DE3136794C2

DE3136794C2 - Lötfähiges Schichtensystem, seine Verwendung und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE3136794C2
Application number: DE3136794A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl.-Ing. 8505 Röthenbach Freller; Hans Dipl.-Phys. 8000 München Krüger; Andre Dipl.-Chem. 8011 Poing Peetermans; Hans-Joachim Dipl.-Phys. 8000 München Roelke; Peter 8500 Nürnberg Schack; Hans Dipl.-Chem. Dr.rer.nat. 8031 Wörthsee Schuster-Woldan; Wolfgang Dr.-Ing. 8011 Baldham Welsch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1981-09-16
Filing date: 1981-09-16
Publication date: 1983-07-28
Also published as: JPS5882409A; DE3136794A1; US4385976A

Abstract

Lötfähiges Schichtensystem, seine Verwendung und Verfahren zu seiner Herstellung. Um auf transparenten Dünnschichtelektroden, die selbst nicht lötfähig sind, haltbare Lötverbindungen zustandezubringen, wird vorgeschlagen, die Leitschicht folgendermaßen zu behandeln: Zunächst bringt man im Vakuum die Leitschicht auf, und zwar im durchoxidierten Zustand, und erzeugt dann im gleichen Vakuum auf der Leitschicht eine lötfähige Schicht. Vorzugsweise besteht die Elektrode aus einem Indium-Zinn-Oxid und die Lötschicht aus Kupfer. Die vorgeschlagene Beschichtungstechnik ist besonders einfach, da die Lötschicht weder einen Haftvermittler noch eine Korrosionsschutzschicht benötigt. Besteht sie aus Kupfer, so kann sie bei ausreichender Dicke sogar kleinere thermische Belastungen, wie sie beispielsweise bei der Herstellung von Flüssigkristallanzeigen mit Kleberahmen auftreten, ohne weiteres vertragen. Das vorgeschlagene Schichtensystem eignet sich vor allem für die Elektrodenanschlüsse von elektrooptischen Displays wie Flüssigkristallanzeigen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fertigungsmethode gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Beschichtungstechnik gehört zum Gegenstand des älteren Patents 30 28 044.

Transparente Dünnschichtelektroden bestehen gewöhnlich aus einem Material, das von Loten üblicher Zusammensetzung nicht benetzt wird. Sie müssen deshalb besonders präpariert werden, wenn man zu ihnen einen brauchbaren Lötkontakt herstellen will. Die dabei auftretenden technologischen Probleme sind an sich grundsätzlich gelöst. So hat sich beispielsweise ein Vorgehen sehr bewährt, bei dem die Leitschicht zunächst mit eina- Haftvermittlerschicht, dann mit einer Lötschicht und schließlich mit einer Schutzschicht überzogen wird. Der Haftvermittler sorgt für einen festen Halt der Lötschicht, und die Schutzschicht verhindert eine Korrosion des lötfähigen Materials; eine typische Schichtenfolge ist CrCuAu (vgi. hierzu auch die DE-AS 23 33 206 oder die DE-OS 23 50 000).

Ein solcher Schichtenaufbau sorgt für eine feste, niederohmige Lötverbindung, ist allerdings relativ aufwendig und teuer. Diese Nacteeile fallen vor allem dann ins Gewicht, wenn, wie beispielsweise bei Flüssigkristallanzeigen, Wirtschaftlichkeitsüberlegungen eine zentrale Rolle spielen.

Ein einfacheres Beschichtungsschema wird in dem zitierten Patent 30 28 044 vorgeschlagen. Dort erhält das Substrat eine zunächst teiloxidierte Elektrode, die dann mit Kupfer oder Eisen beschichtet wird, das seinerseits mit einer Schutzschicht aus einem korrosiven Metall wie Silicium, Zinn oder Indium umgeben wird; anschließend wird die Elektrode bei Temperaturen über 400° C durchoxidiert, um sie ausreichend transparent und leitfähig zu machen. Die Hochtemperaturbehandiung bewirkt außerdem, daß auch die Schutzschicht vollständig oxidiert und daß die Lötschicht durch Diffusionsprozesse eine feste Verbindung mit der Elektrode eingeht. Auf diese Weise kommt man ohne Haftvermittler und Edelmetalle zu guten Ergebnissen. Es zeigt sich aber, daß die leitfähige Schicht bei einer ausgeprägten Kupfer- oder Eisen-Diffusion ein nicht einfach zu beherrschendes Ätzverhalten annimmt. Überdies ist noch immer ein spezieller Schutzfilm erforderlich, der seine Funktion nur dann zuverlässig erfüllen kann, wenn er so dick ist, daß er das Lot nicht mehr zur darunter liegenden Schicht gelangen läßt und deshalb weggeätzt werden muß.

Die Herstellung läßt sich noch weiter rationalisieren, wenn man, wie in dem älteren Patent 31 10 978 beschrieben, folgendermaßen arbeitet: Man überzieht

die Elektrode mit einer Lötschicht, die bereits einen Anteil an korrosivem Metall enthält, und überführt dann die Leitschicht in ihre Oxide. Bei der dazu erforderlichen Temperaturbehandlung oxidiert auch der korrosionsfähige Zusatz an der Oberfläche der Lötschicht, so daß sich von selbst eine schützende Haut bildet Diese Variante bietet erhebliche Fertigungserleichterungen, ist aber in der Praxis nicht unproblematisch. Die oxidreichen Außenbereiche der Lötschicht haben mitunter eine zu schwache Sperrwirkung, und der to Lötkontakt ist in einigen Fallen mechanisch zu wenig belastbar, selbst dann, wenn man die stark oxidhaltigen Lötschichtzonen entfernt Davon abgesehen besteht auch hier die Gefahr, daß sich die Leitschicht nicht definiert ätzen läßt i>

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellungstechnik der eingangs genannten Art so abzuwandeln, daß die Leitschicht ein reproduzierbares Ätzverhalten zeigt und die Lötschicht einfach geschützt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Fertigungsmethode mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren ist die !ötfähige Schicht keinen hohen Temperaturen mehr ausgesetzt, da sie auf eine Leitschicht aufgetragen wird, die bereits über den erforderlichen Oxidationsgrad verfügt Das bedeutet, daß die Lötschicht grundsätzlich keinen Korrosionsschutz mehr braucht Besteht die Schicht aus Kupfer, so kann sie sogar - bei ausreichender Dicke kleinere thermische Belastungen vertragen. Dies ist besonders wertvoll, da die gesamte Einheit häufig aus anderen Gründen auf höhere Temperaturen gebracht werden muß und das Schichtensystem dabei unvermeidlich erwärmt wird. So erhalten beispielsweise moderne Flüssigkristallanzeigen einen Kunststoff-KIeberahmen, der bei Temperaturen zwischen 120⁰C und 170⁰C aushärtet Unter diesen Bedingungen behält eine mindestens 2 μπι starke Kupferschicht ihre Lötfähigkeit.

Da das lötfähige Material allenfalls nur noch mäßig erhitzt wird, kann es auch praktisch nicht mehr in die Elektrode einlegieren. So sind keine Ätzfehler mehr zu befürchten. Bemerkenswerterweise ist dabei die Verbindung zwischen der Löt- und der Leitschicht ausreichend fest Es hat sich nämlich herausgestellt, daß die beobachteten Haftungsprobleme nur dann auftreten, wenn die Elektrode zuvor mit Luft in Berührung gekommen ist Wird dies, wie erfindungsgemäß vorgesehen, verhindert, so sind keine zusätzlichen Verfestigungsmittel mehr erforderlich. >"

Darüber hinaus bietet der Lösungsvorschlag die Möglichkeit, in Fallen, in denen die Lötschicht auch bei stärkerer Hitzeeinwirkung und/oder bei relativ geringer Schichtdicke keine sprürbaren Korrosionsschäden erleiden soll, einfache Schutzmaßnahmen zu ergreifen. So brauchen Schichten, wie sie in den Ansprüchen 7 bis )2 charakterisiert sind, vor dem eigentlichen Lötprozeß nicht abgelöst zu werden. Die Schutzschicht des Anspruchs 14 wird von einem Fotolackentwickler gelöst und ist resistent gegenüber dem Fotolackentferner. Sie 6" empfiehlt sich daher speziell bei Flüssigkristallanzeigen, deren Elektroden auf fotolithographischem Wege strukturiert werden und deren Orientierungsschichten mit einer Lauge behandelt werden. In einzelnen Fällen bietet sich auch eine Schutzschicht gemäß dem ^b°> Anspruch 15 an, die sich mit Wasser mühelos wegspülen läßt. Die Schichten der Ansprüche 7 bis 10 können aufgedampft, gesputtert jder galvanisch erzeugt werden, die der Ansprüche 11 und 12 sind galvanisch aufzubringen. Wolframoxid (Anspruch 14} und Boroxid (Anspruch 15) lassen sich aufdampfen oder in einer Schleuder- bzw. Tauchtechnik auftragen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand zusätzlicher Ansprüche.

Der Lösungsvorschlag soll nun anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mh der beigefügten Figur näher erläutert werden.

Die Figur zeigt in einem leicht schematisierten Seitenschnitt eine Flüssigkristallanzeige, die nach dem Prinzip der sogenannten »Drehzeöe« (DE-AS 21 58 563) arbeitet Die Anzeigevorrichtung enthält im einzelnen einen vorderen linearpolarisator 1, eine vordere Trägerplatte (Vorderplatte) 2, eine hintere Trägerplatte (Rückplatte) 3, einen hinteren, zum vorderen gekreuzten Linearpolarisator 4 und einen Reflektor 6. Die beiden Substrate sind über einen Rahmen 7 in einem vorgegebenen Abstand dicht miteinander verbunden. Der vom Kannten und den beiden Platten umschlossene Raum ist mit einer Flüssigkristallschicht 8 gefüllt Die Platten sind auf ihren einander zugewandten Flächen jeweils mit Elektroden (durchgehende Elektrode 9 mit Zuleitungen 11, getrennt ansteuefbare Segmentelektroden 12) sowie mit einer Orientierungsschicht 13,14 versehen. Die Rückplatte 3 ragt seitlich über die Vorderplatte 2 hinaus und trägt in ihrem überstehenden Bereich eine Ansteuereinheit, die eine Reihe von elektronischen Bauelementen enthält und durch einen mit 16 bezeichneten Block angedeutet ist Die Bauelemente, die beispielsweise mikropackverpackte Treiber-ICs sein können, ruhen auf Lotstützen 17, die sowohl zur Fixierung als auch zur elektrischen Kontaktierung mit den Elektrodenzuleitungen dienen.

Die Lötkontakte werden folgendermaßen hergestellt: Zunächst bringt man auf die Trägerplatte durch ein reaktives HF-Sputtern, das beispielsweise in RCA Review 32 (1971), S. 289 näher beschriebei. wird, eine Indiumzinnoxid-(»ITO«)-Schicht auf. Im vorliegenden Fall hat die ITO-Schicht eine Dicke von 25 nm und einen In₂(5j-Anteil von 90 Gew.-%. Dann sputtert man - in der gleichen Anlage und ohne Unterbrechung des Vakuums - eine mindestens 1 μπι dicke Kupferschicht 18 auf. Wahlweise kann anschließend eine 03 μΐη starke Nickelschicht 19 aufgebracht werden. Hiernach wird die Trägerplatte fertiggestellt und mit einer weiteren Platte verklebt, wobei der Rahmen 7 circa 20 min lang auf einer Temperatur von etwa 180⁰C gehalten wird. Danach belotet man die Dreifachschicht in üblicher Weise, etwa durch Eintauchen in ein Lotbad. Das Lot besteht dabei aus einer Legierung auf Zinnbasis.

Die Kupferschicht ist ?-o dick, daß sie mindestens drei Lotungen verträgt. Man hat also die Möglichkeit, fehlerhafte Bauelemente auszutauschen. Die Nickelschicht wird durch den Aushärteprozeß nichi angegriffen; sie ist selbst lötfähig und kann auf der Kupferunterlage verbleiben. Im übrigen verbessert der Nickelüberzug auch den Korrosionsschutz in den unverzinnt gebliebenen Bereichen des Schichtensystems.

Will man die Elektrode auf möglichst einfache Weise konfigurieren, so sollte die Lötschicht vakbumtechnisch zunächst lediglich in einer Dicke zwischen 100 nm und 400 nm aufgebracht werden, dann das gewünschte Muster erzeugt unci anschließend galvanisch oder chemisch verstärkt werden.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausfüh-

rungsbeispiel beschränkt. So bleibt es dem Fachmann überlassen, eine andere Leit'/Lotschicht-Kombination zu wählen, die den Erfordernissen im Einzelfall besser gerecht wird. So könnte man anstelle von Kupfer Eisen verwenden oder statt einer ITO-Schicht ein (dotiertes) Indium- oder Zinnoxid verwenden. Dabei spielt es auch keine Rolle, ob die Schichten aufgestäubt oder aufgedampft werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines lötfähigen Schichtensystems mit einer elektrisch leitenden, durchoxidierten Schicht (Leitschicht) auf Indhim- und/oder Zinn-Basis und einer lötfähigen Schicht (Lötschicht), wobei zunächst im Vakuum die Leitschicht in einem wenigstens teilweise oxidierten Zustand auf einen Träger aufgebracht wird und dann, ebenfalls im Vakuum, auf die Leitschicht die Lötschicht aufgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die_r Leitschicht bereits durchoxidiert aufgebracht wird und daß das Vakuum zwischen beiden Beschichtungsschritten aufrechterhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine In^sSnOrLeitschicht aufgebracht, vorzugsweise aufgesputtert wird

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kupfer-Lötschicht aufgetragen, vorzugsweise aufgesputtert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die im Vakuum aufgetragene Lötschicht galvanisch oder chemisch verstärkt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötschicht eine Mindestdicke von 1 μπι, vorzugsweise eine Dicke jo von 2 μΐη bis 3 μηι erhält.

6. Verfahi en nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dJJ die Lötschicht mit einer die Lötschicht vor Korrosion schützenden Schicht (persistente Schutzschicht) überzogen wird und daß das so erhaltene Schichtensystem verlötet wird.

7. Nach Anspruch 6 hergestelltes Schichtensystem, dadurch gekennzeichnet, daß die persistente Schutzschicht eine 10 nm bis 100 nm, insbesondere 25 nm bis 35 nm dicke Nickel-Schicht ist.

8. Nach Anspruch 6 hergestelltes Schichtensystem, dadurch gekennzeichnet, daß die persistente Schu-.zschicht eine 6 nm bis 100 nm, insbesondere 8 nm bis 20 nm dicke Zinn-Schicht mit einem Zusatz von 4 Gew.-°/o Silber ist.

9. Nach Anspruch 6 hergestelltes Schichtensystem, dadurch gekennzeichnet, daß die persistente Schutzschicht eine 10 nm bis 100 nm dicke Indium-Zinn-Schicht ist.

10. Nach Anspruch 6 hergestelltes Schichtensystem, dadurch gekennzeichnet, daß die persistente Schutzschicht eine 10 nm bis 100 nm dicke Zinn-Antimon-Schicht ist.

11. Nach Anspruch 6, hergestelltes Schichtensystern, dadurch gekennzeichnet, daß die persistente Schutzschicht aus einem Platin-Metall, insbesondere aus Palladium besteht.

12. Nach Anspruch 6 hergestelltes Schichtensystem, dadurch gekennzeichnet, daß die persistente Schutzschicht aus Gold besteht.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötschicht mit einer die Lötschicht vor Korrosion schützenden Schicht (temporäre Schutzschicht) überzogen wird f>5 und daß die temporäre Schutzschicht vor dem Verlöten wieder entfernt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch

gekennzeichnet, daß die Lötschicht mit einer 50 nm bis 300 nm dicken WOarSchutzschicht überzogen wird und. daß diese Schicht durch ein alkalisches Ätzmedium wieder entfernt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötscbicht mit einer 50 nm bis 250 nm dicken B2O3-Schutzschicht überzogen wird und daß diese Schicht mit Wasser wieder entfernt wird.

16. Verwendung eines Schichtensystems gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche in einer elektrooptischen Anzeigevorrichtung, insbesondere in einer Flüssigkristallanzeige mit miteinander verklebten Trägerplatten.