt ist, angehoben und auf der Oberfläche der porösen Silberschicht 14 aufgebracht und gegen diese gehalten. Der Aktuator 18 übt dann eine kontrollierte Kraft auf die Gesamtstruktur aus, die er aufrechterhält und die in dieser Ausführungsvariante das erfahrungsgemäß der Erfindung in der Größenordnung von 25 kPa liegt. Es sollte beachtet werden, dass dieser Druck in Abhängigkeit der Anwendung variieren kann und typischerweise zwischen 9 kPa und 55 kPa sein wird. Die Temperatur der Heizplatte wird auf 300°C erhöht, hier mit einer Heizrate in der Größenordnung von 60°C pro Sekunde. Es sollte beachtet werden, dass in Abhängigkeit der Anwendungen, diese Temperatur variieren kann und typischerweise zwischen etwa 250°C und 350°C liegen wird. Allgemein sollte beachtet werden, dass der Schmelzpunkt des zweiten Metalls (hier Zinn Sn) deutlich unterhalb demjenigen des ersten Metalls (hier Silber Ag) liegen muss. In dieser Phase bewirkt die Temperatur, dass die kompakte Zinnschicht 15 schmilzt, wobei das flüssige Zinn in die poröse Struktur der Silberschicht 14 eindringt, wie dies in 2b gezeigt ist.
  • Die Temperatur der Heizplatte 16 wird bei 300°C für etwa 3 Minuten aufrechterhalten, und anschließend wird die Platte gekühlt. Der vom Aktuator 18 ausgeübte Druck wird aufrechterhalten, bis die Temperatur der Platte 16 wieder unterhalb von 200°C liegt. Die Verbindung des elektronischen Chips 11 auf dem Substrat 8 hat dann ihre endgültige Struktur, die in 2b gezeigt ist.
  • Wie in 2c gezeigt ist, ermöglicht das Verbindungsverfahren gemäß der Erfindung einen intermetallischen Ag3Sn Kontakt 19 mit metallurgischer Kontinuität zwischen dem Substrat 8 und dem elektronischen Chip 11 zu erzeugen, der durch Schichten einer binären NiAg Legierung 20 bereitgestellt ist. Diese Schichten einer NiAg Legierung 20 sind durch die Schichten 9, 10 und 12, 13 gebildet.
  • Der intermetallische Kontakt 19 umfasst eine große Anzahl an isotropischen Körnern, die unorientiert und hinsichtlich ihrer Größe klein sind, und die eine gute Elastizität und gute Bruchfestigkeit verleihen. Diese Körner habe typischerweise eine Größe, die von einigen wenigen μm bis zu einigen zehn μm reicht.
  • Unter besonderer Bezugnahme auf die 3a, 3b und 3c wird im Kontext dieser Ausführungsvariante durch Anwendung von Interdiffusion von Sn und Ag das Grundprinzip des Verbindungsprozesses gemäß der vorliegenden Erfindung nun im Detail beschrieben, der auf der Verwendung einer Metallschicht (hier Ag), die porös, lückenhaft oder sogar granular ist, auf einer Stirnseite von zumindest einem der beiden zu verbindenden Elemente basiert.
  • Wie in 3a gezeigt, erlaubt diese Porösität der Silberschicht 14, dass die zinnreiche Flüssigphase 15 zu dem Kern der Silberschicht durchdringen kann, indem sie in die durch das Netzwerk von Lücken in der Silberschicht gebildeten Kanäle eindringt. Bei der Herstellung hat die poröse Schicht eine sehr hohe Dichte mikrometrischer Strukturen, die Vorzugsseiten zur heterogenen Keimung der intermetallischen Phase begründen.
  • Wie in 3b veranschaulicht, benässt das flüssige Zinn 15 die intermetallischen Nuklei 21. Das Silber 22 diffundiert durch die intermetallische Phase zu der Schnittstelle mit der flüssigen Zinnphase. Das Wachstum des Nukleus ist isotropisch und führt, wie in 3c gezeigt, zur Bildung eines intermetallischen Kontakts, der aus einer großen Anzahl isotroper Körner 23 gebildet ist, die unorientiert und von geringer Größe sind (von einigen μm bis einigen zehn μm). Dieser intermetallische Kontakt hat eine hohe Elastizitätsgrenze und eine hohe Bruchfestigkeit.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Verbindung eines ersten Elements (8) und eines zweiten Elements (11) durch Interdiffusion eines ersten Metalls (Ag) und eines zweiten Metalls (Sn), wobei das genannte zweite Metall (Sn) einen Schmelzpunkt deutlich unterhalb dem des ersten Metalls (Ag) hat, wobei das Verfahren die aufeinanderfolgenden Schritte umfasst: – a) Aufbringen zumindest einer Schicht (10, 13, 14) des besagten ersten Metalls (Ag) auf die ersten und zweiten zu verbindenden Oberflächen des ersten Elements (8) und entsprechend des zweiten Elements (11), – b) Anordnung einer Schicht (15) des besagten zweiten Metalls (Sn) zwischen die zu verbindenden ersten und zweiten Oberflächen, die mit dem besagten ersten Metall (Ag) überzogen sind, – c) Ausüben eines Drucks (18) auf das besagte erste Element (8) und zweite Element (11), um die genannten ersten und zweiten zu verbindenden Oberflächen so nah wie möglich zusammenzubringen, und – d) Erhitzen der so gebildeten Verbindung mit dem ersten Element (8) und dem zweiten Element (11) für eine vorbestimmte Zeit, so dass eine Verschmelzung der genannten Schicht des zweiten Metalls (Ag) und die Herstellung einer Erstes Metall-Zweites Metall intermetallischen Schicht (19) durch Keimung und Wachstum bewirkt wird, die die Verbindung des besagten ersten Elements (8) und des zweiten Elements (11) sicherstellt, dadurch gekennzeichnet, dass das besagte erste Metall Silber (Ag) ist und das besagte zweite Metall Zinn (Sn) ist, wobei zumindest eine Silberschicht (Ag, 14) eine lückenhafte Struktur, die das Eindringen des Zinns (Sn) in die besagte Silberschicht (Ag) (14) erleichtert, und Silberpartikel zwischen 2 μm und 5 μm hat, und dass besagte Silberschicht mit der lückenhaften Struktur (Ag, 14) durch ein Verfahren des „Cold Spray”-Typs, ein Verfahren des teilweisen Sinterns von pulverisiertem Silber und/oder ein Verfahren des Pulverplasmaaufbringens aufgebracht ist.
  2. Verbindungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die besagte Silberschicht lückenhafter Struktur (Ag, 14) eine zumindest teilweise poröse und/oder körnige Schicht ist.
  3. Verbindungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zinnschicht (Sn, 15) ein fester Streifen aus Zinn ist.
  4. Verbindungsverfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der in Schritt c) angewandte Druck zwischen etwa 9 kPa und 55 kPa liegt.
  5. Verbindungsverfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung des genannten ersten Elements (8) und zweiten Elements (11) auf eine Temperatur zwischen etwa 250°C und 350°C für einen Zeitraum zwischen etwa 2 Minuten und 15 Minuten erhitzt wird.
  6. Verbindungsverfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das besagte erste Element ein Substrat (8) umfassend zumindest eine Kupferspur (8'), und das besagte zweite Element ein elektronischer Chip zum Verbinden auf der besagten Kupferspur (8') ist.
  7. Verbindung umfassend ein erstes und zweites verbundenes Element, dadurch gekennzeichnet, dass besagtes erstes Element (8) und zweites Element (11) durch das Verbindungsverfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6 miteinander verbunden sind.
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