DE19536260A1

DE19536260A1 - Lotlegierungsverbindungsaufbau und Verfahren der Verbindung

Info

Publication number: DE19536260A1
Application number: DE19536260A
Authority: DE
Inventors: John L Leicht; William R Bratschun
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1994-09-29
Filing date: 1995-09-28
Publication date: 1996-04-11
Also published as: SG46949A1; US5551627A; GB2293564A; JPH08116169A; GB2293564B; KR960013143A; GB9519222D0

Description

Hintergrund der Erfindung 1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen stift- bzw. steckerlose Verbindungsstrukturen und insbesondere Lotverbindungsstrukturen.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Die Industrie der Elektronikhersteller entfernt sich von der Verwendung von Stiften bzw. Steckern als ein Mittel, um elektronische integrierte Schaltkreise (IC) mit Substraten zu verbinden. Die Herstellung zunehmend kleinerer elektronischer Komponenten führt zu Ein-/Ausgabebeschränkungen. Zusätzlich weisen Stiftverbinder eine unakzeptabel hohe Ausfallhäufigkeit auf. Um diese und andere Qualitätsbeschränkungen und räumliche Beschränkungen der IC-Baugruppe und der Stiftverbinder zu überwinden, wurden an der Oberfläche befestigbare Lotverbindungsstrukturen entwickelt, um IC-Baugruppen mit dem Substrat elektrisch zu verbinden.

Eine IC-Baugruppe, welche an der Oberfläche befestigbare Lotverbindungsstrukturen verwendet, wird als eine Rasterfeldbaugruppe (grid array package) bezeichnet. Heute werden Rasterfeldbaugruppen in elektronischen Geräten, z. B. von Computern bis Telefonschaltern, eingesetzt. Das Befestigen der Rasterfeldbaugruppe an dem Substrat erfordert eine Vielzahl von Lotverbindungsstrukturen. Die Herstellung eines Elektronikaufbaus, welcher durch die Befestigung von Rasterfeldbaugruppen an dem Substrat über Lotverbindungsstrukturen erzielt wird, wird im folgenden beschrieben.

Die Lotverbindungsstruktur besteht im allgemeinen aus einem kugelförmigen Lotbereich ("Kugel"), welcher elektrisch zwischen den Paßflächen zweier Substrate über Lotstege (solder fillets) verbunden wird. Vor der Befestigung und der Erzeugung der Lotverbindungsstruktur liegen die Lotstege in Form einer Paste ("Paste") vor. Die Kugel weist normalerweise einen höheren Schmelzpunkt als die Paste auf. Der elektronische Aufbau kann hergestellt werden, indem zunächst die Kugeln in Kontakt mit der Paste, welche sich auf den Paßflächen der Rasterfeldbaugruppe befindet, angeordnet werden und anschließend einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der Paste jedoch unterhalb des Schmelzpunktes der Kugeln ausgesetzt wird. Als ein Ergebnis benetzt oder befestigt die geschmolzene Paste die Kugeln an den Paßflächen der Rasterfeldbaugruppen und verfestigt sich später zu Stegen. Der elektronische Aufbau kann fertiggestellt werden, indem auf ähnliche Weise Paste auf den entgegengesetzten Paßflächen eines Substrates angeordnet wird, wodurch die der Rasterfeldbaugruppe gegenüberliegende Kugelfläche mit der Paste kontaktiert wird und anwenden der entsprechenden Temperatur auf ähnliche Weise. Das zuvor beschriebene Verfahren, wie auch andere Herstellungsverfahren sind vollständig, z. B. in dem US-Patent Nr. 5,060,844 "Interconnection Structure and Test Method" von Behun et al. beschrieben.

Lotverbindungsstrukturen besitzen eine begrenzte Lebensdauer aufgrund der kumulativen Schwächung verursacht durch temperaturinduzierte Scherspannung und Verformungen. Lotverbindungsstrukturen müssen häufig an Substraten mit unterschiedlichen Zusammensetzungen befestigt werden, z. B. umfassen die Rasterfeldbaugruppen normalerweise eine Keramik, während Leiterplatten (PCBs) meist ein Epoxyharz umfassen. Da sich die unterschiedlichen Substrate bei Temperaturänderungen unterschiedlich ausdehnen, müssen die Lotverbindungsstrukturen nachgiebig sein, um diese Ausdehnungen ohne mechanische Defekte auszugleichen. Da die elektronischen Vorrichtungen, welche die Lotverbindungsstrukturen verwenden, normalerweise Temperaturänderungen durch zyklischen Betrieb unterworfen werden, müssen die Lotverbindungsstrukturen auch ermüdungsbeständig sein.

Bekannte Lotverbindungsstrukturen umfassen normalerweise Legierungen mit zwei Elementen, Zinn und Blei. Die Kugel besteht aus ungefähr 90% Blei und 10% Zinn. Die Paste und die resultierenden Stege umfassen ungefähr 63% Zinn und 37% Blei. Diese speziellen Zusammensetzungen der Kugel und der Paste werden ausgewählt, da sie das Benetzen und das Befestigen der Oberflächen während der Erwärmung vereinfachen. Des weiteren weisen die Kugel- und Pastenbestandteile der bekannten Lotverbindungsstrukturen ein ähnliches Spannungsdehnungsverhalten auf, so daß sie als eine Einheit wirken. Dies wird deutlich, wenn man die Scherfestigkeit und die Zugfestigkeit mit der Dehnung vergleicht, welche verwendet werden kann, um die Nachgiebigkeit zu definieren (siehe Manko, "Solders and Soldering", 2. Auflage, McGraw-Hill, Seite 132, Tabelle 4-3).

Da die bekannten Lotverbindungsstrukturen hauptsächlich Zinn und Bleilegierungen umfassen, fehlt ihnen die notwendige Nachgiebigkeit und Ermüdungsbeständigkeit, um den durch die Temperatur bewirkten Ausdehnungen und Kontraktionen des Substrates eines elektronischen Aufbaus während dessen Betriebs zu widerstehen.

Daher wird eine kosteneffektive herstellbare Lotverbindungsstruktur benötigt, welche nachgiebiger und ermüdungsbeständiger ist, und temperaturinduzierten Scherspannungen standhalten kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines elektronischen Aufbaus, umfassend eine integrierte Rasterfeldschaltung, befestigt auf einer Leiterplatte, gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt eines Teils eines elektronischen Aufbaus, umfassend eine der Lotverbindungsstrukturen des elektronischen Aufbaus aus Fig. 1, entlang der Linie 2-2;

Fig. 3-1 und Fig. 3-2 zeigen ein Herstellungsverfahren der Lotverbindungsstruktur aus Fig. 2;

Fig. 4 zeigt einen mikroskopischen Querschnitt einer bekannten Lotverbindungsstruktur; und

Fig. 5 zeigt eine mikroskopische Ansicht der Lotverbindungsstruktur aus Fig. 2 gemäß der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Die vorliegende Erfindung stellt eine ermüdungsbeständige Lotverbindungsstruktur zur Verfügung. Die Lotverbindungsstruktur umfaßt eine Vorform (preform), gebildet aus einer Lotlegierung, welche verbindbar zwischen zwei Stegen, gebildet aus einer vergleichsweise weniger nachgiebigen Lotlegierung in einem Mischbereich angeordnet ist, mit einer sich allmählich ändernden Konzentration der Vorform und der zwei Stege. Jeder Steg ist des weiteren an einer Paßfläche eines Substrates befestigt. Eine Lotverbindung der Lotverbindungsstruktur wird hergestellt, indem eine kosteneffektive, weniger nachgiebige Lotlegierung auf die Paßfläche eines Substrates abgeschieden wird, die nachgiebige Vorform in Kontakt mit der Paste angeordnet wird und die Paste und die Vorform so erwärmt werden, daß sich das nachgiebige Material der Vorform (nicht in der Lotpaste enthaltend in der Paste auflöst, so daß der aus der verfestigten Paste resultierende Steg eine andere Zusammensetzung in bezug auf die anfänglich abgeschiedene Paste aufweist. Dieses "Teilen" des nachgiebigen Materials, welches aus der Auflösung resultiert, führt dazu, daß die Lotverbindung nachgiebiger und ermüdungsbeständiger in bezug auf die bekannte Lotverbindung wird und daher geeignet ist schädliche ausgeübte Scherkräfte auszugleichen.

Fig. 1 stellt eine perspektivische Ansicht eines elektronischen Aufbaus 100, umfassend eine Rasterfeld- IC(Schaltungs-)baugruppe 106, welche auf einem teilweise dargestellten Leiterplatte 108 gemäß der vorliegenden Erfindung befestigt ist, dar. Der elektronische Aufbau 100 kann einen Teil eines elektrischen Schaltkreises innerhalb einer elektronischen Vorrichtung umfassen, wie in einem Computer oder in einem Telefonschalter. Die Rasterfeldbaugruppe 106 kann jede IC-Komponente sein, die eine hohe Ein-/Ausgabedichte erfordert, wie die keramische Kugelrasterfeldfamilie, beschrieben in JEDEC-Registrierung MO- 156.

Die Rasterfeldbaugruppe 106 ist auf der Leiterplatte 108, welche aus Epoxyharz und Glasfasern bestehen kann, über eine Vielzahl von Lotverbindungsstrukturen 101 befestigt. Die Lotverbindungsstrukturen 101 verbinden eine zweidimensionale Anordnung von Paßflächen (oder Oberflächenleitern), welche an der unteren Oberfläche der Rasterfeldbaugruppe 106 angeordnet sind, wobei eine entsprechende Anordnung von Paßflächen an der oberen Oberfläche der Leiterplatte 108 angeordnet ist. Die Paßflächen verbinden effektiv die elektronischen Bestandteile, umfassend die Rasterfeldbaugruppe 106 mit einem benachbarten elektronischen Stromkreis (nicht dargestellt), welcher auf der Leiterplatte 108 über die Leiterbahn 109 angeordnet ist.

Obwohl die Rasterfeldbaugruppe 106 und die Leiterplatte 108 in Fig. 1 dargestellt sind, sollte festgehalten werden, daß die Lotverbindungsstruktur 101 zwei beliebige Substrate mit geeigneten Paßflächen verbinden kann.

Die Vielzahl von Lotverbindungsstrukturen 101 müssen nachgiebig sein, um so die durch die Verformung ausgeübte Spannung während des Betriebes des elektronischen Aufbaus 100 auszugleichen. Während des Betriebs des elektronischen Aufbaus 100 wird thermische Energie, d. h. Wärme erzeugt. Wenn sich die Temperatur des elektronischen Aufbaus 100 erhöht, dehnen sich sowohl die Rasterfeldbaugruppe 106 als auch die Leiterplatte 108 aus. Aufgrund der unterschiedlichen Zusammensetzung werden die Rasterfeldbaugruppe 106 und die Leiterplatte 108 unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen unterworfen. Die Rasterfeldbaugruppe 106, welche aus einem keramischen Material bestehen kann, kann sich in etwa sieben millionstel (7/10⁶) pro Grad der Temperaturerhöhung der Rasterfeldbaugruppe 106 ausdehnen. Die Leiterplatte 108, welche aus Epoxyharz und Glasfasern bestehen kann, kann sich ungefähr achtzehn Teile pro Millionen pro Grad die sich die Temperatur der Leiterplatte 108 erhöht, ausdehnen. Da sich die Rasterfeldbaugruppe 106 und die Leiterplatte 108 mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausdehnen, werden auf die Vielzahl von Lotverbindungsstrukturen 101 Spannungen ausgeübt.

Gleichermaßen muß die Vielzahl von Lotverbindungsstrukturen 101 nachgiebig sein, um so elastisch von einem verformten Zustand zurückzukehren, wenn der elektronische Aufbau 100 ausgeschaltet wird. Mit der zuvor genannten thermischen Ausdehnung ist eine nachfolgende Kontraktion der Rasterfeldbaugruppe 106 und der Leiterplatte 108 mit verschiedenen Geschwindigkeiten verbunden, wenn der elektronische Aufbau 100 abgeschaltet wird und abkühlt. Während des Abkühlens und während sich die Rasterfeldbaugruppe 106 und die Leiterplatte 108 mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten zusammenziehen und von dem verformten Zustand, welcher während der Erwärmung erzielt wurde, zurückkehren, wird die Vielzahl von Lotverbindungsstrukturen 101 zusätzlichen Spannungen durch die Kontraktion unterworfen.

Daher müssen die Vielzahl von Lotverbindungsstrukturen 101 nicht nur nachgiebig sein, um die Akkumulation von schädlichen Spannungen zu verhindern, sondern auch eine Ermüdungsbeständigkeit aufweisen, um den cyclischen Wärmeausdehnungen und nachfolgenden Abkühlkontraktionen der Rasterbaugruppe 106 und der Leiterplatte 108 mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten standzuhalten, wenn der elektronische Aufbau 100 eingeschaltet oder abgeschaltet wird.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt eines Teils eines elektronischen Aufbaus 200, umfassend eine der Lotverbindungsstrukturen 101 des elektronischen Aufbaus 100 aus Fig. 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Teil des elektronischen Aufbaus 200 umfaßt einen Bereich mit einer Rasterfeldbaugruppe 206 und einen entsprechenden Bereich einer Leiterplatte 208, wobei zwischen diesen eine Lotverbindungsstruktur 201 angeordnet ist. Die Lotverbindungsstruktur 201 verbindet die Paßflächen 202 und 204 der Rasterfeldbaugruppe 206 und der Leiterplatte 208. In der bevorzugten Ausführungsform können die Paßflächen 202 und 204 als kreisförmige, metallisierte Kontaktflächen (pads), umfassend Kupfer, Nickel, Wolfram oder Molybdän, ausgebildet sein. Die Paßfläche 202 der Rasterfeldbaugruppe 206 kann mit einem Material wie Gold plattiert sein, um die Leitfähigkeit zu unterstützen. Häufig wird jedoch die auf der Paßfläche 202 abgeschiedene Goldplattierung während eines anfänglichen Wärmeverfahrens entfernt, um die Befestigung der Lotverbindungsstruktur 201 zu unterstützen.

Die Lotverbindungsstruktur 201 besteht aus einer kugelförmigen Vorform 210. Die kugelförmige Vorform 210 entspricht in Form und Funktion der im Stand der Technik eingesetzten Kugel. Die kugelförmige Vorform 210 besteht aus einem Lotlegierungsmetall. Um eine erhöhte Nachgiebigkeit und Ermüdungsbeständigkeit in bezug auf den Stand der Technik zu erzielen, kann die kugelförmige Vorform 210 der vorliegenden Erfindung Indium anstelle von Zinn enthalten. Wie zuvor ausgeführt, enthält die Kugel der bekannten Lotverbindungsstruktur Zinn, ein wenig nachgiebiges Material. Daher ist die Lotverbindungsstruktur 201 der vorliegenden Erfindung geeignet, sich bei niedrigeren Spannungen zu verformen und daher die Anhäufung schädlicher Spannungen zu vermeiden, die zu Ermüdung und Ausfall führt.

Die Lotverbindungsstruktur 201 umfaßt des weiteren ein Paar Stege 212 und 214. Die Stege 212 und 214 bestehen vorzugsweise aus einer Lotmetallegierung, welche im Vergleich weniger nachgiebig ist, als die Lotmetallegierung der kugelförmigen Vorform 210. Um eine geringere Nachgiebigkeit zu erzielen, können die Stege 212 und 214 Zinn enthalten. Die Stege 212 und 214 befestigen die kugelförmige Vorform 210 an den jeweiligen Paßflächen 202 und 204. Da die Stege 212 und 214 Zinn enthalten können und weniger nachgiebig als die kugelförmige Vorform 210 sind, bildet sich eine brüchige Zwischenmetallschicht zwischen den Stegen 212 und 214 und der jeweiligen Paßflächen 202 und 204.

Damit die Lotverbindungsstruktur 201 geeignet Ermüdung widerstehen kann, sind die Stege 212 und 214 verjüngt ausgebildet, um so die Scherspannungen, welche auf die Lotverbindungsstruktur 201 ausgeübt werden, auf den kleinst möglichen Querschnittsbereich innerhalb der Lotverbindungsstruktur 201, entfernt von der brüchigen Zwischenmetallschicht, zu fokussieren. Der kleinst mögliche Querschnittsbereich der Lotverbindungsstruktur 201 (oder der kleinst mögliche Durchmesser der Stege 212 und 214 in bezug auf die Paßflächen 202 und 204 ist kreisförmig) weist keine brüchige Zwischenmetallschicht auf, sondern befindet sich vielmehr innerhalb der Stege 212 und 214 oder in der Nähe der Oberfläche der nachgiebigen kugelförmigen Vorform 210. Der kleinst mögliche Querschnittbereich kann realisiert werden, indem ein Querschnitt parallel zu der flachen Oberfläche der jeweiligen Paßflächen 202 und 204 ausgewählt wird; dieser Querschnitt weist einen Bereich auf, der kleiner als der Bereich der Paßflächen 202 und 204 ist. Werden daher Scherspannungen ausgeübt, wird die Lotverbindungsstruktur 201 an der Stelle am meisten belastet, an welcher der Querschnittsbereich kleinst möglich ist oder in der Nähe der Oberfläche der nachgiebigen kugelförmigen Vorform 210 und nicht an der brüchigen Zwischenmetallschicht. Daher können die Scherspannungen sicher über das Verformen des nachgiebigen Bereichs der Lotverbindungsstruktur 101 ausgeglichen werden.

Die Lotverbindungsstruktur 201 in Fig. 2 kann unter Verwendung des folgenden Verfahrens hergestellt werden. Fig. 3-1 zeigt einen Schritt eines Verfahrens zur Befestigung der kugelförmigen Vorform 210 an der Rasterfeldbaugruppe 206. Vor der Verfestigung liegt der Steg 212 in Form einer Lotpaste 312, umfassend eine Metallegierung, vor. Die Lotpaste 312 ist an der Paßfläche 202 der Rasterfeldbaugruppe 206 abgelagert. Eine vorbestimmte Menge einer Lotpaste 312 wird auf der Paßfläche 202 abgeschieden, um sicherzustellen, daß der resultierende verfestigte Steg 212 verjüngt ist.

Anschließend wird eine kugelförmige Vorform 210 in einer Richtung, welche durch den Pfeil 316 dargestellt ist, bewegt und in Kontakt mit der Lotpaste 212 gebracht. Die Konstruktion aus Rasterfeldbaugruppe 206 - Paßfläche 202 - Lotpaste 312 - kugelförmige Vorform 210 wird anschließend mittels eines Ofens schmelzgelötet (reflow heated), z. B. der Watkins Johnson Konvektionsofen Modell Nr. 18SMD-66. Die Temperatur beim Schmelzlöten sollte bis zu einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der Lotpaste 312 ansteigen, jedoch unterhalb des Schmelzpunktes der kugelförmigen Vorform 210 liegen, für einen Zeitraum von 15 bis 60 Sekunden. Es ist notwendig die Konstruktion aus Rasterfeldbaugruppe 206 - Paßfläche 202 - Lotpaste 312 - sphärischer Vorform 210 auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der Lotpaste 212 zu erwärmen, um zu verhindern, daß sich die Lotpaste 312 vorzeitig abkühlt, wenn sie mit den Metallen der Konstruktion, die einen großen Wärmeverlust aufweisen, in Berührung kommt. Während dieses Zeitraumes löst sich das Indium aus der kugelförmigen Vorform 210 in der Lotpaste 312, die nun in einem geschmolzenen Zustand vorliegt. Die Auflösung des Indiums in der Lotpaste 312 kann als ein Wieder-Legieren bzw. erneutes Legieren der Lotpaste 312 bezeichnet werden; d. h., die Lotpaste 312, welche nunmehr Indium enthält, weist eine Zusammensetzung auf, die sich entscheidend von der Lotpaste 312, die anfänglich abgeschieden wurde, unterscheidet.

Beim Abkühlen verfestigt sich die erneut-legierte Lotpaste 312, welche Indium enthält, zu dem Steg 212. Die Lotpaste 312, die während des Schmelzens homogen vorlag, gleicht nun einer mehrphasigen Mischung, wenn sie sich zu dem Steg 212 verfestigt. Der Steg 212 umfaßt eine sich allmählich verändernde Kombination des Materials aus der kugelförmigen Vorform 210 und der Lotpaste 312, wie in Fig. 5 dargestellt.

Fig. 3-2 zeigt einen Schritt des Befestigungsverfahrens der kugelförmigen Vorform 210 an der Leiterplatte 208. Das Verfahren entspricht dem in Verbindung mit Fig. 3-1 beschriebenen Verfahren. Eine vorbestimmte Menge einer Lotpaste 314, welche der Lotpaste 312 ähnlich ist, wird auf der Paßfläche 204 der Leiterplatte 208 angeordnet. Der Bereich der kugelförmigen Vorform 210, welcher der Rasterfeldbaugruppe 206 gegenüberliegt, wird anschließend in eine Richtung bewegt, welche durch den Pfeil 318 beschrieben ist und in Kontakt mit der Lotpaste 314 gebracht. Anschließend wird die kugelförmige Vorform 210 und die Lotpaste 314 schmelzgelötet. Die Lotverbindungsstruktur 201 aus Fig. 2 resultiert aus den zuvor genannten Verfahrensschritten. Es sollte festgehalten werden, daß die Lotverbindungsstruktur 201 hergestellt werden könnte, indem die Reihenfolge der in den Fig. 3-1 und 3-2 dargestellten Verfahrensschritten umgedreht wird; d. h., die Leiterplatte 208 könnte an der kugelförmigen Vorform 210 befestigt werden, bevor die Rasterfeldbaugruppe 206 befestigt wird.

Die Herstellung des elektronischen Aufbaus 100 aus Fig. 1 kann durchgeführt werden, indem die zuvor genannten Verfahrensschritte auf eine Vielzahl von parallelen Verbindungen durch eine Vielzahl von Lotverbindungsstrukturen 101 erweitert werden. Zunächst kann eine Lotpaste, wie die Lotpaste 312, auf die zweidimensionale Anordnung der Paßflächen der Rasterfeldbaugruppe 106 unter Verwendung einer Dosiermatrix (metering stencil) siebgedruckt werden. Nachfolgend können die kugelförmigen Vorformen, wie die kugelförmige Vorform 210, in Kontakt mit und zu den Paßflächen orientiert mit Hilfe einer Schablone, vorzugsweise umfassend Aluminium, angeordnet werden. Der teilweise konstruierte Elektronikaufbau wird anschließend schmelzgelötet, wie zuvor beschrieben, und anschließend verfestigt. Nachfolgend kann eine Lotpaste, wie die Lotpaste 314, auf die entsprechende zweidimensionale Anordnung der Paßfläche, welche auf der Leiterplatte 108 angeordnet ist, siebgedruckt werden. Die kugelförmigen Vorformen, welche sich von den Paßflächen der Rasterfeldbaugruppe 106 erstrecken, werden anschließend in Kontakt mit einer entsprechenden Paßfläche der Leiterplatte 108 gebracht, schmelzgelötet und nachfolgend verfestigt. Nach der Verbindung über die zuvor genannten Schritte kann die Rasterfeldbaugruppe 106 in Verbindung mit den anderen Bestandteilen des elektrischen Stromkreises, welche auf der Leiterplatte 108 gebildet sind, betrieben werden.

Verschiedene Faktoren müssen berücksichtigt werden, wenn bestimmt wird, welche Legierungen für die kugelförmige Vorform 210 und die Lotpaste 312 und 314 geeignet sind, so daß die Lotverbindungsstruktur 201 der Fig. 2 über die zuvor genannten Verfahrensschritte gemäß Fig. 3-1 und 3-2 hergestellt werden kann. Die Faktoren umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, Nachgiebigkeit und Ermüdungsbeständigkeit, Berücksichtigung des Schmelzpunktes und Herstellbarkeit, wie auch die Kosten.

Zusätzlich müssen die Legierungen lötbar sein, so daß die Lotpaste 312 und 314 geeignet sind, sowohl die kugelförmige Vorform 210, als auch die Paßflächen 202 und 204 zu benetzen.

Um die Nachgiebigkeit und die Ermüdungsbeständigkeit zu erzielen, sollte die kugelförmige Vorform 210 der Lotverbindungsstruktur 201 eine nachgiebige Legierung umfassen, welche sich bei niedrigen Spannungen verformt. Diese Nachgiebigkeit zeigen einfache Indiumlegierungen, welche normalerweise durch ein hohes Maß der Dehnung bei Ausfallspannungen (siehe Manko "Solders and Soldering", Tabelle 4-3) gekennzeichnet sind. Diese einfachen Legierungen des Indiums schließen vorzugsweise solche ein, umfassend zwischen etwa 3 bis 50 Gew.-% Indium und Rest Blei.

Spezifische Beispiele schließen Legierungen ein, umfassend ungefähr 95% Blei und 5% Indium, ungefähr 90% Blei und 10% Indium, ungefähr 81% Blei und 19% Indium, ungefähr 75% Blei und 25% Indium und ungefähr 50% Blei und 50% Indium.

Alternativ geeignete einfache Legierungen des Indiums können auch solche einschließen, umfassend zwischen etwa 90 bis 97 Gew.-% Indium und Rest Silber. Ein spezifisches Beispiel der Legierung umfaßt ungefähr 90% Indium und 10% Silber.

Um die Verflüssigkeit der kugelförmigen Vorform 210 während des Schmelzlötens zu verhindern, muß der Schmelzpunkt der Legierung, umfassend die kugelförmige Vorform 210, oberhalb des Schmelzpunktes der Legierung, umfassend die Lotpaste 312 und 314 liegen. Die Lotverbindungsstruktur 201 kann hergestellt werden, wenn der Unterschied der Schmelzpunkte der kugelförmigen Vorform 210 und der Lotpaste 312 und 314 nicht geringer als ungefähr 25°C ist. Umfaßt die kugelförmige Vorform 210 z. B. die 90% Indium- und 10% Silber-Legierung, welche einen Schmelzpunkt von ungefähr 237°C aufweist, kann die Lotverbindungsstruktur 201 hergestellt werden, indem die kugelförmige Vorform 210 an den Paßflächen 202 und 204 über die Lotpaste 312 und 314, umfassend eine Legierung umfassend etwa 63% Zinn und 37% Blei, welche einen Schmelzpunkt von ungefähr 183°C aufweist, befestigt wird. Um die Herstellung zu erleichtern ist es bevorzugt, daß ein größerer Schmelzpunktunterschied vorliegt, um aggressive Temperaturerhöhungen zu ermöglichen und geeignetes Erwärmen der Paßflächen und der anderen betroffenen Bestandteile. Dies beeinflußt die Befestigung und das erneute Legieren der Lotpaste 312 und 314, wie zuvor erwähnt, und wie im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 5 erläutert. Daher kann z. B. die bevorzugte Lotverbindungsstruktur 201 hergestellt werden, indem die kugelförmige Vorform 210, umfassend die 95% Blei- und 5% Indium-Legierung, welche einen Schmelzpunkt von etwa 314°C aufweist, mit einer Lotpaste, umfassend die 63% Zinn- und 37% Blei-Legierung, befestigt wird. Demgemäß kann die Lotpaste 313 und 314 auch aus Legierungen bestehen, umfassend etwa 62% Zinn, 36% Blei und 2% Silber, welche einen Schmelzpunkt von ungefähr 179°C aufweist und ungefähr 35,5% Wismut, 35% Blei, 20% Zinn und 9,5% Cadmium, welche einen Schmelzpunkt von ungefähr 90°C aufweist (siehe Manko, "Solders and Soldering", Seite 110, Tabelle 3-16). Es sollte festgehalten werden, daß die spezifischen Schmelzpunkte direkt von den Prozentanteilen der Bestandteile der Legierungen der kugelförmigen Vorform 210 und der Lotpaste 312 und 314 abhängen.

Um zusätzlich geeignete Zusammensetzungen der kugelförmigen Vorform 210 und der Lotpaste 312 und 314 vorzuschlagen, müssen die Herstellbarkeit und die Kosten berücksichtigt werden, um die Verwendung der zuvor genannten Legierungen rechtzufertigen. Um die Kompatibilität mit dem Herstellungsprozeß beizubehalten, muß die Lotpaste 312 und 314 aus einer Lotlegierung bestehen, die verwendet werden kann, um alle elektronischen Bestandteile der Leiterplatte 208 (Bestandteile zusätzlich zu der Rasterfeldbaugruppe 206) in einem Einschritt-In-line-Siebdruckverfahren zu befestigen, mit welchem die Leiterplattenherstellung normalerweise beginnt. Aufgrund der relativ niedrigen Kosten ist die Lotpaste 312 und 314, umfassend Zinn und Blei, normalerweise bevorzugt.

Obwohl es möglich ist eine ermüdungsbeständige Lotverbindungsstruktur mit Indium in der Lotpaste 312 und 314 zu erzeugen, ist dies hinsichtlich der höheren Kosten der indiumtragenden Lotpaste und andere Herstellungsfragen ungünstig. Da die Kosten von Indium die Kosten von Zinn und Blei wesentlich überschreiten und ein einstufiges Siebdruckherstellungsverfahren erwünscht ist, um den automatisierten Aufbau beizubehalten und unnötige Kosten und Qualitätseinschränkungen zu vermeiden, ist es in der Praxis unmöglich Indium in der Lotpaste 312 und 314 zu verwenden. So würde z. B. aufgrund der höheren Kosten eine indiumtragende Lotpaste nur verwendet werden, um die Rasterfeldbaugruppe 206 an der Leiterplatte 208 zu befestigen, so daß ein zusätzlicher Herstellungsschritt benötigt wird, um die indiumtragende Lotpaste auf die Leiterplatte mittels Siebdruck zu drucken, um die Rasterfeldbaugruppe nach dem Drucken der Zinn-Bleilotpaste auf den Rest der Leiterplatte 208 zur Befestigung der anderen elektronischen Bestandteile zu befestigen. Zusätzlich weist eine Lotlegierungspaste, enthaltend Indium, eine kurze Lagerungslebensdauer aufgrund unerwünschten Erstarrens der Paste, bewirkt durch die Reaktion des Indiums mit der Chemie der Paste, auf.

Einige der zuvor genannten Lotlegierungspasten, Legierungen der kugelförmigen Vorform und ihre Schmelzpunkte, welche kombiniert werden können, um die Lotverbindungsstruktur 201 zu bilden, sind zur Klarheit in der nachfolgenden Tabelle aufgelistet. Gemäß des zuvor Ausgeführten kann die Legierung der Lotpaste in der ersten, der zweiten und der dritten und der vierten Reihe mit einer Legierung der kugelförmigen Vorform der fünften, sechsten, siebten, achten, neunten oder zehnten Reihe kombiniert werden, um die Lotverbindungsstruktur 201 zu bilden. Zum Beispiel kann die 63% Zinn- und 37% Blei- Legierung, welche die Lotpaste der ersten Reihe bildet, mit der 81% Blei- und 19% Indium-Legierung, welche die kugelförmige Vorform der siebten Reihe bildet, kombiniert werden. Ähnlich kann die 35,5% Wismut-, 35% Blei-, 20% Zinn- und 9,5% Cadmium-Legierung umfassende Lotpaste der zweiten und der dritten Reihe mit der 90% Indium- und 10% Silber-Legierung umfassenden kugelförmige Vorform der neunten Reihe oder mit der 50% Blei- und 50% Indium-Legierung umfassenden kugelförmigen Vorform der zehnten Reihe verbunden werden.

Tabelle

Fig. 4 stellt einen mikroskopischen Querschnitt 400 einer bekannten Lotverbindungsstruktur 401 dar. Die mikroskopische Ansicht 400 aus Fig. 4 entspricht im wesentlichen den Mikrophotographien der bekannten Lotverbindungsstrukturen. Die Lotverbindungsstruktur 401 umfaßt eine kugelförmige Vorform 410, angeordnet zwischen den Stegen 412 und 414. Die kugelförmige Vorform 410 der bekannten Lotverbindungsstruktur 401 umfaßt etwa 90% Blei und 10% Zinn. Die Stege 412 und 414 umfassen etwa 63% Blei und 37% Zinn. Aufgrund der ähnlichen Zusammensetzungen bilden die kugelförmige Vorform 410 und die Stege 412 und 414 ähnliche Spannungsdehnungseigenschaften aus, die dazu führen, daß sich diese Lotverbindungsstruktur 401 mechanisch wie eine einförmige Struktur verhält. Aufgrund der Anwesenheit des Zinns in der ganzen Struktur, zeigt die Lotverbindungsstruktur 401 keine Nachgiebigkeit in bezug auf Verformungen, um die thermisch induzierten Spannungen auszugleichen. Als ein Resultat führen diese Spannungen dazu, sich innerhalb der Lotverbindungsstruktur 401 zu akkumulieren und führen zu möglicher Ermüdung und mechanischen Defekten.

Die mikroskopische Ansicht 400 zeigt eine deutliche Verbindung zwischen der 90% Blei- und 10% Zinn-Legierung, umfassend die Stege 412 und 414 und der 63% Blei- und 37% Zinn-Legierung, umfassend die kugelförmige Vorform 410. Während des Schmelzlötens benetzt die Lotpaste, welche sich nachfolgend verfestigt, um die Stege 412 und 414 zu bilden, nur die Oberflächen der kugelförmigen Vorform 410. Daher ist die bekannte Lotverbindungsstruktur 410 für die zuvor genannten Scherspannungen stark anfällig.

Fig. 5 zeigt eine mikroskopische Ansicht 500 der Lotverbindungsstruktur 210 aus Fig. 2 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die mikroskopische Ansicht 500 aus Fig. 5 entspricht im wesentlichen den Mikrophotographien der Lotverbindungsstruktur 210. Die mikroskopische Darstellung 500 zeigt eine kugelförmige Vorform 510, welche zwischen einem Stegepaar 512 und 514 angeordnet ist. Statt einer deutlichen Verbindung zwischen der Legierung des Steges 412 und 414 und der Legierung der kugelförmigen Vorform 410 aus Fig. 4, zeigt die mikroskopische Ansicht 500 Mischbereiche 520 und 522, welche zwischen den jeweiligen Stegen 512 und 514 und der kugelförmigen Vorform 510 angeordnet sind.

Die Mischbereiche 520 und 522 resultieren aus der Wieder legierung der Lotpaste, welche sich später verfestigt, um die Stege 512 und 514 zu bilden. Während des Schmelzlötens erhält die kugelförmige Vorform 510 eine leicht kegelförmige Gestalt. Die Trunkation tritt als ein Ergebnis des Lösens von Indium der sphärischen Vorform 510 in der Lotpaste, wie der Lotpaste 312 und 314, auf. Die Menge der kugelförmigen Vorform 510, welche sich in der Lotpaste löst, ist der Menge der Lotpaste welche an der Paßfläche während der Verfahrensschritte, beschrieben in bezug auf Fig. 3-1 und 3-2 angeordnet wird, direkt proportional.

Die Mischbereiche 520 und 522 beeinflussen die Bindung der weniger nachgiebigen Stege 512 und 514 mit der nachgiebigen kugelförmigen Vorform 510. Die Mischbereiche 520 und 522 übertragen thermisch induzierte Spannungen aus den weniger nachgiebigen Stegen 512 und 514 auf die nachgiebige kugelförmige Vorform 510, um elastische Verformung der Lotverbindungsstruktur 501 ohne mechanischen Defekt oder insbesondere ohne Abscheren oder Ablösen der nachgiebigen kugelförmigen Vorform 510 von den weniger nachgiebigen Stegen 512 und 514 zu ermöglichen.

Die Mischbereiche 520 und 522 und die jeweiligen Stege 512 und 514 bestehen aus einer sich allmählich verändernden Kombination der Materialien der Lotpaste und der kugelförmigen Vorform 510. Zum Beispiel führt das Schmelzlöten der Kombination der Lotpaste 312 und 314, umfassend 63% Zinn und 37% Blei und der kugelförmigen Vorform 510, umfassend 81% Blei und 19% Indium, zu Mischregionen 520 und 522 und den jeweiligen Stegen 512 und 514 mit einer Zusammensetzung von ungefähr 42% Zinn, 40% Blei und 18% Indium. Schmelzlöten der Lotpaste 312 und 314, umfassend 62% Zinn, 36% Blei und 2% Silber und der kugelförmigen Vorform 510, umfassend 81% Blei und 19% Indium, führt zu Mischbereichen 520 und 522 und jeweiligen Stegen 512 und 514 mit einer Zusammensetzung von ungefähr 42% Zinn, 40% Blei, 18% Indium und Spurenmengen an Silber, wobei eine Spurenmenge normalerweise weniger als 0,1% entspricht. Die Lotpaste 312 und 314, umfassend 62% Zinn, 36% Blei und 2% Silber und die kugelförmige Vorform 510, umfassend 90% Blei und 10% Indium, verbinden sich, um Mischbereiche 520 und 522 und jeweilige Stege 512 und 514, mit einer Zusammensetzung von ungefähr 64% Zinn, 32% Blei, 4% Indium und Spurenmengen an Silber zu bilden. Die Lotpaste, umfassend 62% Zinn, 36% Blei und 2% Silber und die sphärische Vorform, umfassend 95% Blei und 5% Indium, verbinden sich, um Mischbereiche 520 und 522 und jeweilige Stege 512 und 514 zu bilden, mit einer Zusammensetzung von ungefähr 76% Zinn, 22% Blei, 2% Indium und Spurenmengen an Silber. Obwohl Indium in den Stegen 512 und 514 vorhanden ist, sind höhere Konzentrationen des Indiums in der Nähe, wie auch innerhalb der Mischbereiche 520 und 522 vorhanden.

Zusätzlich zeigte ein zyklischer Temperaturtest, daß die Ermüdungslebensdauer und Beständigkeit der Lotverbindungsstrukturen mit den zuvor genannten Kombinationen der Legierungen, gemäß der vorliegenden Erfindung, die der bekannten Lotverbindungsstrukturen überschreiten. Zum Beispiel zeigten zyklische Temperaturen zwischen ungefähr 5°C bis 100°C eine Vielzahl von Lotverbindungsstrukturen 501, hergestellt aus der kugelförmigen Vorform, umfassend 81% Blei und 19% Indium, gemäß der vorliegenden Erfindung, keine Ausfälle bei ungefähr 2290 Zyklen. Eine ähnliche Überprüfung der bekannten Lotverbindungsstrukturen, hergestellt aus der kugelförmigen Vorform, umfassend 90% Blei und 10% Zinn, zeigten einen ersten Ausfall bei 529 Zyklen, einen zweiten Ausfall bei 1248 Zyklen und einen dritten Ausfall bei 2226 Zyklen.

Im Gegensatz zu den bekannten Lotverbindungsstrukturen, umfassend Legierungen, enthaltend zwei Elemente Zinn und Blei, enthält die Lotverbindungsstruktur 501 ein drittes nachgiebiges Element, Indium. Die Nachgiebigkeit und die Ermüdungsbeständigkeit der Lotverbindungsstruktur 501 ist ein Ergebnis des "Teilens" des Indiums zwischen der kugelförmigen Vorform 510 und den Stegen 512 und 514 (resultierend aus der zuvor genannten Lösung).

Obwohl die zuvor genannten Ausführungsformen der Lotverbindungsstruktur 501 eine kugelförmige Vorform einsetzen, ist es möglich, eine ermüdungsbeständige und nachgiebige Lotverbindungsstruktur herzustellen, indem Lotlegierungsvorformen mit anderen Formen verwendet werden. Zum Beispiel ist eine nachgiebige blockförmige, faßförmige oder prismaförmige Vorform auch geeignet, die Spannungen von den Zwischenmetallschichten (zwischen den Stegen und den Paßflächen) über die weniger nachgiebigen Stege und die Mischbereiche aufzunehmen und gleichmäßig zu verteilen.

Zusammenfassend stellt die vorliegende Erfindung eine ermüdungsbeständige Lotverbindung für eine Lotverbindungsstruktur zur Verfügung. Die Lotverbindungsstruktur, welche die Paßflächen von zwei Substraten miteinander verbindet, umfaßt eine nachgiebige Vorform aus einem Lotlegierungsmetall, welches verbindbar zwischen zwei weniger nachgiebigen Lotlegierungsmetallstegen angeordnet wird. Die Lotverbindungsstruktur wird hergestellt indem eine Lotpaste, welche Blei und Zinn enthalten kann, auf der Paßfläche des einen Substrates abgeschieden wird. Die Vorform, welche eine nachgiebigere Legierung enthält, wie Blei und Indium, wird in Kontakt mit der Paste angeordnet. Die Vorform und die Paste werden anschließend ausreichend schmelzgelötet, so daß das Indium aus der nachgiebigen Vorform mit der Lotpaste in Lösung geht, um die Lotpaste effektiv erneut zu legieren. Der Steg, welcher aus der verfestigen Paste resultiert, umfaßt eine Lotlegierungsmetallmischung enthaltend Blei, Zinn und Indium, die sich in der Zusammensetzung von den Lotlegierungsmetallen der Vorform und der Lotpaste unterscheidet. Das Verfahren wird anschließend erneut verwendet, um das andere Substrat an der Vorform zu befestigen. Da die Vorform und die erneut legierten Stege das Indium teilen, ist die Lotlegierungsstruktur nachgiebiger, um Ermüdung und mechanischen Defekten die thermisch induziert werden, zu widerstehen und so schädliche Scherspannungen zu verringern.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer geschmolzenen Legierungsverbindung an einer Paßfläche (202, 204) auf einem Substrat (206, 208), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

(a) Abscheiden (Fig. 3-1 und 3-2) einer ersten Lotlegierung (312, 314) mit einem ersten Schmelzpunkt auf der Paßfläche (202, 204);
(b) Anordnen (Fig. 3-1) einer zweiten Lotlegierung (210), gebildet aus einem nachgiebigen Metall in Kontakt mit der ersten Lotlegierung (312, 314), wobei die zweite Lotlegierung (210) einen zweiten Schmelzpunkt aufweist, welcher oberhalb des ersten Schmelzpunktes liegt; und
(c) Erwärmen (Fig. 3-2) der ersten Lotlegierung (312, 314) und der zweiten Lotlegierung (210) auf eine Temperatur zwischen dem ersten Schmelzpunkt und dem zweiten Schmelzpunkt, um das nachgiebige Material der zweiten Lotlegierung (210) ausreichend in der ersten Lotlegierung (312, 314) aufzulösen und die erste Lotlegierung (312, 314) in eine dritte Lotlegierung (520, 522) umzuwandeln, welche sich in der Zusammensetzung von der ersten Lotlegierung (312, 314) und der zweiten Lotlegierung (210) unterscheidet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Lotlegierung (210), welche in Schritt (b) angeordnet wird, eine erste Indiumlotlegierung umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Lotlegierung (312, 314), welche in dem Schritt (a) abgelagert wird, im wesentlichen kein Indium aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Lotlegierung (520, 522) eine zweite Indiumlotlegierung umfaßt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, des weiteren gekennzeichnet durch die Schritte:

(d) Abkühlen (Fig. 3-2, und 5) der geschmolzenen Legierungsverbindung, um die dritte Lotlegierung (520, 522) in einer mehrphasigen Mischung der Elemente der zweiten Lotlegierung (210) und der ersten Lotlegierung (312, 314) zu verfestigen.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schmelzpunkt etwa 25°C oder mehr unterhalb des zweiten Schmelzpunktes liegt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Lotlegierung (210) etwa 3 bis 50 Gew.-% Indium, Rest im wesentlichen Blei, umfaßt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Lotlegierung (210) etwa 90 bis 97 Gew.-% Indium, Rest im wesentlichen Silber, umfaßt.

9. Geschmolzener Legierungsverbindungsaufbau (501), verbindend eine erste Paßfläche (202/204) eines ersten Substrats (206/208) und eine zweite Paßfläche (204/202) eines zweiten Substrats (208/206), wobei der Aufbau gekennzeichnet ist, durch:
eine Vorform (510), gebildet aus einer nachgiebigen Lotlegierung mit einem ersten Schmelzpunkt;
einem ersten Steg (512/514) und einem zweiten Steg (514/512), gebildet aus einer weniger nachgiebigen, Lotlegierung mit unterschiedlicher Zusammensetzung, mit einem zweiten Schmelzpunkt der unter dem ersten Schmelzpunkt liegt, wobei der erste Steg (512/514) und der zweite Steg (514/512) an jeweils einer der ersten Paßflächen (202/204) und der zweiten Paßfläche (204/202) befestigt sind; und
wobei die Vorform (510) verbindbar zwischen dem ersten Steg (512/514) und dem zweiten Steg (514/512) durch ausreichende Erwärmung angeordnet wird, um einen Mischbereich (520, 522) mit einer sich allmählich ändernden Konzentration der Vorform (510) und des ersten Steges (512/514) und des zweiten Steges (514/512) zu bewirken.

10. Aufbau nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorform (510) eine einfache Lotlegierung aus Indium umfaßt.