DE19930190A1 - Lötmittel zur Verwendung bei Duffusionslötprozessen sowie Verfahren zur Herstellung von Lötverbindungen unter Verwendung des Lötmittels - Google Patents

Abstract

Ein Lötmittel zur Verwendung bei Diffusionslötprozessen enthält in einer Lötpaste eine Mischung aus mindestens teilweise metallischen Körnern (13) aus einem hochschmelzenden Metall und einem Lotmetall. Bei einem Diffusionslötprozeß reagiert das Lotmetall unter Bildung einer intermetallischen Phase (14) vollständig mit dem hochschmelzenden Metall und Metallen von durch den Lötprozeß miteinander zu verbindenden Teilen (10, 11).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lötmittel zur Verwen­ dung bei Diffusionslötprozessen nach dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung von Löt­ verbindungen nach Patentanspruch 20.

Diffusionslötprozesse sind allgemein zur Herstellung von Löt­ verbindungen zwischen Metallteilen, insbesondere auch zur Herstellung von Lötverbindungen zwischen elektronischen Schaltungssystemen und Substraten, anwendbar.

Unter elektronischen Schaltungssystemen werden im Rahmen vor­ liegender Erfindung Festkörperschaltungssysteme, insbesondere integrierte Halbleiterschaltkreise, verstanden. Speziell be­ zeichnet der Begriff System etwa bei einem integrierten Halb­ leiterschaltkreis den die elektronischen Schaltungsfunktions­ elemente, wie Transistoren, Dioden, Kapazitäten usw. enthal­ tenden Halbleitermaterialkörper sowie die darauf befindli­ chen, die Schaltungsfunktionselemente verbindenden metalli­ schen Leiterbahnen und Anschlußelemente. Die Anschlußelemente können u. a. flächige Metallbelegungen, sog. Pads sein.

Unter Substraten werden im Rahmen vorliegender Erfindung Schaltungsplatten wie gedruckte Schaltungen oder Schaltungs­ plantinen verstanden. Auch derartige Substrate besitzen An­ schlußelemente der vorgenannten Art, ebenfalls in Form von Pads.

Lötmittel für Diffusionslötprozesse sind beispielsweise aus der US-PS 5 053 195 bekannt. Dabei handelt es sich um Amalga­ me aus einem flüssigen Metall bzw. einer flüssigen Metalle­ gierung und eines Metallpulvers, ggf. mit festen oder flüch­ tigen Zusätzen. Der genannten US-PS ist auch entnehmbar, daß sich solche Amalgame in vorteilhafter Weise zur festen Ver­ bindung von elektronischen und mikroelektronischen Systemen eignen. Als flüssige Metalle bzw. Metallegierungen, bei denen es sich um Lote handelt, sind Gallium, Indium, Gallium/Zinn, Gallium/Indium und Gallium/Indium/Zinn angegeben, während als Metallpulver Antimon, Kobalt, Kupfer, Chrom, Germanium, Gold, Eisen, Nickel, Magnesium, Mangan, Platin, Silber und Vanadium angegeben sind.

Charakteristisch für einen Diffusionslötprozeß ist es, daß mit einem niedrigschmelzenden Lot eine hochtemperaturfeste metallische Verbindung dadurch hergestellt wird, daß das Lot­ metall mit zu verbindenden hochschmelzenden Metallen eine temperaturfeste und mechanisch sehr stabile intermetallische Phase bildet. Dabei wird das niedrigschmelzende Lot vollstän­ dig umgewandelt, d. h., es geht vollständig in der metalli­ schen Phase auf. Dieser Prozeß ist diffusionsgesteuert und dauert um so länger, je dicker die Lotmetallschicht ist. Bei einer typischen Dicke der Lotmetallschicht von 2 µm dauert der Umwandlungsprozeß wenige Minuten.

Da die große mechanische Stabilität von intermetallischen Phasen der vorgenannten Art auf ihrer geringen elastischen Verformbarkeit beruht, wird die Lotnaht bei zunehmender Dicke schnell brüchig. Daher muß die Breite der Lotnaht bei Diffu­ sionsprozessen sehr klein, typischerweise kleiner als 10 µm, sein.

Um die Voraussetzung von Lotnähten kleiner Breite zu gewähr­ leisten, ist eine Voraussetzung, daß die zu verbindenden Tei­ le sehr plane und glatte Oberflächen besitzen. Dies ist zwar in der Mikroelektronik oft gegeben. Bei anderen Anwendungen, so z. B. auch schon in der Leistungselektronik, sind aber die Oberflächen entweder nicht ausreichend formschlüssig oder we­ sentlich rauher, so daß sich die geringen Lotnahtbreiten nicht realisieren lassen.

Diffusionslötprozesse sind daher trotz ihrer mechanischen Vorteile bei größeren Lotnahtbreiten nicht mehr praktikabel.

Aus 1996 "Electronic Components and Technology Conference", Seiten 565-570 ist es bekannt, zur Verbindung von Objekten, wie Halbleiterschaltkreisen und gedruckten Schaltungen ein elektrisch leitendes Klebermaterial zu verwenden, das aus einem mit einem Metall niedrigen Schmelzpunktes (Lotmetall) überzogenen Füllerpulver, einem thermoplastischen Polymer- Kunststoff und weiteren geringfügigen organischen Zusätzen besteht. Dabei ist das Füllerpulver in Form von Körnern mit Lotmetall beschichtet, das bei einem Lötprozeß zur Herstel­ lung einer Verbindung zwischen den Objekten zwecks Realisie­ rung einer metallurgischen Verbindung zwischen benachbarten Füllerkörnern sowie zwischen Füllerkörnern und Anschlußele­ menten auf den zu verwendenden Objekten geschmolzen wird. Zur Herstellung einer mechanischen Verbindung zwischen den Objek­ ten dient dabei der Kleber in Form des thermoplastischen Po­ lymer-Kunststoffs. Solche Kleber sind jedoch nicht ausrei­ chend temperaturfest, mechanisch nur gering belastbar, feuch­ teempfindlich, schlecht wärmeleitend und elektrisch nicht op­ timal. Darüber hinaus kann es bei Verbindungsnähten großer Dicke zwischen miteinander zu verbindenden Objekten, etwa we­ gen nicht planarer Oberflächen zu einer Entmischung der Kom­ ponenten des elektrisch leitenden Klebermaterials kommen, was die elektrische Leitfähigkeit weiter beeinträchtigt. Auch das bereits genannte Problem der Brüchigkeit von intermetalli­ schen Phasen großer Dicke besteht weiter.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lötmittel für Diffusionslötprozesse sowie ein Verfahren zur Herstellung von Lötverbindungen unter Verwendung solcher Löt­ mittel anzugeben, die auch für große Lotnahtbreiten, insbe­ sondere von mehr als 10 µm bis hin zu mehreren 100 µm, geeig­ net sind, und einfache mechanisch stabile, gegen äußere Reagenzien resistente und thermisch sowie elektrisch gut lei­ tende Lötverbindungen gewährleisten.

Diese Aufgabe wird bei einem Lötmittel der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist Gegenstand des Patentan­ spruchs 20.

Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Lötmittels sind Gegen­ stand von Unteransprüchen.

Der Kern der Erfindung ist darin zu sehen, daß mit einem aus­ schließlich ein Lotmetall bzw. eine Lotmetallegierung und ein Metall mit gegenüber denjenigen des Lotmetalls bzw. der Lot­ metallegierung großen Schmelztemperatur allein durch deren Mengenverhältnis bei einem Diffusionslötprozeß die Dicke von dabei entstehenden intermetallischen Phasen so gering bleibt, daß deren elastische Verformbarkeit noch gewährleistet bleibt und gleichzeitig eine vollständig metallgefüllte Lotnaht ent­ steht. Unter "Dicke der intermetallischen Phase" ist dabei zu verstehen, daß die maximale Wandstärke einer durch sie gebil­ deten Schaumstruktur so beschaffen ist, daß deren Hohlräume mit Metall großer Schmelztemperatur gefüllt sind, diese Dicke also durch das Metall großer Schmelztemperatur festgelegt ist. Der Begriff "ausschließlich" bedeutet hier, daß in der fertigen Lotnaht keine Komponenten mehr enthalten sind, wel­ che die elektrischen, mechanischen und/oder thermischen Ei­ genschaften des Systems Metall/intermetallische Phase nach­ teilig beeinflußen. Solche Komponenten können beispielsweise Lötpasten oder Flußmittel sein, die während des Lötprozesses entweichen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der einzigen Figur der Zeichnung, welche eine schematische Darstellung einer mittels des erfindungsgemäßen Lötmittels hergestellten Lotnaht zwi­ schen zwei zu verbindenden Teilen zeigt, näher erläutert.

In der einzigen Figur der Zeichnung sind mit 10 und 11 zwei weggebrochen dargestellte Teile bezeichnet, welche durch eine aus einem erfindungsgemäßen Lötmittel durch einen Diffusions­ lötprozeß hergestellten Lotnaht 12 miteinander verbunden sind. Daß es sich hier um die Verbindung von zwei metalli­ schen Teilen über eine vergleichsweise große Lotnaht handeln soll, sind Unebenheiten einander gegenüberstehender Oberflä­ chen dieser Teile 10 und 11 schematisch gekrümmt dargestellt.

Das erfindungsgemäße Lötmittel enthält in einer nicht eigens dargestellten Lötpaste ein Lotmetall bzw. eine Lotmetallegie­ rung - ebenfalls nicht eigens dargestellt - sowie Körner 13, die mindestens teilweise aus einem Metall mit einer gegenüber der Schmelztemperatur des Lotmetalls bzw. der Lotmetallegie­ rung großer Schmelztemperatur bestehen.

Diese Körner 13 können gemäß einer Ausführungsform der Erfin­ dung Vollmetallkörner oder gemäß einer weiteren Ausführungs­ form mit einem Metall überzogene isolierende Kerne sein. Im letzteren Falle kann als Material für die isolierenden Kerne ein Stoff aus der Gruppe Silizium, Keramik, Glas, Polymere Verwendung finden.

Bei der Ausführungsform der Körner 13 in Form von mit einem Metall überzogenen isolierenden Kernen kann deren Herstellung beispielsweise so erfolgen, wie dies in "JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE" 28 (1993), S. 5207-5210 für eine stromlose Abschei­ dung von Silber auf Oxidkernen beschrieben ist.

In besonderer Ausgestaltung der Erfindung können die minde­ stens teilweise metallischen Körner 13 einen Durchmesser in der Größenordnung von mindestens 50 bis 100 nm und speziell in der Größenordnung von 5 bis 100 µm besitzen.

Das - nicht eigens dargestellte - Lotmetall bzw. die Lotme­ tallegierung kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung als Überzug auf den mindestens teilweise metallischen Körnern 13 vorgesehen oder gemäß einer weiteren Ausführungsform in Form von Körnern zusammen mit den Körnern 13 in der Lötpaste enthalten sein. Im letzteren Fall haben die Körner aus Lotme­ tall bzw. einer Lotmetallegierung einen kleineren Durchmesser als die mindestens teilweise metallischen Körner 13.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kommen als Lotmetall bzw. Lotmetallegierung ein Metall aus der Grup­ pe Quecksilber, Gallium, Indium, Zinn, Blei, Wismut bzw. Le­ gierungen daraus und als Metall mit gegenüber der des Lotme­ talls bzw. der Lotmetallegierung großer Schmelztemperatur der Körner 13 - wie übrigens auch dasjenige der zu verbindenden Teile 10 und 11 - ein Metall aus der Gruppe Gold, Silber, Kupfer, Nickel in Betracht.

Bei Körnern 13 in Form von Vollmetallkörnern kann beispiels­ weise Zinn als Lotmetall auf Körnern aus Kupfer stromlos in einer Schichtdicke in der Größenordnung von 200 nm abgeschie­ den werden. Dabei wird in Form eines Austauschbades ein Teil des Kupfers an der Oberfläche der Körner durch Zinn ersetzt. Entsprechend kann auch verfahren werden, wenn die Körner 13 mit einem Metall, beispielsweise Silber, überzogene isolie­ rende Kerne sind, wobei dann etwa Zinn stromlos auf dem Sil­ berüberzug abgeschieden wird.

Die mindestens teilweise metallischen Körner 13 können gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung unterschied­ liche Durchmesser besitzen, wie dies in der Figur der Zeich­ nung dargestellt ist. Damit läßt sich eine maximal dichte Füllung der Lotnaht 12 erreichen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann auch eine Kombination aus mit Lotmetall bzw. einer Lotmetallegie­ rung überzogenen Kernen 13 und Kernen 13 ohne Überzug, also Kerne, die mindestens teilweise nur aus einem Metall mit gro­ ßer Schmelztemperatur bestehen, vorgesehen werden.

Die Lötpaste kann neben dem Lotmetall bzw. der Lotmetallegie­ rung und den mindestens teilweise metallischen Körnern 13 zu­ sätzlich eine benetzende, beim Lötprozeß aus der Lotnaht 12 entweichende Flüssigkeit, ein die Oxidation von Metallober­ flächen verhinderndes Flußmittel oder ein Hohlräume zwischen den Körnern 13 ausfüllender Füllstoff sein. Damit lassen sich in der Lotnaht 12 auch von den mechanischen und elektrischen Eigenschaften einer intermetallischen Phase abweichende Eige­ schaften, beispielsweise ein bestimmter Wert der thermischen Ausdehnung, ein niedriger Wert der thermischen Leitfähigkeit oder eine hohe akustische Dämpfung realisieren. Derartige Zu­ satzkomponenten können ohne weiteres in der Form vorgesehen werden, daß sie die gewünschten Eigenschaften des Systems Me­ tall/intermetallische Phase nicht beeinflussen.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Lötverbindungen unter Verwendung von Lötmitteln der vorste­ hend beschriebenen Ausführungsformen wird die Lötpaste auf die zu verbindenden Teile 10 und 11 aufgebracht, wonach diese zusammengesetzt werden und das Lötmittel über die Schmelztem­ peratur des Lotmetalls bzw. der Lotmetallegierung nicht aber über die Schmelztemperatur des Metalls der zu verbindenden Teile 10 und 11 und der Körner 13 erhitzt wird. Dabei reagiert das flüssige Lotmetall bzw. die flüssige Lotmetalle­ gierung mit dem Metall der Körner 13 und der zu verbindenden Teile unter Bildung einer in der Figur der Zeichnung gestri­ chelt angedeuteten intermetallischen Phase 14 und gleichzei­ tiger Verfestigung, wobei die Lotmaterialmenge vollständig aufgebraucht wird.

Erfindungsgemäß ist gewährleistet, daß die Dicke der eine Schaumstruktur bildenden intermetallischen Phase 14 so be­ schaffen ist, daß deren Wandstärke zwischen den Körnern 13 so klein bleibt, daß sich, wie oben erläutert, die elastische Verformbarkeit ergibt. Die Hohlräume in der Schaumstruktur werden durch das Metall mit großer Schmelztemperatur ausge­ füllt, d. h., die Dicke bzw. Wandstärke wird durch dieses Me­ tall festgelegt. Es sei erwähnt, daß die Packungsdichte der Körner 13 in der Figur aus Übersichtlichkeitsgründen geringer dargestellt ist, als dies bei einer erfindungsgemäß herge­ stellten Lotnaht 12 in der Realität der Fall ist. Es sei ebenfalls darauf hingewiesen, daß "Dicke bzw. Wandstärke" nicht die Gesamtdicke der Lotnaht 12 bedeutet.

Das erfindungsgemäße Lötmittel und das erfindungsgemäße Ver­ fahren bieten den Vorteil, daß die gesamte Lotnaht auch gro­ ßer Breite durch das System Metall/intermetallische Phase vollständig ausgefüllt wird, ohne daß die intermetallische Phase 14 selbst irgendwo mehr als wenige µm dick wird. Die Hohlräume dieses Gebildes werden durch die mindestens teil­ weise metallischen Körner 13 und ggf. auch durch zusätzliche Füllstoffe ausgefüllt.

Über die mindestens teilweise metallischen Kerne 13 und die intermetallische Phase 14 kann neben der mechanisch stabilen, gegen äußere Reagenzien resistenten Verbindung zwischen Tei­ len 10 und 11 eine elektrisch und thermisch gut leitende Verbindung zwischen diesen hergestellt werden.

Claims (20)

1. Lötmittel zur Verwendung bei einem Diffusionslötprozeß zur Herstellung von Lötverbindungen zwischen Metallteilen (10, 11), beispielsweise von Lötverbindungen zwischen Metallteilen von elektronischen Schaltungssystemen und Substraten, das ein Lotmetall bzw. eine Lotmetallegierung und ein Metall mit einer gegenüber der Schmelztemperatur des Lotmetalls bzw. der Lotmetallegierung großer Schmelztemperatur enthält, wobei das Lotmetall bzw. die Lotmetallegierung, das Metall der mitein­ ander zu verbindenden Teile (10, 11) und das Metall mit gro­ ßer Schmelztemperatur beim Lötprozeß eine intermetallische Phase (14) bilden, dadurch gekennzeich­ net, daß das Metall mit großer Schmelztemperatur und das Lotmetall bzw. die Lotmetallegierung in einem solchen Mengen­ verhältnis vorhanden sind, daß bei einem Lötprozeß das Lotme­ tall bzw. die Lotmetallegierung und das Metall mit großer Schmelztemperatur derart in eine intermetallische Phase (14) übergehen, daß das Lotmetall bzw. die Lotmetallegierung unter Bildung der intermetallischen Phase (14) mit einer durch de­ ren elastische Verformbarkeit vorgegebene Dicke vollständig reagiert und Metall mit großer Schmelztemperatur in einer solchen Menge erhalten bleibt, daß in einer Lötverbindung zwischen Metallteilen (10, 11) eine vollständig metallische elektrisch leitende Lotnaht (12) vorhanden ist, in der die maximale Dicke der intermetallische Phase (14) zwischen dem erhaltenbleibenden Metall mit großer Schmelztemperatur durch dieses Metall festgelegt ist.

2. Lötmittel nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Metall mit großer Schmelztemperatur in Form von mindestens teilweise metallischen Körnern (13) vorgesehen ist.

3. Lötmittel nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die mindestens teilweise metallischen Körner (13) Vollmetallkörner sind.

4. Lötmittel nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die mindestens teilweise metallischen Körner (13) durch mit einem Metall überzogene isolierende Kerne gebildet sind.

5. Lötmittel nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Material für die isolierenden Kerne ein Stoff aus der Gruppe Silizium, Keramik, Glas, Polymere Verwendung findet.

6. Lötmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens teilweise me­ tallischen Körner (13) unterschiedliche Durchmesser besitzen.

7. Lötmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Lotmetall bzw. die Lot­ metallegierung als Überzug auf dem mindestens teilweise me­ tallischen Körnern vorgesehen ist.

8. Lötmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Lotmetall bzw. die Lot­ metallegierung in Form von Körnern in der Lötpaste vorgesehen ist.

9. Lötmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mit Lotmetall bzw. einer Lotmetallegierung überzogene mindestens teilweise metallische Körner (13) und überzugsfreie Körner (13) vorgesehen sind.

10. Lötmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Metall mit gegenüber der des Lotmetalls bzw. der Lotmetallegierung großer Schmelz­ temperatur ein Metall aus der Gruppe, Gold, Silber, Kupfer, Nickel, Verwendung findet.

11. Lötmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß als Lotmetall bzw. Lotmetallegierung ein Metall aus der Gruppe Quecksil­ ber, Gallium, Indium, Zinn, Blei, Wismut bzw. Legierungen daraus Verwendung finden.

12. Lötmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß als Metall mit großer Schmelztemperatur Kupfer und als Lotmetall Zinn Ver­ wendung findet.

13. Lötmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß als Metall mit großem Schmelzpunkt Silber und als Lotmetall Zinn Verwendung findet.

14. Lötmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß die mindestens teilweise metallischen Körner (13) einen Durchmesser in der Größenordnung von mindestens 50 bis 100 nm besitzen.

15. Lötmittel nach Anspruch 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die mindestens teilweise metallischen Körner (13) einen Durchmesser in der Größenordnung von 5 bis 100 µm besitzen.

16. Lötmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 15, da­ durch gekennzeichnet, daß das Lotmetall bzw. die Lotmetallegierung als Überzug auf mindestens teil­ weise metallischen Körnern (13) eine Schichtdicke in der Grö­ ßenordnung von 200 nm besitzen.

17. Lötmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 16, da­ durch gekennzeichnet, daß die das Lotmetall bzw. die Lotmetallegierung und die mindestens teilweise me­ tallischen Körner (13) enthaltende Lotpaste ein flüssiges Lö­ sungsmittel enthält, das bei Erwärmung während des Lötprozes­ ses aus einem Lotnaht (12) zu entweichen vermag.

18. Lötmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 16, da­ durch gekennzeichnet, daß die das Lotmetall bzw. die Lotmetallegierung und die mindestens teilweise me­ tallischen Körner (13) enthaltende Lötpaste ein Flußmittel enthält.

19. Lötmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 16, da­ durch gekennzeichnet, daß die das Lotmetall bzw. die Lotmetallegierung und die mindestens teilweise me­ tallischen Körner (13) enthaltende Lötpaste einen Füllstoff enthält.

20. Verfahren zur Herstellung von Lötverbindungen unter Ver­ wendung eines Lötmittels nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß eine minde­ stens das Lotmetall bzw. die Lotmetallegierung und die minde­ stens teilweise metallischen Körner (13) enthaltende Lötpaste auf miteinander zu verbindende Metallteile (10, 11) aufge­ bracht wird, die Metallteile (10, 11) zusammengesetzt und auf eine unterhalb der Schmelztemperatur von deren Metall sowie der mindestens teilweise metallischen Körner (13) liegende Schmelztemperatur solange erhitzt werden, bis das Lotmetall bzw. die Lotmetallegierung unter Bildung einer intermetalli­ schen Phase (14) vollständig mit dem hochschmelzenden Metall reagiert hat.