DE69322994T2

DE69322994T2 - Verfahren zum Löten

Info

Publication number: DE69322994T2
Application number: DE69322994T
Authority: DE
Inventors: Mindaugas Fernand Alburtis Pennslvania 18011 Dautartas
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1992-05-01
Filing date: 1993-04-22
Publication date: 1999-08-05
Anticipated expiration: 2013-04-23
Also published as: EP0569166A1; EP0569166B1; ES2128392T3; KR930023107A; DE69322994D1; KR970009004B1; SG46211A1

Description

Allgemeiner Stand der Technik

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft Lötverfahren.

Beschreibung des Standes der Technik

Löten stellt eine wohlbekannte Methode zur Befestigung von Metalleinzelteilen auf dauerhafte Weise dar. Lötmaterial muß dazu in der Lage sein, zu von metallurgischen Bondverbindungen mit den zwei miteinander zu verbindenden Basismetallen. Der Bondverbindungsprozeß führt zur Bildung einer Legierung in der Oberfläche des Basismetalls, gekennzeichnet durch zwischen Atomen des Basismetalls eingelagerte Atome der Lötzusammensetzung.
Wird das Lot auf einen geschmolzenen Zustand erhitzt, so liegt es infolge der Anziehung zwischen den die Legierung bildenden Molekülen als rundes Tröpfchen vor. Diese Anziehung wird allgemein als Oberflächenspannung bezeichnet. Bei vielen technisch fortgeschrittenen Anwendungen wie der Halbleiter- und Lichtwellentechnik wird als Lotzusammensetzung gern ein eutektisches Gold-Zinn-Material aus etwa 80 Gewichts-% Gold und 20 Gewichts-% Zinn gewählt. Häufig wird das eutektische Gott-Zinn zum Verlöten von Bauelementen mit Gold- (oder goldplattierten) Kontaktstellen eingesetzt.
Bei einem herkömmlichen Lötverfahren werden gesonderte Teile oder Vorformlinge aus dem Lotmaterial auf einer Oberfläche eines der zusammenzufügenden Stücke (beispielsweise auf der Kontaktstelle) angeordnet oder auf andere Weise abgeschieden (z. B. Gasphasenabscheidung oder Siebdruckpaste). Die zwei Stücke werden aneinandergefügt und auf eine Temperatur erhitzt, bei der sich das Lot verflüssigt (d. h. etwa 315ºC in einer Stickstoffumgebung) und über die zusammenzufügenden Oberflächen verfließt und so nach dem Abkühlen eine Befestigung ergibt.
Bekanntlich hat diese Vorgehensweise viele Nachteile. Erstens ist die Reproduzierbarkeit des Verfließens ("Reflow") fraglich und reagiert, empfindlich auf Änderungen im Verfahren, besonders da bei allgemein erhältlichem eutektischem Au/Sn-Lot eine Gewähr unter Umständen nur auf ±1% um die eutektische 80/20-Zusammensetzung geleistet wird. Überdies kommt es durch die Festkörperdiffusion von Zinn in eine darunterliegende Goldbondinsel zu einer Verschiebung der Vorformlingszusammensetzung zur goldreichen Seite des Eutektikums und gegebenenfalls zu schlechtem Verfließen durch Erhöhung der Schmelztemperatur der daraus hervorgehenden Legierung.
Trotz der vorstehenden Nachteile wird jedoch Au/Sn nach wie vor als Lotzusammensetzung bevorzugt, da es mit den zum Plattieren der meisten Vorrichtungsoberflächen verwendeten Materialien (insbesondere Gold) verträglich ist.
Es besteht daher auf dem Fachgebiet nach wie vor ein Bedürfnis nach irgendeiner Weise, die mit dem eutektischen Au/Sn-Lot verbundenen verschiedenen Nachteile zu überwinden.
Das deutsche Patent 1,167,162 beschreibt die Bondverbindung eines Siliziumgleichrichters mit zwei Elektroden, so daß die untere Elektrode mit einem Gehäuse gebondet ist und die obere Elektrode mit einem Kabel gebondet ist. Das verwendete Lot besteht aus 75% Gold und 25% Zinn.
Bereitgestellt wird durch die vorliegende Erfindung ein Lötverfahren wie in Anspruch 1 dargelegt, mit in den Ansprüchen 2-4 dargelegten Vorzugsausführungsformen.
Dem im Stand der Technik noch bestehenden Bedürfnis widmet sich die vorliegende Erfindung, die ein Gold-Zinn-Lot und insbesondere ein für Anwendungen mit Selbstausrichtung geeignetes Gold-Zinn-Lot betrifft.
Gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung kommt ein zinnreiches Au/Sn-Lot (Au80-xSn20+x, 0 < x ≤ 6) zur Anwendung, vorzugsweise im Bereich von 78/22 bis 74/26 (Zusammensetzung in Gewichts-%). Das bedeutet, daß bei Festkörper-(oder Flüssig-)Diffusion von Zinn in eine Kontaktiergoldplattierschicht die Schmelztemperatur mit Abreicherung des Zinns in der Lotzusammensetzung tatsächlich sinkt, bis die Eutektikumszusammensetzung erreicht wird. Durch die Verwendung des zinnreichen Lotes wird so sichergestellt, daß die Legierung flüssig bleibt, während das Lot verfließt.
Auch kann das erfindungsgemäße Lotverfahren optimiert werden, indem man den Lotvorformling innerhalb einer reduzierenden Umgebung erhitzt, so daß das weitere Wachstum etwa vorhandenen Zinnoxids auf der Oberfläche des Vorformlings (Hautoxid) wesentlich verringert wird.
Vorteilhaft ist bei der erfindungsgemäßen Zusammensetzung, daß sie ein Selbstausrichten von Einzelteilen ermöglicht. Insbesondere kann durch den Einsatz eines zinnreichen Lotes dasselbe flüssig bleiben und beide Bondverbindungsoberflächen vollständig bedecken (d. h. "benetzen"). Durch Einstellung der Abmessungen und Lage der Bondverbindungsoberflächen ergibt sich bei der Verflüssigung des zinnreichen Lotes durch Oberflächenspannungseffekte daher die Lagegenauigkeit (d. h. Zentrierung) der Vorrichtung hinsichtlich durch darunterliegenden Bondinsel.
Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachstehenden Besprechung sowie durch Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen hervor.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Verwiesen sei nun auf die Zeichnungen, wo gleiche Ziffern gleiche Teile in mehreren Ansichten verkörpern:
Abb. 1-3 veranschaulichen eine zur Bereitstellung einer selbstausgerichteten Lotbefestigung gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung eingesetzte, beispielhafte Schrittfolge;
Abb. 4 veranschaulicht insbesondere die Selbstausrichtfähigkeit des erfindungsgemäßen Systems;
Abb. 5 enthält ein dem Verständnis des erfindungsgemäßen Verfahrens dienliches Au/Sn- Phasendiagramm;
Abb. 6 enthält eine photographische Aufnahme der Bondinselbedeckung bei Einsatz eines herkömmlichen eutektischen Au/Sn-Lotes aus dem Stand der Technik; und
Abb. 7 enthält eine photographische Aufnahme der verbesserten Bondinselbedeckung bei Einsatz eines beispielhaften, erfindungsgemäßen zinnreichen Au/Sn- Lotes.

Ausführliche Beschreibung

Ein beispielhaftes Verfahren zur Vermittlung einer selbstausgerichteten Lotbefestigung eines Paars von Komponenten ist in den Abb. 1-3 veranschaulicht. Das erfindungsgemäße Bondverbindungsverfahren sei insbesondere im Zusammenhang mit der selbstausgerichteten Befestigung einer LED an einer Bondinsel beschrieben. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß das erfindungsgemäße zinnreiche Lot von Natur aus keiner örtlichen Beschränkung unterliegt und praktisch in jedem beliebigen Lötverfahren eingesetzt werden kann. Verwiesen sei wiederum auf Abb. 1, wo ein Vorrichtungsträgerteil 10, der aus Silizium gebildet sein kann, als eine Bondinsel 12 enthaltend dargestellt ist. Üblicherweise wird Bondinsel 12 aus einem hochleitenden Material gebildet und kann insbesondere einen Dreischichtenaufbau aus Titan, Platin und Gold-umfassen. Der Einsatz von Gold für Bondinseln ist im allgemeinen wegen seiner inerten Natur und verhältnismäßig hohen Leitfähigkeit weit verbreitet. Eine Vorrichtung 14 wie etwa eine LED, ist in Abb. 1 über Bondinsel 12 angeordnet dargestellt. Vorrichtung 14 weist auch eine leitfähige Schicht 16 (die ebenfalls eine Dreifachniveau- oder goldplattierte Schicht aufweisen kann) zur Förderung der Bondverbindung auf. Um für eine Ausrichtung der Vorrichtung 14 mit Trägerteil 10 zu sorgen, sollten die Abmessungen der leitfähigen Schicht 16 weitgehend gleich jenen der Bondinsel 12 sein.
Das Bonden erfolgt erfindungsgemäß durch Einsatz eines Vorformlings 18 aus zinnreichem (bezogen auf das eutektische 80/20-) Au/Sn-Lot, der über der Bondinsel 12 angeordnet und mit dieser in Berührung gebracht wird. Anfangs kann Lotvorformling 18 aus einer festen Verbindung bestehen und ein Gewichtsprozentverhältnis im Bereich zum Beispiel von 74/26 bis 78/22 aufweisen. Um ein Bonden in Gang zu setzen, wird, wie in Abb. 2 dargestellt, Vorrichtung 14 mit Lotvorformling 18 in Berührung gebracht und das Ganze auf eine Temperatur (beispielsweise 400ºC) erhitzt, bei der sich das zinnreiche Lot verflüssigt. Mit zunehmender Umgebungstemperatur steigt die Festkörperdiffusionsgeschwindigkeit des Zinns aus Lot 18 heraus und in die Goldschichten 12 und 16, wie die Pfeile in Abb. 2 andeuten. Die Festkörperdiffusion tritt, wie man weiß, auch beim herkömmlichen eutektischen Lot auf. Probleme ergeben sich bei Verwendung des Eutektikums aus dem Stand der Technik insbesondere daraus, daß mit Ausdiffundieren des Zinns das Lot goldreich wird und die zur Verflüssigung des Lotes erforderliche Temperatur steigt. Abb. 5 enthält ein Au/Sn-Phasendiagramm, das die Auswirkung der Zusammensetzung auf den Phasenzustand des Materials veranschaulicht. So wird beim Löten bei der mit einem "eutektischen" Lot verbundenen Temperatur (z. B. 278ºC) ein Teil des Lots in festem Zustand bleiben und die darunterliegende Bondinsel nicht vollständig überziehen (d. h. "benetzen").
Dagegen führt bei Verwendung des erfindungsgemäßen zinnreichen Lotes die Festkörperdiffusion von Zinn aus Lotvorformling 18 in Bondinsel 12 und Kontaktschicht 16 zur Annäherung der Zusammensetzung an das Eutektikum, wie der Pfeil in Abb. 5 andeutet. Das heißt, daß mit Abreicherung des Zinns die zur Verflüssigung des Lotes erforderliche Temperatur sogar sinkt (der Linie von 419,3ºC zum Grenzwert von 278ºC entlang), und im wesentlichen das gesamte Lot im flüssigen Zustand bleibt. Abb. 3 veranschaulicht die Relativlage der Vorrichtung 14, bezogen auf den verflüssigten Lotvorformling 18. Wie dargestellt, bedeckt Lot 18 bei vollständiger Verflüssigung respektvoll die gesamten oberen Flächen 20, 22 der Bondinsel 12 und der leitfähigen Schicht 16. Durch die an der Außengrenze von Lot 18 erzeugte Oberflächenspannung wird Vorrichtung 14 dazu veranlaßt, sich zu zentrieren, was zur Folge hat, daß Vorrichtung 14 hinsichtlich der darunterliegenden Bondinsel 12 selbstausgerichtet ist.
Bekanntlich führt der Lötvorgang wie der oben besprochene zur Bildung einer Zinnoxidschicht (oder zur Verstärkung einer bestehenden Schicht) auf der Außenfläche von Lot 18. Das Vorliegen dieses Oxids kann sich notwendigerweise auf das Verfließen des Lotes auswirken. Bei der bevorzugten Methode gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Erhitzungsschritt daher in einer reduzierenden Umgebung durchgeführt, die die Bildung dieses Oxids hemmt. Beispielsweise kann Ameisensäure eingesetzt werden, um die Zinnoxidbildung zu verhindern. Zu den reduzierenden Umgebungen (in Abb. 2 mit "R.U." bezeichnet) zählen auch Formiergas (20%H&sub2;/80%N&sub2;), Kohlenmonoxid oder jedes geeignete flüssige Flußmittel, wobei diese Aufzählung nicht vollständig ist.
Wie schon oben erwähnt, liegt ein Vorteil der Verwendung des erfindungsgemäßen zinnreichen Lotes in der Fähigkeit, für eine automatische Ausrichtung einer Vorrichtung gegenüber einer darunterliegenden Bondinsel zu sorgen. Was insbesondere Abb. 3 betrifft, so ermöglicht das zinnreiche Lot die Ausrichtung einer Vorrichtung 14 gegenüber Bondinsel 12. Die Bedeckung von verflüssigtem Lot 18 hinsichtlich der Oberflächen 20 und 22 von Bondbereichen führt zur Ausrichtung, da sich das Lotmaterial auf natürliche Weise so bewegt, daß es seinen Gesamtoberflächeninhalt verringert. Verwiesen sei auf Abb. 4, die einen Versatz der Vorrichtung 14' bezogen auf die darunterliegende Bondinsel 12 veranschaulicht. Wie man sieht, weist verflüssigtes Lot 18 einen erhöhten Oberflächeninhalt gegenüber einem Minimum auf, in Abhängigkeit von der Größe des Versatzes. Das verflüssigte Lot bewegt sich daher natürlicherweise in die durch die Pfeile angedeutete Richtung, um den Oberflächeninhalt zu minimieren. Die natürliche Tendenz der Lotverlagerung führt daher zur Ausrichtung der Vorrichtung gegenüber der Bondinsel. Versuche haben gezeigt, daß eine Fehlausrichtung im Bereich von 100 um auf Werte innerhalb einer Grenze von einem um korrigiert werden kann.
Die Abb. 6 und 7 enthalten Draufsichten tatsächlicher Bondstellen mit einem Lotvorformling nach dem Verfließen (wobei der ursprüngliche Vorformling kreisförmig war). Die Bondinsel der Abb. 6 enthält ein herkömmliches eutektisches 80/20-Au/Sn-Lot nach dem Verfließen. Wie man sieht, überzieht das Lot die Oberfläche der Bondinsel nicht vollständig. Wie schon besprochen, führt das Ausdiffundieren von Zinn in die Bondinsel zu einem goldreichen Lot, das sich nicht vollständig verflüssigt und daher schlechte Verfließeigenschaften aufweist. Dagegen enthält die Bondinsel der Abb. 7 ein erfindungsgemäßes zinnreiches (76/24-)Lot. Wie man sieht, ist im wesentlichen die gesamte Bondinseloberfläche mit dem aufgeschmolzenen Material überzogen.
Es sei darauf hingewiesen, daß die oben beschriebene Anordnung nur ein Beispiel darstellt, und daß das erfindungsgemäße zinnreiche Au/Sn-Lot auf jedes System anwendbar ist, bei dem das Verlöten eines Bauteils mit einer Gold- oder goldplattierten Bondinsel erforderlich ist.

Claims

1. Verfahren zum Selbstausrichten zweier Bauteile beim Verlöten eines ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil, wobei das Verfahren die folgenden Schritte beinhaltet:

a) Bereitstellung eines ersten Bauteils (10) und eines zweiten Bauteils (14), wobei das erste Bauteil eine Goldbondinsel (12) und das zweite Bauteil eine Oberflächenschicht aus Gold (16) aufweist;

b) Anbringen eines Au/Sn-Lots (18) der in Gewichtsprozent ausgedrückten Zusammensetzung Au80-xSn20+x, 0 < x ≤ 6 zwischen der Goldbondinsel und der Oberflächenschicht;

c) Inberührungbringen des ersten und des zweiten Bauteils, so daß das Au/Sn-Lot in physischem Kontakt sowohl mit der Goldoberflächenschicht als auch der Bondinsel ist; sowie

d) Erhitzen der Zusammenstellung auf eine zum Verflüssigen des Au/Sn-Lots ausreichende Temperatur, so daß die Oberflächenspannung des Lots ein Selbstausrichten des zweiten Bauteils mit der Goldbondinsel bewirkt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem bei der Durchführung von Schritt b) gilt, daß 2 < x ≤ 4.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem bei der Durchführung von Schritt d) die Zusammenstellung auf eine Temperatur über 280ºC erhitzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem es sich bei dem ersten Bauteil um ein Trägerteil und bei dem zweiten Bauteil um eine LD handelt.