DE3523808C3

DE3523808C3 - Verfahren zum Löten von Teilen einer elektronischen Anordnung aus unterschiedlichen Werkstoffen und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE3523808C3
Application number: DE3523808A
Authority: DE
Inventors: Yasutoshi Kurihara; Hirokazu Inoue; Tadashi Minakawa; Hiroaki Hachino; Mamoru Sawahata; Kazunori Morozumi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1984-07-03
Filing date: 1985-07-03
Publication date: 1995-05-04
Anticipated expiration: 2005-07-04
Also published as: DE3523808A1; DE3523808C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Löten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und auf die Ver wendung dieses Verfahrens.

Lotmaterial, das als Hauptbestandteile Blei und Zinn auf weist, wird auf vielen technischen Gebieten, insbesondere in der Elektronikindustrie, in großem Umfang zum elektri schen, thermischen oder mechanischen Verbinden von Teilen aus unterschiedlichen Werkstoffen mit jeweils verschiedenen Wärmedehnzahlen eingesetzt.

Nachstehend werden zuerst einige typische Beispiele von be kannten Verbindungen beschrieben.

1. Die US-PS 34 29 040 zeigt eine bevorzugte Art des mecha nischen und elektrischen Verbindens eines Halbleitersubstrats mit einer Leiterbahn auf einem dielektrischen Träger durch Aufschmelzlöten, wobei die Oberflächenspannung des Verbindungswerkstoffes in der Schmelzphase genügend groß ist, um das Halbleitersubstrat und den Träger in einem Abstand zueinander zu halten. Dabei wird eine Lotzusammensetzung mit ca. 5-40 Gew.-% Zinn und ca. 95-60 Gew-% Blei als Verbindungs werkstoff eingesetzt.
2. In dem Artikel "Thermal Fatigue Failure of Soft-Soldered Contacts to Silicon Power Transistors" von S. K. Kang et al. in IEEE Trans. on Parts, Huybrids and Packaging, PHP-13, S. 318 (1977), ist eine Formkontaktiervorrichtung angegeben, wobei ein Siliciumsubstrat auf einem Kupferblech, einem Stahlblech silberverlötet ist, durch Einsatz eines Lots auf Bleibasis (95% Pb - 5% Sn) befestigt wird.
3. In der JP-Offenlegungsschrift 1 30 285/1977 ist eine Formkontaktiervorrichtung angegeben, wobei ein Halbleiterchip, der auf seiner Kontaktierungsfläche einen Nickelfilm trägt, mit einem metallischen Trägerkörper durch Verwendung eines Lots verbunden wird, das 1,0-2,0 Gew.-% Silber, 1,5-4,5 Gew.-% Zinn und 93,5-97,5 Gew.-% Blei aufweist.
4. In dem Artikel "Temperature Cycling of HIC Thin-Film Solder Connections" von H. N. Keller in IEEE Trans. on Com ponents, Hybrids, and Manufacture Technology, CHMT-4, S. 132 (1981), ist ein Halbleiterbauteil angegeben, wobei metallische Anschlußpunkte mit einer Keramikplatte für einen Hybridschalt kreis einstückig verbunden werden durch Lot, das aus 60 Gew.-% Zinn und 40 Gew.-% Blei besteht.
5. Der Artikel "Mechanical Design of Chip Comonents for "Flip" and Short Beam-Lead Mounting" von D. Boswell in Solid State Technology, Juli, S. 54 (1970), zeigt ein Lötgefüge, bei dem ein Kondensator mit zwei Anschlüssen mit einer Verdrahtung auf einem Aluminumoxidsubstrat durch ein Lot aus 60 Gew.-% Zinn und 40 Gew.-% Blei verbunden ist.
6. Die JP-Offenlegungsschrift 39 047/1983 zeigt eine Halbleitervorrichtung, bei der auf einen organischen Film aufgebrachte Metallfolienanschlußpunkte einstückig mit auf einem Halbleitersubstrat ausgebildeten Elektroden mit feinem Ohmschen Kontakt mit Hilfe eines Lots verbunden sind, das eine solche Zusammensetzung aufweist, daß das Atomverhältnis von Blei zu Zinn nach der die Verbindung bewirkenden Wärmebehandlung 99,5/0,5 bis 70/30 ist.
7. Der Artikel "Solder for Semiconductor Assembly" von Arino et al. in Electronics Technology, Bd. 23, Nr. 7, S. 88 (1981), gibt die Zusammensetzungen und Schmelztempe raturen verschiedener Lotmaterialien mit Blei und Zinn als Hauptkomponenten an. Ferner wird dort der Einsatz von Lotmaterial bei Halbleiterbaugruppen angegeben, wobei das Lot aus 50 Gew.-% Pb und 50 Gew.-% Sn oder 30 Gew.-% Pb und 70 Gew.-% Sn besteht.
8. DIN 1707, Febr. 1981 beschreibt Sn-Pb-Lote mit einem Sn-Anteil von 1,5 bis 90,5 Gew.-%.

Die Gründe für die Verwendung von Blei-Zinn-Lot in der Elektronikindustrie sind folgende:

1. Blei und Zinn sind relativ billig, die Legierungsbildung und Behandlung sind einfach und damit kostengünstig.
2. Der Schmelzpunkt des Lots liegt zwischen 183 und 327°C und ist niedriger als der Schmelzpunkt anderer metallischer Lotmaterialien vom Silber-, Gold- und Aluminiumtyp, und das Löten kann ohne eine durch Temperaturanstieg eintretende Beschädigung von Randteilen nahe der Verbindungsstelle erfolgen.
3. Blei-Zinn-Lot ist weich und sehr gut plastisch verformbar gegenüber anderen metallischen Lotmaterialien, so daß es als tragendes Element für die Aufnahme von thermischen Beanspru chungen besser geeignet ist.

Von den Lotmaterialien auf Blei-Zinn-Basis werden jedoch ein Lot auf Bleibasis mit typischerweise 95 Gew.-% Blei und 5 Gew.-% Zinn sowie ein eutektisches Lot mit typischweise 40 Gew.-% Blei und 60 Gew.-% Zinn am meisten angewandt. Ins besondere sind die Zusammensetzungen von Feinlot für Bauele mente, bei denen ein Halbleiterchip und ein dielektrisches Substrat elektrisch und mechanisch unter Anwendung einer großen Anzahl Feinlotstellen miteinander verbunden werden, auf das Lot auf Bleibasis sowie das eutektische Lot beschränkt, und zwar aus folgenden Gründen.

Aus dem Zweistofflegierungs-Diagramm in dem Buch "Constitution of Binary Alloy" von Max Hansen, S. 1106-1108 McGraw-Hill Book Company (1958), ist klar ersichtlich, daß in dem Lot auf Bleibasis der Anteil einer α-Festlösung, die weich und in einem Beanspruchungsfeld in hohem Maß plastisch verformbar ist, überwältigend größer als der Anteil einer β-Festlösung ist, die hart und nur unter Schwierigkeiten plastisch verformbar ist. Somit beseht die Wahrscheinlichkeit, daß das Lotmaterial insgesamt plastisch verformt wird, und es wurde bisher ange nommen, daß diese Lotmaterialien auf Bleibasis in bezug auf die Absorption von thermischen Beanspruchungen, die sich durch die unterschiedlichen Wärmedehnzahlen der beiden zu verbin denden Teile (etwa eines Halbleiterchips und eines dielektri schen Substrats) ergeben, sowie hinsichtlich der Aufrechter haltung des elektrischen und mechanischen Betriebsverhaltens der Verbindungsstelle vorteilhafter sind.

Ferner ist aus dem vorgenannten Diagramm ebenfalls ersicht lich, daß die Zusammensetzung eines eutektischen Lots nahe einer eutektischen Zusammensetzung (37 Gew.-% Blei- 63 Gew.-% Zinn) liegt und ein aus feinen Körnern bestehendes eutekti sches Gefüge der α-Festlösung und der β-Festlösung aufweist. Da das eutektische Lot aus feinen Kristallkörpern besteht, besteht in diesem Fall die Wahrscheinlichkeit der plastischen Verformung aufgrund des Gleitens der Korngrenzen und von Dif fusionskreisen, und es tritt ein superplastisches Verhalten auf, wie es z. B. in dem Artikel "Superplasticity in Lead-Tin Alloys" von S. W. Zehr und W. A. Backofen in Transaction of the ASM, Bd. 61, S. 300 (1968), beschrieben ist. Deshalb wurde bisher angenommen, daß die eutektischen Lotmaterialien, hinsichtlich der Aufnahme von thermischen Beanspruchungen, die aus den un terschiedlichen Wärmedehnzahlen der beiden zu verbindenden Teile resultieren, sowie im Hinblick auf die Aufrechterhaltung des elektrischen, thermischen und mechanischen Betriebsver haltens der Verbindungsstelle vorteilhaft sind.

Die oben genannten Veröffentlichungen (1) bis (6) beschreiben auch die Verwendung von Lotmaterialien auf Bleibasis oder von eutektischen Lotmaterialien. Andererseits geben die Veröffent lichungen (1) und (7) an, daß Lotmaterialien verwendet werden können, deren Zusammensetzung sich von derjenigen der Lot materialien auf Bleibasis und der eutektischen Lotmaterialien unterscheidet. Dabei ist in (1) eine Lotzusammensetzung mit 40 Gew.-% Zinn und 60 Gew.-% Blei angegeben, während in (7) eine Lotzusammensetzung mit 50 Gew.-% Blei und 50 Gew.-% Zinn oder 30 Gew.-% Blei und 70 Gew.-% Zinn angegeben ist. Es wird jedoch angenommen, daß die Lotmaterialien, deren Zusammen setzungen sich von den Lotmaterialien auf Bleibasis und den eutektischen Lotmaterialien unterscheiden, eine geringere Zuverlässigkeit haben, und es ist bisher üblich, den Einsatz solcher Lotmaterialien zu vermeiden.

Das heißt mit anderen Worten, daß bei den Lotmaterialien, deren Zusammensetzung außerhalb der Zusammensetzungsbereiche des Lots auf Bleibasis und des eutektischen Lots liegt, folgendes Problem auftritt.

Bei einer Lotzusammensetzung mit z. B. 60 Gew.-% Blei und 40 Gew.-% Zinn oder 50 Gew.-% Blei und 50 Gew.-% Zinn nimmt der Anteil der α-Festlösung als Primärkristall ab, und in den Korngrenzen zwischen den α-Festlösungen existiert ein eutek tisches Gefüge, wodurch die Verformbarkeit der Korngrenzen verringert wird.

Das heißt mit anderen Worten, daß die als Sn-Pb-System aus gelegten Lotmaterialien, deren Zusammensetzung außerhalb des Zusammensetzungsbereichs der Lotmaterialien auf Bleibasis oder der eutektischen Lotmaterialien liegt, nur dazu einsetzbar sind, Teile aus unterschiedlichen Werkstoffen metallurgisch zu verbinden oder elektrisch zu verbin den, wie dies in (1) und (7) angegeben ist. Es wurde jedoch bisher angenommen, daß diese Lotmaterialien sich nicht dazu eignen, Ausfallerscheinungen, wie sie durch Beanspruchungen oder Spannungen an der Verbindungs stelle auftreten, und Ermüdungserscheinungen, wie sie durch die Temperaturwech selbeanspruchung eines aus verschiedenen Werkstoffen bestehenden Verbindungskörpers im praktischen Betrieb auftreten, so daß diese funktionsunfähig werden, zu reduzieren. Ferner wurde bisher bei der Verwendung von Lotmaterialien, die nicht den Zusammensetzungen der Lotmaterialien auf Bleibasis bzw. der eutektischen Lotmaterialien entsprechen, nicht ausreichend untersucht, ob ein Verbindungsverfahren mit dem Ziel der Ver besserung der Zuverlässigkeit möglich ist, so daß bisher kein industrielles Lötverfahren mit solchen Lotmaterialien entwickelt wurde.

Ferner wurde bisher nicht geklärt, wie die Wärmeermüdungs-Beständigkeit der Verbindungsstelle durch die Abkühlgeschwindigkeit des Lots nach dem Schmelzen beeinflußt wird. Es wurde bisher nicht versucht, die Ab kühlgeschwindigkeit der geschmolzenen Sn-Pb-Lotmaterialien zu kontrollieren, um eine befriedigende Wärmeermüdungs- Beständigkeit der Verbindungsstelle zu erzielen.

Aufgabe der Erfindung ist es ein Lötver fahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem die Wärme ermüdungs-Beständigkeit der Verbindungsstelle von Teilen einer elektronischen Anordnung aus unterschiedlichen Werkstoffen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten verbessert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das kennzeichnende Merkmal des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 4 gekennzeichnet.

Gegenstand der Erfindung sind außerdem die Verwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß den Patentansprüchen 5 bis 8.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene Verbindungsstelle des Verbindungskörpers weist ein Metallge füge auf, in dem das eutektische Gefüge mit relativ großen Korngrößen relativ große α-Primärkristalle umfaßt.

Es besteht keine Beschränkung hinsichtlich der Dif ferenz der Wärmedehnzahlen der zu verbindenden Teile aus un terschiedlichen Werkstoffen, denn wenn eine solche Differenz vorhanden ist, kann eine daraus resultierende Wärmeermüdung entweder eliminiert oder mindestens reduziert werden. Zum Beispiel haben durchgeführte Versuche gezeigt, daß eine erhebliche Verbesserung der Wärmeermüdungs-Beständigkeit erzielt wird, wenn das Verfahren gemäß der Erfindung eingesetzt wird, um Invar (eine Legierung aus Fe - 36 Gew.-% Ni) mit einer Wärmedehnzahl von 0,5 × 10^-6/°C mit Messing zu verbinden, dessen Wärmedehn zahl 20 × 10^-6/°C ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Verbindungskörpers, hergestellt gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 2 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Zinngehalt des Lötmittels in dem Verbindungskör per nach Fig. 1 und der Wärmeermüdung der Ver bindungsstelle zeigt;

Fig. 3 eine Schnittdarstellung eines Verbindungskörpers, hergestellt gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfin dung;

Fig. 4 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Zinngehalt im Lötmittel des Verbindungskörpers nach Fig. 3 und der Scherfestigkeit der Verbin dungsstelle zeigt;

Fig. 5 ein Diagramm, das die Abkühlgeschwindigkeit des Lötmittels in dem Verbindungskörper nach Fig. 3 und die Scherfestigkeit der Verbindungsstelle zeigt;

Fig. 6a und 6b Schliffbilder, die das Metallgefüge der Verbin dungsstelle des Verbindungskörpers, das mit dem Lötverfahren nach der Erfindung erhalten wird bzw. das Metallgefüge der Verbin dungsstelle des Verbindungskörpers zeigen, wenn die Abkühlgeschwindigkeit höher als bei dem Ver fahren nach der Erfindung ist;

Fig. 7 eine Schnittdarstellung eines Verbindungskörpers, hergestellt gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfin dung;

Fig. 8 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Zinngehalt im Lötmittel des Verbindungskörpers nach Fig. 7 und der Wärmeermüdung der Verbin dungsstelle zeigt;

Fig. 9 eine Schnittdarstellung von Verbindungskörpern, hergestellt gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung;

Fig. 10a bis 10d Schnittdarstellungen, die das Herstellungsver fahren der Verbindungskörper nach Fig. 9 veran schaulichen;

Fig. 11 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Temperatur des geschmolzenen Lots und der Abtra gungstiefe von Kupfer durch das Lot zeigt; und

Fig. 12 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Zinngehalt in den Verbindungskörpern nach Fig. 9 und der Wärmeermüdung zeigt.

Ausführungsbeispiel 1

Fig. 1 zeigt im Schnitt einen Verbindungskörper und Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen dem Zinngehalt der Verbindungsstelle des Verbindungskörpers und der Wärmeermüdung.

Der Verbindungskörper nach Fig. 1 wird erhalten, indem ein Siliciumsubstrat 3, das eine Dicke von 250 µm hat und sowohl in Längs- wie auch in Querrichtung 13 mm breit ist, auf eine Trägerplatte 2 aus vernickeltem Kupferblech mit einer Dicke von 3 mm, einer Länge von 27 mm und einer Breite von 47 mm unter Zwischenfügung eines 100 µm dicken Lotfilms 1 gelegt wird. Die Anordnung wird in einer Wasserstoffatmosphäre unter Schmelzen der Lotschicht erhitzt und das geschmolzene Lot anschließ end mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 40 ±10°C/min abge kühlt, bis das Lot vollständig erstarrt ist.

Wenn Chrom, Nickel und Silber dem Lot zugeführt werden, werden diese Metalle nacheinander durch Aufdampfen auf die Verbindungsfläche des Siliciumsubstrats 3 in Dicken von 0,1 µm bzw. 0,6 µm bzw. 2 µm aufgebracht, so daß eine Metallisierung durch Mehrschichtaufdampfen erfolgt. Die ein gesetzten Lotfilme sind Legierungen innerhalb des Zusammen setzungsbereichs von 35-59 Gew.-% Zinn, Rest im wesentlichen Blei. Die Wärmebehand lung bei dem vorstehend angegebenen Verfahren wird so gere gelt, daß die höchste erreichte Temperatur um ca. 50°C höher als die Liquidustemperatur des Lots ist, und die Temperatur wird auf diesem Pegel für ca. 5 min gehalten. Die höchste erreichte Temperatur sollte so gewählt sein, daß die metallur gische Verbindung zwischen dem Lot und den zu verbindenden Teilen vollständig ist und daß eventuelle Nachteile, die sich aus dem Vermischen der Bestandteile der zu verbindenden Teile in das geschmolzene Lot ergeben, vermieden werden.

Das Diagramm von Fig. 2 zeigt die Abhängigkeit der Wärmeer müdungs-Lebensdauer der Verbindungsstelle (d. h. der Lot schicht 1) des Verbindungskörpers aus einem Siliciumsubstrat 3 (mit einer Wärmedehnzahl von 3,5 × 10^-6/°C) und einer Kup fertragplatte 2 (mit eine Wärmedehnzahl von 16,5 × 10^-6/°C) vom Zinngehalt. Die Wärmeermüdungs-Lebensdauerwerte beinhalten die mittlere Lebensdauer, wenn die "Lebensdauer" als die Anzahl Wiederholungen definiert ist, bei denen der Wärmewiderstand, der sequentiell durch einen wiederholten Temperaturwechsel von -55°C bis +150°C in einem Zyklus pro Stunde auf den Verbindungskörper wirkt, das 1,5fache des Anfangswerts erreicht; dabei werden die Lebensdauerwerte von zehn Proben in konventioneller Weise in ein Weibull-Diagramm eingetragen, und die mittlere Lebens dauer wird aus der resultierenden Kurve bestimmt.

Gemäß Fig. 2 weist die Wärmeermüdungs-Lebensdauer des Ver bindungskörpers, der durch Lötverbinden des Siliciumsubstrats 3 mit der Kupfertragplatte 2 entstanden ist, eine deutliche Zusammensetzung-Abhängigkeit auf und zeigt eine Lebensdauer- Charakteristik mit lokalem Höchstwert, wenn die Zinnkon zentration in der Lotschicht 1 50 Gew.-% beträgt. Wenn das Lotmaterial mit dem Zusammensetzungsbereich des oben beschrie benen Ausführungsbeispiels eingesetzt wird, wird ein Lebensdauer wert von wenigstens 500 erhalten.

Fig. 2 zeigt ferner vergleichsweise die Wärmeermüdungslebensdauer der Verbindungskörper, die durch Einsatz von Lötmitteln erhalten werden, deren Zusammen setzung außerhalb des Zusammensetzungsbereichs des Ausfüh rungsbeispiels liegt, wobei das geschmolzene Lot mit einer Abkühl geschwindigkeit von 40 ± 10°C/min in der gleichen Weise wie oben abgekühlt wird. Wie aus dem Vergleich dieser Referenz- Körper mit denjenigen, deren Zusammensetzung dem Ausführungs beispiel entspricht, hervorgeht, ist die Grenze der Lebens dauer der Referenz-Körper im Vergleich mit den Verbindungskörpern, die unter Einsatz der Lötmittel auf Bleibasis und der eutektischen Lötmittel gebil det wurden, die bisher in großem Umfang zum Verbinden von Teilen aus verschiedenen Werkstoffen eingesetzt wurden bei einer geringeren Anzahl von Temperaturwechselbeanspruchungen erreicht.

Bis jetzt sind die Gründe für die Ab hängigkeit der Lebensdauer von der Zusammensetzung und die Frage, warum beim erfindungsgemäßen Verfahren die bevorzugten Lebensdauer-Eigenschaften auftreten, nicht voll ständig geklärt. Aufgrund der Ergebnisse von durchgeführten Untersuchungen wird der nachstehend unter Bezugnahme auf das zweite Ausführungsbeispiel erläuterte Mechanismus angenommen.

Ausführungsbeispiel 2

Fig. 3 zeigt die Schnittansicht des bei diesem Ausführungsbeispiel gebildeten Verbindungskörpers und Fig. 4 die Beziehung zwischen dem Zinngehalt der Verbindungsstelle des Verbindungs körpers und deren Scherfestigkeit.

Der Verbindungskörper nach Fig. 3 wird erhalten, indem ein pastöses Gemisch aus einem Kolophonium-Flußmittel und Löt pulver zwischen ein Anschlußelement 5 aus Messing und ein Aluminiumoxidsubstrat 4 gebracht wird, wonach Erhitzung in Luft erfolgt, um das Lötpulver zu schmelzen, die Temperatur um ca. 50°C höher als die Liquidustemperatur des Lötmaterials gehalten wird und dann das geschmolzene Lot mit einer Abkühl geschwindigkeit von 60 ± 10°C/min abgekühlt wird, bis das geschmolzene Lot vollständig erstarrt ist. Das Messing-Anschlußelement 5 wird durch Vernickeln eines 0,25 mm dicken, 1 mm breiten und 13 mm langen Messingblechs mit einer Vernickelungsschicht von 3 µm erzeugt und hat eine Wärmedehn zahl von 20 × 10^-6/°C. Das Aluminumoxidsubstrat 4 wird für Hybridschaltkreise eingesetzt und ist 0,6 mm dick, 15 m breit und 30 mm lang. Das Aluminiumoxidsubstrat hat eine Wärmedehn zahl von 7,5 × 10^-6/°C, und auf seinem Verbindungsabschnitt ist eine Anschlußfläche (1 mm breit und 1,5 mm lang) mit einer Vernickelungsschicht von ca. 3 µm Dicke auf einer Metall sierungsschicht, die durch Sintermolybdän erhalten ist, aus gebildet. Die auf die Verbindungsstelle aufgebrachte Lotmenge ist so eingestellt, daß die Dicke der Lotschicht 1 nach dem metallurgischen Prozeß ca. 100 µm beträgt.

Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen dem Zinngehalt in der Verbindungsstelle des mit Hilfe der Lotschicht 1 zusammenge setzten Verbindungskörpers und der Scherfestigkeit (Kurven 21, 22, 23). Die Kurven 21, 22 und 23 bezeichnen die bei -25°C bzw. +20°C bzw. +100°C gemessenen Werte. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, daß die Scherfestigkeit eine solche Zusammensetzungs-Abhängigkeit aufweist, daß sie bei einem Zinngehalt im Lot von 50 Gew.-% einen lokalen Höchst wert hat. Die Festigkeit nimmt mit niedrigerer Umgebungstem peratur zu und mit höherer Umgebungstemperatur ab, weist jedoch bei beiden Temperaturen eine im wesentlichen gleiche Zusammensetzungs-Abhängigkeit auf. Dieser Trend entspricht deutlich den Lebensdauer-Eigenschaften von Fig. 2 und deutet darauf hin, daß der Grad der Versteifung der Lotschicht 1 sich relativ stark auf die Ermüdungs-Lebensdauereigenschaten aus wirkt.

Zu Vergleichszwecken zeigt das Diagramm auch die Scherfestig keit bei 20°C der in dem Verbindungskörper vorhandenen Lot schicht 1 zwischen dem Aluminiumoxidsubstrat 4 und dem Messing-Anschlußelement 5 mit der 3 µm dicken Vernickelung, wobei der Verbindungskörper mit einer Abkühlgeschwindigkeit von ca. 200°C/min nach dem Schmelzen des Lots abgekühlt wurde (Kurve 24). In diesem Fall wird eine von den Kurven 21, 22 und 23 vollständig verschiedene Tendenz erhalten. Der lokale Höchstwert der Festigkeit bei dem Zinngehalt von 50 Gew.-% ist nicht zu beobachten, und die Festig keit ist über den gesamten Zusammensetzungsbereich gering. In diesem Fall wird auch eine Tendenz beobachtet, die analog der Zugfestigkeit ist, wie sie bei der Zugfestigkeitsprüfung eines gewalzten Bleiblechs (entsprechend dem Artikel von Nishihata et al. mit dem Titel "The effect of Strain Rate on Tensile Strength and Elongation in Pb-Sn Alloys" in Material Testing Technique, Bd. 25, Nr. 1, S. 31 (1980)) erhalten wird, aber die Kurven 21, 22 und 23 weisen eine davon verschiedene Ten denz auf. Daher weist Fig. 4 auf die wesentliche Tat sache hin, daß die Scherfestigkeit nicht durch die Zusammensetzung des Lotmaterials bestimmt wird, sondern durch das Abkühlen.

Die durch die Kurven 21, 22, 23 und 24 in Fig. 4 gezeigten Werte werden erhalten, indem Zugversuche beim Körper von Fig. 3 bei jeder der bereits genannten Temperaturen und mit einer Geschwindigkeit von 2 mm/min durchgeführt wer den, so daß die Lotschicht 1 mit einer Zugspannung beauf schlagt wird.

Wenn die Wärmeermüdungs-Lebensdauer von Proben untersucht wird, die denen des Ausführungsbeispiels entsprechen, können in gleicher Weise wie in Fig. 2 Wärmeermüdungs-Lebensdauer eigenschaften erhalten werden, die einen lokalen Höchstwert bei dem Zinngehalt von 50 Gew.-% der Lotschicht 1 aufweisen. In diesem Fall wird die Wärmeermüdungs-Lebensdauer durch Brechen einer Probe, die wiederholt mit vorbestimmten Temperaturwech selbeanspruchungen beaufschlagt werden, mittels einer Zugprüf einrichtung bestimmt und die Flächen oxidierter Abschnitte an der Bruchstelle werden vermessen und verglichen. Je kleiner die Flächen sind, umso länger ist die Lebensdauer.

Das Diagramm von Fig. 5 zeigt die Beziehung zwischen der Ab kühlgeschwindigkeit des Lots des Verbindungskörpers aus dem Aluminiumoxidsubstrat 4 und dem Messing-Anschlußelement 5, wobei zwei Arten von Lötmittel eingesetzt wurden, nach dem Schmelzen des Lots und der Scherfestigkeit der Verbindungsstelle bei Raumtemperatur. Dabei bezeichnet die Kurve 25 einen Fall, bei dem Lot mit 50 Gew.-% Blei und 50 Gew.-% Zinn eingesetzt wird, und die Kurve 26 zeigt vergleichsweise den Fall, bei dem Lot mit 25 Gew.-% Blei und 75 Gew.-% Zinn ein gesetzt wird.

Wie aus dem Diagramm hervorgeht, ist die Scherfestigkeit in einem Bereich niedriger Abkühlgeschwindigkeit hoch und im Fall hoher Abkühlgeschwindigkeit niedrig, und eine konstante hohe Festigkeit kann erzielt werden, wenn die Abkühlgeschwindigkeit unterhalb ca. 125°C/min liegt. Eine gleichartige Abhängigkeit von der Abkühlgeschwindigkeit ist auch für solche Lotmateria lien ersichtlich, die im Bereich dieses Ausführungsbeispiels liegen, jedoch eine andere Zusammensetzung als 50 Gew.-% Pb/50 Gew.-% sn haben.

Die Fig. 6a zeigt das Metallgefüge eines Lotmaterials aus 50 Gew.-% Blei und 50 Gew.-% Zinn nach dem bevorzugten metal lurgischen Prozeß, also nach dem Abkühlen mit einer Geschwin digkeit von 40°C/min, wobei dieses Material als typisches Beispiel für die Lotmaterialien mit der Zusammensetzung nach dem Ausführungsbeispiel ausgewählt ist. Die Fig. 6b zeigt das Metallgefüge des Lotmaterials nach einem unerwünsch ten metallurgischen Prozeß, d. h. nach Abkühlen mit einer Geschwindigkeit von 150°C/min.

Aus Fig. 6a ist ersichtlich, daß die Lotschicht ein Gefüge aufweist, in dem das eutektische Gefüge mit relativ großen Korngrößen (ein Mischgefüge aus β-Festlösung 62 des Eutekti kums und α-Festlösung 63) α-Festlösungs-Primär kristalle 61 umfaßt, die zu Teilchen mit großen Korngrößen gewachsen sind, wogegen in Fig. 6b das eutektische Gefüge aus feinen Teilchen (ein Mischgefüge aus β-Festlösung 68 des Eutektikums und α-Festklösung 69) α-Festlösungs- Primärkristalle 67 mit relativ kleinen Korngrößen umfaßt.

Wie oben beschrieben, wird angenommen, daß das eutektische Gefüge aus feinen Kristallkörnern aufgrund der Superplastizi tät leicht verformbar ist; wenn jedoch die Kristallkorngrößen sowohl der α-Festlösung 63 als auch der β-Festlösung 62, die das eutektische Gefüge in Fig. 6a bilden, zunehmen, bewirkt dies eine Verminderung der plastischen Verformbarkeit des eutektischen Gefüges selbst und begrenzt die plastische Ver formbarkeit der α-Festlösungs-Primärkristalle 61.

Wenn das erfindungsgemäße Verfahren angewandt wird, wird angenommen, daß die Steifigkeit der Lotschicht verbessert wird und daß die auf die Lotschicht konzentrierten Beanspruchungen in geeigneter Weise auf die zu verbindenden Teile 2, 3, 4, 5 verteilt werden, so daß die Ausbildung von Ermüdungserschei nungen infolge von plastischer Verformung schließlich begrenzt werden kann. Der Grund, weshalb Lotmaterialien mit Zusammen setzungen außerhalb des Bereichs des Ausführungsbeispiels und mit höherem Bleigehalt, z. B. eine Zusammensetzung aus 95 Gew.-% Blei und 5 Gew.-% Zinn, schlechte Wärmeermüdungs- Lebensdauereigenschaften aufweisen, liegt darin, daß der Gehalt der α-Festlösung ganz erheblich größer ist und die plastische Verformbarkeit der Lotschicht insgesamt aufrecht erhalten bleibt. Der Grund, weshalb Lotmaterialien mit extrem hohem Zinngehalt, z. B. eine Lotschicht aus 5 Gew.-% Blei und 95 Gew.-% Zinn, schlechte Wärmeermüdungs-Lebensdauereigen schaften aufweisen, liegt darin, daß wegen der geringen Blei konzentration die β-Festlösung die Eigenschaften aufweist, die denen von reinem Zinnmetall analog sind.

Beim beschriebenen Verfahren wird das Lotmaterial dazu ver wendet, elektrische, mechanische oder thermische Verbindungen von Teilen aus unterschiedlichen Werkstoffen mit jeweils ver schiedenen Wärmedehnzahlen zu erhalten. In jedem dieser Fälle soll die metallurgische Verbindung zwischen dem Lot material und den zu verbindenden Teilen eine möglichst hohe Festigkeit haben. Da die Verbindung metallurgisch ist, erfolgt natürlich eine Legierung zwischen dem Lotmaterial und wenig stens den die äußerste Schicht der zu verbindenden Teile bil dende Stoffe an den Abschnitten der Ver bindung. Das bedeutet, daß von Blei und Zinn verschiedene, dritte Bestandteile bildende Metalle unvermeidlich in das Lotmaterial nach Herstellung der Verbindung eingebaut oder darin gelöst sind. Es kann bevorzugt sein, andere Metalle als Zinn und Blei dem Lotmaterial zuzusetzen, um die Benetzbarkeit des Lotmaterials zu verbessern oder das Mischen der Bestand teile der zu verbindenden Teile in das Lotmaterial zu begren zen. Das in einem solchen Fall möglicherweise auftretende Problem besteht darin, daß die Ermüdungsbeständigkeit des Lotmaterials selbst durch die Zugabe der dritten Komponente verringert wird. Diese Möglichkeit wird nachstehend unter Bezugnahme auf das dritte Ausführungsbeispiel erläutert.

Ausführungsbeispiel 3

Die Schnittdarstellung von Fig. 7 zeigt den bei diesem Ausfüh rungsbeispiel hergestellten Verbindungskörper, und das Diagramm von Fig. 8 zeigt die Beziehung zwischen dem Zinngehalt der Ver bindungsstelle des Verbindungskörpers und dessen Wärmeermü dungs-Lebensdauer.

Der Verbindungskörper von Fig. 7 ist ein Aufbau für eine Flüssigkristallanzeige, gebildet durch elektrisches und mecha nisches Verbinden eines Halbleitersubtrasts 31 aus Silicium als IS-Chip (6 mm breit, 7 mm lang und 0,4 mm dick) mit einem Natronglassubstrat 6 (mit einer Wärmedehnzahl von 9 × 10^-6/°C) als dielektrisches Substrat unter Verwendung von Feinlotgrup pen 11 mit einem Verfahren, das als Aufschmelzlöten bezeichnet wird. Das IS-Chip-Substrat trägt auf seiner Oberfläche Aluminiumleiterbahnen, und auf den Aluminiumleiterbahnen sind selektiv und sequentiell Filme aus Chrom mit 0,1 µm Dicke, aus Kupfer mit 0,6 µm Dicke und aus Nickel mit 0,3 µm Dicke gebildet, so daß eine Metallschicht aus einem Mehrlagen-Metallmuster gebildet ist. Davon getrennt sind sequentiell und selektiv auf dem Glassubstrat 6 unter Bildung eines weiteren Mehrlagen-Metallmusters Filme aus Chrom mit 0,1 µm Dicke und aus Kupfer mit 2 µm Dicke gebildet. Diese Metallfilme sind durch Aufdampfen im Vakuum hergestellt. Der Verbindungskörper wird dadurch erhalten, daß Feinlot 11 zwischen beide Mehrlagen-Metallmuster gebracht wird, wonach das Feinlot 11 auf eine Temperatur, die um ca. 50°C über der Liquidustemperatur des Lotmaterials liegt, unter Anwendung eines bekannten Kondensationslötverfahrens erhitzt wird, bei dem die latente Verdampfungswärme von flüssigem Fluorkohlen wasserstoff zum Schmelzen des Feinlots genutzt wird, wonach das Lot mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 15 ± 5°C/min abge kühlt wird, bis die Erstarrung des Lots abgeschlos sen ist. Hinsichtlich Einzelheiten des Kondensationslötver fahrens sei z. B. auf den Artikel von Christian M. Val et al. in Electrocomponent Science and Technology, 1983, Bd. 10, S. 111-127, verwiesen.

Das Diagramm von Fig. 8 zeigt die Wärmeermüdungs-Lebensdauer der Verbindungsstelle des mit dem Feinlot 11 zusammengefügten Körpers. Die Wärmeermüdungs-Lebensdauerwerte sind durch die Anzahl Heizstromzyklen ausgedrückt, wobei an den IS-Chip des Halbleitersubstrats 31 wiederholt ein Heizstrom angelegt wird, um eine Temperaturwechselbeanspruchung zwischen 50°C und 125°C zu bewirken, und der Chip seine Funktion als IS-Schaltung auf grund eines Bruchs oder Fehlers der Verbindungsstelle infolge der unterbrochenen Stromzuführung verliert. Die Daten werden aufgrund eines Mittels von 15-20 Proben erhalten.

Das Diagramm zeigt die Resultate der Feinlotmaterialien 11, die aus dem Zusammensetzungsbereich mit 35-59 Gew.-% Zinn, 1,0 Gew.-% Kupfer, Rest im wesentlichen Blei ausgewählt sind, und von als Vergleich dienenden Feinlotma terialien, die aus einer Sn-Pb-Legierung mit anderen Zusammen setzungen, denen 1,0 Gew.-% Kupfer zugefügt ist, ausgewählt sind. Wie aus dem Diagramm hervorgeht, zeigt die Heizstromzyklus-Lebens dauer bzw. die Wärmeermüdungs-Lebensdauer der Lotschicht 11 des Verbindungskörpers solche Lebensdauer-Charakteristiken, daß ein lokaler Höchstwert bei einer Zinnkonzentration von 50 Ge.-% erreicht wird. Somit zeigt die Lot schicht 11 eine Zusammensetzungs-Abhängigkeit, die derjenigen von Fig. 1 gleicht. Es ist somit verständlich, daß auch dann, wenn Kupfer als dritte Komponente dem Feinlot 11 zugefügt ist, die Zusammensetzungs-Abhängigkeit der Wärmeermüdungs-Lebens dauer eine ähnliche Tendenz wie bei der Zusammensetzung ohne Kupfer aufweist, und der Zusammensetzungsbereich dieses Aus führungsbeispiels zeigt bessere Lebensdauer-Charatkeristiken als die Zusammensetzung des Vergleichsbeispiels mit Lotmaterialien auf Bleibasis oder eutektischen Lotmateria lien.

Ferner wurde bestätigt, daß auch bei Zugabe von Silber, Gold, Palladium, Nickel, Antimon, Zink, Wismut, Indium, Cadmium, Arsen oder Gallium anstelle von Kupfer als dritte Komponente zu dem metallurgischen Verfahren oder bei Zugabe mehrerer dieser Metalle die Wärmeermüdungs-Lebensdauer der Lotschicht die gleiche Zusammensetzungs-Abhängigkeit aufweist und die Lebensdauer insbesondere bei Zugabe von Gold, Silber oder Palladium verlängerbar ist. Auch wenn die dritte Metallkom ponente zugegeben wird, verschlechtert sich die Wärmeermü dungs-Lebensdauer nicht, solange die Lotschicht den bevorzug ten metallurgischen Prozeß durchläuft, bei dem die Abkühlung mit einer Geschwindigkeit von bis zu 125°C/min abläuft.

Ausführungsbeispiel 4

Unter Bezugnahme auf die Fig. 9-12 und Fig. 5 wird nachstehend das vierte Ausführungsbeispiel erläutert. Wie Fig. 9 zeigt, wird der Verbindungskörper hergestellt, indem ein Tonerdekeramiksubstrat 42 mit einem Siliciumchip 41 unter Anwendung mehrerer Lötstellen 43 zusammengefügt wird. Auf dem Siliciumchip 41 und auf dem Tonerdekeramiksubstrat 42 sind Lotelektroden 44 und 45 ausgebildet, die durch das Lot 43 mit einander zu verbinden sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Siliciumchip 41 ein Quadrat mit einer Seitenlänge von 5 mm, und für jede Seite sind 20 Lötstellen 43 (von denen nur vier gezeigt sind) bzw. insgesamt 80 Lötstellen vorgesehen. Die chipseitigen Lotelektroden 44 und die substratseitigen Lot elektroden 45 haben einen Durchmesser von 100 µm und einen Mindestabstand von 200 µm.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 10Abb. -10d wird das Herstellungs verfahren des Bauteils dieser Ausführungsbeispiele erläutert.

(a) Wie Fig. 10a zeigt, wird auf einem Siliciumsubstrat 46, auf dem bereits Transistoren, Dioden u. dgl. ausgebildet sind, ein Aluminiumfilm 48 für Leiterbahnen über einem zur Isolation dienende SiO₂-Passivierungsfilm 47 gebildet, und ein weiterer SiO₂-Passivierungsfilm 49 mit Öffnungen für externe Anschlüsse wird gebildet. Ein Verbundfilm, bestehend aus 0,1 µm dickem Chrom, 1 µm dickem Kupfer und 0,1 µm dickem Gold, wird über eine Metallmaske im Vakuum derart aufgedampft, daß die Öffnung überdeckt ist, und eine Lotelektrode 44 wird auf der Chipseite gebildet. Die Aufdampftemperatur liegt bei 350°C für Chrom und Kupfer, um die Haftung des Films zu steigern, und bei 100°C für Gold, um dessen Diffusion zu verhindern. Die Funktionen dieser Filme werden kurz erläutert. Der Chrom film dient der Verbesserung der Haftfähigkeit in Verbindung mit dem Aluminiumleiterfilm 48 und dem SiO₂-Passivierungsfilm 49 als Basis und der Verhinderung der Reaktion des Lots 43 mit dem Aluminiumleiterfilm 48; der Kupferfilm dient der Verbes serung der Haftfähigkeit mit dem Lot 43, und der Goldfilm verhindert die Oxidation von Kupfer.
(b) Wie Fig. 10b zeigt das Lot, das auf der chipseitigen Lotelektrode 44 durch Aufdampfen im Vakuum gebildet ist. Ein Blei film 50 wird zuerst im Vakuum aufgedampft, und dann wird darauf ein Zinnfilm 51 im Vakuum aufgedampft. Das erforder liche Lotvolumen ist 9 × 10^-4 mm^³. Die Dicke des Bleifilms 50 muß ca. der halben Dicke des Zinnfilms 51 entsprechen, damit die Lotzusammensetzung z. B. aus 50 Gew.-% Blei und 50 Gew.-% Zinn besteht. Die Gesamt dicke der Blei- und Zinnfilme beträgt 200 µm.
(c) Fig. 10c zeigt das Siliciumsubstrat 46, auf dem der Bleifilm 50 und der Zinnfilm 51 in dieser Weise gebildet wurden. Es wird in einen elektrischen Ofen verbracht, um beide Filme 50 und 51 in einem Wasserstoffgastrom zu schmelzen. Da der eutektische Punkt von Blei und Zinn bei ca. 183°C liegt, beginnen der Bleifilm 50 und der Zinnfilm 51 oberhalb dieser Temperatur von ihrer gegenseitigen Grenzfläche aus allmählich zu schmelzen. Die Liquidustemperatur des aus 50 Gew.-% Blei und 50 Gew.-% Zinn bestehenden Lots liegt bei ca. 215°C, und wenn über dieser Temperatur liegende Temperaturen erreicht sind, wird ein im wesentlichen kugelförmiges Lotmaterial 52 auf der Chipseite gebildet. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das Lot für 5 min bei 250°C zum Schmelzen gehalten.
(d) Eine Lotelektrode 45 auf der Seite des Tonerdekeramiksub strats, die durch Metallisieren mittels eines dickfilmbilden den Naßverfahrens erhalten wird, wird auf dem Tonerdekeramik substrat 42 gebildet, und Lot 53 auf der Substratseite, be stehend aus 50 Gew.-% Blei und 50 Gew.-% Zinn, wird auf der Oberfläche der Elektrode gebildet (Fig. 10d). Die Lotelektrode 45 wird gebildet durch Bedrucken der Oberfläche eines Alumi nuiumoxid-Grünblechs mit einer Mo-Mn-Paste, Sintern des Blechs und Vernickeln der resultierenden Mo-Mn-Schicht (Dicke 1 µm) mit einem Ni-Film von 3 µm Dicke. Das Lot 53 auf der Substrat seite wird erhalten durch Vakuumaufdampfen von Blei und Zinn mit einer Gesamtdicke von 15-30 mm und Wärmebehandeln des Substrats bei 250°C während 5 min in Wasserstoffatmosphäre.

Anschließend wird das Siliciumsubstrat 46, auf dem das chip seitige Lot 52 bereits gebildet wurde, unter Einsatz eines Substratzerteilers in Siliciumchips 41 unterteilt, und der Siliciumchip 41 wird auf dem Tonerdekeramiksubstrat 42, auf dem das Lot 53 für die Substratseite bereits gebildet wurde, positioniert. Während das Lot 52 auf der Chipseite und das Lot 53 auf der Substratseite in gegenseitigem Kontakt gehalten werden, werden der Siliciumchip 41 und das Tonerdekeramiksubstrat 42 wieder in den Ofen ver bracht und in der Wasserstoffatmosphäre auf eine Temperatur erwärmt, die geringfügig über der Liquidustemperatur des Lots aus 50 Gew.-% Blei und 50 Gew.-% Zinn liegt. Danach wird das Lot langsam abgekühlt, so daß das Bauteil von Fig. 9 erhalten wird. Dabei wird das Lot geschmolzen, indem es während 15 s auf 260°C gehalten wird, und allmählich mit einer Abkühlge schwindigkeit von 40°C/min abgekühlt.

Das Diagramm von Fig. 12 zeigt die Beziehung zwischen der Lotzusammensetzung und der Wärmeermüdungs-Lebensdauer, wenn der Verbindungskörper dieses Ausführungsbeispiels einer Tem peraturwechselprüfung unterworfen wird, indem ein Temperatur wechsel von -55°C bis +150°C in einem Zyklus pro Stunde erfolgt. Dabei ist in Fig. 12 auf der Ordinate die Wärmeer müdungs-Lebensdauer von Proben aufgetragen, die unter Anwen dung von Lotmaterialien verschiedener Zusammensetzung herge stellt wurden, wobei die Wärmeermüdungs-Lebensdauer des Lot materials aus einer Pb/5 Gew.-% Sn-Legierung als Referenzwert Eins aufgetragen ist. Auf der Abszisse ist der Sn-Gehalt der eingesetzten Lotmaterialien aufgetragen.

Aus Fig. 12 ist ersichtlich, daß die Wärmeermüdungs-Lebens dauer des Verbindungskörpers dieses Ausführungsbeispiels bis zur neunfachen Lebensdauer des konventionellen Bauteils ver bessert wird, das durch ein Lot 43 mit 95 Gew.-% Blei und 5 Gew.-% Zinn gebildet ist, wenn der Test mittels einer Tem peraturwechselprüfung von -55°C bis +150°C in einem Zyklus pro Stunde durchgeführt wird. Da jedoch der Zinngehalt erhöht ist, besteht die Gefahr, daß die Reaktion zwischen dem Lot 43 und dem in der Lotelektrode 44 auf der Chipseite enthaltenen Kupfer stärker als in dem konventionellen Bauteil ausfällt. Daher wurden die Beziehung zwischen der Abtragungstiefe von Kupfer durch ein Lot mit 95 Gew.-% Blei und 5 Gew.-% Zinn und ein Lot mit 50 Gew.-% Blei und 50 Gew.-% Zinn und der Löttem peratur untersucht, wie Fig. 11 zeigt. Die Haltezeit bei jeder Temperatur beträgt 15 s. Dabei wurden folgende Ergebnisse erhalten: Bei einem Vergleich bei derselben Temperatur ist die Abtragungstiefe bei dem Lot mit 50 Gew.-% Blei und 50 Gew.-% Zinn (Kurve 82) größer, da jedoch die Liquidustemperatur dieses Lots um ca. 100°C niedriger als diejenige des Lots mit 95 Gew.-% Blei und 5 Gew.-% Zinn (Kurve 81) liegt, ist die Abtragungstiefe nur geringfügig größer, wenn der Vergleich bei den Temperaturpunk ten 86 und 87 erfolgt, die um 50°C über der Liquidustempera tur liegen (die diesen Temperaturpunkten 86 und 87 entspre chenden Temperaturen werden im allgemeinen als Löttemperaturen gewählt). Es wurde somit gefunden, daß die Kupferfilmdicke von 1 µm ausreichend Spielraum bietet.

Die Beziehung zwischen der Abkühlgeschwindigkeit des Lots nach dem Schmelzen und der Scherfestigkeit der Verbindungsstelle bei Raumtemperatur gleicht der Kurve 25 von Fig. 5. Das Metallgefüge des Lots nach Durchlaufen des Abkühlungsprozesses mit der Abkühlgeschwindigkeit von weniger als 125°C/min, z. B. 40°C/min, gleicht demjenigen von Fig. 6a, und das Metallgefüge nach Durchlaufen des Prozesses mit einer Abkühl geschwindigkeit über 125°C/min, z. B. 150°C/min, gleicht demjenigen von Fig. 6b.

Als Grund für die sehr guten Wärmeermüdungs-Charakteristiken der Verbindungsstelle dieses Ausführungsbeispiels wird der gleiche Grund angenommen, der unter Bezugnahme auf das zweite Ausführungsbeispiel in Verbindung mit dem Metallgefüge be schrieben ist.

Es wurde jedoch nunmehr klargestellt, daß die besseren Wärme ermüdungs-Eigenschaften durch eine Entwicklung erzielbar sind, bei der die plastische Verformbarkeit des Lots begrenzt wird und das Lot und die es umgebenden Teile die Wärmebeanspruchung gezwungenermaßen teilen müssen, wogegen bei der konventionel len Entwicklung die Verformbarkeit des Lots unter Wärmeein wirkung verstärkt wird und das Lot die Wärmebeanspruchung vollständig allein tragen muß. In dem Zustand, in dem das eutektische Gefüge mit relativ großen Korngrößen die α-Primärkristalle mit großer Korngröße entsprechend Fig. 6a umfaßt, ist ferner die Festigkeit des Lots hoch, und die Wär meermüdungs-Beständigkeit ist verlängert. Um die Festig keit des Lots bleibend zu verbessern, muß die Abkühlgeschwin digkeit unterhalb ca. 125°C/min liegen, wie aus Fig. 5 deut lich hervorgeht.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird zwar ein Verbundfilm aus Chrom, Kupfer und Gold für die Lotelektrode 44 auf der Sili ciumchipseite verwendet, der gleiche Effekt kann jedoch auch unter Verwendung von Titan als Metall mit gleicher Funktion wie Chrom und von Nickel als Metall mit gleicher Funktion wie Kupfer erzielt werden. Die Lotelektrode 44 auf der Chipseite wird zwar im vorliegenden Fall durch Maskenbedampfen im Vakuum gebildet, das Elektrodenmuster kann aber auch nach Vakuumbe dampfen der Gesamtfläche durch Ätzen gebildet werden. Andere Verfahren als Bedampfen im Vakuum (z. B. Kathodenzerstäubung) können ebenfalls angewandt werden. Anstelle des Aufdampfens im Vakuum kann für die Bildung des Lots 52 auf der Chipseite selbstverständlich auch ein Plattierverfahren angewandt wer den. Wenn die Zusammensetzungen des Lots 52 auf der Chipseite und des Lots 53 auf der Substratseite zwischen 35 Gew.-% und weniger als 60 Gew.-% Zinn, Rest im wesentlichen Blei, umfas sen, kann eine längere Wärmeermüdungs-Lebensdauer erhalten werden als mit dem 95 Gew.-% Blei und 5 Gew.-% Zinn enthal tenden Lot, wenn die Abkühlgeschwindigkeit des Lots bis zu ca. 125°C/min beträgt (vgl. Fig. 12).

Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele zeigen das Verbindungsver fahren für elektronische Bauelemente. Es ist jedoch auch möglich, Verbin dungen zwischen organischen Harzen, z. B. Epoxidharz, Phenol harz, und Metallen, zwischen anorganischen Dielektrika und Halbleitern, zwischen organischen Harzen, zwischen Metallen und zwischen Dielektrika herzustellen. Ferner ist es möglich, Verbindungskörper dadurch zu erhalten, daß man wenigstens zwei Teile aus den Stoffen organische Harze, Metalle, Dielektrika oder Halbleiter in willkürlichen Kombinationen wählt.

Bei dem metallurgischen Verfahren nach der Erfindung kann die Behandlung in einer kontrollierten Atmosphäre von Wasser stoff-, Stickstoff-, Helium-, Argon- oder Kohlensäuregas, in einer kontrollierten Atmosphäre von Dampf wie Fluorkohlen wasserstoffdampf oder in Luft durchgeführt werden. Dabei ist es möglich, irgendeines der bekannten Wärmebehandlungsverfah ren wie Wärmebehandlung in einem Ofen, auf einer Heizplatte, Bestrahlung mit IR-Strahlen, Laser- oder Elektronenstrahlbe handlung, Heizstabbehandlung, Kondensationslöten, Parallel spaltlöten usw. anzuwenden. Geeignete Flußmittel können nach Maßgabe der erwünschten Eigenschaften des herzustellenden Verbindungskörpers gewählt werden.

Claims

1. Verfahren zum Löten von Teilen einer elektronischen Anordnung aus unterschiedlichen Werkstoffen mit unter schiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten durch Vor sehen eines Lots mit einer Zusammensetzung von 35 Gew.-% oder mehr bis weniger als 60 Gew.-% Zinn, Rest im wesent lichen Blei, zwischen den Teilen aus unterschiedlichen Werkstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß das Lot nach dem Schmelzen einen metallurgischen Prozeß durchläuft, bei dem das geschmolzene Lot, bevor die Erstarrung des ge schmolzenen Lots beendet ist, mit einer Abkühlgeschwin digkeit von bis zu 125°C/min abgekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lot eine Zusammensetzung von 40-55 Gew.-% Zinn, Rest im wesentlichen Blei, aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lot eine Zusammensetzung von ca. 50 Gew.-% Zinn, Rest im wesentlichen Blei, aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Lot wenigstens eines der Metalle, Kupfer, Silber, Gold, Palladium, Nickel, Antimon, Zink, Wismut, Indium, Cadmium, Arsen oder Gallium zugefügt wird.

5. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zum Löten eines Halbleitersubstrats und eines dielektrischen Substrats.

6. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zum Löten eines Halbleitersubstrats und eines dielektrischen Sub strats, das auf seiner Oberfläche einen Leiterfilm vorbe stimmter Form trägt.

7. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zum Löten eines Halbleitersubstrats, das auf seiner Oberfläche einen Leiterfilm vorbestimmter Form trägt, und eines dielektrischen Substrats.

8. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zum Löten eines Halbleitersubstrats und einer Metallplatte.