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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Lotzusammensetzungen
des Typs, der bei mikroelektronischen Anwendungen verwendet wird.
Spezieller bezieht sich diese Erfindung auf Lötlegierungen auf Basis Zinn-Blei,
welche auf Silber enthaltenden Dickfilmleitern verwendet werden
und welche das Auslaugen von Silber aus solchen Leitern hemmt, wodurch
die Haftung und Zuverlässigkeit
der Verbindung Lot-Leiter verbessert
wird.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die 1 und 2 stellen
einen Querschnitt durch einen elektronischen Zusammenbau vor bzw. nach
einem Löt-Reflowvorgang dar,
der zum Verbinden einer elektronischen Komponente 10 an
Dickfilmleiter 18 auf einem Substrat 14, welches
aus Aluminiumoxid oder einem anderen für Hybridschaltungsanwendungen geeigneten
Material gebildet ist, durchgeführt
wird. In 1 liegt das Lötmaterial
in Form einer Paste 11 vor, während in 2 die
Lötpaste 11 unter
Bildung einer Lötverbindung 12 aufgeschmolzen
ist. Die Lötverbindung 12 bindet
und verbindet elektrisch eine Lötkontaktfläche 16 auf
der Komponente 10 mit dem Dickfilmleiter 18 auf
dem Substrat 14, wodurch die Komponente 10 mit
dem Substrat 14 elektrisch und mechanisch verbunden wird.
Die Kontaktfläche 16 kann
aus Aluminium gebildet sein, auf welchem eine Unterlöthöckermetallurgie (UBM)
abgelagert ist, oder sie kann aus einem Silber enthaltenden Dickfilmmaterial
gebildet sein. Die Komponente 10 kann ein Chipkondensator,
Chipwiderstand, Varistor, frei liegender integrierter Schaltkreis
(IC), Flip-Chip,
angebauter IC, etc. sein.
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Silber
enthaltende Dickfilmzusammensetzungen wie 20Ag/1Pd/0,3Pt und 99Ag/1Pt
(Gewichtsteile) werden weit verbreitet als Leiter 18 für Hybridschaltungsanwendungen
verwendet. Silber ist ein guter Leiter und hat relativ geringe Kosten
im Vergleich zu anderen Edelmetallen, insbesondere Palladium. Jedoch
kann Silber sich rasch in geschmolzenen Lötlegierungen auflösten, wie
in 2 dargestellt ist, in welcher der Leiter 18 signifikant
dünner
als sein Zustand vor dem Aufschmelzlöten ist. Silberauflösung (oder
Silberauslaugung) kann bewirken, dass das Lot sich von dem beschädigten oder
fehlenden Lötaugenmuster
des Leiters entnetzt. Palladium wurde in dem Gewichtsverhältnis von
etwa 3:1 Ag/Pd (d.h. etwa 25 Gewichtsprozent Palladium) zur Reduzierung
dieses Auslaugeffektes zugesetzt. Höhere Mengen von Palladium sind
effektiver, wobei wiederholt angegeben wurde, dass ein Palladiumgehalt
von etwa 35 Gewichtsprozent die Auflösungsrate um die Hälfte reduziert.
Da jedoch die Kosten von Palladium angestiegen sind, sind die Materialkosten
für AgPd-Leiter teurer
geworden. Als Ergebnis werden AgPd-Zusammensetzungen, welche 25
Gewichtsprozent oder weniger Palladium enthalten, stärker in
der elektronischen Industrie eingesetzt.
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In
Verbindung mit Dickfilmleitern verwendete Lote sind im Allgemeinen
(in Gewicht) das Eutektikum Sn-37Pb, die nahezu eutektische Legierung
Sn-40Pb und das Eutektikum Sn-36Pb-2Ag. Diese Legierungen werden typischerweise
bei Spitzentemperaturen von etwa 205°C bis etwa 240°C für den Zusammenbau
in hybridelektronischen Bauteilen für Kraftfahrzeuge aufgeschmolzen
bzw. reflowed. In einigen Fällen
kann eine so hohe Spitzen-Reflowtemperatur wie ca. 260°C erforderlich
sein. Ein Beispiel ist ein Zusammenbau unter Verwendung einer Lötlegierung
In-50Pb für
Flip-Chip-Löthöcker (nicht
gezeigt) und eine Lötlegierung
Sn-40Pb für die
Lötverbindung 12 von
anderen Komponenten auf dem Substrat 14. Unter diesen Umständen kann
ein doppelter Reflowprozess während
des Zusammenbaus der Karte angewandt werden. Nachteile mit doppeltem Reflowverfahren
schließen
jedoch höhere
Kosten, längere
Verarbeitungszeiten und die Möglichkeit
der Beschädigung
des Flip-Chips ein. Zur Verarbeitung eines Zusammenbaus mit diesen
Lötlegierungen
unter Anwendung eines einzelnen Reflowvorganges ist eine Spitzen-Reflowtemperatur
von etwa 250°C
bis etwa 260°C erforderlich.
Bei diesen Temperaturen wurde starkes Auslaugen von Silber bei Komponentenlötverbindungen mit
Sn-40Pb beobachtet, was eine herabgesetzte Zuverlässigkeit
oder einen teuren Produktionsverlust ergibt. Die Anwesenheit von
Silber in einer Lötverbindung
hat die Fähigkeit,
die Auslaugrate von Silber aus einem Dickfilmleiter, an welche sie
gebunden ist, zu verlangsamen. Jedoch wurden Zugaben von etwa 2
Gewichtsprozent Silber (z.B. der Legierung Sn-36Pb-2Ag) und etwa
2,5 Gewichtsprozent Silber (z.B. Sn-95Pb-2,5Ag) als nicht angemessen
gefunden, um das Auslaugen und die Interdiffusion im Festkörperzustand
in Schaltungen zu verhindern, welche in der Kraftfahrzeugindustrie
verwendet wurden, was erhöhte
Lot-Reflowtemperaturen
und strenges beschleunigtes Testen erfordert. Silberauslaugung und
Interdiffusion im Festkörperzustand können effektiver
mit einer Diffusionssperre reduziert werden, wie einer autokatalytischen
Nickelschicht, welche auf einem Silber enthaltenden Dickfilmleiter
abgelagert ist. Jedoch die zusätzlichen
Verarbeitungskosten und die Komplexität, welche mit einer diskreten
Sperrschicht verbunden ist, sind unerwünscht.
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Da
das Herauslösen
von Silber aus Dickfilmleitern mit einem relativ hohen Silbergehalt
Probleme der Zuverlässigkeit
bewirken kann, sind das Reflowverfahren (Spitzentemperatur und Zeit
oberhalb Liquidus), Leiterfläche
und Leiterdicke kritisch für
die Zuverlässigkeit.
Es wäre
erwünscht,
falls das Auslaugen von Silber aus Dickfilmleitern zur Verbesserung
der Zuverlässigkeit
des Produktes ohne Erhöhung
von Prozess- und
Materialkosten verhindert werden könnte, und zugleich mit dem
Potential für
vereinfachte Verarbeitung.
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Die
EP 0 828 410 betrifft eine
Löttechnik,
welche erhöhte
Zuverlässigkeit
bei erhöhten
Temperaturen durch Reduzierung des Auslaugens von Silber aus einem
Leiter zeigt. Die
EP 0 828 410 beschreibt
Dickfilm-Hybridschaltungen, welche Schaltungskomponenten aufweisen,
die auf Leiter mit einem doppelten Lötverfahren montiert sind, welches
die Hochtemperaturleistungsfähigkeit
solcher Schaltungen verbessert. Die Schaltungskomponente ist an
den Leiter durch eine Lötverbindung
befestigt, welche aus einer ersten Lotschicht, welche über dem
Leiter liegt, besteht, mit welcher die Schaltungskomponente elektrisch
verbunden ist, und eine zweite Lotschicht zwischen der ersten Lotschicht
und der Schaltungskomponente. Die erste und die zweite Lotschicht
haben unterschiedliche Zusammensetzungen, wovon jede Zinn enthält, wobei
jedoch die erste Lotschicht einen niedrigeren Zinngehalt als die
zweite Lotschicht hat. Die angegebenen Lotzusammensetzungen sind
eine Lötlegierung
60Sn-40Pb und eine Lötlegierung
96,5Sn-3,5Ag.
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Die
US 4 622 205 betrifft zunehmenden
Widerstand gegen Elektromigration von Blei/Zinnloten. Die
US 4 622 205 beschreibt
die Reduzierung der Elektromigrationsaktivität und die Verlängerung
der Lebensdauer von Lötverbindungen
an Kupferleiter durch Ausbilden einer im Wesentlichen gleichförmigen Verteilung
einer kleinen Menge eines aufgelösten
Elementes in Legierungen auf Bleibasis, wie einem Blei/Zinnlot.
Angegebene aufgelöste
Elemente schließen
Kupfer, Silber, Gold und Seltenerdelemente ein.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist in ihren verschiedenen Ausführungsformen
wie in den beigefügten
Ansprüchen
angegeben.
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Die
vorliegende Erfindung ist auf eine Zinn-Bleilötlegierung, welche Kupfer und/oder
Nickel enthält
und wahlweise Silber, Palladium, Platin und/oder Gold als ihre Legierungsbestandteile
gerichtet. Die Lötlegierung besteht
im Wesentlichen aus, in Gewicht, etwa 5% bis etwa 70% Zinn, etwa
0,5% bis etwa 10% Kupfer und/oder Nickel und bis zu etwa 4% Silber,
Palladium, Platin und/oder Gold, wobei der Rest Blei und zufällige Verunreinigungen
ist. Gemäß der Erfindung
hat die Anwesenheit von Kupfer und/oder Nickel in einer Zinn-Bleilötlegierung
den günstigen
Einfluß,
die Auflösung
und das Auslaugen von Silber aus einem Silber enthaltenden Dickfilmleiter
in die geschmolzene Lötlegierung
während
des Reflowvorganges zu hemmen, der sonst zum Ausdünnen oder
sogar zur vollständigen
Auflösung
des Leiters führen
würde.
Zusätzlich
bilden die Lötverbindungen,
welche aus der Lötlegierung
geformt sind, eine Diffusionssperrschicht von CuSn- und/oder NiSn-intermetallischen
Verbindungen (IMC's)
an der Grenzfläche
zwischen der Lötverbindung
und dem Leiter, was Interdiffusion im Festkörperzustand zwischen Silber
aus dem Leiter und Zinn aus der Lötverbindung hemmt. Bemerkenswerterweise
wird jedes dieser Merkmale der Erfindung unabhängig von dem Silbergehalt in
der Lötlegierung
erreicht, so dass Silber ein wahlweiser Bestandteil der Legierung
ist.
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Bestimmte
Lötlegierungen
dieser Erfindung scheinen eutektisch zu sein, und dadurch sind sie
durch eine echte Schmelztemperatur gekennzeichnet, während andere
nicht-eutektisch
sind und daher durch unterschiedliche Solidus- und Liquidustemperaturen
gekennzeichnet sind. Die nicht- eutektischen
Legierungen haben eine Solidustemperatur nahe bei den Schmelztemperaturen
der eutektischen Legierungen, und sie können eine Liquidustemperatur
von bis zu etwa 470°C
haben. Jedoch ist der von den nicht-eutektischen Legierungen gezeigte
Schmelzmechanismus derart, dass im Wesentlichen alle innerhalb eines
schmalen Temperaturbereiches geschmolzen sind, und daher werden
sie so bezeichnet, dass sie eine "effektive Schmelztemperatur" haben, in welcher
die Legierung sich vergleichbar zu den eutektischen Legierungen
verhält,
obwohl ihre tatsächlichen
Liquidustemperaturen beträchtlich
höher sind.
Legierungen dieser Erfindung, welche bis zu 10 Gew.-% Kupfer enthalten,
haben gezeigt, dass sie bei sehr viel niedrigeren Temperaturen als
ihren tatsächlichen
Liquidustemperaturen aufschmelzen in dem Ausmaß. dass diese Zusammensetzungen
so behandelt werden können,
als ob sie Spitzen-Reflowtemperaturen
bzw. Aufschmelztemperaturen von so niedrig wie 205°C erfordern,
dass sie dennoch in geeigneter Weise bei so hohen Temperaturen wie
260°C ohne
Herbeiführung
von übermäßigem Auslaugen
von Silber aufgeschmolzen bzw. reflowed werden können.
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Andere
Gegenstände
und Vorteile dieser Erfindung ergeben sich besser aus der folgenden
detaillierten Beschreibung.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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1 stellt
eine Querschnittsansicht eines elektronischen Zusammenbaus unmittelbar
vor dem Lot-Reflowverfahren dar.
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2 stellt
eine Querschnittsansicht einer Lötverbindung
dar, welche sich aus dem Reflowverfahren des Zusammenbaus von 1 ergibt,
wenn eine Lötlegierung
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
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3 stellt
eine Querschnittsansicht einer Lötverbindung,
resultierend aus dem Reflow des Zusammenbaus von 1 bei
Verwendung einer Lötlegierung
entsprechend der vorliegenden Erfindung, dar.
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Die 4 bis 7 sind
gescannte Bilder von Oberflächen
von Silber enthaltenden Dickfilmleitern, auf welchen Lote auf Basis
SnPb aufgeschmolzen bzw. reflowed wurden, und sie sind für die Anwesenheit
und das Fehlen von Fehlern, welche durch Silberauslaugung während des
Reflowverfahrens hervorgerufen werden, repräsentativ.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung ist eine Verbesserung gegenüber Lötlegierungen auf Basis von
SnPb und SnPbAg, welche typischerweise zum Verbinden von oberflächenmontierten
Einrichtungen in Hybridschaltungsanordnungen verwendet werden. Die
verbesserte Lötlegierung
enthält
Kupfer und/oder Nickel in einer ausreichenden Menge, um die Auflösung von
Silber aus einem Silber enthaltenden Dickfilmleiter in die geschmolzene
Legierung während
des Löt-Reflowverfahrens
zu hemmen, wobei dies ein bekannter Einfluß auf die Zuverlässigkeit als
Folge der Verdünnung
oder vollständigen
Auflösung
des Leiters ist. Erhöhte
Zuverlässigkeit
aus dem Unterdrücken
der Auflösung
von Silber wird selbst dann erreicht, wenn Spitzen-Reflowtemperaturen
von etwa 260°C
angewandt werden. Im Anschluß an
den Reflowvorgang behält
die verbesserte Lötlegierung
die Zuverlässigkeit
der Verbindung als Ergebnis der Ausbildung von IMC-Ausscheidungen bei,
welche die Interdiffusion im Festkörperzustand zwischen der Lötverbindung
und dem Leiter hemmen. Mehr spezifisch, die IMC-Ausscheidungen bilden
eine Schicht an der Grenzfläche
Verbindung-Leiter, welche die Interdiffusion von Silber aus dem
Silber enthaltenden Leiter und Zinn aus der Lötverbindung verlangsamt, das
Ergebnis hiervon würde
zu einem Verlust der Haftung zwischen dem Leiter und dem darunter
liegenden Substrat führen.
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3 stellt
eine Lötverbindung 22 dar,
welche gebildet wird, wenn eine Lötlegierung dieser Erfindung in
dem Schaltungszusammenbau, der in 1 dargestellt
ist, verwendet wird. Beim Vergleich von 3 zu der 2 des
Standes der Technik ist ersichtlich, dass der Silber enthaltende
Leiter 18 in 3 nicht dünner geworden oder in anderer
Weise an Silber verarmt ist als Ergebnis der Lötverbindung 22, welche
eine ausreichende Menge von Kupfer oder Nickel enthält, um das
Auslaugen von Silber während
des Reflowvorganges zu verhüten. 3 stellt
ebenfalls IMC-Ausscheidungen dar, welche von der Lötlegierung
dieser Erfindung gebildet wurden, und welche längs der Grenzfläche zwischen
der Lötverbindung 22 und
dem Dickfilmleiter 18 ausgeschieden wurden, wie durch die
dünne IMC-Schicht 26 in 3 dargestellt
ist, ebenfalls innerhalb der Masse der Lötverbindung 22 und
an der Grenzfläche
der Lötverbindung 22 mit
der Lötkontaktfläche 16,
wie durch die dünne
IMC-Schicht 24 in 3 dargestellt
ist. Das Ergebnis ist effektiv eine Diffusionssperrschicht, von
welcher festgestellt wurde, dass sie die Interdiffusion im Festkörperzustand
von Silber aus dem Leiter 18 und Zinn aus der Lötverbindung 22 (und/oder
die Interdiffusion im Festkörperzustand
von Zinn aus der Lötverbindung 22 und
Silber aus der Lötkontaktfläche 16,
falls aus einem Silber enthaltenden Material gebildet) während den
Expositionen bei hohen Temperaturen, welche während der Verarbeitung des
nachfolgenden Zusammenbaus und dem Service auftreten können, hemmt.
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Die
obigen Vorteile, welche durch diese Erfindung möglich sind, wurden mit Legierungen
auf Basis Sn-Pb erreicht, welche in Gewicht enthalten: wenigstens
0,5% bis etwa 10% Kupfer und wahlweise bis zu etwa 4% Silber. Der
Rest der Legierungszusammensetzung ist in Gewicht etwa 5% bis etwa
70% Zinn und Rest Blei und zufällige
Verunreinigungen. Gemäß der Erfindung
wird angenommen, dass Nickel in geeigneter Ersatz für eine gewisse
Menge oder die Gesamtmenge des Kupfergehaltes in der Legierung wegen
der ähnlichen
physikalischen und chemischen Eigenschaften, die Nickel bei Lötanwendungen
zeigt, ist. Zusätzlich
wird angenommen, dass Palladium, Platin und/oder Gold als Ersatzstoff/stoffe
für einen
beliebigen Silbergehalt in der Legierung sind. Falls Kupfer der
gewählte
Zusatz zum Hemmen der Silberauflösung
und der Diffusion im Festkörperzustand
ist, kann Nickel als ein Ersatzstoff für Silber, Palladium, Platin
und/oder Gold in der Lötlegierung vorliegen.
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Zwei
eutektische oder nahe-eutektische Zusammensetzungen, Sn-36Pb-2Cu
und Sn-35Pb-2Ag-2Cu, wurden innerhalb der oben angegebenen Zusammensetzungsbereiche
identifiziert. Jede dieser Zusammensetzungen ist durch Schmelztemperaturen
von etwa 183,0°C
bzw. 178,3°C
gekennzeichnet, und daher gleich wie die oder sehr nahe bei den
Schmelztemperaturen des Eutektikums Sn-37Pb (183,0°C) und Sn-36Pb-2Ag (178,8°C). Andere
Legierungen innerhalb der oben angegebenen Zusammensetzungsbereiche
sind nicht-eutektisch und daher durch unterschiedliche Solidus-
und Liquidustemperaturen gekennzeichnet. Die nicht-eutektischen
Legierungen haben eine Solidustemperatur nahe bei den Schmelztemperaturen
der eutektischen Legierungen, jedoch haben sie Liquidustemperaturen
weit oberhalb der Spitzen-Reflowtemperatur von 250°C, welche
für viele
Reflowverfahren erforderlich ist. Dennoch haben mit Ausnahme ihrer
IMC's nicht-eutektische Legierungen
dieser Erfindung, welche so viel wie 10 Gewichtsprozent Kupfer enthalten,
gezeigt, dass sie innerhalb eines sehr schmalen Temperaturbereiches
nahe bei ihren Solidustemperaturen schmelzen. Unter sehr sorgfältiger Prüfung von
Differentialabtastkalorimetrie (DSC) – Werten für diese Legierungen wurden
deren tatsächliche
Liquidustemperaturen so identifiziert, dass sie bei Temperaturen
von bis zu etwa 470°C
auftreten, abhängig
vom Kupfergehalt. Jedoch ermöglicht
die Menge und die Verteilung der IMC's, dass die Legierungen dieser Erfindung
innerhalb eines "effektiven" Schmelzbereiches
dem Reflowverfahren unterzogen werden, welches die Verwendung von
Spitzen-Reflowtemperaturen von so niedrig wie 205°C bis zu
etwa 260°C,
abhängig
von Legierungszusammensetzung, erlaubt. Als solche können Legierungen
dieser Erfindung bei Spitzentemperaturen dem Reflowverfahren unterworfen
werden, welche für
eine Vielzahl von Hybrid-Schaltungsanwendungen geeignet sind.
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Für SnPb-
und SnPbAg-Legierungen, welche Kupfer entsprechend dieser Erfindung
enthalten, wurden zwei CuSn-IMPC's,
Cu6Sn5 und Cu3Sn, oberhalb der Solidustemperaturen der
Legierungen identifiziert. Wegen der Zusammensetzungen und der sehr
beschränkten
Mengen dieser IMS's
ist ihre Auflösung/ihr Schmelzen
in den Legierungen nicht leicht offensichtlich, falls nicht das
Schmelzverhalten der Legierungen sehr sorgfältig geprüft wird. In jedem Fall haben
Untersuchungen, welche zu dieser Erfindung führten, gezeigt, dass SnPb-
und SnPbAg-Legierungen, welche bis zu 10 Gewichtsprozent Kupfer
enthalten, bei Temperaturen sehr viel niedriger als ihren tatsächlichen
Liquidustemperaturen bis zu dem Ausmaß aufschmelzen, dass diese Zusammensetzungen
als eutektische Zusammensetzungen mit sehr geringen Mengen von Cu6Sn5- oder Cu3Sn-IMC-Teilchen, welche in dem flüssigen Lot
während
des Reflowvorganges suspendiert sind, behandelt werden können. Jedoch
enthalten Legierungen dieser Erfindung ausreichende Mengen von Kupfer,
so dass CuSn-IMC's
ausscheiden unter Bildung der IMC-Schicht 26 an der Grenzfläche zwischen
der Lötverbindung 22 und
dem Leiter 18 (3), wie auch an der Lotkontaktfläche (Schicht 24)
und innerhalb der Masse der Lötverbindung 22.
Falls Nickel alleine oder in Kombination mit Kupfer in den Lötlegierungen
dieser Erfindung vorhanden ist, enthalten in ähnlicher Weise IMC-Schichten 24 und 26 und
die Masse der Lötverbindung 22 Nickel-IMC's-Ausscheidungen,
wahrscheinlich Ni3Sn4 oder
Ni3Sn2, abhängig von
der Nickelkonzentration.
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Bei
einer ersten Untersuchung, welche zu dieser Erfindung führte, wurde
ein Reflow-Auslaugversuch zur Bestimmung des Effektes der Zugabe
von Kupfer zu den eutektischen Legierungen Sn-37Pb und Sn-36Pb-2Ag
in Werten des Entnetzens und der Auslaugbeschädigung, welche von Silber enthaltenden
Dickfilmleitern ausgehalten werden, durchgeführt. Die untersuchten Leitermaterialien
waren kommerziell erhältliches
20Ag/1Pd/03,Pt und 3Ag/1Pd (angegeben in Gewichtsteilen), und sie
hatten eine Dicke im gebrannten Zustand von etwa 12 Mikrometer.
Die Lötlegierungen
Sn-37Pb und Sn-36Pb-2Ag wurden als Grundmaterialien untersucht,
während
experimentelle Zusammensetzungen durch Modifizieren dieser Legierungen
formuliert wurden, so dass sie Kupfer in Werten in Gewicht von etwa
0,35%, 0,7%, 1,0%, 1,25, 0,5%, 1,75%, 2,0%, 2,25, 2,5%, 2,75, 3,0%,
3,25% und 3,5% enthalten. Die Lötlegierungen
wurden abgelagert und dann auf den Leitern bei Spitzentemperaturen
von 235°C,
260°C oder
278°C dem
Reflowverfahren unterworfen. 4 und 5 zeigen
sichtbare Auslaugbeschädigung
auf einem Leiter 20Ag/1Pd/0,3Pt, hervorgerufen durch Reflowbehandlung
der Ausgangslötlegierungen
Sn-37Pb und Sn-36Pb-2Ag
bei 235°C
Spitzen-Reflowvorgang. 6 zeigt, dass sichtbare Auslaugbeschädigung ebenfalls
auftrat, wenn die experimentelle Legierung Sn-37Pb-0,35Cu auf einem
Leiter 20Ag/1Pd/0,3Pt bei 235°C
Spitzen-Reflowvorgang aufgeschmolzen wurde. Jedoch trat keine Auslaugbeschädigung auf,
wenn experimentelle Reflow-Lötlegierungen,
welche 0,7% oder mehr Kupfer enthielten, auf einem Leiter 20Ag/1Pd/0,3Pt
bei 235°C
Spitze aufgeschmolzen wurden, wie in 7 ersichtlich
ist.
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Ergebnisse
der Tests auf Reflowauslaugen auf den Leitern 20Ag/1Pd/0,3Pt und
3Ag/1Pd sind unten in den Tabellen I bzw. II zusammengefaßt. 4, 5 und 6 sind
repräsentativ
für solche
in den Tabellen I und II angegebenen Leiter, welche als auslaugbesehädigt ("Schädigung") angegeben sind,
wobei in den schwersten Fällen
das Lot vollständig
von dem Leiter entnetzt war und eine Lotkugel bildete. Im Gegensatz dazu
ist 7 repräsentativ
für solche
Leiter, welche in den Tabellen I und II als frei von Auslaugbeschädigung ("OK") angegeben sind,
wovon jeder mit einer Kupfer enthaltenden SnPb-Lötlegierung dieser Erfindung
erreicht wurde.
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TABELLE
I: Leiter 20Ag/1Pd/0,3Pt
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TABELLE
II: Leiter 3Ag/1Pd
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Aus
den obigen Werten ist ersichtlich, dass Leiter 20Ag/1Pd/0,3Pt gegenüber Auslaugschädigung empfänglicher
waren als die kostspieligeren Leiter 3Ag/1Pd, und dass höhere Mengen
von Kupfer erforderlich waren, um Auslaugschädigung in Leitern mit niedrigeren
Palladiumgehalten und mit zunehmenden Reflowtemperaturen zu verhindern.
Insbesondere traten Auslaugschäden
auf, wenn der Reflowvorgang an Leitern 20Ag/1Pd/0,3Pt bei 235°C durchgeführt wurde,
falls nicht mehr als 0,35 Kupfer in der Lötlegierung vorhanden war. Wenn
der Reflowvorgang bei einer Spitzentemperatur von 260°C durchgeführt wurde,
waren mehr als 0,7% Kupfer erforderlich, um Auslaugschädigung zu
vermeiden, während
mehr als 1% Kupfer erforderlich waren, um Auslaugschädigung zu
vermeiden, wenn der Reflowvorgang bei 278°C durchgeführt wurde. Obwohl die Leiter
3Ag/1Pd gegenüber
Auslaugschäden
signifikant weniger empfänglich
waren, trat dennoch Schädigung
auf, wenn Reflowtemperaturen oberhalb 235°C angewandt wurden. Mit einer
Reflowtempe ratur von 260°C
war mehr als 0,35% Kupfer erforderlich, um Auslaugschäden zu vermeiden,
während
mehr als 1,75% Kupfer erforderlich waren, um Schäden bei den Spitzen-Reflowtemperaturen
von 278°C
zu vermeiden. Bemerkenswerterweise trat Auslaugschädigung nicht
auf, um signifikant durch 2% Silbergehalt des Lotes Sn-36Pb-2Ag
beeinflußt
zu werden, so dass geschlossen wurde, dass Silber ein wahlweiser
Bestandteil der Kupfer enthaltenden Lötlegierungen dieser Erfindung
ist.
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Ein
Reflowversuch und DSC-Analyse wurden angewandt, um den maximalen
zulässigen
Kupfergehalt, der in die eutektischen SnPb- und eutektischen SnPbAg-Legierungen
ohne negative Beeinträchtigung
der Spitzen-Reflowtemperaturen eingebaut werden kann, zu bestimmen.
Der Reflowversuch wurde mit Barren von SnPbCu- und SnPbAgCu-Legierungen
durchgeführt,
hergestellt durch Zugabe von Kupfer zu der geschmolzenen eutektischen
Legierung Sn-37Pb und der geschmolzenen eutektischen Legierung Sn-36Pb-2Ag,
um Kupfergehalte bis zu etwa 20 Gewichtsprozent zu erreichen. Die
geschmolzenen Legierungen wurden auf über etwa 500°C für etwa 30
Minuten erhitzt, um vollständige
Legierungsbildung aller Elemente sicherzustellen. Kleine Stücke wurden
dann von den erhaltenen Barren abgeschnitten, auf Keramiksubstraten
angeordnet, mit einem Flußmittel
vom Typ RMA-Flußmittel
versehen und dann durch einen Reflowofen mit einer Spitzen-Reflowtemperatur
von entweder etwa 215°C
oder etwa 250°C
durchgeschickt. Das verwendete Profil des Reflowvorganges war typisch
für Schaltungszusammenbauprozesse
unter Verwendung der eutektischen Lötlegierungen Sn-37Pb und Sn-36Pb-2Ag.
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Bei
Reflowtemperaturen von etwa 215°C
wurde gefunden, dass die eutektischen Grundlegierungen und solche
Legierungen, welche bis zu einem Gehalt von etwa 4 Gew.-% Kupfer
modifiziert worden waren, vollständig
aufschmolzen, wobei cha rakteristische kugelförmige Lotkugeln gebildet wurden,
während
Legierungen, welche 6 Gew.-% Kupfer oder mehr enthielten, nicht
vollständig
aufschmolzen. Bei Reflowtemperaturen von etwa 250°C wurde gefunden,
dass die eutektische Grundlegierungen und solche Legierungen, welche bis
zu einem Gehalt von bis zu 10 Gew.-% Kupfer modifiziert waren, vollständig aufschmolzen,
wobei wiederum charakteristische kugelförmige Lotkugeln gebildet wurden,
während
Legierungen, welche 12 Gew.-% Kupfer oder mehr enthielten, nicht
vollständig
aufschmolzen. Die Solidus- und Liquidustempaturen von Barren, welche
bis zu etwa 10 Gew.-% Kupfer enthielten, wurden mittels DSC-Analyse,
durchgeführt
bis etwa 500°C, bestimmt,
die Ergebnisse hiervon sind in der Tabelle III unten zusammengefaßt. TABELLE
III
- * Die Liquidustemperaturen dieser Legierungen
können
oberhalb 500°C
liegen, wobei dies der obere Grenzwert des Bereiches der DSC-Analyse
war.
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Alle
Kupfer enthaltenden Legierungen zeigten einen sehr schmalen Schmelzbereich,
um entweder 183°C
oder 179°C,
wobei dies die Schmelztemperaturen für die eutektischen Legierungen
SnPb bzw. SnPbAg sind. Bei der Zugabe von etwa 4 Gew.-% Kupfer erschien
ein schmaler Peak in den DSC-Kurven bei ungefähr 330°C bis 340°C. Fortschreitend größere Peaks
wurden mit Legierungen beobachtet, welche zunehmend höhere Kupfergehalte
enthielten. Es wurde geschlossen, dass diese Peaks von dem Schmelzen
der CuSn-IMC's in
der Masse der Lötlegierungen
auftraten. Für
Kupferzugaben von etwa 2 bis 6 Gew.-% war die vorwiegende IMC in
der pro-eutektischen Phase Cu6Sn5, während
Cu3Sn bei Kupferzugaben oberhalb 6 Gew.-%
zu erscheinen begann, was eine Mischung von Cu6Sn5 und Cu3Sn in der
proeutektischen Phase ergibt.
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Die
obigen Ergebnisse stehen im Gegensatz zu dem konventionellen Wissen,
dass Spitzen-Reflowtemperaturen 20°C bis 50°C über der Liquidustemperatur
der Lötlegierung
sein muß.
Beispielsweise wurde durch DSC-Analyse bestimmt, dass die Legierung
61Sn-35Pb-4Cu eine Liquidustemperatur von 337,1°C hat, jedoch wurde gefunden,
dass eine Probe dieser Legierung vollständig bei 215°C aufschmolz.
In gleicher Weise wurde bestimmt, dass die Legierung 56Sn-32Pb-2Ag-10Cu
eine Liquidustemperatur von 324,8°C
hat, dennoch wurde gefunden, dass sie bei 250°C vollständig aufschmolz. Wie sich aus
den DSC-Diagrammen ergibt, existierte nur eine Spurenmenge von CuSn-IMC's oberhalb der Schmelztemperaturen
der eutektischen Zusammensetzungen SnPb und SnPbAg. Die Mengen der
CuSn-IMC's waren
beschränkt
und quantitative Analyse konnte nicht genau durchgeführt werden.
Es wurde geschlossen, dass die kleinen Mengen von CuSn-IMC's erklären könnten, warum
Legierungen, die bis zu 10 Gewichtsprozent Kupfer enthielten, bei
Temperaturen weit unterhalb ihrer Liquidustemperaturen aufgeschmolzen
werden konnten. Für
praktische Zwecke können
alle der ge testeten Kupfer enthaltenden Zusammensetzungen als eutektische
Zusammensetzungen mit sehr geringen Mengen von Cu6Sn5- oder
Cu3Sn-IMC-Teilchen, die in dem flüssigen Lot
während
des Aufschmelzens bei einer Spitzentemperatur zwischen 205°C und 250°C suspendiert
sind, behandelt werden. Anders ausgedrückt, es wird angenommen, dass
Merkmale des geschmolzenen Lotes wie Benetzen, Oberflächenspannung,
etc. im Wesentlichen unter Bedingungen des Reflowverfahrens im Industriestandard
unverändert
bleiben.
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Basierend
auf den oben gemachten Ausführungen
wurde gezeigt, dass die Löslichkeit
von Silber als Hauptkomponente von Dickfilmleitern in flüssigen Loten
auf Basis SnPb eine Funktion von Temperatur und Kupferkonzentration
sind, wobei die Löslichkeit
durch Erhöhung
der Kupferkonzentrationen stark reduziert wird, so dass Silberauslaugen
aus einem Silber enthaltenden Leiter während des Reflowvorganges signifikant gehemmt
wird. Basierend auf metallurgischen Untersuchungen der aus Kupfer
enthaltenden Lötlegierungen SnPb
und SnPbAg gebildeten Lötverbindungen,
wurde festgestellt, dass Kupfer intermetallische CuSn-Verbindungen
längs der
Grenzfläche
zwischen der Lötverbindung
und dem Leiter sich ausscheidet. Es wurde geschlossen, dass intermetallische
CuSn-Schicht als eine Diffusionssperre wirkt, welche die Interdiffusion
im Festkörperzustand
während
Expositionen gegenüber
hohen Temperaturen, wie sie im Gebrauch wie auch beim beschleunigten
Test auf Zuverlässigkeit
auftreten würden,
verlangsamt. Durch Hemmen der Interdiffusion im Festkörperzustand
wird Entlaminierung eines Silber enthaltenden Leiters verhindert,
wodurch die Zuverlässigkeit
der Lötverbindung
erhöht
wird.
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Basierend
auf solchen untersuchten Legierungen wurde geschlossen, dass Kupfergehalte
von so niedrig wie etwa 0,5 Gewichtsprozent in der Lage sein sollten,
das Auslaugen von Silber aus Leitern auf Basis AgPd, welche weniger
als 25 Ge wichtsprozent Palladium enthalten (z.B. 20Ag/1Pd/0,3Pt)
zu verhüten,
falls Spitzen-Reflowtemperaturen unterhalb 260°C angewandt werden. Erhöhen der
Reflowtemperaturen erfordert höhere
Kupfergehalte, obwohl die erforderliche Zunahme des Kupfers teilweise
weggelassen werden kann, falls ein Leiter auf Basis AgPd, der wenigstens
etwa 25 Gew.-% Palladium enthält
(z.B. 3Ag/1Pd), verwendet wird. Darüber hinaus wird angenommen,
dass so hohe Kupfergehalte wie etwa 10 Gewichtsprozent geeignete Reflowcharakteristika
bei Spitzentemperaturen von so hoch wie 278°C zeigen. Da nicht offensichtlich
wurde, dass Auslaugschäden
signifikant durch den Silbergehalt beeinflußt werden, wurde angenommen,
dass Silber in Mengen bis zu 4 Gewichtsprozent ein wahlweiser Bestandteil
der Kupfer enthaltenden Lötlegierungen
dieser Erfindung sind. Im Folgenden werden Beispiele von Lötlegierungen
gegeben, welche als besonders geeignet aufgrund der oben angeführten Untersuchungen
angesehen werden.
Legierung | Reflowbereich |
62Sn-37Pb-1Cu | 210–235°C |
62Sn-36Pb-2Cu | 210–235°C |
25Sn-73Pb-2Cu | 290–310°C |
10Sn-88Pb-2Cu | 330–350°C |
5Sn-93Pb-2Cu | 330–350°C |
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Obwohl
die Erfindung anhand von bevorzugter Ausführungsform beschrieben wurde,
ist es offensichtlich, dass andere Formen vom Fachmann auf dem Gebiet
angewandt werden können.
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Obwohl
die Untersuchung sich auf Zugaben von Kupfer konzentrierte, wird
beispielsweise angenommen, dass Nickel ein geeigneter Ersatzstoff
für eine
gewisse Menge oder die Gesamtmenge des Kupfergehaltes in der Legierung
wegen der vergleichbaren physikalischen und chemischen Eigenschaften,
die Nickel bei Lötanwendungen
zeigt, ist. Zusätzlich
gilt, dass, obwohl Legierungen mit einem Gehalt an Silber untersucht wur den,
angenommen wird, dass Palladium, Platin und/oder Gold als Ersatzstoff/stoffe
für einen
beliebigen Silbergehalt in der Legierung geeignet sind.
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Darüber hinaus
gilt, dass, falls die Legierung Kupfer für Zwecke der Hemmung der Silberauflösung und Interdiffusion
im Festkörperzustand
enthält,
Nickel dennoch als Ersatzstoff für
Silber, Palladium, Platin und/oder Gold in der Lötlegierung vorhanden sein kann.
Daher ist der Umfang der Erfindung nur durch die folgenden Ansprüche beschränkt.