DE2724641C2 - Verfahren zum Aufbringen von Lötungen auf Goldschichten - Google Patents

Verfahren zum Aufbringen von Lötungen auf Goldschichten

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen von Lötungen auf Goldschichten, insbesondere auf Goldleiterbahnen gedruckter Schaltungen, unter Verwendung von Weichloten.
Aufgrund der hohen Löslichkeit des Goldes im Zinnanteil der üblichen Weichlote auf Zinn-Blei-, Zinn-Silber-, Zinn-Blei-Silber- bzw. Zinn-Blei-Kupfer-Basis können vorverzinnte Bauelemente bzw. Anschlußverbindungen nicht ohne weiteres mittels derartiger Lote auf die Goldleiterbahnen gedruckter Schaltungen aufgelötet werden. Es ist bereits bekannt, für solche Lotungen stattdessen Lote mit hohem Indium- bzw. mit extrem hohem Bleigehalt zu verwenden. Nachteiligerweise ist die mechanische Eigenfestigkeit und die Temperaturbelastbarkeit der Indiumlote jedoch gering, während der Hauptnachteil der extrem bleihaltigen Lote in deren hohen Löttemperaturen zu sehen ist, die sich schädigend auf die Bauelemente auswirken und die Oxidation fördern.
Die US-PS 36 48 357 beschreibt ein Lot, welches aus 80% Gold und 20% Zinn zusammengesetzt ist. Es wird benutzt, um Mikroelektronik-Gehäuse hermetisch zu versiegeln, bei denen die Deckelränder goldplattiert sind. Bei der DE-AS 11 67 162 wird dasselbe Lot bc nutzt, um Teile direkt zu verlöten, von denen eines Gold enthält. Beide bekannten Techniken arbeiten bei Temperaturen von 280 bis 3300C, Temperaturen, die hitzeempfindlichen elektronischen Bauteilen gefährlich werden können. Bei der US-PS 36 48 357 werden die zu verbindenden Flächen mit dem Lot vorgelötet aufeinandergelegt und in einem sogenannten »refloww-Prozeß miteinander verlötet d. h. das aufgebrachte Lot in welches beim Vorlötprozeß weiteres Gold von den zu verbindenden Flächen eindiffundiert ist, wird nochmals bei den besagten hohen Temperaturen geschmolzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lötverfahren anzugeben, das auch bei Lötungen auf Goldschichten die Verwendung der mechanisch festen, bereits bei Temperaturen bis zu 2500C schmelzenden und (dennoch) temperaturbeständigen Weichlote auf Zinn-Blei-, Zinn-Silber-, Zinn-Blei-Silber- bzw. Zinn-BIei-Kupfer-Basis ermöglicht
Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet Die weiteren Ansprüche beinhalten vorteilhafte Ausführungen der Erfindung.
Die erfindungsgemäße Gold-Zinn-Zwischenschicht wirkt beim nachfolgenden Weichlötprozeß einerseits als Haftgrund und andererseits als Ablegierungssperre. Für die Gold-Zinn-Zwischenschicht wird vorzugsweise ein Material verwendet, das zu etwa 80% aus Gold und zu etwa 20% aus Zinn besteht (eutektische Zusammensetzung). Zur Herstellung der Zwischenschicht wird das Gold-Zinn als Paste vermittels Siebdrucks, Stempeins bzw. mit Hilfe eines Dosiergerätes oder als Folienformteil auf die Lötstelle aufgebracht und dann aufgeschmolzen. Als Weichlot wird ein Standardweichlot auf Zinn-Blei-, Zinn-Silber-, Zinn-Blei-Silber- oder Zinn-Blei-Kupfer-Basis mit einer Löttemperatur von bis zu 2500C verwendet, vorzugsweise ein Lot der Zusammensetzung 62% Zinn, 36% Blei, 2% Silber bzw. 63% Zinn, 37% Blei oder 96,5% Zinn, 3,5% £!)ber. Zur Vermeidung einer Ablegierung der Goldschicht bzw. der Randzone der Gold-Zinn-Zwischenschicht durch das Weichlot wird gemäß einer Ausführung der Erfindung auf das die Goldschicht tragende Substrat vor der Weichlötung eine den Randbereich der Gold-Zinn-Zwischenschicht überlappende Schutzschicht auf organischer Basis aufgetragen. Vorzugsweise wird die Schutzschicht dabei mit Ausnahme von Aussparungen für die Lot-, Bonding- und Klebestellen auf die gesamte Fläche des Substrats mit der darauf befindlichen Dick- bzw. Dünnschicht-Schaltungsanordnung aufgebracht.
Die Erfindung bringt folgende Vorteile mit sich:
Aufgrund des niedrigen Flächenwiderstandes der Goldschichten, der lediglich ein bis zwei Zehntel desjenigen der mit Weichloten direkt lötbaren Leiterschichten ausmacht, können schmalere Leiterbahnen verwendet werden, was zu einem Platzgewinn, einer höheren Packungsdichte und einer Materialersparnis führt. Durch das bessere Auflösungsvermögen der dünner druckbaren Goldpasten lassen sich geringere Leitcrbahnabstände realisieren, was eine weitere Materialersparnis ermöglicht. Es entfallen die sonst erforderlichen Überlappungsstellen zwischen den Goldleiterbahnen und den weich lötbaren Leiterbahnen und damit auch die daraus resultierenden Kompatibiliiätsproblcmc. Löten, Bonden und Kleben sind auf ein und derselben Leiterbahn leicht alternativ realisierbar, wodurch die Auswahl der einsetzbaren Bauelemente erheblich vereinfacht wird. Die Haftfestigkeit der Weichlotverbindun-
gen wird erhöht und zugleich wird das Ablegieren der Leiterbahn diTch das Weichlot verhindert Gold hat ein minimales Diffusionsvermögen in dielektrischen und Widerstandsschichten, was pine beträchtliche Verbesserung der Klimafestigkeit und des Alterungsverhaltens bei schichtintegrierten Leitsrbahnkreuzungen, Kondensatoren bzw. Dickschichtwiderständen mit sich bringt. Durch die Beständigkeit des Goldes gegen elektrochemische Ionenwanderung werden die Passivierungsprobleme verringert. Be: Verwendung geeigneter Ausgangsmaterialien können Goldschichten zugleich zur Herstellung von Strukturen für Mikrowellenschaltungen herangezogen werden.
Einige bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert.
F i g. 1 zeigt im Querschnitt eine Lötung mit einem Substrat 1, einer Goldschicht 2, einer Gold-Zinn-Zwischcnschicht 3, einer Weichlotschicht 4 und einem Bauelement bzw. einem externen oder internen Anschlußelement 5. Die Goldschicht 2 wird auf das aus Keramik oder Glas bestehende Substrat 1 bei einer Temperatur bis zu 10000C als Pastendruck eingebrannt Die Gold-Zinn-Zwischenschicht 3 wird als Paste vermittels des Siebdrucks, Stempeins bzw. mit Hilfe eines Dosiergeräts oder als Foüenformteil auf die zu lötende Stelle der Goldschicht aufgebracht und — bei einer Zusammensetzung von 80% Gold und 20% Zinn — in Luft oder in einer inerten Atmosphäre bei einer Temperatur von 310 bis 330° C aufgeschmolzen. Die dabei erzeugte Gold-Zinn-Schicht dient zum einen als Haftgrund und zum anderen als Ablegierungssperre beim nachfolgenden Weichlötprozeß. Die (dickere) Weichlotschicht 4 wird mittels eines der bereits im Zusammenhang mit der Erzeugung der Zwischenschicht genannten Verfahren aufgebracht Bevorzugte Weichlote haben die Zusammensetzung 62% Zinn, 36% Blei, 2% Silber (Löttemperatur 210 bis 23C C) bzw. 63% Zinn, 37% Blei (Löttemperatur 215° C bis 235° C) oder 96.5% Zinn. 34% SiI ber (Lö ttemperalur 2500C). Das Auflöten der Bauelemente bzw. externen oder internen Anschhißverbindungen 5 erfolgt direkt beim Aufschmelzen der Weichlotschicht 4 oder — bei vorweggenommenem Aufschmelzen — in einem »reflow«-Prozeß, und zwar ebentails in Luft oder in einer inerten Atmosphäre. Die Weichlotschicht 4 stellt die eigentliche mechanische und elektrische Verbindung zu den Bauelementen und Anschlußelementen 5 dar.
F i g. 2 zeigt zusätzlich eine vor dem Weichlotauftrag per Siebdruck auf das Substrat 1 aufgebrachte, den Randbereich der Gold-Zinn-Zwischenschicht 3 überlappcnde Schutzschicht 6 auf organischer Basis, die ein Überlaufen des geschmolzenen Weichlots auf die GoIdlcilcrbahn 2 und damit ein Ablegicren der Goldschicht b/.w. der Randzonc der Gold-Zinn-Zwischenschicht verhindern soll.
Fig.3 zeigt den Fall, daß die organische Schutzschicht 6 mit Ausnahme von Aussparungen 8 für die Lot-, Bonding- und Klebestellen auf die gesamte Fläche des Substrats 1 mit der darauf befindlichen Dick- bzw. Dünnfilm-Schattungsanordnung mitsamt deren schichtintegrierten Bauelementen, wie z. B. einem Schicht-Widerstand 7, aufgetragen ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
--'

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Aufbringen von Lötungen auf Goldschichten, insbesondere auf Goldleiterbahnen gedruckter Schaltungen, unter Verwendung von Weichloten, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Goldschicht (2) an der Lötstelle eine Gold-Zinn-Zwischenschicht (3) aufgebracht wird und daß auf dieser Zwischenschicht dann die eigentliche Lötung mit einem Standardweichlot (4) auf Zinn-Blei-, Zinn-Silber-, Zinn-BIei-Silber-Basis oder Zinn-Blei-Kupfer-Basis mit einer Löttemperatur von bis zu 250° C ausgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Gold-Zinn-Zwischenschicht (3) ein Material verwendet wird, das aus 80% Gold und 20% Zinn besteht
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Gold-Zinn-Zwischenscfncht (3) das Gold-Zinn als Paste vermittels Siebdrucks, Stempeins bzw. mit Hilfe eines Dosiergeräts oder als Folienformteil auf die Lötstelle aufgebracht und dann aufgeschmolzen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Weichlot (4) ein Lot der Zusammensetzung 62% Zinn, 36% Blei, 2% Silber oder 63% Zinn, 37% Blei oder 96,5% Zinn, 3,5% Silber oder 60%Zinn, 38% Blei und 2% Kupfer verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf das die Goldschicht (2) tragende Substrat (1) vor der Weichlötung eine den Randbereieh der Gold-Zinn-Zwischenschicht (3) überlappende Schutzschicht (6) auf organischer Basis aufgetragen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (6) mit Ausnahme von Aussparungen (8) für die Lot-, Bonding- und Klebestellen auf die gesamte Fläche des Substrats (1) mit der darauf befindlichen Dick- oder Dünnschicht-Schaltungsanordnung aufgetragen wird.
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