DE4316175A1 - Lötverbindung und Lötverfahren - Google Patents

Lötverbindung und Lötverfahren

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Description

Die Erfindung betrifft eine Lötverbindung und ein Lötver­ fahren zwischen Aluminium-Kontakten (Pads) eines ICs und einem Substrat.
Der Trend zu immer kleineren Bauteilen und immer höheren Frequenzen hat neben der Erhöhung der Integrationsdichte auf ICs zur Entwicklung von Multichip-Modulen (MCM) ge­ führt. Die elektrische Verbindung der Chips zu den Leiter­ bahnen des Substrats erfolgt üblicherweise mit der Draht­ bondtechnik.
Die Bondtechnik wird jedoch als eine Beschränkung beim Aufbau von Multichip-Modulen angesehen: Die Bonds werden seriell ausgeführt, bei der Vielzahl der Anschlüsse dauert daher die Montage entsprechend lang und ist somit relativ teuer, außerdem erfordern die Kontaktflächen auf dem Sub­ strat außerhalb der IC-Chipgeometrie zusätzliche Fläche. Durch die langen gekrümmten Bonddrähte entstehen außerdem unerwünschte Induktivitäten. Diese Nachteile vermeidet die sogenannte Flip-Chip Technik. Bei dieser Technik werden in herkömmlichen Verfahren lötbare Kontakthöcker (solder bumps) auf die Kontaktflächen der ICs aufgebracht und diese mit einem entsprechend vorbereitetem Substrat ver­ bunden. Durch Aufheizen und Aufschmelzen des Lots entsteht eine dauerhafte Verbindung zwischen den Chipkontakten und den Kontaktflächen auf dem Substrat.
Üblicherweise werden die Kontakthöcker (bumps) aus lötfä­ higem Material auf die ICs aufgebracht, solange sich diese noch im Waferverbund befinden. Dabei bleibt die Technolo­ gie zur IC-Herstellung unverändert, nur der letzte Schritt, d. h. die Freilegung der Aluminiumpads wird an die nachfolgende bumping Technik angepaßt. Aluminium wird aber in der Regel von Loten nicht benetzt, da es sich beim La­ gern an Luft mit einer dünnen Schicht aus Aluminiumoxid überzieht. Ein weiteres Problem ist, daß die üblichen Lote, die während des Lötens auf das Bauteil wirken, Alu­ minium auflösen. Um dies zu vermeiden, wird bei der Stan­ dard-Bumptechnik eine Barriereschicht eingefügt, welche den direkten Kontakt des Pad-Aluminiums mit dem Lot unter­ bindet. Zusätzlich wird eine Haftschicht und eine Antikor­ rosionsschicht aufgebracht. Für die Schichtfolge dieser UBM (under bump metallization) werden in der Literatur verschiedene Kombinationen angegeben. Beispiele hierzu kann man aus der Veröffentlichung "Multichip Assembly with Flipped Integrated Circuits" entnehmen, welche in IEEE Trans on Components, Hybrids and Manufacturing Technology 12, 650 (1989) erschienen ist. Für die Haftschicht können z. B. Chrom oder Titan oder Titan/Wolfram-Legierungen, für die Barriereschicht z. B. Nickel oder Kupfer und für die Antikorrosionsschicht kann z. B. Gold verwendet werden. Gängige Lotmaterialien sind Pb/Sn oder Indium.
Stellt man jedoch die Kontakthöcker auf dem Substrat her und verbindet man damit Chips ohne Kontakthöcker, so müs­ sen die Aluminium-Pads dieser Chips mit einem von Lot be­ netzbarem Material versehen sein, wobei man in Kauf nimmt, daß zwischen Lot und Pad-Aluminium keine Barriereschicht enthalten ist, was zu den oben genannten Schwierigkeiten führen kann.
Die Erstellung der Kontakthöcker auf dem Substrat ist eine technologisch wie wirtschaftlich interessante Version der Flip-Chip Technik. Zumal mit Einführung von Siliziumsub­ straten die vorhandene Bumptechnik ohne Änderung auf das Substrat übertragen werden kann. Damit kann der serielle Herstellungsprozeß der Bumps nach der Waferprozessierung ersetzt werden durch eine parallele Bearbeitung von Wafer und Substrat.
In der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung P 42 25 138.9 ist ein Verfahren angegeben, welches erlaubt beliebige ungehäuste Chips über Substrat-Bumps anzu­ schließen. Das Verfahren besteht in einer Kaltver­ schweißung von Indium-Bumps. Von der notwendigen Druckbe­ anspruchung der Chips und dem begrenzten Temperaturbe­ reich, welchem Indium ausgesetzt werden kann, ergeben sich jedoch für viele Anwendungen Einschränkungen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lötverbin­ dung und ein Lötverfahren anzugeben, mit welchem dünne Aluminiumschichten kontaktiert werden können, ohne daß die oben geschilderten Maßnahmen notwendig sind. Gelöst wird die Aufgabe durch Einsatz von Aluminiumloten.
Derartige Lote sind bei der Verbindung größerer Aluminium­ bauteile bereits bekannt, aber wegen der dazu notwendigen hohen Temperaturen und der stark ätzenden Flußmittel wer­ den sie für die Anwendung im Halbleiterbereich von vornher­ ein ausgeschlossen.
Überraschend ist nun, daß derartige Aluminium-Lote, welche auf der Basis von Sn/Cd oder Sn/Zn aufgebaut sind und zwi­ schen 200 und 300°C schmelzen, einen mechanisch stabilen Kontakt ergeben und dabei die aus Aluminium bestehende Pad-Metallisierung eines ICs unversehrt lassen. Der Ein­ satz von Flußmittel ist nicht notwendig.
Weiterhin ist von Vorteil Magnesium oder andere mit Alumi­ niumoxid reagierende Metalle dem Lot zuzugeben. Dadurch wird eine bessere Benetzung der Aluminiumoberfläche er­ reicht und die Löttemperaturen und Lötzeiten können erheb­ lich verringert werden.
Durch die zusätzliche Beimischung von Aluminium zum Lot kann die Auflösung der Aluminiumschicht verhindert werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei­ spielen näher erläutert.
Ein erstes Ausführungsbeispiel beschreibt den Einsatz der Flip-Chip-Technik für die Herstellung von Multichip-Modu­ len mit Silizium als Substrat. Ein Siliziumsubstrat wird thermisch oxidiert und auf der dabei entstandenen Oxid­ schicht mit der üblichen Technik eine Leiterbahnebene z. B. aus Aluminium oder Polysilizium aufgebracht. Dazu wird Aluminium entweder aufgedampft oder gesputtert. Mit einem Fotolack- und einem Ätzschritt werden in der Aluminium­ schicht die vorgegebenen Strukturen erzeugt. Wie in der IC-Technik üblich, werden anschließend die Leiterbahnen mit Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid passiviert und die Kontaktfenster für den elektrischen Anschluß freigelegt. Nun folgen die bei der Bumptechnik üblichen Pro­ zeßschritte. Dazu wird zunächst eine Metallschicht aufge­ dampft oder gesputtert. Abweichend vom Standardprozeß ist keine Barriereschicht mehr notwendig. Die Strukturierung dieser Schicht erfolgt in der Weise, daß die Kontaktfen­ ster mit dieser Schicht überlappt werden. Die Ausdehnung dieser Schicht begrenzt später die Bumps. Anschließend wird das Lötmaterial ganzflächig aufgedampft oder gesput­ tert und über einen lift-off-Prozeß strukturiert. Es ent­ stehen Lötflächen, welche die darunterliegende Metall­ schicht etwas überlappen. Beim Erhitzen des Substrates über den Schmelzpunkt des Lotes zieht sich das Lot auf die Metallfläche zurück, da es die Passivierungsschicht nicht benetzt. Das Flächenverhältnis von Lot zu Metallschicht bestimmt das Volumen der Bumps und damit deren Höhe. Auf ein dermaßen vorbereitetes Substrat mit der entsprechenden Anschlußkonfiguration können Chips verschiedener Herstel­ ler aufgebaut werden. Die Chips werden upside down auf die vorbereiteten Bumps gelegt und sowohl Substrat als auch Chip über den Schmelzpunkt des Lotes aufgeheizt. Nach sorgfältiger Justage in x/y und z-Richtung läßt man das Lot erkalten.
Das Verfahren wurde am Beispiel der Multichip-Module er­ läutert, ist aber nicht darauf beschränkt, sondern ist in allen Bereichen, in denen dünne Aluminiumschichten entwe­ der elektrisch kontaktiert oder mechanisch befestigt wer­ den anwendbar. Anwendungsbeispiele sind Einzelbauelemente, Gehäuseteile, Sensoren.
Neben dem Flip-Chip-Verfahren wird auch das Tape Automated Bonding (TAB) zur Herstellung von elektrischen Kontakten häufig angewendet. Bei diesem Verfahren befinden sich ge­ eignet geformte metallische Anschlußfahnen auf einem Foli­ enträger. Die Anschlußfahnen werden über Kontakthöcker auf der einen Seite mit dem Chip (inner lead bonding) und auf der anderen mit dem Substrat (outer lead bonding) verbun­ den. Die Kontakthöcker bestehen hier meist aus Gold und werden ebenfalls auf dem IC aufgebracht. Die Verbindung erfolgt durch Thermokompression. Der Einsatz der vorge­ schlagenen Löttechnik bei diesem Verfahren zeigt ein zwei­ tes Ausführungsbeispiel.
Eine mit Kupfer belegte Folie (z. B. Kapton 80 µm mit Kupfer bedampft) wird mit einem entsprechenden Leiterbahnmuster versehen. Dabei kann zunächst eine Aufspreizung der An­ schlüsse des Chips auf ein größeres Rastermaß auf dem Sub­ strat betrachtet werden. Prinzipiell ist jedoch auf der Folie eine für einen Multichip-Modul notwendige Ver­ drahtung zwischen einzelnen Chips möglich. An den vorgese­ henen Konntaktstellen müssen nun die Lotbumps aufgebracht werden. Dies kann durch einen galvanischen Prozeß gesche­ hen, wobei der Rest der Folie durch Fotolack abgedeckt ist. Damit eine galvanische Abscheidung stattfinden kann, müssen sämtliche Kontakte einen Anschluß an eine gemein­ same Elektrode besitzen. Diese Forderung läßt sich beim Layout berücksichtigen, indem von einem äußeren Rahmen aus, der später entfernt wird, sämtliche Leiterbahnen an­ geschlossen werden. Die Verbindung mit den Chips erfolgt über einen Lötvorgang, indem Chip und Folie über die Schmelztemperatur des Lotes erhitzt werden. Ein weitaus schonender Prozeß ist dabei jedoch das Aufschmelzen ein­ zelner Anschlußstellen mit einem Laser. Dieses Verfahren wird z. B. im "OPTO elektronik magazin" Heft Nr. 8 (1988) beschrieben. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, daß die Lötung von der Rückseite durch die Folie hindurch vorge­ nommen werden kann. Im Vergleich zum TAB-Verfahren ent­ fällt bei diesem Verfahren das mechanische Verbiegen der Anschlußbändchen, weil beim Flip-Chip Bonden kein Höhenun­ terschied zwischen Chip und Substrat auftritt.
Weitere Ausgestaltungen des Verfahrens betreffen die oben angeführten kritischen Punkte nämlich die mangelnde Benet­ zung des Aluminiumkontaktes durch das Lot und die Auflö­ sung des Aluminiums bei längerem Lötzeiten. Die Benetzung der Aluminiumoberfläche (d. h. Auflösung der Oxidschicht) erfordert hohe Löttemperaturen und lange Löt­ zeiten. Beides kann reduziert werden durch Zugabe von Mag­ nesium zum Lot. Magnesium reagiert mit dem Aluminiumoxid der Oberfläche und bricht auf diese Weise die Oxidhaut auf. Die Zugabe von Magnesium oder anderen mit Aluminium­ oxid reagierenden Metallen ist beim Hartlöten von Aluminium bekannt. Jedoch werden dazu Temperaturen über 500°C benö­ tigt. Als Zusatz zu Sn/Zn Loten werden Löttemperaturen zwischen 200 und 300°C erreicht.
Ein Aufbrechen der Aluminiumoxidschicht kann auch durch mechanische Kräfte bewirkt werden. Dazu ist ein flüssiger Lottropfen wenig geeignet. Besteht der Anschlußbump jedoch aus einem harten Kern, z. B. Kupfer, und ist das Lot, wel­ ches die Verbindung herstellen soll, nur als dünne Schicht auf diesem Bump aufgebracht, so kann durch geringfügiges Verschieben des Bumps auf dem Anschlußpad oder durch Ul­ traschall eine schnelle Benetzung herbeigeführt werden.
Wird die Löttemperatur erhöht oder die Lötdauer verlän­ gert, so kann es an Stellen an denen sofort eine Benetzung stattgefunden hat, zur Auflösung der Aluminiumschicht kom­ men. Dies kann verhindert werden durch Beimischung von Aluminium zum Lot. Die beigefügten Aluminiummengen müssen so groß sein, daß die eutektische Zusammensetzung über­ schritten wird und nur durch Verringerung des Al-Gehalts ein eutektisches Gemisch erreicht wird. Löst nun das Lot Aluminium auf, so steigt der Schmelzpunkt des Lotes an. Bei entsprechender Prozeßführung (nahe des Schmelzpunktes) kann man auf diese Weise die Auflösung der Aluminium­ schicht steuern bzw. verhindern. Im Dreiphasendiagramm Sn- Zn-Al befindet sich eine eutektische Linie bei Aluminium­ anteilen unter 15%.

Claims (10)

1. Verbindung zur Herstellung elektrischer, mechanischer und thermischer Kontakte an ICs oder Einzelbauelementen, wobei die Anschlußkontakte aus Aluminium bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumschicht der Anschlußkon­ takte der ICs oder Einzelbauelemente über ein Aluminiumlot an ein Substrat oder Gehäuse angeschlossen ist.
2. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lote aus einer Zinn-Zink oder Zinn-Cadmium-Legie­ rung bestehen.
3. Verbindung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Lot bis zu 10 mol% Magnesium enthält.
4. Verbindung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Lot Aluminium enthält, und daß der Aluminium­ anteil so hoch ist, daß die eutektische Linie (zur Al- Seite hin) überschritten wird.
5. Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl Magnesium als auch Alu­ minium im Lot enthalten sind.
6. Verfahren zur Herstellung einer Verbindung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das Lot durch Bedampfen, Besputtern oder durch einen galvani­ schen Abscheidungsprozeß auf das mit einer Metallschicht beschichtete Substrat aufgebracht wird, daß das Substrat über den Schmelzpunkt des Lotes erhitzt wird, daß das Lot in Form von Kontakthöckern auf dem Substrat ausgebildet wird, und daß die Aluminiumkontakte der ICs über einen Lötprozeß mit dem Substrat verbunden werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontakthöcker aus einem bei den Löttemperaturen nicht schmelzenden Kern besteht, auf den das Lot aufgebracht wird.
8. Verfahren zur Herstellung eines Multichip-Moduls unter Verwendung der Flip-Chip-Technik und einer Lötverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet,
  • - daß auf dem Siliziumsubstrat Leiterbahnen struktu­ riert werden,
  • - daß die Leiterbahnen passiviert werden und die Kontaktfenster für die elektrischen Anschlüsse freigelegt werden,
  • - daß eine Metallschicht aufgedampft oder gesputtert wird und derart strukturiert wird, daß die Kon­ taktfenster mit der Metallschicht überlappt wer­ den,
  • - daß das Lot ganzflächig aufgedampft oder gesput­ tert wird und über einen lift-off-Prozeß struktu­ riert wird und Lötflächen erzeugt werden, die die darunterliegende Metallschicht überlappen,
  • - daß das Substrat über den Schmelzpunkt des Lotes erhitzt wird und das Lot auf die Metallfläche zu­ rückgezogen wird, und
  • - daß auf die Kontakthöcker Chips aufgelegt werden und das Substrat mit den Chips verlötet wird.
9. Verfahren zur Herstellung eines Multichip-Moduls unter Verwendung der TAB-Technik und einer Lötverbindung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß als elektrische und mechanische Verbindung zwischen den Chips eine mit Kupfer beschichtete Folie mit einer Leiterbahnstruktur benutzt wird,
  • - daß die Leiterbahnen an einen gemeinsamen Rahmen angeschlossen werden, der als Stromzuführung für die Galvanik dient,
  • - daß die gesamte Struktur mit lichtempfindlichem Lack abgedeckt wird und der Lack durch entspre­ chende Strukturierungsmaßnahmen an den Kontakt­ stellen entfernt wird,
  • - daß das Lot über eine galvanische Abscheidung auf­ gebracht wird,
  • - daß der Fotolack als Schutzschicht für die Kupfer­ leiterbahnen verwendet wird,
  • - daß der Anschlußrahmen für die Galvanik nachträg­ lich entfernt wird, und
  • - daß die Verbindung zu den Chips über einen Lötpro­ zeß hergestellt wird, indem Chip und Folie über die Schmelztemperatur des Lotes erhitzt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Lötvorgang mit einem Laser von der Rückseite des Substrates aus vorgenommen wird.
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