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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Das
Gebiet der Erfindung ist bleifreie Lote und Lötmaterialien.
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HINTERGRUND
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Zahlreich
bekannte Die-Befestigungsverfahren verwenden zum Befestigen des
Halbleiter-Dies innerhalb eines integrierten Schaltkreises in einem
IC-Träger
für die
mechanische Verbindung und zur Bereitstellung von Wärmeleitfähigkeit
und elektrischer Leitfähigkeit
zwischen Die und IC-Träger
ein Lot oder Lotmaterial mit hohem Bleigehalt. Obwohl die meisten
Lote verhältnismäßig preiswert
sind und verschiedene wünschenswerte
physikalisch-chemische Eigenschaften aufweisen, wird die Verwendung
von Blei bei der Die-Befestigung und in anderen Loten vom Gesichtspunkt
des Umweltschutzes und der Sicherheit am Arbeitsplatz aus zunehmend
in Frage gestellt. Folglich wurden verschiedene Ansätze verfolgt,
bleihaltige Lote durch bleifreie Die-Befestigungszusammensetzungen
zu ersetzen.
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Bei
einem Ansatz werden beispielsweise polymere Klebstoffe (z. B. Epoxyharze
oder Cyanatesterharze) zum Befestigen eines Dies an einem Substrat
verwendet, wie in US-Patent Nr. 5,150,195; 5,195,299; 5,250,600;
5,399,907 und 5,386,000 beschrieben. Polymere Klebstoffe härten üblicherweise
innerhalb verhältnismäßig kurzer
Zeit bei Temperaturen von im Allgemeinen unter 200°C und können nach
dem Härten
sogar eine strukturelle Flexibilität bewahren, die eine Die-Befestigung
von integrierten Schaltkreisen auf flexiblen Substraten ermöglicht,
wie in US-Patent Nr. 5,612,403 dargestellt. Zahlreiche polymere
Klebstoffe neigen jedoch zur Bildung von Harzausblutungen, die möglicherweise
zu einer unerwünschten
Minderung des elektrischen Kontakts des Dies mit dem Substrat oder
sogar zu einer teilweisen oder vollständigen Ablösung des Dies führen.
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Um
den Problemen mit Harzausblutungen wenigstens teilweise abzuhelfen,
können
silikonhaltige Klebstoffe zur Die-Befestigung verwendet werden,
wie in US-Patent Nr. 5,982,041 an Mitani et al. beschrieben. Derartige
Klebstoffe verbessern zwar in der Regel das Binden des Drahts sowie
das zwischen Harzdichtmittel und Halbleiterchip, Substrat, Einheit
und/oder IC-Träger,
das Härteverfahren
wenigstens einiger dieser Klebstoffe verlangt jedoch eine Quelle
energiereiche Strahlung, was das Die-Befestigungsverfahren wesentlich verteuern
kann.
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Als
Alternative kann eine Glaspaste, umfassend ein Borsilicatglas mit
hohem Bleigehalt, verwendet werden, wie in US-Patent Nr. 4,459,166
an Dietz et al. beschrieben, wodurch der energiereiche Härtungsschritt im
Allgemeinen vermieden wird. Zahlreiche Glaspasten, die ein Borsilicatglas
mit hohem Bleigehalt umfassen, verlangen jedoch für eine dauerhafte
Bindung des Dies an das Substrat Temperaturen von 425°C und mehr. Außerdem neigen
Glaspasten beim Erwärmen
und Abkühlen
häufig
zur Kristallisierung, wodurch die Klebfähigkeit der Bindungsschicht
verringert werden.
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Bei
noch einem weiteren Ansatz werden verschiedene hochschmelzende Lote
zum Befestigen eines Dies an einem Substrat oder IC-Träger verwendet.
Das Löten
eines Dies an ein Substrat ist mit verschiedenen Vorteilen verbunden,
einschließlich
einer verhältnismäßig einfachen
Verarbeitung, einer lösungsmittelfreien Anwendung
und, in einige Fällen,
verhältnismäßig geringen
Kosten. Im Fachgebiet sind verschiedene hochschmelzende Lote bekannt.
Alle oder fast alle davon weisen einen oder mehrere Nachteile auf.
Die meisten eutektischen Goldlegierungen (z. B. Au-20%Sn, Au-3%Si,
Au-12%Ge und Au-25%Sb)
sind verhältnismäßig teuer
und zeigen häufig
weniger ideale mechanische Eigenschaften. Alternativ kann in verschiedenen
Anwendungen für
hochschmelzende Lote Legierung J (Ag-10%Sb-65%Sn, siehe z. B. US-Patent
Nr. 4,170,472 an Olsen et al.) verwendet werden. Legierung J weist
jedoch einen Soliduspunkt von 228°C
auf und zeigt ebenfalls weniger ideale mechanische Eigenschaften.
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Obwohl
im Fachgebiet verschiedene Verfahren und Zusammensetzungen für Lote und
Zusammensetzungen für
die Die-Befestigung bekannt sind, weisen alle oder fast alle einen
oder mehrere Nachteile auf. Somit besteht weiterhin ein Bedarf nach
Bereitstellung verbesserter Zusammensetzungen und Verfahren für Lote und
insbesondere bleifreie Lote.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in Anspruch 1 eine
Legierungszusammensetzung definiert. Die Zusammensetzung wird in
elektronischen Vorrichtungen und als Lot verwendet. Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung ist in Anspruch 16 ein Verfahren zur
Herstellung einer Lotzusammensetzung definiert.
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In
einem Aspekt des Gegenstands der Erfindung ist Silber in der Legierung
in einer Menge von 2 Gew.-% bis 7 Gew.-% und Wismut in einer Menge
von 98 Gew.-% bis 93 Gew.-% vorhanden oder Silber ist in der Legierung
in einer Menge von 7 Gew.-% bis 18 Gew.-% und Wismut in einer Menge
von 93 Gew.-% bis 82 Gew.-% vorhanden oder Silber ist in der Legierung
in einer Menge von 5 Gew.-% bis 9 Gew.-% und Wismut in einer Menge
von 95 Gew.-% bis 91 Gew.-% vorhanden. Denkbare Zusammensetzungen
können
ferner ein chemisches Element, ausgewählt aus Al, Ba, Ca, Ce, Cs,
Hf, Li, Mg, Nd, Sc, Sr, P, Ti, Y und Zr und insbesondere Phosphor
enthalten. Die Konzentration der denkbaren Elemente liegt in einem
Bereich zwischen 10 ppm und 1000 ppm.
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In
einem anderen Aspekt des Gegenstands der Erfindung weisen denkbare
Lote eine Wärmeleitfähigkeit
von mindestens 9 W/mK auf und zeigen nach 1 Sekunde auf einer Benetzungswaage
eine Netzkraft zum Benetzen verschiedener Substrate, einschließlich derjenigen,
die Cu, Ag, Ni und Au enthalten, von etwa 0,2 μN/mm. Denkbare Zusammensetzungen
können
zu verschiedenen Formen, einschließlich, Drähten, Bändern, Vorformen, Kugeln oder
Blöcken,
ausgebildet sein.
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In
einem weiteren Aspekt umfassen denkbare Zusammensetzungen Bi (85
Gew.-% bis 98 Gew.-%) und Ag (2 Gew.-% bis 15 Gew.-%) mindestens
eines von Zink, Nickel, Germanium oder einer Kombination davon in
einem Bereich von 10 ppm bis 1000 ppm. Derartige Zusammensetzungen
können
ferner Phosphor in einem Bereich von 10 ppm bis 500 ppm enthalten.
Zu einem Beispiel für
eine denkbare Zusammensetzung gehört eine Legierung, in der Bi
zu etwa 89 Gew.-%, Ag zu etwa 11 Gew.-% und mindestens eines von
Zink, Nickel, Germanium oder einer Kombination davon zu etwa 500
ppm (mit fakultativer Zugabe von Phosphor bis zu 250 ppm) vorhanden
ist, wobei derartige Zusammensetzungen eine im Vergleich zu ähnlichen
Zusammensetzungen ohne Zink, Nickel, Germanium, Phosphor und/oder
eine Kombination davon verbesserte Benetzungsfähigkeit auf wenigstens Cu und
Ni aufweisen.
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In
einem weiteren Aspekt des Gegenstands der Erfindung umfasst eine
elektronische Vorrichtung ein Halbleiter-Die, der über denkbare Zusammensetzungen
mit einer Oberfläche
verbunden ist, wobei besonders denkbare Halbleiter-Dies Silizium-,
Germanium- und Galliumarsenid-Dies einschließen. Außerdem ist es denkbar, dass
mindestens einer eines Abschnitts des Dies oder eines Abschnitts
der Oberfläche
derartiger Vorrichtungen mit Silber metallisiert sein kann. In besonders
bevorzugten Aspekten umfasst die Oberfläche einen mit Silber metallisierten
IC-Träger.
In weiteren Aspekten werden denkbare Lote in einer Area-Array-Elektronikeinheit
in Form mehrerer Erhebungen auf einem Halbleiter-Die verwendet,
die als elektrische Verbindungen zwischen dem Die und entweder einem
Einheitensubstrat (im Allgemeinen als Flip-Chip bekannt) oder als
gedruckte Leiterplatte (im Allgemeinen als Chip-on-Board bekannt)
verwendet werden. Als Alternative können denkbare Lote in Form
von mehreren Lotbällchen
zum Verbinden einer Einheit mit einem Substrat (im Allgemeinen als
Ball-Grid-Array mit zahlreichen Abwandlungen von der Grundform bekannt)
oder zum Verbinden des Dies mit entweder einem Substrat oder einer
gedruckten Leiterplatte verwendet werden.
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In
noch einem weiteren Aspekt des Gegenstands der Erfindung weist das
Verfahren zur Herstellung einer Lotzusammensetzung einen Schritt
auf, bei dem Wismut und Silber in einer Menge von 98 Gew.-% bis 82
Gew.-% bzw. 2 Gew.-% bis 18 Gew.-% bereitgestellt werden, wobei
mindestens eines von Zink, Nickel, Germanium oder einer Kombination
davon in einer Menge von bis zu 1000 ppm vorhanden ist und beliebige
fakultative chemische Elemente (wie vorstehend definiert) in einer
Menge von 10 ppm bis 1000 ppm vorhanden sind. In einem weiteren
Schritt werden Silber, Wismut und das mindestens eine von Zink,
Nickel, Germanium oder einer Kombination davon und beliebige fakultative
chemische Elemente unter Ausbildung einer Legierung mit einem Soliduspunkt
von nicht niedriger als 262,5°C
und einem Liquiduspunkt von nicht höher als 400°C bei einer Temperatur von mindestens
960°C geschmolzen.
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Verschiedene
Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung bevorzugter
Ausführungsformen
der Erfindung zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen deutlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Ag-Bi-Phasendiagramm.
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2 ist
eine elektronenmikroskopische Aufnahme einer beispielhaften Ag-Bi-Legierung.
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3 ist
ein Ge-Ni-Phasendiagramm.
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4 ist
eine Kurve der Wärmeleitfähigkeit
von Ag-Bi mit unterschiedlichen Ag-Gehalten.
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5A und 5B sind
Kurven der Netzkräfte
von denkbaren Legierungen auf verschiedenen Substraten.
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6 ist
eine Tabelle der ermittelten Kontaktwinkel verschiedener Legierungen.
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7 ist
eine fotografische Aufnahme eines beispielhaften Benetzungsverhaltens
denkbarer Legierungen auf vernickelten IC-Trägern mit verschiedenen Germanium-Konzentrationen.
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8 ist
ein schematischer vertikaler Querschnitt durch eine denkbare elektronische
Vorrichtung.
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9A und 9B sind
fotografische Aufnahmen/SAM-mikroskopische Aufnahmen von Dies, die
unter Verwendung beispielhafter Legierungen an IC-Trägern befestigt
sind.
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10A ist ein Ni-Bi-Phasendiagramm.
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10B ist eine elektronenmikroskopische Aufnahme
einer beispielhaften Legierung unter besonderer Berücksichtigung
von Ni und Bi.
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11A und 11B sind
elektronenmikroskopische Aufnahmen von Substraten, die eine vollständige Ag-Auslaugung
zeigen.
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12 ist
eine Tabelle, in der verschiedene physikalische Eigenschaften verschiedener
Legierungen dargestellt sind.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Es
hat sich herausgestellt, dass denkbare Zusammensetzungen neben anderen
wünschenswerten
Eigenschaften in verschiedenen vorteilhaften Die-Befestigungsanwendungen
als praktisch direkter Ersatz für Lote
mit hohem Bleigehalt verwendet werden können. Insbesondere sind denkbare
Zusammensetzungen bleifreie Legierungen mit einem Soliduspunkt von
nicht niedriger als 260°C
(und vorzugsweise nicht niedriger als 262,5°C) und einem Liquiduspunkt von
nicht höher
400°C. Verschiedene
Aspekte der denkbaren Verfahren und Zusammensetzungen sind in der
gleichzeitig anhängigen
PCT-Anmeldung PCT/US01/17491 offenbart, die hierin vollständig eingeschlossen
ist.
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1 zeigt
ein Ag-Bi-Phasendiagramm. Hierin denkbare Zusammensetzungen können hergestellt werden
mittels a) Bereitstellen einer Charge passend abgewogener Mengen
(siehe oben) der reinen Metalle; b) Erwärmen der Metalle unter Vakuum
oder in einer inerten Atmosphäre
(z. B. Stickstoff oder Helium) in einem feuerfesten oder wärmebeständigen Gefäß (z. B.
einem Grafittiegel) auf zwischen etwa 960°C–1000°C bis zur Bildung einer flüssigen Lösung; und
c) Rühren
der Metalle bei dieser Temperatur für eine Dauer, die ausreicht, um
ein vollständiges
Mischen und Schmelzen beider Metalle zu gewährleisten. Nickel, Zink, Germanium
oder Kombinationen davon können
zu der Charge oder dem geschmolzenen Material in Dotiermengen von
bis zu 1000 ppm, und mehr bevorzugt bis zu 500 ppm, zugegeben werden.
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Die
geschmolzene Mischung, oder Schmelze, wird dann schnell in eine
Form gegossen, durch Abkühlen
auf Um gebungstemperatur zum Verfestigen stehen gelassen und mittels
herkömmlicher
Extrusionstechniken, wozu das Erwärmen des Strangs auf etwa 190°C gehört, zu Drähten oder
mittels eines Verfahrens, bei dem eine rechteckige Platte zuerst
bei Temperaturen zwischen 225 und 250°C getempert und dann bei derselben
Temperatur heißgewalzt
wird, zu Bändern
verarbeitet. Alternativ kann ein Band, das anschließend zu dünneren Dimensionen
gewalzt wird, auch extrudiert werden. Der Schmelzschritt kann auch
unter Luft durchgeführt
werden, solange die gebildete Schlacke vor dem Gießen der
Mischung in die Form entfernt wird. 2 zeigt
eine elektronenmikroskopische Aufnahme, in der die Ag-Bi-Legierung
offenbar eine hypoeutektische Legierung bildet, wobei der Hauptbestandteil
(Silber) von feinen eutektischen Strukturen umgeben ist. Wie aus der
elektronenmikroskopischen Aufnahme hervorgeht, besteht nur eine
vernachlässigbare
gegenseitige Löslichkeit
des Materials, was zu einem zäheren
Material als Wismutmetall führt.
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In
anderen Ausführungsformen,
insbesondere wenn höhere
Liquidustemperaturen erwünscht
sind, können
denkbare Zusammensetzungen Ag in einer Menge von 7 Gew.-% bis 18
Gew.-% und Bi in einer Menge von 93 Gew.-% bis 82 Gew.-% in der
Legierung enthalten. Andererseits können denkbare Zusammensetzungen,
insbesondere wenn niedrigere Liquidustemperaturen erwünscht sind,
Ag in einer Menge von 2 Gew.-% bis 7 Gew.-% und Bi in einer Menge
von 98 Gew.-% bis 93 Gew.-% in der Legierung enthalten.
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Im
Allgemeinen ist jedoch denkbar, dass die meisten Die-Befestigungsanwendungen
eine Zusammensetzung verwenden, in der Ag in einer Menge von 5 Gew.-%
bis 12 Gew.-% und Bi in einer Menge von 95 Gew.-% bis 89 Gew.-%
in der Legierung vorhanden ist. Bei diesen Ausführungsformen kann eine beispielhafte Legierung
eine Zusammensetzung aus Bi zu 89 Gew.-% und Ag zu 11 Gew.-% aufweisen.
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Es
ist besonders beachtenswert, dass denkbare Zusammensetzungen als
bleifreie Lote verwendbar sind, die auch im Wesentlichen frei von
Sn sind, welches ein üblicher
und vorherrschender Bestandteil in bleifreien Loten ist. Außerdem sollte
beachtet werden, dass zu alternativen Zusammensetzungen auch ternäre, quartäre und höhere Legierungen
gehören
können,
obwohl im Allgemeinen denkbar ist, dass besonders geeignete Zusammensetzungen
binäre
Legierungen darstellen.
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Wie
vorstehend erwähnt,
können
die Zusammensetzungen ein oder mehrere chemische Elemente, ausgewählt aus
Al, Ba, Ca, Ce, Cs, Hf, Li, Mg, Nd, P, Sc, Sr, Ti, Y und Zr, einschließen und
es ist ferner denkbar, dass derartige chemische Elemente in der
Legierung in einer Konzentration von zwischen 10 ppm und 1000 ppm
vorhanden sein können.
Ohne an eine bestimmte Theorie oder an einen bestimmten Mechanismus
gebunden sein zu wollen, ist es denkbar, dass diese Elemente eine
höhere
Sauerstoffaffinität
als die Legierung haben, was die Bildung von Metalloxiden senkt,
die bekanntermaßen
die Oberflächenspannung
eines schmelzenden oder geschmolzenen Lots erhöhen. Deswegen ist es denkbar,
dass ein Rückgang
der Menge an Metalloxiden während
des Lötens
im Allgemeinen die Oberflächenspannung
des geschmolzenen Lots senkt und dadurch die Benetzungsfähigkeit
des Lots wesentlich erhöht.
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Außerdem ist
es besonders denkbar, dass zur Verbesserung der Benetzung Phosphor
(P) alleine oder in Kombination mit anderen Metallen (z. B. Germanium
(Ge)) zugegeben werden kann. Ohne an eine bestimmte Theorie oder
Hypothese gebunden sein zu wollen, ist es denkbar, dass Phosphor
als ein Flussmittel wirken kann und dass die Zugabe und die Synergiewirkungen
von Phosphor mit anderen Metallen die Benetzungsfähigkeit
von wenigstens einigen Substraten (z. B. einem Substrat, das Ag
umfasst, siehe nachstehend) weiter verbessert. In dieser Hinsicht
kann ein chemisches Element zugegeben werden, dass einen intermetallischen Komplex
oder eine Verbindung mit Nickel, Kupfer, Gold, Silber oder einer
Kombinationen davon bildet.
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Das
mindestens eine aus Zink, Nickel, Germanium oder einer Kombination
davon ist in bevorzugten Legierungen in einem Bereich zwischen 10
ppm und 1000 ppm, üblicher
in einem Bereich zwischen 200 ppm und 700 ppm und am üblichstens
in einer Konzentration von etwa 500 ppm vorhanden. Es wurde beobachtet, dass
die Zugabe von mindestens einem aus Zink, Nickel, Germanium oder
einer Kombination davon die Benetzungsfähigkeit von Substraten, die
mit verschiedenen Metallen plattiert sind, insbesondere einschließlich Kupfer
und Nickel, oder einem unbehandelten, nicht metallisierten Metall,
wie einem IC-Träger,
verbesserte, wobei das mindestens eine aus Zink, Nickel, Germanium
oder einer Kombination davon in Mengen von zwischen 10 ppm und 100
ppm zugegeben wurde. Ohne an eine bestimmte Theorie gebunden sein
zu wollen, ist es denkbar, dass das mindestens eine aus Zink, Nickel,
Germanium oder einer Kombination davon vorteilhaft intermetallische
Komplexe mit Ni bilden kann oder einen Oxidfilm durch Ermöglichen
einer bevorzugten Oxidation reduziert und dadurch zur Erhöhung der
Netzkraft beiträgt.
In 3 ist ein Ni-Ge-Phasendiagramm dargestellt, aus
dem die Möglichkeiten
für verschiedene
intermetallische Ni-Ge-Komplexe und die partielle Ge-Ni-Festkörperlöslichkeit
hervorgehen. Ferner ist es denkbar, dass eine bevorzugte Oberflächenoxidation von
Germanium auftreten kann. Auf der Grundlage dieser Besprechung schließt eine
denkbare Zusammensetzung eine Legierung ein, die Bi zu etwa 89 Gew.-%,
Ag zu etwa 11 Gew.-% und das mindestens eine aus Zink, Nickel, Germanium
oder einer Kombination davon in einem Bereich zwischen 10 ppm und
1000 ppm, mehr bevorzugt etwa 500 ppm, umfasst (oder daraus besteht).
Derartige denkbare Legierungen können
ferner Phosphor in einer Menge von bis zu 1000 ppm, und üb licher
etwa 200 ppm, einschließen.
Ferner ist zu beachten, dass die Zugabe von Ge zu denkbaren Zusammensetzungen
in einem Bereich von 10 ppm bis 1000 ppm den Soliduspunkt derartiger
Zusammensetzungen nicht wesentlich herabsetzt. Obgleich bevorzugte
Legierungen Ge in einer Menge von zwischen 10 ppm bis 1000 ppm umfassen,
sei darauf hingewiesen, dass Ge auch als Dotiermittel in Konzentrationen
von zwischen 10 ppm und 1 ppm (und sogar weniger) oder als ein Bestandteil
der Legierung in Konzentrationen zwischen 1000 ppm und 5 Gew.-%
und sogar höher
(z. B. zwischen 5 Gew.-% und 7 Gew.-% oder zwischen 7 Gew.-% und
10 Gew.-% und sogar höher)
vorhanden sein kann.
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Folglich
und abhängig
von der Konzentration/Menge an dem dritten Element (das mindestens
eine aus Zink, Nickel, Germanium oder einer Kombination davon) sei
darauf hingewiesen, dass derartige Legierungen einen Soliduspunkt
von nicht niedriger als 230°C,
mehr bevorzugt nicht niedriger als 248°C und am meisten bevorzugt nicht
niedriger als 258°C
und einen Liquiduspunkt von nicht höher als 400°C aufweisen. Zu besonders denkbaren
Verwendungen derartiger Legierungen gehören Die-Befestigungsanwendungen
(z. B. Befestigung eines Halbleiter-Dies an einem Substrat). Demzufolge
ist es denkbar, dass eine elektronische Vorrichtung einen Halbleiter-Die
umfasst, der über
ein Material, das die Zusammensetzung umfasst, welche die denkbaren
ternären
(oder höheren)
Legierungen einschließt,
mit einer Oberfläche
verbunden ist. Hinsichtlich der Herstellung der denkbaren ternären Legierungen
gelten dieselben Überlegungen,
die vorstehend skizziert sind. Im Allgemeinen ist es denkbar, dass
das dritte Element (oder die Elemente) in passenden Mengen zu der binären Legierung
oder den Bestandteilen der binären
Legierung zugegeben wird/werden.
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Ferner
ist zu beachten, dass die Zugabe von chemischen Elementen oder Metallen
zur Verbesserung einer oder mehrerer physikalisch-chemischer oder
thermisch-mechanischer Eigenschaften in jeder beliebigen Reihenfolge
erfolgen kann, solange alle Bestandteile der Legierung im Wesentlichen
(d. h. mindestens 95% jedes Bestandteils) geschmolzen sind, und
es ist denkbar, dass die Reihenfolge der Zugabe nicht auf den Gegenstand
der Erfindung begrenzt ist. Analog sollte beachtet werden, dass
eine Kombination von Silber und Wismut vor dem Schmelzschritt denkbar
ist, es aber ebenso denkbar ist, dass Silber und Wismut getrennt
geschmolzen werden können
und dass das geschmolzene Silber und das geschmolzene Wismut anschließend vereinigt
werden. Ein weiterer verlängerter
Erwärmungsschritt
auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts von Silber kann hinzugefügt werden,
um ein im Wesentlichen vollständiges
Schmelzen und Vermischen der Bestandteile zu gewährleisten. Es sollte besonders
beachtet werden, dass der Soliduspunkt der denkbaren Legierungen
bei Einschluss eines oder mehrerer zusätzlicher Elemente sinken kann.
Somit können
denkbare Legierungen mit derartigen zusätzlichen Legierungen einen
Soliduspunkt im Bereich von 260–255°C, im Bereich
von 255–250°C, im Bereich
von 250–245°C, im Bereich
von 245–235°C und sogar
niedriger aufweisen.
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Wenn
zusätzliche
Elemente zugegeben werden und insbesondere wenn das mindestens eine
von Zink, Nickel, Germanium oder einer Kombination davon zugegeben
wird, ist es denkbar, dass das mindestens eine von Zink, Nickel,
Germanium oder einer Kombination davon in einer geeigneten Form
(z. B. Pulver, Kügelchen
oder Stücke)
in einer Menge zugegeben wird, die ausreicht, um die gewünschte Konzentration
des mindestens einen von Zink, Nickel, Germanium oder einer Kombination
davon bereitzustellen, und dass die Zugabe des dritten Elements
bzw. der dritten Elemente vor, während
oder nach dem Schmelzen von Bi und Ag erfolgen kann.
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Hinsichtlich
der Wärmeleitfähigkeit
der denkbaren Le gierungen ist es denkbar, dass die hierin offenbarten
Zusammensetzungen eine Leitfähigkeit
von nicht weniger als 5 W/mK, mehr bevorzugt nicht weniger als 9
W/mK und am meisten bevorzugt nicht weniger als 15 W/mK aufweisen.
Eine Analyse der Wärmeleitfähigkeit
einiger der denkbaren Legierungen unter Verwendung eines Laserblitzverfahrens,
die Wärmeleitfähigkeiten
von mindestens 9 W/mK ergab, ist in 4 dargestellt.
Ferner ist es denkbar, dass geeignete Zusammensetzungen (z. B. Bi-11Ag
mit etwa 500 ppm Ge) ein Lot mit einer Netzkraft zu Benetzen von
Ag, Ni, Au oder Cu von zwischen 125 μN/mm bis 235 μN/mm nach
1 Sekunde auf einer Benetzungswaage (siehe beispielsweise die beispielhaften
Diagramme in 5A und 5B, die
die Prüfungsergebnisse
von denkbaren Legierungen auf verschiedenen plattierten Substraten
darstellen) einschließen.
Die verbesserte Benetzungsfähigkeit
spiegelt sich auch in der Änderung
des ermittelten Kontaktwinkels (Luft mit wässrigem Flussmittel) wider,
die in 6 dargestellt ist. Außerdem wurden denkbare Legierungen
unter N2/H2-Atmosphäre auf vernickelte
IC-Träger
aufgebracht und die Ergebnisse für
Bi-11Ag-xGe (x = 0, 10 und 500 ppm) sind in 7 dargestellt,
wobei die obere Serie bei einem mäßig geringen pO2-Gehalt
und die untere Serie bei einem niedrigen pO2-Gehalt
erhalten wurde.
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Ferner
ist es denkbar, dass eine bestimmte Form denkbarer Zusammensetzungen
für den
Gegenstand der Erfindung nicht kritisch ist. Es ist jedoch bevorzugt,
dass die denkbaren Zusammensetzungen zu einer Drahtform, einer Bandform
oder einer Kugelform (Lötkontakterhebung)
ausgebildet werden.
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Denkbare
Zusammensetzungen können
(z. B. in Drahtform) unter anderem zum Verbinden eines ersten Materials
mit einem zweiten Material verwendet werden. Denkbare Zusammensetzungen
(und Materialien, die die denkbaren Zusammensetzungen umfassen)
können
beispielsweise in einer elektronischen Vorrichtung verwendet werden,
um einen Halbleiter-Die (z. B. einen Silizium-, Germanium- und Galliumarsenid-Die)
mit einem IC-Träger
zu verbinden, wie in 8 dargestellt. Hier umfasst
die elektronische Vorrichtung 100 einen IC-Träger 110,
der mit einer Silberschicht 112 metallisiert ist. Eine
zweite Schicht 122 wird auf dem Halbleiter-Die 120 abgeschieden
(z. B. mittels Versilberung auf der Rückseite). Der Die und der IC-Träger werden
miteinander über
ihre jeweilige Silberschicht mittels der denkbaren Zusammensetzung 130 verbunden
(hier z. B. ein Lot, das eine Legierung umfasst, die Ag in einer
Menge von 2 Gew.-% bis 18 Gew.-% und Bi in einer Menge von 98 Gew.-%
bis 82 Gew.-% einschließt,
wobei die Legierung einen Soliduspunkt von nicht niedriger als 262,5°C und einen
Liquiduspunkt von nicht höher
als 400°C
aufweist). Bei einem optimalen Die-Befestigungsverfahren werden
denkbare Zusammensetzungen 15 Sekunden lang auf etwa 40°C über dem
Liquiduspunkt der fraglichen Legierung und vorzugsweise nicht mehr
als 30 Sekunden lang auf nicht mehr als 430°C erwärmt. Das Löten kann auch in einer reduzierenden
Atmosphäre
(z. B. Wasserstoff oder Schutzgas durchgeführt werden). Unter Verwendung
eines Lötdrahts,
der denkbare Legierungen umfasst, wurde ein Die-Befestigungsversuch
mit einem vernickelten IC-Träger
und einem Halbleiter-Die,
wie in 9A (Fotografie) und 9B (SAM-Analyse
[Materialprüfung
durch akustische Absorption]) durchgeführt.
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In
weiteren alternativen Aspekten ist es denkbar, dass die hier offenbarten
Verbindungen in zahlreichen Lötverfahren,
die keine Die-Befestigungsanwendungen sind, verwendet werden können. Tatsächlich können die
denkbaren Zusammensetzungen besonders in allen, oder fast allen,
schrittweise durchgeführten Lötanwendungen
nützlich
sein, bei denen ein späterer
Lötschritt
bei einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur der denkbaren
Zusammensetzungen durchgeführt
wird. Ferner können
denkbare Verbindungen auch als Lot in Anwendungen verwendet werden,
wobei Lote mit hohem Bleigehalt durch bleifreie Lote ersetzt werden
müssen
und Solidustemperaturen von mehr als 260°C wünschenswert sind. Zu besonders
bevorzugten alternativen Verwendungen gehören die Verwendung von denkbaren
Loten beim Verbinden von Bestandteilen eines Wärmetauschers als nicht schmelzende
Abstandskugel oder elektrische/thermische Zwischenverbindung.
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BEISPIELE
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Aufgrund
der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
verschiedener Materialien sind Lötverbindungen
häufig
Scherbelastungen ausgesetzt. Deswegen ist es besonders wünschenswert,
dass Legierungen, die derartige Materialien verbinden, einen kleinen
Schermodul und somit gute wärmemechanische
Ermüdungsfestigkeit
aufweisen. Bei Die-Befestigungsanwendungen tragen ein kleiner Schermodul
und eine gute wärmemechanische
Ermüdungsfestigkeit
dazu bei, Risse im Die zu verhindern, insbesondere wenn verhältnismäßig große Dies
mit einem festen Träger
verwendet werden.
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Auf
der Grundlage der bekannten Elastizitätsmodule reiner Metalle, der
Tatsache, dass Ag und Bi eine partielle Festkörpermischbarkeit zeigen, und
der Tatsache, dass das Ag-Bi-System keine intermetallischen oder
Zwischenphasen enthält,
wurde ermittelt, dass der Schermodul bei Raumtemperatur denkbarer
Ag-Bi-Legierungen im Bereich von etwa 13–16 GPa liegt (unter der Annahme,
dass der Schermodul bei Raumtemperatur eine additive Eigenschaft
ist, d. h. den Mischregeln folgt). Schermodule bei Raumtemperatur
der denkbaren Legierungen im Bereich von etwa 13–16 GPa sind im Vergleich zu
25 GPa für
sowohl Au-25%Sb- und Au-20%Sn-Legierungen
(ermittelt mittels desselben Verfahrens und unter denselben Annahmen)
und 21 GPa für
Legierung J (Ag-10%Sb-65%Sn) besonders günstig, wobei 22,3 GPa ein Messwert
für Legierung
J ist. Weitere Ver suche bestätigten
vorige Berechnungen und ergaben die folgenden Schermodule für die folgenden
Legierungen: Bi-11Ag = 13,28 GPa; Bi-9Ag = 13,24 GPa; Au-20Sn =
21,26 GPa; Sn-25Sb-10Ag (Legierung J) = 21,72 GPa; und Pb-5Sn =
9,34 GPa. Noch weitere Versuche (Daten nicht gezeigt) zeigen an,
dass die Scherkräfte
von Bi-11Ag und Pb-5Sn vergleichbar sind.
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In
Tabelle 1 sind nachstehend zusätzliche
mechanische Eigenschaften dargestellt, die die Daten über Liquiduspunkt,
Zugfestigkeit und Verformbarkeit (in % Dehnung) für Lötdrähte zusammenfassen:
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Zur
Bestimmung geeigneter Konzentrationen eines dritten Metalls (in
diesem Fall: Ge) in denkbaren Zusammensetzungen zur Verbesserung
der Benetzungsfähigkeit
derartiger Legierungen auf Substraten, die mit verschiedenen Metallen
plattiert sind, einschließlich
Ag, Ni, Au und Cu, wurden, wie in Tabelle 2 gezeigt, verschiedene
Versuche durchgeführt
(alle Zahlen in μN/mm;
Phosphor wurde zu 100 ppm bei Verkupferung und zu 1000 ppm bei allen
anderen mit Metall plattierten Sätzen
zugegeben)
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Analog
wurden Daten für
Bi-11Ag mit und ohne Zugabe von 500 ppm Ge erhalten und die Ergebnisse sind
in Tabelle 3 dargestellt:
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Somit
erhöht
die Zugabe von Ge zu Bi-11Ag die maximale Netzkraft (μN/mm), wie
in Tabelle 4 dargestellt:
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Zwar
ist die Zugabe von Germanium zur Erhöhung der Netzkraft denkbar,
es sollte jedoch beachtet werden, dass zahlreiche alternative Elemente
(insbesondere Nickel, Zink und/oder Kombinationen davon mit und
ohne Germanium) ebenfalls als zur Verwendung geeignet gelten und
zu insbesondere denkbaren Elementen gehören diejenigen, die intermetallische
Komplexe mit dem Metall bilden können,
mit dem die Legierung verbunden ist.
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Versuchsanordnungen,
die mit einem Silizium-Die kon struiert wurden, der mit einem IC-Träger aus
einer Ag-89%Bi-Legierung
verbunden war, zeigten keine sichtbaren Ausfallanzeichen nach 1500
Zyklen thermischer Alterung, was eine weitere Bestätigung der
ermittelten und beobachteten niedrigen Schermodule der denkbaren
Ag-Bi-Legierungen ist. In einem weiteren Satz Versuche wurden denkbare
Legierungen mit einem vernickelten Substrat verbunden. wie aufgrund
des in 10A dargestellten Ni-Bi-Phasendiagramms
zu erwarten, können
an der Grenzfläche
Ni-Lötlegierung,
wie in 10B dargestellt, intermetallische
Komplexe gebildet werden. Analog wurden denkbare Legierungen mit
einem versilberten Substrat verbunden und unter den in 11A und 11B dargestellten
Bedingungen konnte eine Ag-Auslaugung beobachtet werden.
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Mit
verschiedenen Proben wurden Messungen der Verbindungsfestigkeit
durchgeführt
und die Ergebnisse und Durchschnitte der Proben gehen nachstehend
aus Tabelle 5 hervor (MIL-STD-883E Methode 2019.5 verlangt eine
Mindestkraft von 2,5 kg oder ein Vielfaches davon):
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Eine
Zusammenfassung einiger der physikalischen Eigenschaften und Kosten
der denkbaren Legierungen (und vergleichbarer Legierungen) geht
aus 12 hervor, die eindeutig die Vorteile der denkbaren
Legierungen insgesamt gesehen zeigt.
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In
den Versuchsanordnungen und verschiedenen anderen Die-Befestigungsanwendungen
wird das Lot im Allgemeinen als dünner Bogen hergestellt, der
zwischen dem Die und dem Substrat, an das es gelötet werden soll, aufgebracht
wird. Anschließendes
Erwärmen
schmilzt das Lot und bildet die Verbindung. Alternativ kann das
Substrat erwärmt
werden, wonach das Lot als dünner
Bogen, Draht, geschmolzenes Lot oder eine andere Form zur Ausbildung
eines Lottropfens dort, wo der Halbleiter-Die zur Ausbildung der
Verbindung angeordnet wird, aufgebracht wird.
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Beim
Area Array Packaging können
denkbare Lote als Kugel, kleine Vorform, aus Lötpulver hergestellte Paste
oder anderen Formen zur Ausbildung mehrerer Lötstellen, die im Allgemeinen
für diese
Anwendung verwendet werden, aufgebracht werden. Alternativ können denkbare
Lote in Verfahren verwendet werden, die das Plattieren aus einem
Plattierbad, Verdampfen aus der festen oder flüssigen Form, Drucken aus einer
Düse, wie
einem Tintenstrahldrucker, oder Sputtern zur Ausbildung einer Folge
von Löterhebungen
zur Ausbildung der Verbindungen umfassen.
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Bei
einem denkbaren Verfahren werden Kugeln mithilfe eines Flussmittels
oder einer Lötpaste
(Lötpulver
in einem flüssigen
Vehikel) zum Festhalten der Kugeln bis zu deren Erwärmen, um
an die Einheit zu binden, auf Pads auf einer Einheit aufgebracht.
Die Temperatur kann entweder derart sein, dass die Lotkugeln schmelzen,
oder die Temperatur kann unterhalb des Schmelzpunkts des Lots liegen,
wenn die Lötpaste
einer Zusammensetzung mit niedrigerem Schmelzpunkt verwendet wird.
Die Einheit mit den befestigten Lotkugeln wird dann unter Zuhilfenahme
eines Lötmittels
oder einer Lötpaste
mit einem Area Array auf dem Substrat ausgerichtet und unter Ausbildung
der Verbindung erwärmt.
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Zu
einem bevorzugten Verfahren zum Befestigen eines Halbleiter-Dies
an einer Einheit oder einer gedruckten Leiterplatte gehört die Ausbildung
von Loterhebungen durch Aufdrucken einer Lötpaste durch eine Maske, Verdampfen
des Lots durch eine Maske oder Plattieren des Lots auf einen Array
leitfähiger
Pads. Die mittels derartiger Techniken ausgebildeten Erhebungen
oder Säulen
können
entweder eine homogene Zusammensetzung darstellen, sodass die gesamte
Erhebung oder Säule
beim Erwärmen
unter Ausbildung der Verbindung schmilzt, oder in der Richtung rechtwinklig
zur Oberfläche
des Halbleiter-Dies inhomogen sein, sodass nur ein Teil der Erhebung
oder Säule
schmilzt.
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Somit
wurden spezifische Ausführungsformen
und Anwendungen für
bleifreie Lote offenbart. Für Fachleute
sollte es jedoch offensichtlich sein, dass neben den bereits beschriebenen
zahlreiche weitere Modifikationen möglich sind, ohne dabei von
den erfindungsgemäßen Konzepten
abzuweichen. Der Gegenstand der Erfindung ist somit nur durch den
Geist der anhängenden
Ansprüche
begrenzt. Außerdem
sollten alle Begriffe bei der Auslegung sowohl der Beschreibung
als auch der Ansprüche
auf die am weitesten gefasste Weise, die mit dem Kontext vereinbar
ist, ausgelegt werden. Insbesondere sollten die Begriffe "umfasst" und "umfassend" so ausgelegt werden,
dass sie sich nicht ausschließend
auf Elemente, Bestandteile oder Schritte beziehen, wodurch angezeigt
wird, dass die genannten Elemente, Bestandteile oder Schritte vorhanden
sein oder verwendet wer den oder mit anderen Elementen, Bestandteilen
oder Schritten kombiniert werden können, auf die nicht ausdrücklich Bezug
genommen ist.
