DE68911649T2

DE68911649T2 - Verbinden von metallischen Oberflächen.

Info

Publication number: DE68911649T2
Application number: DE68911649T
Authority: DE
Inventors: James Robert Wilcox; Charles Gerard Woychik
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1988-10-12
Filing date: 1989-09-12
Publication date: 1994-06-23
Anticipated expiration: 2009-09-13
Also published as: JPH02117772A; JPH0238309B2; EP0365807B1; DE68911649D1; EP0365807A1

Description

Die vorliegenden Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren, durch das metallische Oberflächen miteinander verbunden werden, und es befaßt sich insbesondere mit einem Verfahren, das kein Flußmittel benötigt. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung befaßt sich mit einem Prozeß zum Verbinden von metallischen Oberflächen, bei dem verschiedene Metalle eines eutektischen Systems auf die zu verbindenden Oberflächen aufgebracht und die Metalle dann bei einer Temperatur oberhalb der Eutektikumstemperatur verbunden werden. Der Prozeß der vorliegenden Erfindung eignet sich besonders zum Verbinden von metallischen Anschlüssen wie Kupferanschlüssen auf elektronischen Bauteilen wie Halbleiterchips, Halbleiterchips tragenden Modulen, oberflächenmontierten elektronischen Bausteinen und dergleichen mit Anschlußflächen aus Kupfer auf einer elektronischen Bausteingruppe der zweiten Stufe wie einer Printplatte oder einer gedruckten Schaltkarte.
Bei vielen Produkten und Anwendungen müssen zwei metallische Oberflächen miteinander verbunden werden. Beispielsweise bei der Herstellung der heutigen elektronischen Bausteine ist es notwendig, elektrisch leitende metallische Verbindungsanschlußflächen wie Kupfer-Verbindungsanschlußflächen miteinander zu verbinden. Beispielsweise müssen die Kupferanschlüsse auf einem elektronischen Bauteil wie einem Halbleiterchip, einem Halbleiterchips tragenden Modul oder einem oberflächenmontierten elektronischen Baustein mit einer entsprechenden Kupfer-Verbindungsanschlußfläche auf einer elektronischen Bausteingruppe der zweiten Stufe wie einer Printplatte oder einer gedruckten Schaltkarte verbunden werden. Die im allgemeinen verwendeten Verfahren sind herkörnmliche Oberflächenlöttechniken, die es normalerweise erforderlich machen, daß an den gewünschten Verbindungsstellen sowohl ein Lötmetall oder eine Lötpaste als auch ein Lötflußmittel für den Lötvorgang vorliegen. Außerdem ist die Verwendung herkömmlicher Löttechniken aufgrund der Möglichkeit von Lötbrücken zwischen dicht beieinanderliegenden benachbarten Anschlußflächen (d. h. elektrischer Kurzschluß zweier benachbarter Anschlußflächen durch Lötmetall) nicht wünschenswert.
Vor kürzerer Zeit wurde ein Verfahren zum Verbinden von zwei metallischen Oberflächen vorgeschlagen, das als "temporäre flüssige Phase" zitiert wird. Das "Verbinden durch eine temporäre flüssige Phase" verwendet insbesondere das Aufbringen von verschiedenen Metallen eines eutektischen Systems auf die zu verbindenden metallischen Oberflächen. Diese Ablagerungen werden bei einer Temperatur oberhalb der Eutektikumstemperatur verbunden. Durch Diffusion zwischen den zwei eutektischen Komponenten entsteht eine dünne, flüssige Schicht, deren Zusammensetzungsbereich dem Bereich der flüssigen Phase des Phasendiagramms des Eutektikums entspricht. Durch Erstarren dieses dünnen, flüssigen Bereichs werden die metallischen Oberflächen miteinander verbunden. Verglichen mit den herkömmlichen Oberflächenlöttechniken besitzt das Verfahren zum Verbinden mittels einer temporären flüssigen Phase mehrere Vorteile wie den Vorteil, daß der Bereich der flüssigen Metallphase auf die Kontaktfläche der sich verbindenden Substrate begrenzt ist. Außerdem ist der kleinstmögliche Abstand zwischen Substraten nicht durch die Auflösung eines Lötpasten-Siebdruckverfahrens oder hinsichtlich einer Lötbrücke beschränkt. Dadurch wird es wiederum möglich, viel größere Flächendichten bei miteinander verbundenen Metalloberflächen zur Verfügung zu stellen.
Ein besonders signifikantes Problem tritt beim Verbinden von Kupferoberflächen mit Blei-Zinn-Lötmetallen dadurch auf, daß die übermäßige Bildung intermetallischer Kupfer-Zinn-Verbindungen dazu neigt die mechanische Festigkeit der Verbindungen ungünstig zu beeinflussen. Bei einem Verbindungsverfahren mittels einer temporären flüssigen Phase würde das Erstarren der flüssigen Zone, bevor sie das Kupfer erreicht, diese übermäßige Bildung von intermetallischen Verbindungen vermeiden und so für eine verbesserte mechanische Festigkeit der Verbindung sorgen.
Ungeachtet der zahlreichen Vorteile, die durch die Verwendung eines Verbindungsverfahrens mittels einer temporären flüssigen Phase erzielt werden können, bestehen gewisse Schwierigkeiten hinsichtlich der geeigneten Realisierung des Verfahrens. Beispielsweise müssen sich die zu verbindenden Oberflächen in innigem Kontakt miteinander befinden, wozu glatte, ebene oxidfreie Oberflächen nötig sind, um an allen Stellen für den nötigen Metall-Metall-Kontakt zu sorgen. Beispielsweise bilden Komponenten, die nicht kurz nach dem Aufbringen des Metalls verbunden werden, eine Oxidschicht, die dann als Diffusionssperre wirkt und dadurch die gewünschte Verbindung verhindert. Dies verdeutlicht die Notwendigkeit zeitlicher Einschränkungen bei der Lagerung der zu verbindenden, beschichteten metallischen Substrate vor dem Verbindungsverfahren und/oder die Notwendigkeit zur Entfernung von Oxidschichten.
Um die unvermeidliche Oberflächenrauhigkeit auszugleichen, muß das vorgeschlagene Verbinden mittels einer temporären flüssigen Phase unter Druckausübung durchgeführt werden, um sicherzustellen, daß die zu verbindenden Oberflächen den nötigen innigen Kontakt besitzen. Daher ist dieses Verbindungsverfahren auf diejenigen Komponenten beschränkt, bei denen die sich verbindenden Oberflächen komprimiert werden können, und es schließt die Verwendung bleifreier Komponenten aus, sofern nicht die Komponente selbst dem Verbindungsdruck standhalten kann.
Da sich die anfängliche flüssige Zone während der Verbindung mit einer sehr großen Geschwindigkeit bildet, ist es sehr schwierig, ein kontrolliertes Erstarren richtig zu bewirken. Bei herkömmlichen Heiz- oder Schmelzverfahren beispielsweise verbraucht die flüssige Zone im allgemeinen beide Überzugsschichten auf den metallischen Substraten.
Die vorliegende Erfindung ist in Anspruch 1 niedergelegt und befaßt sich mit einem Verfahren zur Verbindung zweier metallischer Oberflächen, das ohne Flußmittel und ohne übermäßige Bildung intermetallischer Phasen durchgeführt werden kann und die Möglichkeit von Lötbrücken verringert.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung befaßt sich insbesondere mit einem verbesserten Verfahren zum "Verbinden mittels einer temporären flüssigen Phase".
Die vorliegende Erfindung überwindet sowohl die oben diskutierten Probleme hinsichtlich der gewöhnlichen Verbindungstechniken mit einer temporären flüssigen Phase, während sie gleichzeitig die Vorteile dieser Technik gegenüber dem herkömmlichen Oberflächenlöten beibehält.
Die vorliegende Erfindung befaßt sich insbesondere mit dem Verbinden zweier metallischer Oberflächen durch Beschichten beider metallischer Oberflächen mit einer Schicht aus einem ersten Material, gefolgt von einer Schicht aus einem zweiten, anderen Material. Das zweite, andere Material berührt die Schicht aus dem ersten Material, und das erste Material und das zweite, andere Material müssen aus einem binären System sein (binäres System bezieht sich auf die Verwendung reiner Metalle und/oder Legierungen), das ein eutektisches Verhalten wie Pb-Sn oder Sn- Bi aufweist. Die Schichten aus dem zweiten, anderen Material auf beiden metallischen Substraten werden miteinander in Kontakt gebracht, und dann werden die Schichten über die Eutektikumstemperatur der Materialien erhitzt, um eine lokalisierte Flüssigkeit zu bilden, die beim Erstarren zu einer Verbindung der zwei Oberflächen führt.
Figur 1a zeigt schematisch die erfindungsgemäße Verwendung einer Zwischenschicht, deren Oberfläche (auf einem bleireichen Kern) mit Sn beschichtet ist und die zwischen zwei Sn-beschichteten Oberflächenanschlußflächen aus Kupfer liegt.
Figur 1b zeigt einen erfindungsgemäßen Vielschichten- Aufbau auf beiden Seiten der zusammengehörigen Oberflächen.
Figuren 2a-2e zeigen schematisch Veränderungen von Zusammensetzung und Phase, die während des Verbindungsverfahrens bei einem stellvertretenden eutektischen System (Pb-Sn), das beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird, auftreten.
Figur 3 ist eine schematische Darstellung eines Geräts, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist insbesondere zur Verbindung jener metallischen Substrate, die normalerweise eine Löttechnik erfordern, und insbesondere für metallische Oberflächen, die in qualitativ hochwertigen elektronischen Bausteinen verwendet werden, wie Kupferoberflächen einschließlich Kupfer-Verbindungsanschlußflächen beispielsweise beim Zusammenbau elektronischer Bauteile wie elastischen Dünnfilmträgern mit gedruckten Schaltkarten oder Printplatten einsetzbar.
Um die vorliegende Erfindung leichter verstehen zu können, wird auf Figur 1b und die Verwendung von Blei- und Zinnschichten als für die Bildung des Eutektikums bevorzugte Materialien Bezug genommen. Insbesondere bezieht sich das Bezugszeichen 10 auf das zu verbindende metallische Substrat wie Kupfer. Auf jeder der Schichten (10) befindet sich eine Schicht (20) aus einem ersten Material wie Pb oder eine bleireiche Pb-Sn-Legierung. Die typische Dicke der Schicht (20) liegt zwischen etwa 50 um (0,002") und etwa 250 um (0,010"). Diese aufgeschichtete Schicht ist typischerweise eine Legierung aus Pb (2-5%)Sn.
Auf jeder Schicht (20) liegt eine Schicht aus einem zweiten, anderen Material (30). Unter den bevorzugten Gesichtspunkten der vorliegenden Erfindung ist die Schicht (30) Zinn. Das erste und das zweite, andere Material der Schichten werden so gewählt, daß sich an der Grenzschicht zwischen beiden Schichten eine eutektische flüssige Schicht bildet. Schicht (30) ist im allgemeinen nicht so dick wie Schicht (20) und ist gewöhnlich zwischen etwa 25 um (0,001") und etwa 50 um (0,002") dick. Typischerweise ist die Schicht (30) reines Sn mit einer Dicke von etwa 38 um (0,0015"). Natürlich hängen diese relativen Dicken vom der eutektischen Zusammensetzung des jeweils verwendeten Systems - wobei daran erinnert wird, daß reine Metalle nicht erforderlich sind -, der Zusammensetzung der abgeschiedenen Schichten und der gewünschten Endzusammensetzung ab. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel für die Verwendung einer auf einer Bleischicht liegenden Zinnschicht sollte die Zinnschicht unmittelbar nach der Bleiabscheidung abgebracht werden, bevor das Blei einer wesentlichen Oxidation unterliegen kann.
Die Schichten (30) aus dem zweiten, anderen Material auf jeder der metallischen Oberflächen werden miteinander in Kontakt gebracht, und dann wird der Verbund auf eine Temperatur über der Eutektikumstemperatur erhitzt. Im Fall des Blei-Zinn-Eutektikums wird gewöhnlich eine Temperatur zwischen etwa 183,5ºC und etwa 210ºC verwendet. Das Erhitzen auf diese Temperaturen führt zu einer Diffusion der Materialien von Schicht (30) und Schicht (20) ineinander, die an beiden Grenzschichten zwischen Schicht (20) und Schicht (30) beginnt. Eine Diffusion der äußeren Schichten (30) ineinander ist nicht erforderlich.
Während des Verbindens wird ein kleiner Druck ausgeübt, um das oberflächliche Sn-Oxid aufzubrechen. Wenn die Materialien der Schichten (20) und (30) in jeder Schicht ineinanderdiffundieren, wachsen die zwei flüssigen Zonen nach außen, wodurch das Material in Schicht (30), das in den meisten Fällen Sn ist, verbraucht wird. Zusätzlich neigt die Oberflächenspannung der zwei flüssigen Zonen dazu, die einzelnen Schichten zusammenzuziehen (durch die aufgebrochene Sn-Oxid-Schicht) und die Oxide über die geschmolzenen Zonen zu verteilen. Die Verwendung von entweder mechanischem Druck und/oder Ultraschallenergie während des Verbindens ermöglicht jeder beliebigen Oxidschicht auf der Oberfläche der Schichten (30), aufzubrechen und der Flüssigkeit zu gestatten, beide Verbindungsstellen vollständig zu benetzen. Der ausgeübte Druck kann lediglich 7,8 Gramm/mm² pro Anschlußfläche sein.
Die Verwendung vieler Schichten aus verschiedenen Materialien gemäß der vorliegenden Erfindung führt dadurch zu einem Vorteil, daß die Materialien und deren relativen Dicken so gewählt werden können, daß die flüssige Zone selbstbegrenzend ist. Im Blei- Zinn-System beispielsweise kann die relative Dicke der Zinnschicht so gewählt werden, daß die vollständige Homogenisierung der zwei Schichten eine bleireiche Legierung erzeugt. Wenn die flüssige Zone nach außen wächst, erhöht sich der Bleigehalt der Flüssigkeit, und diese Bleianreicherung geht so lange weiter, bis die Zusammensetzung der Flüssigkeit außerhalb des Flüssigkeitsbereichs des Eutektikums liegt. An diesem Punkt erstarrt dann die Flüssigkeit. Das ist vorteilhaft, da das Erstarren bewerkstelligt werden kann, bevor die Flüssigkeit die Kupfersubstrate tatsächlich berührt, wodurch die übermäßige Bildung von intermetallischen Kupfer-Zinn-Phasen vermieden wird.
Der Entstehungsprozeß der flüssigen Phase und die Wiedererstarrung kann bei einer konstanten Temperatur oder in einem konstanten Temperaturbereich oberhalb der Eutektikumstemperatur erfolgen. Diese Temperatur kann lediglich 0,5ºC über der Eutektikumstemperatur liegen, wie sich im Fall des Sn-Pb-Systems herausgestellt hat.
Die Figuren 2a bis 2e zeigen schematisch die verschiedenen Veränderungen in Zusammensetzung und Phase, die während des isothermen Verbindungsverfahrens auftraten. Insbesondere ist für zunehmende Zeiten (t) der Bleigehalt in Prozent in Abhängigkeit des Abstands aufgetragen. Die zinnreiche bzw. bleireiche Phase werden mit α bzw. β bezeichnet. Die Gleichgewichtszusammensetzungen an den Flüssig-Fest-Grenzen werden durch die Verbindungstemperatur (TB) und das Gleichgewichtsphasendiagramm bestimmt. Die Bereiche stabiler Phasen sind auf der linken Seite der Zusammensetzungsachse gekennzeichnet.
Der Anfangszustand (t&sub0;) (vgl. Figur 2a) besteht insbesondere aus bleireichen Schichten neben den zwei sich berührenden zinnreichen Schichten. Zum Zeitpunkt (t&sub1;) (vgl. Figur 2b) wurden an den Blei/Zinn-Grenzen durch Diffusion zwei flüssige Zonen gebildet. Diese wachsen rasch nach außen, um zum Zeitpunkt (t&sub2;) die ursprünglichen Verbindungsgrenzschichten zu verbrauchen (vgl. Figur 2c). Zum Zeitpunkt (t&sub3;) diffundiert das Blei weiter in die flüssige Zone (vgl. Figur 2d) und macht diese instabil. Zum Zeitpunkt (t&sub4;) (vgl. Figur 2e) nimmt die flüssige Zone solange weiter an Größe ab, bis vollständige Erstarrung eintritt.
Ohne weitere Homogenisierung enthält das Endzusammensetzungsprofil Außenschichten nahe der Zusammensetzung der ursprünglichen Bleischicht und einen Innenbereich nahe der Solidus-Zusammensetzung. Alle Bereiche liegen im Bereich hoher Ermüdungsbeständigkeit mit bleireicher Zusammensetzung.
Wenngleich das obige Verfahren unter besonderer Bezugnahme auf ein eutektisches Blei-Zinn-System beschrieben wurde, ist es genauso auf andere eutektische Systeme wie Zinn-Wismut oder Zinn-Indium anwendbar.
Wie zuvor erörtert, ist die vorliegende Erfindung darüber hinaus besonders beim elektronischen Packen der ersten Stufe von Vorteil, um Chips mit integrierten Schaltkreisen auf Trägern für Chips mit integrierten Schaltungen zu befestigen.
Figur 3 zeigt schematisch ein Gerät, das zur Ausführurg des Verfahrens der vorliegenden Erfindung verwendet werder kann. Diese Figur veranschaulicht die Verwendung eines beispielsweise in Figur 1a gezeigten Vielschichtenaufbaus. Das Bezugszeichen 1 stellt eine evakuierbare Kammer dar. Das Bezugszeichen 2 bezieht sich auf die Metallaufbauten wie Kupfer auf einem keramischen Substrat (2a) (vgl. Figur 1a), die verbunden werden sollen. Die Bezugszeichen 3 und 4 beziehen sich auf verschiedene Schichten wie Zinn bzw. Blei, die die eutektische flüssige Schicht an deren Grenzschicht 5 bilden. Das Bezugszeichen 7 steht für ein Gewicht, das den innigen Kontakt zwischen den aneinandergrenzenden Oberflächen sicherstellt. Das Bezugszeichen 8 steht für eine Haltevorrichtung, um die Metallaufbauten während der Bearbeitung zu erhalten. Das Bezugszeichen 9 steht für ein Thermoelement, um die Temperatur des durch Leitung 12 strömenden Gases zu messen. Das Bezugszeichen 11 steht für eine Ofenvorrichtung, um das durch Leitung 12 strömende Gas zu erhitzen. Dieses Gerät kann natürlich auch dazu verwendet werden, um das Verbinden mittels TLP eines in Figur 1b gezeigten ursprünglichen Vielschichtenaufbaus oder eines beliebigen Aufbaus im Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung zu gestatten.
Das folgende, nicht einschränkende Beispiel wird zur weiteren Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung vorgestellt:
Der in Figur 3 abgebildete Vielschichtenaufbau, bei dem ein verzinntes Bleistück zwischen zinnbeschichteten Kupferstäben liegt, wird in einem Gerät vom in Figur 3 gezeigten Typ einem Inertgas-Schmelzverfahren unterzogen. Eine Kraft von etwa 69 kN/m² (10 psi) (pro Anschlußfläche) (7) wird ausgeübt, um innigen Kontakt zwischen den angrenzenden Oberflächen zu gewährleisten. Die Dicke des knopfähnlichen Bleistücks (4) beträgt vor der Verzinnung etwa 0,5 mm. Der Zinnüberzug (3) auf dem knopfähnlichen Bleistück und den Kupferstäben wird durch Eintauchen in ein Bad aus geschmolzenem Zinn erzielt. Die Kammer wird auf etwa 106,6 kPa (800 mm Hg-Säule) evakuiert. Der Aufbau kann unter Inertgas oder in reduzierender Atmosphäre (Argon + 4% H&sub2;) bei einer Temperatur zwischen 183,5ºC und der Schmelztemperatur von reinem Zinn geschmolzen werden.

Claims

1. Verfahren zum Verbinden zweier metallischer Oberflächen, das folgendes umfaßt:

a) Beschichten jeder der metallischen Oberflächen (10) mit einer Schicht (20) aus einem ersten Material und Beschichten der Schicht (20) mit einer Schicht (30) aus einem zweiten, anderen Material, die die Schicht aus dem ersten Material berührt, wobei das erste Material und das zweite, andere Material aus einem binären Metall- oder Legierungssystem sind, das ein eutektisches Verhalten aufweist;

b) Zusammenbringen der Schicht aus dem zweiten, anderen Material mit jeder der metallischen Oberflächen;

c) dann Erhitzen der Schichten über die Eutektikumstemperatur der Materialien, um dadurch eine lokalisierte Flüssigkeit zu bilden, die die Grenzschicht zwischen den zweiten, anderen Materialien verbraucht, und die dann erstarrt, wobei eine Verbindung zwischen den Oberflächen entsteht.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die metallischen Oberflächen Kupfer sind.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Material Blei oder eine bleireiche Pb-Sn-Legierung, vorzugsweise eine Legierung aus Pb-(2-5%)Sn, enthält.

4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite, andere Material Zinn enthält.

5. Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei das Erhitzen auf eine Temperatur zwischen etwa 183,5ºC und einer Temperatur etwas unterhalb der Schmelztemperatur von reinem Zinn, vorzugsweise auf etwa 210ºC, erfolgt.

6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dicke der Schicht (30) aus dem zweiten, anderen Material kleiner als die Dicke der Schicht (20) aus dem ersten Material ist.

7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dicke der Schicht (20) aus einem ersten Material zwischen etwa 50 um (0,002") und etwa 250 um (0,010") und die Dicke der zweiten Schicht (30) aus einem zweiten, anderen Material zwischen etwa 25 um (0,001") und etwa 50 um (0,002") liegt.

8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schichten unter Druck zusammengefügt werden, um die Verteilung von Sn-Oxiden auf der Grenzfläche zu verbessern.

9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Aufbau während des Schmelzens Ultraschallschwingungen ausgesetzt wird, um die Verteilung des Oxids zu verbessern.

10. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schicht aus dem zweiten, anderen Material unmittelbar nach Beschichten der Oberflächen mit der Schicht aus dem ersten Material aufgebracht wird.