DE3788263T2

DE3788263T2 - Verfahren zum elektrischen Verbinden von zwei Objekten.

Info

Publication number: DE3788263T2
Application number: DE87113934T
Authority: DE
Inventors: Keiko C O Patent Divi Ishizawa; Hiroshi C O Patent Divi Morita; Hisashi C O Patent Divis Naito; Masashi C O Patent Di Nakagawa; Thunekazu C O Patent D Yoshino
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-09-25
Filing date: 1987-09-23
Publication date: 1994-03-24
Anticipated expiration: 2007-09-24
Also published as: EP0262580A2; EP0262580B1; EP0262580A3; KR880004732A; DE3788263D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrischen Verbinden von Elektrodenanschlüssen eines elektronischen Bauelements, wie einer Halbleiteranordnung, mit Verbindungsanschlüssen eines damit zu verbindenden Objekts, wie den Leitermustern auf einer (gedruckten) Leiterplatte.
In neuerer Zeit sind als Folge technischer Verbesserung von integrierten Halbleiterschaltungen deren Dichte erhöht worden, wobei Schaltungen mit mehr als 100 Klemmen oder Anschlüssen bereitgestellt werden. Derzeit besteht ein Bedarf nach technischer Weiterentwicklung des effektiven Verbindens oder Bondens einer integrierten Schaltungsanordnung hoher (Integrations-)Dichte mit einer (gedruckten) Leiterplatte. Dabei wird große Aufmerksamkeit der Flip-Chip-Methode gewidmet, nach welcher eine Vielzahl von Elektrodenanschlüssen einer integrierten Halbleiterschaltungsanordnung mit der Leiterplatte in einem Verbindungs- oder Bondingprozeß verbunden werden.
Die "Flip-Chip-Methode" ist ein allgemeiner Ausdruck für die sog. Face-Down-Verbindung (mit der Oberseite nach unten), bei welcher eine Halbleiteranordnung mit nach unten weisender aktiver Fläche mit auf einer Leiterplatte oder Platine geformten Verbindungsmusteranschlüssen verbunden wird. Diese Methode läßt sich in zwei Verfahren einteilen:
Das Verfahren zur Durchführung des Verbindens nach der Ausbildung einer Kontaktwarze an der Halbleiteranordnung an der Elektrodenanschlußseite und das Verfahren zur Durchführung des Verbindens nach der Ausbildung einer Kontaktwarze bzw. -stelle an einer festen oder massiven Vorrichtung (solid device) oder einer Leiterplatte an der Verbindungsanschlußseite.
Für die Ausbildung der Kontaktwarze nach der erstgenannten Technik ist es bekannt, ein Cr/Cu/Au- oder Ti/Ni/Au- Laminat oder -Schichtgebilde durch Aufdampfen zu formen und dann mit einem Pb-Sn-Lot zu metallisieren. Nach der letztgenannten Technik wird ein Pb-Sn-Lot aufgedruckt oder -metallisiert (galvanisiert). Bei beiden Techniken erfordert die Kontaktwarzenausbildung einen komplexen Prozeß, der mit einer hohen Fehlerrate verbunden ist.
Bei der Flip-Chip-Methode werden die Elektrodenanschlüsse einer Halbleiteranordnung mit den Verbindungsanschlüssen einer festen oder massiven Vorrichtung oder einer Leiterplatte bei einer hohen Temperatur von 250- 330ºC verbunden. Beim Abkühlen des für die Anschlußklemmen verwendeten Lots von der für das Schmelzen und Verbinden bzw. Bonden des Lots angewandten hohen Temperatur auf Umgebungstemperatur kann jedoch ein Abtrennen oder Reißen aufgrund der Temperaturdeformation auftreten, die auf die Differenz zwischen den Wärmedehnungskoeffizienten der Halbleiteranordnung und der Leiterplatte zurückzuführen ist; hierdurch wird die Zuverlässigkeit der Anordnung beeinträchtigt. Da ferner die Aushaltetemperatur des Farbfilters einer Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung (z. B. eines a-SiTFT-Typs) etwa 150ºC beträgt, werden die Eigenschaften des Farbfilters bei dieser Temperatur beeinträchtigt.
Für das Verbinden der Elektrodenanschlüsse der Halbleiteranordnung mit den Verbindungsanschlüssen der Leiterplatte steht noch ein anderes Verfahren, nämlich das Filmträgerverfahren zur Verfügung. Nach diesem Verfahren werden die auf einem Harzfilm befindlichen Drähte bzw. Leiter mit den Elektrodenanschlüssen an der Halbleiteranordnung durch Thermokompression bzw. Wärmedruckverpressen verbunden. Dabei ist oder wird eine aus Ti/Ni/Pd/Au bestehende Kontaktwarze auf einem Al-Elektrodenanschluß der Halbleiteranordnung geformt, und Sn wird an den Cu-Leitern (wires) eines Filmträgers zum Haften gebracht. Beide Einheiten werden bei einer Temperatur von 450-500ºC unter einen hohen Druck von 1,96·10&sup7; Pa bis 9,81·10&sup7; Pa (200- 1000 kg/cm²) (10-100 g pro Klemme bzw. Anschluß von 100·100 um) gesetzt und mittels eines Au-Sn-Eutektikums verbunden. Beim Filmträgerverfahren ergibt sich jedoch, wie bei der Flip-Chip-Methode, eine Temperaturdeformation aufgrund hoher Temperatur, und eine Halbleiteranordnung kann durch den hohen, auf sie ausgeübten Druck beschädigt werden.
Aufgrund der Zunahme der Zahl an Elektrodenanschlüssen ist es zudem schwierig, deren Höhe gleichmäßig einzustellen. Infolgedessen wird zwischen der Kontaktwarze und den Verbindungsanschlüssen (oder Elektrodenanschlüssen) örtlich ein hoher Druck erzeugt.
Die US-A-4 237 607 offenbart ein Verfahren zum Zusammensetzen bzw. Montieren einer integrierten Halbleiterschaltung, bei welchem ein integriertes Halbleiterschaltungs- Chip mit Kontaktwarzen mit einem flexiblen Film-Schaltungssubstrat oder -träger verbunden wird. Das Montageverfahren nach dieser Erfindung umfaßt einen Schritt des Ausbildens der höchsten Schicht der Kontaktwarze aus Lot (Lötmetall) oder einem niedrigschmelzenden Metall, Behandeln der Oberfläche des flexiblen Film-Schaltungssubstrats durch Vergolden und Verbinden oder Bonden des integrierten Halbleiterschaltungs-Chips und des flexiblen Film-Schaltungssubstrats, indem ersteres mit der Oberseite nach unten (face-down) an letzterem montiert wird.
Die US-A-3 389 727 offenbart eine Lötverbindung zwischen einem Halbleiter-Chip und einem Substrat, das durch Hinzufügen eines Lots, welches mit einer ternären Zwischenmetallverbindung gehärtet ist, verbessert ist. Gemäß diesem Stand der Technik besteht das Lot aus einer festen Lösung aus Zinn in Blei und einer gleichmäßig dispergierten ternären Kupfer/Zinn/Palladium-Zwischenmetallverbindung (intermetallic). Einer der Bestandteile der letzteren ist ein Bestandteil eines Lots.
In P.A. Totta, "Flip chip solder terminals", 21st Electronic Components Conference (ECC), Washington, D.C., 10.-12. Mai 1971, Seiten 275-284, sind weiche Lötzwischenverbindungen eines hohen Bleigehalts offenbart, die als mechanisch-elektrische Verbindungen zwischen glaspassivierten Silizium-Flip-Chips und Dickfilm-Aluminiumoxidsubstraten verwendet wurden. Ferner beschreibt diese Vorveröffentlichung die Kupferkugel-Kontaktwarze und ihren monolithischen Nachfolger, den kontrolliert kollabierenden Anschluß.
Die EP-A-0 068 091 offenbart die Montage eines Halbleiterchip-Flip-Chips an Leitern eines Substrats durch Ablagern von Schichten aus Chrom, Kupfer und Gold auf dem Chip oder dem Substrat. Auf den Schichten werden Lot- bzw. Lötmetallbuckel geformt, die vor oder während der Flip- Chip-Montage rückgeschmolzen (reflowed) werden. Bei diesem Stand der Technik sind die Kupferschicht etwa 0,08- 0,25 um und die Goldschicht nicht mehr als 0,25 um dick. Durch Begrenzung der Dicke dieser Schichten wird die mechanische Spannung in der Verbindung reduziert, wodurch eine Rißbildung in den Teilen vermieden wird.
Die EP-A-186 829 offenbart ein Verfahren für das metallische Verbinden oder Bonden von Bauelementen, die aus Halbleiter-Strukturelementen mit einer Metallplattierung bzw. Metallisierung an mindestens einer ihrer Seiten geformt sind. Gemäß diesem Stand der Technik wird ein mehrlagiges metallisches Bondingmaterial zwischen den Bauteilen angeordnet. Das Bondingmaterial umfaßt eine Kernschicht aus Blei oder einer Legierung von Zinn, Antimon und Silber. Diese Kernschicht besitzt eine Dicke von etwa 20-60 um, wobei ihre beiden Seiten mit einer Oberflächenschicht aus z. B. Zinn metallisiert bzw. galvanisiert sind. Die beiden Oberflächenschichten besitzen Dicken von 0,2- 2 um. Das Löten der Bauteile nach dem bekannten Verfahren erfolgt bei einer Temperatur von etwa 180-350ºC. Bei diesem Verfahren ist es möglich, das Löten durch Ausübung eines vorbestimmten Drucks zu fördern.
Im Hinblick auf die oben geschilderten Gegebenheiten liegt eine Aufgabe dieser Erfindung in der Schaffung eines Verfahrens zum sicheren Verbinden eines elektronischen Bauelements bei niedrigem Druck und niedriger Temperatur, ohne eine Halbleiteranordnung o. dgl. zu beschädigen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, wie es in den beigefügten Ansprüchen angegeben ist.
Eine Kontaktwarze aus einem niedrigschmelzenden Bondingmetall, z. B. einer niedrigschmelzenden Klebe- oder Haftlegierung, wird nach verschiedenen Methoden auf mindestens einem Anschluß eines elektronischen Bauelements und einem Verbindungsanschluß eines vorgesehenen oder Ziel-Objekts, das mit diesem elektronischen Bauelement elektrisch verbunden werden soll, geformt, worauf ein Verbinden oder Bonden des Anschlusses des elektronischen Bauelements mit dem Verbindungsanschluß durch Thermokompression oder Wärmedruckverpressen, ggf. mit Verwendung eines Materials zur Verbesserung der Verbindungsfestigkeit an der Verbindungs- oder Bondingfläche, erfolgt.
Das Formen der Metall-Kontaktwarze kann nach verschiedenen Verfahren erfolgen, einschließlich eines Verfahrens, bei dem einfach ein Metallblatt bzw. -film auf dem Anschluß geformt und anschließend geätzt wird. Beispielsweise steht ein Verfahren zur Verfügung, bei dem ein niedrigschmelzendes Bondingmetallelement über bzw. auf der Oberseite des Elektrodenanschlusses angeordnet und sodann der mit dem Elektrodenanschluß fluchtende Bereich des Metallelements ausgestanzt wird, um das Metallelement fest auf den Anschluß zu übertragen, oder ein Verfahren, bei dem sequentiell Dünnfilme aus einer Anzahl von Elementen, die ein niedrigschmelzendes Bondingmetall bilden, angeordnet werden und dann zumindest der Oberflächenschichtbereich zur Ausbildung einer niedrigschmelzenden Bondingmetallschicht legiert wird.
Im Fall des Dünnfilmlaminierens kann der Dünnfilm für jedes Element mittels üblicher Dünnfilm-Formtechniken, wie Aufdampfen, Kathoden-Zerstäubung, CVD-Verfahren, Lösungsauftragverfahren und Plattieren bzw. Galvanisieren, geformt werden. Als Ausgangsmaterial für jeden Dünnfilm können verschiedene Arten von Werkstoffen verwendet werden, einschließlich eines Metalls, aus dem der Dünnfilm gebildet wird, eines Oxids oder Fluorids, welches das nötige Metall durch Reduktion liefert, und eines anorganischen oder organischen Materials, welches die Metallschicht durch Zersetzung bereitstellt.
Nach dem Verfahren wird ein niedrigschmelzendes Bondingmetall einer gewünschten Zusammensetzung, z. B. eine niedrigschmelzende Klebe- oder Haftlegierung, auf der Verbindungsfläche mindestens eines der zu verbindenden Objekte durch Übereinanderanordnung einer Anzahl von die Legierung bildenden Elementen und Legieren zumindest des Oberflächenschichtbereichs gebildet. Hierdurch wird gewährleistet, daß eine niedrigschmelzende Bondingmetallschicht ohne Verwendung eines Klebmittels geformt oder erzeugt werden kann und gleichmäßige Zusammensetzung und Dicke aufweist. Weiterhin werden Ausbringungs-Defekte (das Ausbringen beeinträchtigende Defekte) in einem Musterbildungsprozeß durch selektives Atzen der Dünnfilme verringert. Da dieses Bondingmetall durch Wärmedruckverpressen in einem halbgeschmolzenen Zustand fest mit einem Metall und auch Glas oder einem anderen Oxid verbunden wird, können zwei Objekte in einem Arbeitsgang bei niedriger Temperatur sicher miteinander verbunden werden.
Ein erfindungsgemäß verwendetes niedrigschmelzendes Bondingmetall ist eine Zusammensetzung aus In und Sb sowie zwei oder mehr Elementen aus z. B. Pb, Sn, Zn, Cd und Bi. Beispielsweise kann die Zusammensetzung eine niedrigschmelzende Lot- oder Lötmetallegierung aus Pb-Sn oder Sn-Zn sein, der nach Bedarf ein oder mehrere Elemente mit einer starken Affinität für Sauerstoff, wie Zn, Al, Ti, Si, Cr, Be oder ein Seltenerdeelement (oder) Sb, welches die Bindungsfestigkeit an der Verbindungsfläche verbessert, zugesetzt ist.
Für die Senkung des Schmelzpunkts eines solchen niedrigschmelzenden Bondingmetalls erweist sich die Zugabe von In, Bi, Cd usw. als wirksam.
Der Mechanismus, nach dem die niedrigschmelzende Haftverbindung leicht eine Bindung mit Glas, einem Oxid sowie einem Metall eingeht, läßt sich durch die chemische Bindung von (Legierung)-Zn-O-(Oxid) erklären. Die Haftlegierung (adhesive alloy) geht somit leicht eine Bindung mit SnO&sub2;, In&sub2;O&sub3;&sub1; ITO (Indium-Zinn-Oxid), ATO (Antimon- Zinn-Oxid) usw., das als transparentes Elektrodenmaterial bekannt ist, ein, so daß sie eindeutig wirksam für das Verbinden einer Elektrode mit einem Anschluß eines Treiberkreises bei einer Flüssigkristallanordnung verwendbar ist. Diese Wirkung tritt insbesondere bei einer Aktivmatrixtyp-Flüssigkristallanordnung zutage, die eine Anzahl von Halbleiteranordnungen verwendet. Natürlich kann bei Verwendung dieser niedrigschmelzenden Haftlegierung das Verbinden mit einem Metall wie Mo, Cr oder Ta, das für die Zuleitungsdrähte einer Flüssigkristallanzeigevorrichtung benutzt wird, einfach durchgeführt werden.
Die Elektrodenanschlüsse einer Halbleiteranordnung sind im allgemeinen aus Aluminium geformt; die Oberflächen der Anschlüsse sind unter Bildung eines Al&sub2;O&sub3;-Films, welcher die Bindungseigenschaft und die Zuverlässigkeit der Anordnung beeinträchtigt, oxidiert. Das Bonding- oder Verbindungsverfahren unter Verwendung der oben beschriebenen niedrigschmelzenden Haftlegierung gewährleistet jedoch auch bei Vorhandensein des Al&sub2;O&sub3;-Films auf dem Elektrodenanschluß eine gute Bindungseigenschaft, so daß eine hohe Zuverlässigkeit erhalten bleibt. Wahlweise können Elektrodenanschlüsse durch Laminieren bzw. Schichten von Al und Sn oder Al, Au und Sn geformt werden.
Erfindungsgemäß wird die genannte niedrigschmelzende Haftlegierung zwischen miteinander zu verbindenden Objekten, um diese miteinander zu verbinden, verwendet. Ferner kann erforderlichenfalls eine ausreichende Menge eines Elements einer starken Affinität für Sauerstoff und zusätzliche ein Element zur Verbesserung der Bindungseigenschaf t an der Verbindungsfläche zwischen der Legierung und mindestens einem der Objekte vorgesehen sein, um damit auf einfache Weise das feste Verbinden der Objekte zu realisieren.
Das Vorsehen oder Auftragen eines solchen Elements einer starken Affinität für Sauerstoff oder eines Elements zur Verbesserung der Bindungseigenschaft kann durch Erzeugen eines das erforderliche Elemente enthaltenden Dünnfilms nach der Galvanisier-, Aufdampf-, (Kathoden-)Zerstäubungs-, chemischen Dampfphasenaufwachs-, Lösungsbeschichtungs- o. dgl. Methode erfolgen. Die Galvanisiermethode kann entweder ein elektrisches Galvanisieren oder ein stromloses Galvanisieren umfassen; bei der Lösungsbeschichtungsmethode werden eine Säure- oder Alkohollösung des erforderlichen Elements oder seiner Verbindung aufgetragen und das so erhaltene Erzeugnis zur Bildung eines Dünnfilms gebrannt.
Ein solcher Dünnfilm kann auf der Oberfläche sowohl (entweder) der niedrigschmelzenden Haftlegierungsschicht als auch (oder) eines (damit) zu verbindenden Objekts vorhanden sein.
Erfindungsgemäß wird ein niedrigschmelzendes Bondingmetall, z. B. eine niedrigschmelzende Haftlegierung, zwischen dem Verbindungsanschluß eines zu verbindenden, d. h. anzubringenden Objekts und dem Elektrodenanschluß eines elektronischen Bauelements aufgetragen, worauf die Anschlüsse einer Thermokompression bzw. einem Wärmedruckverpressen bei niedriger Temperatur, ohne die Legierung anzuschmelzen, unterworfen werden, wodurch ein einfaches Verbinden ermöglicht wird.
Das Verfahren zum Verbinden zweier Objekte mit dem dazwischen angeordneten niedrigschmelzenden Bondingmetall erfordert (nur) einen niedrigen Druck zur Bewirkung einer sicheren Verbindung mit hoher Zuverlässigkeit und ohne Beschädigung eines elektronischen Bauelements, wie einer Halbleiteranordnung. Problematisch ist dabei jedoch, daß an der Verbindungsfläche häufig ein Kompromiß zwischen ihrer elektrischen Bindungsfestigkeit (als elektrische Leitfähigkeit am Bonding- oder Verbindungsbereich oder Kehrwert des Kontaktwiderstands angesehen bzw. ausgedrückt) und der mechanischen Bindungsfestigkeit nötig ist, so daß es schwierig ist, eine gewünschte Bindungsfestigkeit und eine gewünschte Kontaktleitfähigkeit gleichzeitig zu erzielen.
Dieses herkömmliche Problem wird durch die vorliegende Erfindung überwunden, welche das Verbinden oder Bonden unter einem niedrigen Druck bei Vermeidung einer Beschädigung eines zu verbindenden Objekts, z. B. einer Halbleiteranordnung, ermöglicht und gewährleistet, daß der Verbindungsbereich zufriedenstellende elektrische Bindungsfestigkeit (Kontaktleitfähigkeit) und gleichzeitig zufriedenstellende mechanische Bindungsfestigkeit besitzt, wodurch die Zuverlässigkeit des Verbindungsbereichs wesentlich verbessert wird.
Um dies bei einem Verfahren zum elektrischen Verbinden oder Bonden von mindestens zwei Objekten mit einer dazwischen eingefügten niedrigschmelzenden Bondingmetallschicht zu realisieren, muß die Verbindungsfläche mindestens eines der beiden Objekte durch eine Anzahl von Elementen unterschiedlicher physikalischer Eigenschaften geformt sein.
Gemäß dieser Erfindung wird ein niedrigschmelzendes Bondingmetall zwischen einem Elektrodenanschluß z. B. eines elektronischen Bauelements und einem Verbindungsanschluß eines mit dem Bauelement elektrisch zu verbindenden Objekt vorgesehen; die Verbindungsfläche mindestens eines der zu verbindenden Objekte wird aus mindestens einem Element einer hohen Kontaktleitfähigkeit und einem Element einer hohen mechanischen Bindungsfestigkeit geformt, und das Bondingmetall wird (an)geschmolzen, um damit die Objekte einfach und fest miteinander zu verbinden.
Bei Anwendung der oben angegebenen Mittel kann der Verbindungsbereich zwischen dem zu verbindenden bzw. anzubringenden Objekt und dem Bondingmetall sowohl die gewünschte Kontaktleitfähigkeit als auch die mechanische Bindungsfestigkeit gleichzeitig gewährleisten, so daß eine Verbindung hoher Zuverlässigkeit sichergestellt ist. Insbesondere wurde eine niedrigschmelzene Haftlegierung- Lötstelle (pad) mit einem Erweichungspunkt von 134ºC und einem Schmelzpunkt von 160ºC, die durch Zugabe von In, als Metall, zur Senkung des Schmelzpunkts, Zn, als Element einer starken Affinität für Sauerstoff, und Sb, als Element zur Verbesserung der Bindungsfestigkeit an der Verbindungsfläche, zu einer Sn-Pb-Legierung gebildet worden war, gründlich gereinigt und dann 60 s lang unter einem Druck von 9,81 MPa (100 kg/cm²) bei 133-155ºC druckverbunden. Hierbei zeigt es sich, daß die Verbindungs- oder Bondingbedingungen je nach der zu verbindenden Platine, wie in der folgenden Tabelle angegeben, verschieden sind. Tabelle Bindungsfestigkeit Kontaktwiderstand Sn-galvanisierte Cu-Folie Al/Glas ITO/Glas Glas Unendlich
Die Bindungsfestigkeit wurde als die Kraft zum Abbrechen bzw. Abreißen einer mit der Haftlegierung-Lötstelle verbundenen Zuleitung durch lotrechtes Hochziehen der Zuleitung gemessen, während der Kontaktwiderstand nach einer an sich bekannten 4-Punkt-Sondenmethode gemessen wurde.
Aus der Tabelle dürfte folgendes ersichtlich sein: Wenn die Verbindungsfläche für das Verbinden bzw. Bonden in eine Al-Fläche und eine ITO-Fläche unterteilt wird, wird eine ausreichende elektrische Verbindung am Verbindungsbereich der Lötstelle aus der niedrigschmelzenden Al- Haftlegierung erzielt, während eine ausreichende mechanische Verbindung am Verbindungsbereich der Lötstelle aus der niedrigschmelzenden ITO-Haftlegierung erreicht wird; hierdurch wird die Zuverlässigkeit am Verbindungsbereich deutlich verbessert.
Ein besseres Verständnis dieser Erfindung ergibt sich aus der folgenden genauen Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen zeigen:
Fig. 1A bis 1E schematische Darstellungen eines Kontaktwarzen-Formprozesses nach Beispiel 1 dieser Erfindung,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Verbindungs- oder Bondingprozesses gemäß Beispiel 1,
Fig. 3A und 3B schematische Darstellungen eines Thermokompressions-Druckverbindens gemäß Beispiel 1,
Fig. 4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Deformationskoeffizienten einer niedrigschmelzenden Haftlegierung und der Bindungsfestigkeit nach Beispiel 1,
Fig. 5A bis 5C schematische Darstellungen eines Verbindungsprozesses nach Beispiel 2 dieser Erfindung,
Fig. 6A bis 6C schematische Darstellungen eines Verbindungsprozesses nach Beispiel 3 dieser Erfindung und
Fig. 7A bis 7C schematische Darstellungen eines Verbindungsprozesses nach Beispiel 4 dieser Erfindung.

Beispiel 1

Bevorzugte Ausführungsbeispiele dieser Erfindung sind nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert.
Zunächst soll anhand der Fig. 1A bis 1E ein Verfahren zur Bildung einer Kontaktwarze aus einer niedrigschmelzenden Haftlegierung im einzelnen beschrieben werden.
Gemäß Fig. 1A wird eine niedrigschmelzende Haftlegierung 1 (im folgenden auch nur als Haftlegierung bezeichnet) auf eine Siliziumscheibe 2, auf welcher Halbleiteranordnungen geformt sind, ausgerichtet. Auf der Siliziumscheibe 2 wird oder ist ein Oxidationsfilm 202 erzeugt, auf welchem Elektrodenanschlüsse 202 angeordnet sind. Die vorliegend verwendete Haftlegierung ist eine niedrigschmelzende Haftlegierung mit einem Erweichungspunkt von 134ºC, einem Schmelzpunkt von 160ºC und einer Dicke von 50 um, die In zur Senkung des Schmelzpunkts enthält.
Gemäß Fig. 1B wird die Haftlegierung 1 durch Wärmedruckverpressen an den Elektrodenanschlüssen 201 angeordnet bzw. angebracht. Dabei wird ein Silikonkautschuk(stück) 4 durch das distale Ende 5 eines Balgenmembran-Zylinders (bellowphragm cylinder) in der Richtung eines Pfeils 6 gepreßt. Der angewandte Druck beträgt vorzugsweise 0,98 MPa bis 9,81 MPa (10-100 kg/cm²); die Siliziumscheibe 2 wird auf einem nicht dargestellten Heizblock auf 140- 150ºC aufgeheizt, um eine plastische Deformation (Verformung) der Haftlegierung 1 herbeizuführen, wodurch das Wärmedruckverpressen bewerkstelligt wird.
Anschließend wird auf das so erhaltene Erzeugnis gemäß Fig. 1C ein Resist 7 aufgebracht, das dann belichtet und geätzt wird, so daß sich in Fig. 1D gezeigte Inseln der Haftlegierung 1 ergeben. Hierauf wird das Resist 7 entfernt, so daß Kontaktwarzen 203 aus der Haftlegierung auf den Elektrodenanschlüssen 201 geformt werden (vgl. Fig. 1E).
Im folgenden ist anhand von Fig. 2 das Wärmedruckverpressen einer Halbleiteranordnung 11 mit nach dem Verfahren gemäß den Fig. 1A bis 1E geformten Kontaktwarzen 203 mit einem auf einer (gedruckten) Leiterplatte 24 ausgebildeten Verbindungsanschluß 23 im einzelnen beschrieben.
Gemäß Fig. 2 sind die Verbindungsanschlüsse 23 (in Form eines Leiterdrahts bei diesem Ausführungsbeispiel) erforderlichenfalls unter Zwischenfügung eines Isolierfilms 22 auf der Leiterplatte 24 in Ausrichtung auf die Elektrodenanschlüsse 201 der Halbleiteranordnung 11 angeordnet. Die Elektrodenanschlüsse 201 und die Verbindungsanschlüsse 23 bestehen aus Metall.
Sodann werden die Elektrodenanschlüsse 201 der Halbleiteranordnung 11, an denen Kontaktwarzen 203 geformt sind, und die Verbindungsanschlüsse 23 der Leiterplatte 24 aufeinander ausgerichtet (ausgefluchtet), worauf sie mit Hilfe eines Werkzeugs 41 zur Durchführung eines Wärmedruckverpressens in Richtung eines Pfeils 42 gepreßt werden.
In Fig. 2 sind mit den Bezugsziffern 43 und 44 eine funktionelle Schaltung bzw. ein Siliziumsubstrat bezeichnet.
Bei diesem Beispiel wurde in der Haftlegierung ein In- Additiv verwendet, um der Legierung einen niedrigen Schmelzpunkt zu verleihen. Genauer gesagt: die niedrigschmelzende Haftlegierung enthält 2 Gew.-% Sb, 20 Gew.-% Pb, 66 Gew.-% Sn, 10 Gew.-% In und 2 Gew.-% Zn. Da die Haftlegierung einen Erweichungspunkt von 134ºC und einen Schmelzpunkt von 160&sup0;c besitzt, liegt der das Wärmedruckverbinden bzw. -bonden zulassende Temperaturbereich zwischen diesen beiden Temperaturen. Bei diesem Beispiel erfolgte das Wärmedruckverbinden bzw. -bonden bei 150ºC.
Im folgenden ist der Mechanismus zur Durchführung des erfindungsgemäßen Wärmedruckverpressens erläutert.
Gemäß Fig. 3A preßt das Werkzeug 41 den Verbindungsanschluß 23 gegen den Elektrodenanschluß 201 der Halbleiteranordnung 11 über die aus aktivem Metall bestehende Kontaktwarze 203.
Gemäß Fig. 3A beträgt der Druck des Werkzeugs 41 in der Richtung des Pfeils 42 vorzugsweise 0,98 MPa bis 9,81 MPa (10-100 kg/cm²). Mit anderen Worten: wenn die Oberfläche jedes Elektrodenanschlusses 201 jeweils 10·100 um² beträgt, beträgt der Druck pro Anschluß vorzugsweise 1-10 g. Die den Verbindungsanschluß 23 aufweisende Leiterplatte 24, die fest am (nicht dargestellten) Heizblock angeordnet ist, sollte vorzugsweise mit einer Temperaturvorbelastung (Vorheiztemperatur) von 100-120ºC beaufschlagt werden.
Durch Einschalten des im Inneren des Werkzeugs 41 angeordneten Heizelements kann die Haftlegierung 203 in einigen Sekunden auf 140-150ºC erwärmt werden. (Im vorliegenden Fall wird ein Impulsheizelement benutzt.) Hierbei ist es wesentlich, daß das Heizelement abgeschaltet wird, sobald die Temperatur der Haftlegierung die vorgesehene Größe erreicht hat, während der Druck weiter ausgeübt und die Haftlegierung unter die Erweichungstemperatur von 134ºC abgekühlt wird, worauf das Werkzeug 41 zurückgezogen wird. Das Verbindungs- oder Bondingverfahren gemäß dieser Erfindung nutzt die plastische Verformung bzw. Deformation der Haftlegierung in einem halbgeschmolzenen Zustand und das Druckverbinden. Ein Erwärmen der Haftlegierung über den Schmelzpunkt würde mithin zu einer fehlerhaften Verbindung und folglich zu einer Minderung des Ausbringens führen. Diesbezüglich ist es nötig, eine ausreichende Temperaturregelung vorzusehen. Bei Verwendung der Haftlegierung eines Erweichungspunkts von 165ºC und eines Schmelzpunkts von 195ºC betragen der bevorzugte Druck 0,98 MPa bis 9,81 MPa (10-100 kg/cm²) und die bevorzugte Temperatur 170-180ºC. Unter Beachtung des Haftlegierungselements für den Bonding- oder Verbindungsbereich kann das Verbinden mit der höchsten Bindungsfestigkeit in einem Arbeitsgang erfolgen, indem die niedrigschmelzende Haftlegierung auf eine niedrige Temperatur erwärmt wird, ohne sie anzuschmelzen, während das Metall zur Verformung auf 70-95% der ursprünglichen Dicke verpreßt wird.
Diesbezüglich wurde eine Änderung der Bindungsfestigkeit mit dem Deformationskoeffizienten der niedrigschmelzenden Haftlegierung gemessen. Als zu verbindendes Objekt wurde ein Glassubstrat mit ITO bereitgestellt; nachdem eine 50 um dicke niedrigschmelzende Haftlegierung durch Wärmedruckverpressen mit dem Substrat verbunden worden war, wurde die Bindungsfestigkeit gemessen. Das Ergebnis ist in Fig. 4 dargestellt, die zeigt, daß eine ausreichende Bindungsfestigkeit (über 0,392 MPa (40 kg/cm²)) mit einem Deformationskoeffizienten ((Dicke nach Deformation)/(Dicke vor Deformation)) von 70-95% erzielt wurde.
Fig. 3B zeigt, daß der plastisch deformierbare Verbindungsanschluß 23 und der Elektrodenanschluß 201 der Halbleiteranordnung über die beim oben beschriebenen Beispiel bereitgestellte Aktiv- bzw. Haftlegierung 203 vollständig miteinander verbunden sind.
Beim beschriebenen Beispiel werden oder sind Kontaktwarzen an den Elektrodenanschlüssen der Halbleiteranordnung geformt; die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt, vielmehr können die Kontaktwarzen auch an den Verbindungsanschlüssen der Leiterplatte geformt sein.

Beispiel 2

In Fig. 5A steht die Bezugsziffer 501 für eine Leiterplatte aus einer Polyimidfolie, auf welcher eine mit Sn galvanisierte Cu-Verdrahtungsschicht 502 geformt ist und die einem Verbinden bzw. Bonden unterworfen werden soll. Die Verdrahtungsschicht 502 ist im voraus nach einem Photogravierprozeß in einer gewünschten Form gemustert worden. Auf der Oberfläche der Verdrahtungsschicht 502 ist durch Wärmedruckverpressen eine niedrigschmelzende Haftlegierungsschicht 503 örtlich ausgebildet (worden), wobei dieses Wärmedruckverpressen in der Weise erfolgt, daß bei einem Druck von 0,98 MPa bis 9,81 MPa (10-100 kg/cm²) die Bondingmetallschicht 503 bei einer Temperatur von 140-150ºC deformiert wird.
Die Dicke der niedrigschmelzenden Haftlegierungsschicht 503 wurde mit 50 um gewählt.
Der niedrigschmelzenden Haftlegierung war In zugesetzt, das sich in von den Erfindern vorliegender Erfindung durchgeführten Versuchen als bezüglich der Senkung des Schmelzpunkts sehr wirksam erwiesen hat. Die niedrigschmelzende Haftlegierung enthielt 2 Gew.-% Sb, 22 Gew.-% Pb, 66 Gew.-% Sn und 10 Gew.-% In; sie besaß einen Erweichungspunkt von 134ºC und einen Schmelzpunkt von 160ºC.
In Fig. 5B bezeichnet die Bezugsziffer 504 eine Halbleiteranordnung, bei welcher Elektrodenanschlüsse 507 aus Al, Al-Si, Au o. dgl. unter Zwischenfügung einer Isolierschicht 506 auf einem Halbleitersubstrat 505 geformt sind. Ein eine Dicke von 200 nm (2000 Å) besitzender Dünnfilm 508 auf Zn-Basis war auf der Oberfläche der Elektrodenanschlüsse 507 durch (Kathoden-)Zerstäubung erzeugt.
Der Zn-Dünnfilm 508 war als Element einer starken Affinität für Sauerstoff zwischen den Elektrodenanschlüssen 507 der Halbleiteranordnung 504 (zu verbindendes Objekt) und der niedrigschmelzenden Haftlegierungsschicht 503 vorgesehen. Wahlweise kann ein Film aus einem Element zur Verbesserung der Bindungseigenschaften, wie Sb, vorgesehen werden.
Gemäß Fig. 5C ist oder wird die auf der Leiterplatte 501 geformte Verdrahtungsschicht 502 mit den an der Halbleiteranordnung 504 geformten Elektrodenanschlüssen 507 über die Haftlegierungsschicht 503 und den Zn-Dünnfilm 508 durch Wärmedruckbonden in Richtung eines Pfeils 510 verbunden. Dieses Wärmedruckverpressen erfolgt auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1. Hierdurch wird eine plastische Deformation der Haftlegierungsschicht 503 herbeigeführt, wodurch die Verdrahtungsschicht 502 vollkommen mit den Elektrodenanschlüssen 507 verbunden bzw. gebondet wird.

Beispiel 3

In Fig. 6A steht die Bezugsziffer 601 für eine Halbleiteranordnung, bei welcher aus z. B. Al-Si bestehende Elektrodenanschlüsse 604 unter Zwischenfügung eines Oxidationsfilms 603 auf einem Halbleitersubstrat 602 ausgebildet sind. Über den Elektrodenanschlüssen 604 auf der Halbleiteranordnung 601 wird eine Folie 605 aus einer niedrigschmelzenden Haftlegierung angeordnet.
Nachdem sodann gemäß Fig. 6B rohrförmige Abschnitte 606 eines Stanzwerkzeugs auf die jeweiligen Elektrodenanschlüsse 604 ausgerichtet worden sind, wird das Stanzwerkzeug mit Druck beaufschlagt, um die Folie 605 aus der Haftlegierung in vorbestimmten Formen auszustanzen. Die rohrförmigen Abschnitte 606 bestehen aus einem Werkstoff, der einfach zu bearbeiten und hart ist; beispielsweise besteht jeder Abschnitt aus Kupfernickel (cupronickel), und sein distales Ende ist aus Berylliumkupfer geformt. Die Form des distalen Endes ist zur Bereitstellung der gewünschten Stanzform bearbeitet. Ferner ist eine (nicht dargestellte) Feder(belastete)-Nadel aus Wolfram o. dgl. innerhalb eines jeden rohrförmigen Abschnitts angeordnet und in dessen distales Ende einführ- bzw. vorschiebbar, so daß sie die ausgestanzte Folie 605 aus der Haftlegierung zur festen Übertragung auf die zugeordnete Elektrode aus dem rohrförmigen Abschnitt herausschiebt. Der beim Festlegen (der Folie) ausgeübte Druck beträgt vorzugsweise 0,98-9,81 MPa (10-100 kg/cm²); aus der übertragenen Haftlegierung bestehende Kontaktwarzen 605 werden durch Erwärmen der Halbleiteranordnung 601 auf dem (nicht dargestellten) Heizblock auf z. B. 140-150ºC deformiert, wodurch das Wärmedruckverpressen durchgeführt wird.
Auf die oben angegebene Weise werden Kontaktwarzen 605 aus einer niedrigschmelzenden Haftlegierung auf die in Fig. 6C, welche die fertiggestellte Halbleiteranordnung 601 veranschaulicht, gezeigte Weise auf den jeweiligen Elektrodenanschlüssen 604 geformt.

Beispiel 4

In Fig. 7A steht die Bezugsziffer 701 für eine Verdrahtungsschicht, die auf einer Leiterplatte aus einer Polyimidfolie (nicht dargestellt) geformt und mit einem Dünnfilm 702 einer Dicke von 200 nm (2000 Å) galvanisiert ist. Diese Verdrahtungsschicht ist oder wird mit einer gewünschten Form gemustert. Auf dem Dünnfilm 702 wird durch (Kathoden-)- Zerstäubung ein 29 um dicker Pb-Dünnfilm 703 erzeugt, auf dem der Reihe nach, ebenfalls durch Zerstäubung, ein 12 um dicker Sn-Dünnfilm 704, ein 7 um dicker Zn-Dünnfilm 705, ein 1 um dicker In-Dünnfilm 706 und ein 1 um dicker Sb- Dünnfilm 707 erzeugt werden.
Sodann werden gemäß Fig. 7B diese Filme selektiv geätzt, um die unnötigen Bereiche zu entfernen, und sie werden anschließend einer Musterbildung zur Erzeugung eines Laminierungsmusters 708 unterworfen.
Gemäß Fig. 7C wurden eine auf der Oberfläche der Halbleiteranordnung 710 geformte Al-Si-Elektrode 709 und das Laminierungsmuster 708 in gegenseitige Anlage gebracht und unter Ausübung eines Drucks von 0,98-9,81 MPa (10- 100 kg/cm²) auf 140-150ºC erwärmt, um damit das Laminierungsmuster 708 zur Bildung einer niedrigschmelzenden Haftlegierung zu legieren bzw. in eine Legierung zu überführen. Bei diesem Wärmedruckverpressen wird gleichzeitig die niedrigschmelzende Haftlegierung deformiert, wodurch der Verbindungs- oder Bondingvorgang bewerkstelligt wird. Auf diese Weise wurde einfach ein höchst zuverlässiges Verbinden bzw. Bonden bewirkt.

Claims

1. Verfahren zum elektrischen Verbinden eines elektronischen Bauelements mit einem zweiten Objekt, umfassend:

einen ersten Schritt eines Anhaftenlassens einer niedrigschmelzenden Bondingmetallegierung mit In, Sb und mindestens zwei Elementen, ausgewählt aus der Gruppe aus Pb, Sn, Zn, Cd und Bi, an einem Elektrodenanschluß (201, 507, 604, 709) des elektronischen Bauelements (11, 504, 601, 710) und einem Verbindungsanschluß (23, 502, 701) des zweiten Objekts (24, 501) und

einen zweiten Schritt eines Wärmedruckverpressens der niedrigschmelzenden Bondingmetallegierung (203) mit dem Elektrodenanschluß (201) und dem Verbindungsanschluß (23) bei einer Temperatur zwischen einem Erweichungspunkt der Bondingmetallegierung (203) und einem Schmelzpunkt der Bondingmetallegierung (203) und unter einem Druck von 0,98 MPa bis 9,81 MPa (10-100 kg/cm²).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die niedrigschmelzende Bondingmetallegierung einen weiteren Zusatzstoff mit einer starken Affinität für Sauerstoff enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzstoff mit starker Affinität für Sauerstoff aus mindestens einem Element, ausgewählt aus der Gruppe Zn, Al, Ti, Si, Cr und Be, oder einem Seltenerdeelement besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Schritte mit einem aus einem transparenten Werkstoff hergestellten Elektrodenanschluß (201) durchgeführt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der transparente Werkstoff aus einer Gruppe aus SnO&sub2;, In&sub2; O&sub3;, ATO (Sb-dotiertes SnO&sub2;, Antimon-Zinn- Oxid) und ITO (Sn-dotiertes In&sub2;O&sub3;, Indium-Zinn-Oxid) ausgewählt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Bauelement (11) eine integrierte Halbleiterschaltungsanordnung ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Schritte mit dem aus Al hergestellten Elektrodenanschluß des elektronischen Bauelements durchgeführt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Schritte mit dem durch Laminieren oder Schichten von Al und Sn geformten Elektrodenanschluß des elektronischen Bauelements durchgeführt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Schritte mit dem durch Laminieren oder Schichten von Al, Au und Sn geformten Elektrodenanschluß des elektronischen Bauelements durchgeführt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein dünner Film (508) eines Elements zur Verbesserung der Verbindungs- bzw. Bondingeigenschaft an der Verbindungs- bzw. Bondingfläche zwischen der niedrigschmelzenden Bondingmetallegierung (503) und dem elektronischen Bauelement (504) zwischen der niedrigschmelzenden Bondingmetallegierung (503) und dem Elektrodenanschluß (507) des Bauelements (504) aufgebracht wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein dünner Film (508) eines Elements einer starken Affinität für Sauerstoff zwischen der niedrigschmelzenden Bondingmetallegierung (503) und dem Elektrodenanschluß (507) des elektronischen Bauteils (504) aufgebracht wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Schritt nach dem Anordnen einer niedrigschmelzenden Bondingmetallegierung (605) über dem Elektrodenanschluß (604) der Bereich der niedrigschmelzenden Bondingmetallegierung (605), der mit dem Elektrodenanschluß (604) ausgefluchtet ist, ausgestanzt und fest- (gelegt) auf den Elektrodenanschluß (604) übertragen wird.

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Schritt nach dem aufeinanderfolgenden Laminieren oder Schichten einer Anzahl Elemente (703-707), die eine niedrigschmelzende Bondingmetallegierung bilden, mindestens ein Oberflächenschichtbereich (707) der laminierten Elemente zur Bildung einer niedrigschmelzenden Bondingmetallegierungsschicht legiert wird.

14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungsanschluß (23, 502) auf einem Film (24, 501) aus organischem Material geformt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenanschluß (201) auf einem isolierenden Substrat (202) aus anorganischem Material geformt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungsanschluß (23, 502) aus mit Sn plattiertem Cu geformt wird.