DE3781367T2 - Ein steckerstift mit kegelfoermigem kopf zum verbessern der spannungsverteilung in der loetverbindung. - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf die Verbindung eines Steckerstiftes mit einem metallischen Anschlußfeld auf einem keramischen Mehrschichtsubstrat. Speziell wird eine Stiftkonstruktion mit sich verjüngendem Kopf beschrieben, die zur Entlastung der Spannungen dient, welche an der Grenzfläche Stift:Anschlußfeld entstehen.
• Auf dem Gebiet der integrierten Halbleiterfertigung ist der Einsatz von Mehrschichtkeramik weit verbreitet. In einer typischen Baugruppe sind die Halbleiterchips auf einer Seite des keramischen Mehrschichtsubstrates angebracht, und das Substrat wird auf der gegenüberliegenden Seite mit Ein-/Ausgabe-Stiften oder Steckverbindern ausgerüstet, die zur Montage auf oder zur Verbindung mit der nächsten Packungsebene dienen. Innerhalb des Substrates befindet sich ein Netz metallischer Leiterbahnen zur Verbindung der Stifte mit den integrierten Schaltkreisen, die auf der oberen Fläche montiert sind. Die Ein-/Ausgabe-Stifte werden normalerweise durch Hart- oder Weichlöten elektrisch leitend mit einem Anschlußfeld verbunden, welches der Außenanschluß der inneren metallischen Leiterbahnen ist. Die Herstellung der Anschlußfelder erfolgt entweder nach konventionellen Methoden, z. B. durch Aufbringung von Metallpasten durch Masken hindurch vor dem Sinterprozeß, oder mittels anderer Metallisierungsverfahren wie z. B. Elektronenstrahlverdampfung oder Sputtern nach dem Sintern. Die Ein-/Ausgabe-Stifte werden dann normalerweise mittels eines Au-Sn-Hartlotes mit den Anschlußfeldern verbunden. Das Verbindungsmaterial muß hinreichend fest sein, um den Umgebungsbedingungen während des Betriebes widerstehen zu können; das Lötmaterial sollte auch nicht signifikant durch thermischeund Zugspannungen verändert werden, die in Verbindung mit weiteren Prozeßschritten im Verlauf der Komplettierung der Baugruppe auftreten, wie z. B. in der Bauteilmontage. Weil die keramischen Mehrschichtsubstrate für die Aufnahme einer Vielzahl von Bauelementen verwendet werden, müssen Nacharbeiten, die durch defekte Bauelemente oder technische Änderungen verursacht werden, generell möglich sein. Die Verbindungen zwischen den Ein-/Ausgabe- Stiften und den Anschlußfeldern müssen deshalb den vielen Temperaturzyklen im Verlaufe der Bearbeitungs- und Nacharbeitsstufen standhalten. Abgesehen vom Fertigungsprozeß entstehen in der Umgebung der Ein-/Ausgabe-Stifte beim Einsatz Zugspannungen, wobei herausgefunden wurde, daß diese abhängig sind von der Größe, der Dicke und der Geometrie der Anschlußfelder, von den Materialeigenschaften der Anschlußfelder, von der Morphologie der Stiftverbindungen und von der Verteilung und den Materialeigenschaften des Hartlotes. Auf der Basis dieser Kenntnisse wurden verschiedene Ansätze zur Spannungsentlastung im Bereich der Ein/Ausgabe-Stifte untersucht. Hinsichtlich der thermischen Spannungen wird in einen materialbezogenen Lösungsansatz versucht, die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der verbundenen Materialien aufeinander abzustimmen. Z.B. wird Kovar (ein Warenzeichen der Westinghouse Electric Corporation) gewöhnlich als Stiftmaterial verwendet, weil es einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der mit dem von Aluminiumoxid-Substrat kompatibel ist. Das Hartlot und das Material der Anschlußfelder kann verändert werden, um über die thermischen Ausdehnungen zwischen dem Substrat und dem Stiftmaterial die thermischen Spannungen zu reduzieren, wie dies in den Patentschriften U.S.A-4,418,857 von Ainslie et al sowie 4.518.112 von Miller et al vorgeschlagen wird. Zusätzlich zur Modifikation des Hartlotes wird in den Patentschriften von Ainslie und Miller, die beide dem gegenwärtigem Anmelder zugeteilt worden sind, dargelegt, daß die Hartlötstelle bzw. das Volumen der Lötnaht und die Morphologie der Lötnaht die Festigkeit der Lötverbindung beeinflussen können. In dem Patent von Miller wird versucht, das Volumen der Lötnaht zu reduzieren, um die "Tendenz des Aufwärtskriechens des Materials und die Verringerung der Festigkeit der Verbindung..." (Spalte 1, Zeilen 63-68) zu verhindern. Das Patent von Ainslie behandelt ein Verfahren, das "das Hochkriechen des Materials am Schaft eines Stiftes verhindert" (Spalte 5, Zeilen 35-36). In ähnlicher Art wird der Einfluß der Menge und der Morphologie der Lötnaht in dem IEEE-Artikel "Improvement of Metallization for Aluminia Substrates", Electronic Components Conference Proceedings, Mai 1982, Seiten 32-35, von Sahara et al beschrieben, wobei dargelegt wird, daß das für eine Verbindung empfehlenswerte Materialvolumen gleich dem minimal für die Herstellung der Verbindung benötigten Volumen ist. Wie in diesem Artikel, auf Seite 34 in Fig. 8, weiter gezeigt wird, ist das Spannungsprofil für die Probe mit reduzierten Lötnahtvolumen (bei [1]) weitaus günstiger als das Spannungsprofil für die Probe mit dem höheren Lötnahtvolumen (bei [2]). In einer weiteren Quelle, U.S.- A-4, 634,041, mit dem Titel "Process for Bonding Current Carrying Elements To a Substrate in an Electronic System, and Structures Thereof" wird dargelegt, daß ein Stiftkopf mit einem wesentlich kleineren Durchmesser als der Durchmesser des Anschlußfeldes verwendet werden soll, um das Volumen des Hartlotes und damit ebenfalls die Wahrscheinlichkeit der Migration des Lotes herabzusetzen. Alle Hinweise aus diesen Quellen zielen darauf ab, daß die ideale Stiftverbindung nur ein geringes Volumen an Lot zwischen Stiftkopf und Anschlußfläche hat, welches sich in keiner Richtung über die Fläche des Stiftkopfes heraus erstreckt. Während der Nachbearbeitungsschritte kommt es jedoch zum Kriechen des Lotes, das Lot verteilt sich um die Lötstelle und die Morphologie der Lötstelle bzw. der Lötnaht verändert sich, wodurch die Spannungen zunehmen.
• Die Patentschrift JP-A-61 123 160 zeigt Stiftverbinder, die in IC-Baugruppen verwendet werden, deren Stifte einen sich verjüngenden Abschnitt zwischen dem Schaft und der flachen Anschlußfläche des Stiftes aufweisen. Durch Elektroschweißen werden die Stifte mit den metallischen Anschlußfeldern auf einem Substrat verbunden, um so thermische Spannungen in der gesamten Baugruppe zu vermeiden.
• Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Stiftverbinder so zu gestalten, daß minimale Spannungen im Anschlußfeld und dem darunter liegenden Substrat auftreten, wenn der Stift mit dem Anschlußfeld hartverlötet wird.
• Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, den Dickengradient der Hartlötverbindung zu minimieren und damit die Spannungen gleichmäßiger über die gesamte keramische Kontaktfläche zu verteilen.
• Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, die Verbindergeometrie so zu gestalten, daß eine Umverteilung und Migration des Verbindungsmaterials während weiterer Bearbeitungsstufen verhindert wird.
• Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verbindungssystem zu schaffen, das eine höheren Abschäl- und Biegefestigkeit der Stiftverbindung gewährleistet.
• Diese und andere Aufgaben werden durch die vorliegende Erfindung gelöst, in der ein Verbinder beschrieben wird, der einen Schaft hat, einen flachen Kopf für die Verbindung und einen sich verjüngenden Abschnitt, der sich von dem flachen Kopf zum Schaft erstreckt.
• Fig. 1 stellt einen Verbinder dar, der einen flachen Kopf besitzt, wie dies dem heutigen Stand der Technik entspricht.
• Fig. 2 zeigt den Verbinder gemäß dem Stand der Technik hart verlötet mit einem Anschlußfeld auf einem Keramiksubstrat.
• Fig. 3A-D zeigt Verbinder gemäß dem Inhalt der vorliegenden Erfindung.
• Fig. 4 zeigt die Spannungsverläufe in den Stiftverbindungen, wenn der flache eckige Stift gemäß dem Stand der Technik und der Stift mit verjüngtem Kopf gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
• Fig. 5A und B sind Schnittbilder der Verbindungen zwischen Keramiksubstraten und Stiftverbindern gemäß dem Stand der Technik und gemäß der vorliegenden Erfindung
• Fig. 6A und B sind Schnittbilder der Verbindungen zwischen Keramiksubstraten und Stiftverbindern gemäß dem Stand der Technik und gemäß der vorliegenden Erfindung nach mehreren Aufschmelzlötungen.
• Fig. 7A und B zeigen die Morphologie der Hartlötung und die Menge an Material des Anschlußfeldes, die während der Lötung und bei anschließenden Aufschmelzlötungen bei Verwendung einer Stiftgeometrie gemäß dem Stand der Technik mit dem Hartlot reagiert.
• Fig. 8A und B zeigen die Morphologie der Hartlötung und die Menge an Material des Anschlußfeldes, die während der Lötung und bei anschließenden Aufschmelzlötungen bei Verwendung einer Stiftgeometrie der vorliegenden Erfindung mit dem Hartlot reagiert.
• Die Verwendung von Verbindungsmaterialien mit großer Verbindungsfestigkeit zum Anbringen der Verbinder ist Standard in der Bauelementeindustrie. Hartlote und die Metallschichten der Anschlußfelder können im Substrat Spannungen erzeugen, die größer sind als die Bruchfestigkeit der Keramik, und zu Fehlern in der Keramik selber führen. Die Analyse des Hartlötvorganges und der entstehenden Verbindung haben zu Modifikationen geführt, deren Zweck die Spannungsreduktion ist. Die Spannung in dem Keramiksubstrat ist das Ergebnis des Zusammenwirkens von Kräften. Spannung entsteht aufgrund unterschiedlicher thermischen Ausdehnungen an der Grenzfläche zwischen der Mehrschichtkeramik und dem Anschlußfeld. Das spröde Substrat wird in der Umgebung der Kanten der Anschlußfelder aufgrund der ungleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten beträchtlichen Spannungen ausgesetzt. Weitere Spannungen entstehen wegen unterschiedlicher thermischer Dehnungen der Anschlußfelder und des Lotes in der Lötverbindung selbst. Das Anschlußfeld besteht generell aus mehreren Schichten unterschiedlicher Metalle, die so ausgewählt werden, daß zum einen die Haftfähigkeit auf dem Substrat gewährleistet ist und andererseits die Oberfläche von den Hart- oder Weichloten benetzt wird. Deshalb werden aufgrund unterschiedlicher thermischer Eigenschaften Spannungen auch im Anschlußfeld selbst erzeugt. Obwohl Anstrengungen unternommen wurden, um die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der angrenzenden Materialien aufeinander abzustimmen, tragen weitere Faktoren zu der LotAnschlußfeld-Spannung bei, die nicht ohne weiteres angegeben können. Solche zusätzlichen spannungsproduzierenden Mechanismen sind z. B. die Tendenz des Lotes, mit dem Anschlußfeld zu reagieren und zwischenmetallische Verbindungen zu bilden, die die Spannung innerhalb des Anschlußfeldes verstärken, sowie die Reaktionsfähigkeit des Lotes mit anderen Materialien, mit denen es während der restlichen Bearbeitungsstufen der Mehrschichtkeramik in Berührung kommt und die dazu führt, daß das Lot spröder wird und dadurch wieder höhere Spannungen erzeugt werden. Die Zugspannung, die von der Lötverbindung auf das Anschlußfeld wirkt, setzt sich durch das Anschlußfeld hindurch in dem darunterliegenden Substrat fort. Deshalb muß das Keramiksubstrat der Summe dieser Spannungen standhalten. Die gesamte Zugspannung konzentriert sich in den Bereichen der Keramik, die sich unter dem Anschlußfeld am Rand des Stiftkopfes befinden, was darauf zurückzuführen ist, daß sich beim Fließen des Lotes Lot am Stiftkopf und an den Rändern des Anschlußfeldes ansammelt. Dieser Effekt erzeugt einen Dickegradient und die dicke Lötnaht, die sich am Rand des Stiftkopfes befindet, ruft eine Spannungskonzentration in der Glaskeramik hervor, die zu Rissen im Substrat führen kann, wie dies in Fig. 5A-18 gezeigt wird. Dies kann auf Dauer zum irreparablen Bruch der Keramik führen.
• Die vorliegende Erfindung, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, ist ein Stiftverbinder, der einen sich verjüngenden Abschnitt zwischen Schaft und flacher Oberfläche, an der die Verbindung zur Anschlußfläche hergestellt wird, aufweist. Diese einzigartige Konstruktion minimiert die Spannung, die auf die Keramik ausgeübt wird, durch Verringerung des Volumens an Hartlot, welches sich gewöhnlich am Umfang des Stiftkopfes ansammelt. Der Dickegradient wird minimiert, wodurch eine "Verteilung" der Spannungen über die gesamte Kontaktfläche der Keramik möglich wird. Ein weiterer Vorteil des sich verjüngenden Kopfes ist, daß die Morphologie der Lötnaht auch nach zahlreichen Aufschmelzlötungen unverändert bleibt. Zusätzlich kann eine Reduzierung des Gesamtvolumens der Lötnaht bzw. an Hartlot mit dem sich verjüngenden Kopf erreicht werden, was die Reaktivität und die Kriechgeschwindigkeit zwischen Hartlot und Metall des Anschlußfeldes wesentlich herabsetzt. Mechanisch gesehen besteht der Vorteil des sich verjüngenden Stiftkopfes darin, daß die Kräftebelastung, hervorgerufen durch Biege- und Abschälbelastungen, im Zusammenhang mit der Handhabung und dem Bestücken der fertigen Baugruppe auf Stift, Anschlußfeld und Keramik verkleinert wird. Eine Verkleinerung der Kräftebelastung kann das Biegemoment am Stiftkopfumfang und an den Kanten des Anschlußfeldes reduzieren und als Konsequenz den Abschäl- und Biegewiderstand der Hartlötverbindung erhöhen.
• Wie in Fig. 3 A-D gezeigt wird, sind weder der Winkel der Verjüngung noch die exakte Geometrie kritisch. Gerade Kanten oder abgeschrägte Kanten, die vom Schaft aus konisch bis zur Anschlußfläche des Stiftes auseinanderlaufen, sind zusammen mit konvexen und konkaven Verjüngungen dargestellt. Was notwendig ist, ist ein gewisser Verjüngungsgrad entlang der Vertikalen, um die Spannungen zu verteilen. Wie oben erwähnt, ist die Gesamtspannung zwischen Anschlußfeld und Substrat das Ergebnis der Kombination von Kräften. Die Zugspannung α t resultiert aus einer vertikalen Komponente α v und einer horizontalen Komponente α h. Die Theorie besagt, daß bei der Fertigung eines symmetrischen Stiftes mit einem Schaftdurchmesser von einem Drittel des Durchmessers der Anschlußfläche ein Minimum der zusammengesetzten Spannung erreicht wird, wenn die Verjüngung einen Winkel von 45º hat, wodurch die Spannungskomponenten so "aufgeteilt" werden, daß α v = α h wird, wobei keine Spannungskomponente eine hohe Spannungsspitze hat und dadurch die Gesamtspannung α t minimiert wird. Die Dimensionsrelationen von Schaftdurchmesser und Kopfdurchmesser des Stiftes werden durch die Geometrie des sich verjüngenden Kopfes nicht begrenzt, wohingegen die Dimensionen begrenzt sind, wenn ein Standard-Stiftkopf durch Kaltstauchen hergestellt wird. Das Kaltstauchen ist in der Technik als Methode zur Herstellung von Verbindungselementen, wie Stifte und Nägel, wohl bekannt. Die Geometrie des flachkantigen Kopfes, der dem Stand der Technik entspricht, verlangt, daß das Verhältnis des Durchmessers des Schaftes 2,4:1 ist, vorgegeben durch das für den flachkantigen Kopf notwendige Volumen an Stiftmaterial. Die Konstruktion des sich verjüngenden Kopfes benötigt jedoch notwendigerweise ein geringeres Volumen an Stiftmaterial. Deshalb kann bei dem Stift mit sich verjüngendem Kopf ein größeres Verhältnis Stiftkopf-Durchmesser zu Schaftdurchmesser erreicht werden; z. B. ist ein Verhältnis von 3,7:1 beim Kaltstauchen eines Stiftes mit konischem Kopf erreicht worden. Vom Standpunkt der Kaltstauch-Fertigung ist der sich verjüngende Kopf nicht nur in der Anwendung wünschenswert, sondern auch aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten und unter dem Aspekt des Durchsatzes.
• Fig. 2 und 8 zeigen die Vorteile, die durch die Verwendung des vorgeschlagenen Stiftes mit sich verjüngendem Kopf bei der Spannungsentlastung erzielt werden. Fig. 2 zeigt einen Standardstift mit flachem Kopf (13), der durch eine Lötnaht (14) mit dem Anschlußfeld (12) auf einem Substrat (11) verbunden ist. Das Verbindungsmaterial sammelt sich, wie hier gezeigt ist, am Umfang des Stiftkopfes (15) und erhöht folglich die Spannung in der Keramik direkt unter dem großen Volumen der Lötnaht. Fig. 5A zeigt einen Bruch (18) in der unterliegenden Keramik an dem Punkt, an dem die Spannung durch die Konzentration des Verbindungsmaterials vergrößert wird. Nicht nur die Zugspannung wird durch das Volumen der Lötnaht vergrößert, sondern auch das Material des Anschlußfeldes reagiert durch die größere Menge Hartlot vollständiger. Wie in Fig. 7B bei 45 dargestellt ist, hat das Material des Anschlußfeldes in der Nähe des Stiftkopfumfanges und damit in der Nähe der höchsten Konzentration an Hartlot reagiert und ist so stark verarmt worden, daß eine Schichtabspaltung vom Substrat eintreten kann. Die Reaktion mit der benetzungsfähigen Oberfläche des Anschlußfeldes kann wünschenswert sein; jedoch tendiert das große Volumen an Hartlot dazu, ebenfalls mit dem unterliegendem Material des Anschlußfeldes zu reagieren. Je mehr Hartlot mit dem unterliegenden Material des Anschlußfeldes an dieser lokal begrenzten Stelle reagiert, umso spröder kann das Hartlot werden und dadurch eine größere Spannung im Substrat erzeugen. Fig. 6A zeigt auch den Standardstift mit flachem Kopf (43) und die damit verbundene Morphologie der Lötnaht (44) nach mehreren Aufschmelzlötungen. Die Lötnaht bzw. das Hartlot hat sich umverteilt, mit dem Anschlußfeld reagiert und damit verbunden Spannungen erzeugt, die schwerwiegende Risse (48) in der unterliegenden Keramik hervorgerufen haben. Die Geometrie des Stiftes mit sich verjüngendem Kopf mit schräger Kante, die in Fig. 8-23 gezeigt ist, minimiert das Volumen der Lötnaht am Umfang des Stiftkopfes. Eine gleichmäßige Verteilung des Hartlotes (24) wird erreicht, und ebenso gleichmäßig ist die Spannungsverteilung. Wie in Fig. 5B und nach mehreren Aufschmelzlötungen in Fig. 6B festzustellen ist, gibt es keine Risse in der unterliegenden Keramik, wenn der Stift mit sich verjüngendem Kopf verwendet wird. Außerdem gibt es, nachdem Aufschmelzlötungen durchgeführt wurden, nur eine geringe Veränderung der Morphologie der Lötnaht, Fig. 6B-54. Zusätzlich, wie in Fig. 8B gezeigt, reagiert weniger Material des Anschlußfeldes mit dem Hartlot, weil bei der Verwendung eines Stiftes mit sich verjüngendem Kopf ein geringeres Volumen an Hartlot benötigt wird. Im Fall des Stiftes mit sich verjüngendem Kopf reagiert das gesamte Hartlot mit einer geringen Menge der benetzfähigen Oberfläche des Anschlußfeldmateriales und bildet eine Legierung, die einen höheren Gehalt an benetzungsfähigem Material, z. B. Gold (sowohl vom Goldüberzug der Stifte als auch des Anschlußfeldes), aufweist. Die so entstandene, mit Gold angereicherte Hartlotlegierung hat einen höheren Schmelzpunkt. Nachfolgende Aufschmelzlötungen werden die mit Gold angereicherte Hartlotlegierung nicht so einfach aufschmelzen wie das ursprüngliche Hartlot, und deshalb wird sich das Lot nicht umverteilen und keine größeren Spannungen erzeugen.
• Die Kombination der vorteilhaften Eigenschaften der Stiftkonstruktion mit sich verjüngendem Kopf ergeben stark reduzierte Spannungen über der Anschlußfläche, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Die graphische Darstellung zeigt eine Spannungsminderung um wenigstens 50% bei Anwendung der neuen Stiftgeometrie. Die verwendeten Probestifte waren, um andere Einflußgrößen auszuschließen, aus demselben Material gefertigt (in den abgebildeten Versuchen wurde Invar als Stiftmaterial für beide Muster verwendet). Jedoch wurde in weiteren Versuchen, Tests, in denen Stifte mit flachkantigen und konischen Köpfen aus einigen unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hergestellt worden waren, festgestellt, daß die Stiftgeometrie mit konischem Kopf die Spannungen unabhängig vom eingesetzten Material um denselben Grad herabsetzt. Insbesondere wurden je ein Stift mit konischem Kopf aus Invar und aus Kovar auf einem Substrat getestet. Es wurde ermittelt, daß trotz großer Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der beiden Proben nur ein geringer Unterschied zwischen den durch den Kovar-Stift mit konischem Kopf und den durch den Invar-Stift mit konischem Kopf in dem Substrat erzeugten Spannungen besteht. Diese Ergebnisse zeigen, daß die Zugspannungen, die durch die konische Geometrie entlastet werden, weit größer sind als die thermischen Spannungen, die durch Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten hervorgerufen werden.
• Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf mehrere Materialien beschrieben, die gemäß dem Stand der Technik eingesetzt werden. Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die Materialien oder die spezifischen Anwendungen dieser Beschreibung.

Claims (6)

1. Stiftverbinder, der auf eine auf einem keramischen Substrat gelegene, metallische Anschlußfläche hart aufgelötet werden soll, um die Anschlußfläche auf dem Substrat elektrisch mit einer anderen elektrischen Einheit zu verbinden, wobei der Verbinder aufweist:

eine ebene Bindeoberfläche mit einem ersten Durchmesser;

einen Schaft zum Verbinden mit einem zweiten Durchmesser, der kleiner als der erste Durchmesser ist;

einen sich verjüngenden Abschnitt, der unter einem spitzen Winkel zu der Bindeoberfläche von dem Schaft zu der Bindeoberfläche verläuft.

2. Stiftverbinder nach Anspruch 1, bei welchem der sich verjüngenden Abschnitt unter einem Winkel von 45º abgeschrägt ist.

3. Stiftverbinder nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem der sich verjüngende Abschnitt konkav ist.

4. Stiftverbinder nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem der sich verjüngende Abschnitt konvex ist.

5. Stiftverbinder nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei welchem das Verhältnis des Durchmessers der Bindeoberfläche zu dem Durchmesser des Schafts größer als 2,4 : 1 ist.

6. Integrierte Halbleiterschaltung-Gehäuseeinheit, welche eine Mehrzahl von Stiftverbindern nach irgendeinem der vorgehenden Ansprüche verwendet.