DE69722476T2

DE69722476T2 - Schnittstelle für Anzeigevorrichtung

Info

Publication number: DE69722476T2
Application number: DE69722476T
Authority: DE
Inventors: Christopher Carlo Gourock Pietrzak; Andrew Knox
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1996-02-05
Filing date: 1997-01-17
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2017-01-18
Also published as: US5963193A; GB2309872A; GB9602293D0; JPH09218676A; EP0788048B1; JP3352600B2; DE69722476D1; EP0788048A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Löten von elektronischen Bauelementen auf ein Kupfersubstrat; ferner betrifft sie eine Leiterplatte und ein Verfahren zum Herstellen der Leiterplatte.
Die Verwendung von Lötlegierungen auf Zinnbasis ist bei elektronischen Anwendungen gebräuchlich, insbesondere bei der Herstellung von gedruckten Leiterplatten (printed circuit board, PCB), der Montage von Bauelementen auf den Leiterplatten und der Herstellung mechanischer und elektrischer Anschlüsse. Diese Zinn-Lötlegierungen sind zum Verbinden integrierter Schaltkreis-Chips mit Chipträgern und -substraten, zum Verbinden von Chipträgern mit Substraten und zum Verbinden von Schaltkreis- und Kontaktflächen auf Mehrschicht-Leiterplatten geeignet.
Bei der Herstellung einer mikroelektronischen Einheit ist es üblich, ein Bauelement beispielsweise durch eine Lötverbindung an der Oberfläche einer gedruckten Leiterplatte oder Ähnlichem zu befestigen. Zu diesem Zweck weist die Leiterplatte eine Schaltkreisleitungsbahn mit einer Kontaktfläche auf, die eine erste Oberfläche für die Verbindung darstellt; desgleichen weist das Bauelement eine zweite Oberfläche, beispielsweise einen Kontakt, auf.
Das Verbindungsverfahren umfasst die Schritte des Aufbringens einer Lötlegierung auf das Kupfersubstrat, üblicherweise auf die Kontaktfläche, die sich auf der gedruckten Leiterplatte befindet.
Die mit der Leiterplatte zu verbindenden elektronischen Bauelemente werden dann in Berührung mit der Lötschicht gebracht. Die Lötlegierung wird erhitzt, damit die Lötlegierung schmelzen und sich ausbreiten kann; das Erhitzen kann durch Dampfphasenaufschmelzen, Infrarotaufschmelzen, Laseraufschmelzen oder Ähnliches erfolgen. Beim Abkühlen geht die Lötlegierung in den festen Zustand über und verbindet sich mit den Oberflächen, wodurch die Verbindung entsteht. Die Lötverbindung verbindet das Bauelement nicht nur mechanisch mit der Leiterplatte, sondern verbindet auch die Leitungsbahn auf der Leiterplatte und den Kontakt des Bauelements elektrisch miteinander, um den elektrischen Strom für die Datenverarbeitung von und zu dem Bauelement zu leiten.
Zinn-Blei-Legierungen (Sn-Pb) werden für die meisten elektronischen Lötaufgaben verwendet. Man hat sich wegen ihrer mechanischen Festigkeit, der geringen relativen Kosten, der elektrischen Leitfähigkeit und der ausgezeichneten Benetzungseigenschaften für diese Legierungen entschieden; das Benetzungsvermögen zeigt an, wie vollständig und schnell das geschmolzene Lötmittel eine Festkörperoberfläche bedecken kann. Außerdem weisen Zinn-Blei-Legierungen eine niedrige Schmelztemperatur auf, was bei elektronischen Anwendungen wichtig ist, da in vielen Bauelementen und gedruckten Leiterplatten Materialien verwendet werden, die durch hohe Temperaturen bei der Herstellung oder Montage leicht beschädigt werden können.
Blei ist jedoch als Gesundheitsrisiko erkannt worden, da es für Arbeiter und für die Umwelt giftig ist; neuerdings wird die Elektronikindustrie von Regierungsseite dazu aufgefordert, Alternativen für das Blei ausfindig zu machen, um die Bleibelastung der Arbeiter in der Elektronikindustrie und die Menge der wieder in die Umwelt abgegebenen Bleiabfälle zu verringern.
Die Anwesenheit von Blei in den Lötlegierungen ist besonders kritisch, wenn diese bei der Herstellung der neuesten Generation von CMOS-Schaltkreisen eingesetzt werden; bei diesen Leiterplatten sind die Strukturdetails so fein, dass sich infolge der Teilchenemission durch das im Blei enthaltene Radioisotop ernste Probleme für das Bauelement ergeben können.
Zinn-Bismut-Lötlegierungen (Sn-Bi) sind als Alternative zu den Sn-Pb-Lötlegierungen untersucht worden. Die galvanische Abscheidung solcher Zinn-Bismut-Legierungen aus verschiedenen Elektrolyten und insbesondere aus Alkylsulfonatbädern sind in der Technik bekannt und werden von Y. N. Sadana, R. N. Gedye und S. Ali in Surf. & Coat. Tech., Bd. 27, S. 151–166 (1986) beschrieben. Auch in der US-Patentschrift US-B-5 039 576 wird die galvanische Abscheidung von Zinn-Bismut-Legierungen mit einem Alkylsulfonatelektrolyt auf eine Leiterplatte beschrieben.
In EP-A-94 108 684.5 wird eine andere bleifreie Lötlegierung für mikroelektronische Anwendungen beschrieben. In diesem Dokument werden Lötlegierungen beschrieben, die mehr als 90 Gew.-% Zinn (Sn) und eine wirksame Menge Silber (Ag) und Bismut (Bi), wahlweise auch Antimon (Sb) bzw. Antimon und Kupfer (Cu) enthalten. Es werden verschiedene Verfahren zum Herstellen der beschriebenen Legierungen, einschließlich der galvanischen Abscheidung, genannt.
In der Technik bekannte bleifreie Lötlegierungen weisen jedoch einige Nachteile auf. Sie besitzen mangelhafte Löt- und Metalleigenschaften, das heißt geringe Ablösungsbeständigkeit und niedrige Fließbeständigkeit. Insbesondere hat sich gezeigt, dass sie bei Temperaturen, wie sie üblicherweise beim Betrieb mikroelektronischer Bauelemente auftreten, schlechte mechanische Eigenschaften aufweisen.
In der Europäischen Patentanmeldung EP-A-O 700 239 wird die Vorbehandlung der Kupferoberfläche durch eine Zinkschicht beschrieben. Wenn die Zinkschicht jedoch an Luft gelangt, kann sie oxidieren und sich dadurch nachteilig auf den Lötprozess auswirken.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das die oben genannten Nachteile beseitigt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Löten von elektronischen Bauelementen auf ein Kupfersubstrat (Cu) unter Verwendung einer Zinn-Lötlegierung (Sn) bereitgestellt, das die folgenden Schritte umfasst:

– Abscheiden einer Zinkschicht (Zn) auf das Kupfersubstrat; und
– galvanisches Abscheiden der Zinn-Lötlegierung auf die Zinkschicht mittels eines stark sauren Galvanikbades.

Bei einer bevorzugten Ausführungsart handelt es sich um eine Lötlegierung ohne Blei (Pb), zum Beispiel um eine Zinn-Bismut-Legierung (Sn-Bi).
Durch eine derartige Vorbehandlung des Kupfersubstrats werden die Eigenschaften von Lötlegierungen auf Zinnbasis wesentlich verbessert.
Es ist bekannt, dass sich Zink normalerweise bereits bei sehr geringen Gehalten (0,3% sind ausreichend) in einer Zinnlegierung nachteilig auf einen Lötprozess auswirkt. Dabei nimmt das Benetzungsvermögen der Legierung ab, da das Zink leicht mit Sauerstoff reagiert und beim Aufschmelzen Zinkoxid bildet, welches die Verbindung zwischen den Kontaktstiften des elektronischen Bauelements und der Lötlegierung verschlechtert und das Anschmelzen des Lötmittels verhindert.
Wenn jedoch vor dem Abscheiden der Lötlegierung eine dünne Zinkschicht auf dem Kupfersubstrat abgeschieden wird, gelangt diese während des Aufschmelzens nicht in Kontakt mit dem Sauerstoff und oxidiert nicht. Eine sehr dünne Zinkschicht vermag die mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Lötmittelschicht, die einige Hundert Male dicker ist, deutlich zu verbessern. Laboruntersuchungen haben gezeigt, dass eine weniger als 0,5 μm dicke Zinkschicht eine 50–100 μm dicke Lötmittelschicht positiv beeinflussen kann; bei der im vorliegenden Dokument beschriebenen bevorzugten Ausführungsart beträgt die Dicke der Zinkschicht weniger als 0,1 μm.
Diese Wirkung dürfte hauptsächlich auf die ternäre Legierung CuZnSn zurückzuführen sein, die sich an der Oberfläche des Kupfersubstrats bildet. Bei der Untersuchung des thermodynamischen Verhaltens sieht man, dass die Anziehungswechselwirkung des Zinns und des Zinks mit den Kupferatomen in gewisser Weise durch deren gegenseitige Abstoßung verstärkt wird, wobei durch eine mögliche Orbitalhybridisierung das Valenzband beeinflusst und die Stabilität der ternären Legierung erhöht wird. Die erhöhte Anzahl der Ferminiveaus könnte für eine mögliche Verbesserung der elektrischen Grenzflächeneigenschaften verantwortlich sein.
Eine weitere wichtige Wirkung der Zinkvorbehandlung des Kupfersubstrats gemäß der vorliegenden Erfindung betrifft das Alterungsverhalten der Beschichtung. Versuche zur künstlichen Alterung haben ein gutes Alterungsverhalten der durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung erhaltenen ternären CuZnSn-Legierung gezeigt, das auf die hohe Homogenität der Beschichtung im Vergleich zu anderen bleifreien Lötverfahren zurückzuführen ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsart erfolgt die Abscheidung der Zinkschicht auf dem Kupfersubstrat mittels eines galvanischen Abscheidungsprozesses. Zum Abscheiden der Zinkschicht können jedoch auch andere Verfahren wie beispielsweise die chemische Dampfabscheidung (chemical vapour deposition, CVD) oder Sputtern verwendet werden.
Das Kupfersubstrat wird in einem Abstand von einer geeigneten Gegenelektrode (Anode) in ein Bad eingetaucht. An die Anode wird ein elektrischer Strom angelegt, um die Salze in dem Bad (in diesem Fall Zinksalze) zu ihren entsprechenden Metallen zu reduzieren und dadurch die gewünschte Lötlegierung auf der Platine abzuscheiden. Das leitfähige Substrat bleibt so lange eingetaucht, bis eine Schicht der Lötlegierung mit der gewünschten Schichtdicke und Zusammensetzung auf dem Substrat abgeschieden ist. -Anschließend wird das Substrat dem Galvanikbad entnommen. Danach wird das galvanisch beschichtete leitfähige Substrat möglichst schnell gründlich gewaschen, um möglichst wenige Flecken entstehen zu lassen.
Die galvanische Beschichtung kann entweder mit einem sauren oder mit einem basischen Elektrolyt erfolgen. Ein saurer Elektrolyt kann die folgende Zusammensetzung aufweisen:

Zinksulfat 180 g/l

Zinkchlorid 14 g/l

Borsäure 12 g/l

Salicylaldehyd 1,5 g/l

Dextrin 3 g/l

pH-Wert 3

Temperatur Raumtemperatur

Stromdichte 1 A/dm²

bei Abscheidungszeiten zwischen 10 s und 1 min.
Alternativ kann als Elektrolyt für die Abscheidung der Zinkschicht ein alkalisches Zink-Eisen-Bad dienen; dieses kann die folgenden Werte aufweisen:

Zink 10 g/l

Eisen 0,08 g/l

Ätznatron (NaOH) 180 g/l

Temperatur 35 °C

Stromdichte 1 A/dm²

bei Abscheidungszeiten zwischen 30 s und 5 min.
Anschließend wird auf der Zinkschicht die Zinn-BismutLötlegierung abgeschieden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsart der vorliegenden Erfindung wird auch diese Abscheidung durch einen galvanischen Abscheidungsprozess erreicht.

Die Zinn-Bismut-Legierung kann mittels eines Methansulfonatbades als Elektrolyt mit der folgenden Zusammensetzung und den folgenden Prozessbedingungen galvanisch abgeschieden werden:

Zinn (als Zinn(II)-methansulfonat)	8 g/l
Bismut (als Bismutmethansulfonat)	20 g/l
Methansulfonsäure	500 ml/l
Detergens	60 ml/l
pH-Wert	0,3
Temperatur	20–40°C
Stromdichte	0,5–1 A/dm2

Bei einer Abscheidungsdauer von 50 min kann man eine Schicht mit einer Dicke im Bereich von 50–100 μm mit einer homogenen und nahezu eutektischen Zusammensetzung erhalten, die ca. 42 Zinn und 58% Bismut enthält. Eine eutektische Legierung ist durch einen eutektischen Punkt gekennzeichnet, an dem die Liquidus- und Soliduskurven aller Bestandteile zusammenkommen; jede Konzentrationsänderung vom Eutektikum weg führt zu einer Erhöhung der Liquidustemperatur.
Die Lötlegierungen gemäß der bevorzugten Ausführungsart der vorliegenden Erfindung weisen eine hinreichend niedrige Schmelztemperatur auf, bei der weder die Bauelemente der gedruckten Leiterplatte beschädigt noch die Leitfähigkeitskennwerte der Leiterplatte verschlechtert werden.
Gemäß der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsart ist die Abscheidung der Zinkschicht und der Lötlegierung auf dem Kupfersubstrat erfolgt. Die Abscheidung der Zinkschicht und der Lötlegierung kann jedoch genauso auf dem Bauelement erfolgen, das mit dem Substrat verbunden werden soll, wenn die Kontakte des elektronischen Bauelements eine Kupferoberfläche aufweisen.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist besonders für mikroelektronische Anwendungen geeignet, üblicherweise bei der Herstellung elektronischer Baugruppen, um auf den Leiterplatten Bauelemente zu montieren. Es kann jedoch überall dort eingesetzt werden, wo ein elektronisches Bauelement mit einem Kupfersubstrat verbunden werden soll. Dieses Verfahren ist mit den gebräuchlichen Lötverfahren und -materialien kompatibel und kann ohne Änderungen der Aufschmelztemperaturen, der Prozesschemikalien oder der Ausrüstung als Substitut für die gängigsten bleihaltigen Lötmittel bei der Elektronikmontage dienen.

Claims

Verfahren zum Löten von elektronischen Bauelementen auf ein Kupfersubstrat (Cu) unter Verwendung einer Zinn-Lötlegierung (Sn), welches die folgenden Schritte umfasst: – Abscheiden einer Zinkschicht (Zn) auf dem Kupfersubstrat; und – galvanisches Abscheiden der Zinn-Lötlegierung auf der Zinkschicht mittels eines stark sauren Galvanikbades.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das saure Galvanikbad einen pH-Wert von 0,3 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zinnlegierung kein Blei (Pb) enthält.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die bleifreie Legierung eine Zinn-Bismut-Legierung (Sn-Bi) ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Abscheidens der Zinkschicht mittels eines galvanischen Abscheidungsprozesses erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Dicke der Zinkschicht weniger als 0,1 μ beträgt.
Verfahren zum Herstellen einer Leiterplatte unter Verwendung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche.