DE19654250A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen oxidationsempfindlicher Lötverbindunden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Herstellung von Lötverbindungen und anderen Verbindungen zwischen Metalloberflächen wie z. B. Diffusionsverbindungen, insbesondere für die Herstellung von Halbleiterbauelementen hoher Leistung. Sie betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Löt- bzw. der entsprechenden Bindeverfahren.

Bei der Konfektionierung von Halbleiterbauelementen hoher Leistung müssen diverse elektrische, mechanische oder thermische Verbindungen hergestellt werden. Häufig erfüllt ein und dieselbe Verbindung mehrere der genannten Aufgaben gleichzeitig. So kommen beispielsweise beim Montieren von Diodenlasern auf Wärme senken Lotlegierungen auf Indium- und Zinnbasis zum Einsatz, die sowohl die elektrische Kontaktierung des Diodenbarrens als auch die Wärmeabfuhr übernehmen.

Ungünstigerweise überziehen sich insbesondere Weichlote auf Indium- und Zinnbasis, aber auch andere Lote und Metalloberflächen, bei Lagerung an Luft bereits nach wenigen Stunden mit einer dünnen Oxidhaut, die sich auch beim Löten oder Schweißen unter Schutzgas nicht mehr entfernen läßt. Es kann manchmal dennoch gelingen, eine Verbindung herzustellen, die jedoch an den vorher mit Oxid belegten Stellen einen erhöhten Wärmeübergangswiderstand und schlechte mechanische Eigenschaften aufgrund von Lunkerbildung besitzt. Im Betrieb des Bauelementes kommt es dort zu erhöhter thermischer Belastung, die schließlich mit vorzeitiger Zerstörung desselben enden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, die voranstehenden Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren zum Verbinden zweier metallischer Flächen, insbesondere zwischen einem Lot und einem Werkstück, aber auch z. B. zwischen zwei Werkstücken bereitzustellen, bei dem die Bildung störender Oxide vermieden wird bzw. vorhandene Oxide beseitigt werden.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß vor dem oder während des Verbindens der metallischen Flächen (z. B. des Lötens) chemisch aktive (reduzierende), gasförmige Radikale oder Ionen erzeugt werden und auf mindestens eine Metalloberfläche gebracht, z. B. geblasen werden. Durch den Kontakt der aktivierten Moleküle oder Atome mit dem Metall findet eine chemische Reaktion mit sich ggf. bildenden bzw. bereits vorhandenen störenden Metalloxiden statt, und es kann eine bessere Verbindung erzielt werden, da hierdurch die Oxidation des Metalles verhindert bzw. die oxidierten Metallatome wieder reduziert werden. Die Ionen oder Radikale werden bevorzugt durch eine elektrische Gasentladung erzeugt, die besonders bevorzugt eine indirekte Barrierenentladung ist. Die Barrierenentladung (engl.: dielectric barrier discharge) wird mitunter auch als dielektrisch behinderte Entladung (silent discharge) bezeichnet und wird durch ein homogenes elektrisches Feld in einer Anordnung mit mindestens einer dielektrischen Barriere erzeugt.

Ein Niedertemperaturplasma, das üblicherweise nur in Niederdruckgasentladungen erzeugt werden kann, kann mittels der Barrierenentladung auch bei Atmosphärendruck betrieben werden. Der mit Barrierenentladungen verfügbare Druckbereich erstreckt sich so weit ober- und unterhalb des Atmosphärendrucks, daß der Betrieb auch in der Gaszuleitung oder Absaugleitung einer durchströmten Apparatur möglich ist. Selbstverständlich ist jedoch der Druckbereich, in dem das Verfahren durchgeführt werden kann, nicht auf Umgebungsdruck beschränkt.

U.a. weil das erfindungsgemäße Verfahren z. B. gut bei Umgebungsdruck durchführbar ist, kann es in einer kompakten Vorrichtung und mit Hilfe vorhandener Bondgeräte und sonstiger Montagegeräte für Lot- und Diffusionsverbindungen ausgeführt werden, wobei die Vorrichtung zum Erzeugen der aktiven Gasspezies direkt an diese angesetzt werden kann. Das Verfahren kann beispielsweise durchgeführt werden, indem kurz vor dem Ort, an dem das Löten oder dergleichen erfolgen soll (bspw. in einer Wärmesenke), in der Schutzgas-Zuleitung Elektroden angeordnet sind, mittels derer eine elektrischen Gasentladung, z. B. eine durch eine dielektrische Barriere behinderte Entladung, bewirkt wird. Auch andere Methoden zur Erzeugung der chemisch aktiven Atome oder Moleküle sind möglich (beispielsweise katalytisch, thermisch, durch UV-Licht oder ionisierende Strahlen).

Die chemisch aktiven Spezies sind frei wählbar, sofern sie reduzierende Wirkung aufweisen. Als geeignet hat sich z. B. Wasserstoff erwiesen. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Verfahren mit sogenanntem Formiergas, einem nicht brennbaren Gemisch aus 10% Wasserstoff H₂ in Argon Ar, durchgeführt werden. Formiergas wird üblicherweise auch als Schutzgas beim Löten verwendet und bildet unter den Bedingungen der Barrierenentladung Wasserstoffradikale. Auch andere Gase oder Gasmischungen sind möglich, sofern sie aktivierbare reduzierende Bestandteile enthalten, wobei solche bevorzugt sind, die bei einer elektrischen Gasentladung, insbesondere einer behinderten Entladung, Metalloxide reduzierende Radikale oder Ionen bilden. Als Verdünnungs- oder Schutzgas können Inertgase wie Argon, Stickstoff oder dgl. eingesetzt werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann nicht nur die Oxidation des Lotes oder der Metalloberfläche(n) verhindert werden, sondern es kann sogar eine mehrere Tage alte und damit stark oxidierte (typisch bis zu 50 nm Schichtdicke) Probe von der Oxidschicht befreit werden.

Wenn nachfolgend von "Löten" gesprochen wird, so sollte klar sein, daß gleiches selbstverständlich auch für andere Verbindungstechniken von Metalloberflächen wie das Diffusionsverbinden gilt und sich die Ausführungen daher auch darauf erstrecken.

Es ist bevorzugt, daß die Reduktion der Oxide während des Lötvorganges erfolgt. Es ist aber auch möglich, das Lotmaterial vor dem Löten den aktiven Gasspezies auszusetzen, insbesondere dann, wenn eine Wieder-Oxidation nicht zu befürchten ist (z. B. wenn das Material aus anderen Gründen in einer Schutzatmosphäre aufbewahrt werden muß). Ferner kann mit der Reduktion bereits begonnen werden, bevor der Lötvorgang gestartet wird, und diese kann während des Lötens fortgesetzt werden, oder die Reduktion erfolgt vollständig kurz vor dem Lötvorgang.

Wenn das Löten selbst unter einem reduzierende Spezies enthaltenden Gas erfolgen soll, wird das Gas oder Gasgemisch bevorzugt vor Eintritt in die Bondvorrichtung durch einen Schlitz oder eine Düse, z. B. einen ca. 10 mm breiten und 1 mm hohen Schlitz, geleitet, in dem auf z. B. ca. 10 mm Länge eine Entladung erzeugt wird. Bevorzugt ist, daß wenigstens eine Seite des Schlitzes von einer dielektrischen Barriere, einem elektrischer Isolator, bedeckt ist. Damit wird bei Anlegen einer hochfrequenten Wechselspannung zwar eine Gasentladung gezündet, jedoch der Übergang zu einem thermischen Bogenplasma verhindert.

Bei jedem Spannungsanstieg werden in der resultierenden kurzzeitigen Entladung (üblicherweise von wenigen Nanosekunden Dauer) Elektronen von meist 5-15 eV Energie gebildet. Diese erzeugen z. B. aus dem genannten Formiergasgemisch atomaren Wasserstoff, der auf chemischem Wege die Oxidschicht reduziert. Die Lebensdauer der Radikale in einem solchen Gas bei Umgebungsdruck reicht aus, um noch in etwa 10-15 mm Entfernung von der Düse bzw. dem Ort der Gasentladung die gewünschte Wirkung zu beobachten. Es ist ganz allgemein wünschenswert, den Abstand zwischen Gasentladung und Lötstelle so zu wählen, daß die Gasentladung nicht auf der Oberfläche des Werkstückes (Lot und/oder Bauelement) brennt. Auch sollte der Abstand natürlich kürzer als die Rekombinationslänge der aktiven Spezies sein, da diese nur innerhalb dieses Bereichs reduzierend wirken können. Eine Anordnung mit einem Abstand im Millimeterbereich (z. B. 8 bis 18 mm) ist daher meist günstig.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden auch die Benetzungseigenschaften der Montageflächen begünstigt; dies führt zu kürzeren Zykluszeiten und der Möglichkeit, durch sehr schnelle Zyklen ein feinkörniges, homogenes Lotgefüge zu erzeugen.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß auf den Zusatz von Flußmitteln in der Lötlegierung verzichtet werden kann. Dies führt zu chemisch reinen Funktionsflächen, die neben dem Löten auch Diffusionsverbindungen erlauben. Speziell in der Optoelektronik wird die Kontaminierung optischer Flächen vermieden, was neben Leuchtdioden insbesondere für die Strahlauskoppelfläche von Laserdioden wichtig ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Konfektionierung von Halbleiterbauelementen hoher Leistung (Anspruch 11), aber auch z. B. zum Einlöten von anderen Leistungsbauelementen, wie MOSFETs oder ähnlicher Schalttransistoren, und von stark wärme­ belasteten diskreten Bauelementen (Anspruch 12, erste Alterna­ tive); auch bei der Montage von Silizium- oder Galliumarsenid­ hips in ein Gehäuse aus Keramik oder Kunststoff (packaging) mit den entsprechenden elektrischen Zuleitungen mittels eines Stanz­ gitters und ggf. eines Metallblechs zur Wärmeabfuhr weist das Verfahren Vorzüge auf. Schließlich ist es nützlich, stark minia­ turisierte Anschlußbeinchen integrierter Schaltkreise in Loch­ platinen- oder SMD-Technik (surface mounted devices) unter Zu­ hilfenahme der Erfindung herzustellen, da so kleinere Struktur­ breiten fehlerfrei gelötet werden können.

Ein Kühlkörper kann aus mehreren Bestandteilen durch Diffusions­ verbinden hergestellt werden (Anspruch 12, zweite Alternative).

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich beispielsweise auf die folgende Weise durchführen: Eine Wärmesenke wird zur Vorbereitung des Lötprozesses mit Sn,In-Basisloten bedampft, beispielsweise im Vakuum durch PVD. Anschließend können die Teile an Umgebungsluft bis zum Löten gelagert werden. In der Montagevorrichtung wird das Lot zusammen mit der Wärmesenke meist über den Schmelzpunkt erhitzt, während das durch die elektrische Entladung aktivierte Gasgemisch darüber geleitet wird. Sodann wird die Heizung abgeschaltet und das Halbleiterbauelement aufgesetzt, so daß dieses beim Löten möglichst geringe thermische Belastung durch Temperaturerhöhung über T_FL erfährt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Fig. 1 der verwendbaren Vorrichtung beispielhaft erläutert und ergänzt.

Fig. 1 zeigt schematisch den Lötvorgang bei einem Laserdiodenbarren 21, der auf eine Wärmesenke 22 aufgelötet wird. In einem vorher durchgeführten Schritt wurde ein Basislot 23 auf einen Bereich der Wärmesenke 22 aufgedampft. Die Wärmesenke 22 läßt sich von der Unterseite her mit einer nicht dargestellten Heizung erwärmen. Der Gasentladungsbereich 10 befindet sich vor der Kante der Wärmesenke 22 und weist einen Kanal 11 zur Gaszuführung auf.

In den Kanal eingesetzt sind kleine Elektroden 12, 13, die mit den Polen einer hochfrequenten Hochspannungsversorgung verbunden sind. Zumindest eine der Elektroden besteht aus der eigentlichen Metallelektrode und einer dielektrischen Schicht. Beispielsweise kann die obere und untere Begrenzung des Kanals durch Isolierstoffplatten gebildet sein, hinter denen die Metallelektroden angeordnet werden. Es ist auch möglich, den Kanal in einen Isolierstoffkörper einzufräsen, der auf der offenen Seite von einer Metallplatte abgeschlossen wird. In diesem Fall ist nur eine der Elektroden elektrisch gegen den Entladungsraum 14 isoliert, während die andere metallisch ist.

Um Spannungsüberschläge aus der Gasentladung 14 auf das Halbleiterbauelement 21 zu vermeiden, strömt das Gas hinter der Anregungszone noch einige Millimeter durch einen Schlitz 15 in der Plasmadüse, bevor es den Bondbereich 20 erreicht. Zum Schutz gegen Staub besitzt dieser üblicherweise Begrenzungen (nicht dargestellt), die jedoch nicht besonders abgedichtet sind und das einströmende Gas 15 entweichen lassen.

Claims (16)

1. Verfahren zum Herstellen einer Verbindung zwischen metallischen Flächen wie einem Lot und einem Werkstück oder zwei Werkstücken, dadurch gekennzeichnet, daß chemisch aktive Gasradikale oder -ionen erzeugt werden, die vor oder während des Verbindungsvorganges mindestens eine der metallischen Flächen überstreichen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasradikale oder -ionen ein Lot überstreichen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die chemisch aktiven Gasradikale oder -ionen mittels oder in einer elektrischen Gasentladung erzeugt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erzeugten aktiven Radikale oder Ionen in einer Inertgasströmung mitgeführt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der elektrischen Gasentladung um eine Barrierenentladung handelt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Gasentladung annähernd oder genau bei Atmosphärendruck durchgeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasentladung in der Zuleitung eines Schutz- oder Spülgases durchgeführt wird und das genannte Gas während des Verbindungsvorgangs über mindestens eine Metalloberfläche geleitet wird.

8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung der aktiven Radikale oder Ionen in der unmittelbaren Nähe des Werkstückes und/oder Lotes erfolgt, aber nicht auf dessen Oberfläche.

9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Erzeugung der aktiven Radikale oder Ionen ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch ein nicht brennbares Gemisch aus Wasserstoff und einem Inertgas ist.

11. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zum Konfektionieren von Leistungsbauelementen, insbesondere Hochleistungs-Laserdioden.

12. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zum Löten von Leistungshalbleitern auf Kühlkörpern oder zum Diffusionsverbinden von einzelnen Bestandteilen eines Kühlkörpers.

13. Vorrichtung zum Herstellen einer Verbindung zwischen einem Lot und einem Werkstück oder zwei Werkstücken, umfassend einen Bereich (10), in dem aktive Gasradikale oder -ionen erzeugt werden, eine Gasführung (11), die die aktiven Gasradikale oder -ionen in Richtung der Bindestelle transportieren kann, sowie einen Bereich (22), in welchem die Verbindung erzeugt wird.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich, in dem die aktiven Gasradikale oder -ionen erzeugt werden, ein Gasentladungsbereich ist, und der Abstand zwischen dem Gasentladungsbereich und der Bindestelle zwischen 10 und 15 mm beträgt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 13, worin das Gas in einem Kanal geführt wird, in welchem sich mit einer Hochspannungsleitung verbundene Elektroden als Gasentladungseinrichtung befinden.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, worin mindestens eine der Elektroden mit einer dielektrischen Schicht bedeckt ist.