DE69836230T2 - Mit einem bleifreien lötmittel verbundene struktur und elektronische vorrichtung - Google Patents

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Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für das Kontaktieren einer Halbleitervorrichtung mit einer Elektrode mittels eines bleifreien Lötmittels. Die Vorrichtung wird mittels des bleifreien Lötmittels mit niedriger Toxizität z. B. mit einer Elektrode eines Leiterrahmens usw. kontaktiert.
  • STAND DER TECHNIK
  • Um eine elektrische Leiterplatte durch Kontaktieren elektrischer Vorrichtungen (z. B. LSIs) mit einer aus einem organischen Material hergestellten Leiterplatte herzustellen, werden herkömmlich z. B. ein eutektisches Sn-Pb-Legierungs-Lötmittel, ein anderes Sn-Pb-Legierungs-Lötmittel, das eine chemische Zusammensetzung und einen Schmelzpunkt aufweist, die jeweils nahe denen des eutektischen Sn-Pb-Legierungs-Lötmittels liegen, sowie weitere Lötmittellegierungen, die durch Zugabe kleiner Mengen Wismut (Bi) und/oder Silber (Ag) zu den oben erwähnten Lötmitteln erhalten werden, verwendet. Diese Lötmittel enthalten etwa 40 Gew.-% Pb und weisen einen Schmelzpunkt von etwa 183°C auf, der das Löten bei 220–240°C zulässt.
  • Hinsichtlich der Elektroden zu lötender elektronischer Vorrichtungen wie etwa QFP-LSIs (quadratischer Flachgehäuse-LSIs) werden üblicherweise jene verwendet, die aus einer 42er-Legierung hergestellt sind, die eine Fe-Ni-Legierung ist, und auf denen eine Lage einer 90 Gew.-%-Sn-10-Gew.-%-Pb-Legierung (im Folgenden als "Sn-10Pb" bezeichnet) gebildet ist. Dies ist so, da diese Elektroden eine gute Benetzbarkeit, eine gute Erhaltung und kein Problem der Bildung von Whiskern aufweisen.
  • Allerdings ist das Blei (Pb) in den Sn-Pb-Lötmitteln ein Schwermetall, das schädlich für Menschen und für eine durch das Wegwerfen bleihaltiger Produkte verursachte Verschmutzung der globalen Umwelt ist, wobei ihre schlechte Wirkung auf lebende Dinge Probleme darstellt. Die Verschmutzung der globalen Umwelt durch Elektrogeräte tritt auf, wenn Blei durch Regen usw. aus den weggeworfenen bleihaltigen Elektrogeräten aufgelöst wird, die Sonnenlicht und Regen ausgesetzt sind. Die Auflösung von Pb neigt dazu, durch den jüngsten sauren Regen beschleunigt zu werden. Um die Umweltverschmutzung zu verringern, ist es somit notwendig, als einen Ersatz für das obige in großer Menge verwendete eutektische Sn-Pb-Legierungs-Lötmittel ein bleifreies Lötmaterial mit niedriger Toxizität zu verwenden, das kein Blei enthält, und als ein Ersatzmaterial, das die auf der Elektrode einer Vorrichtung vorgesehene Sn-10Pb-Lage ersetzt, eine Struktur der Elektrode einer Vorrichtung zu nutzen, die kein Blei enthält. Ein Sn-Ag-Bi-Legierungs-Lötmittel, wie es etwa in EP-A-629467 offenbart ist, ist hinsichtlich niedriger Toxizität, der Erhaltbarkeit für die Rohstoffe, der Produktionskosten, der Benetzbarkeit, der mechanischen Eigenschaften, der Zuverlässigkeit usw. ein viel versprechender Kandidat als ein bleifreies Lötmaterial. Um zwischen einer Elektrode einer Komponente und einem Lötmittel sowie zwischen einer Elektrode einer Platine und einem Lötmittel Verbindungen zu erzeugen, wird das Löten üblicherweise bei einer Temperatur von etwa 220–240°C ausgeführt. Da sich die Kontaktierungsgrenzflächen je nach den verschiedenen Arten von Kombinationen von Lötmaterialien und Elektrodenmaterialien der Komponenten voneinander unterscheiden, ist daher ein Elektrodenmaterial erforderlich, das für das jeweilige Lötmittel geeignet ist, um eine stabile Kontaktierungsgrenzfläche zu erhalten.
  • EP-A-834376 (und die entsprechende WO 97/00753) schlägt die Erhöhung der Benetzbarkeit zu bleifreiem Lötmittel wie etwa zu einem Sn-Ag-Bi-Cu-Lötmittel mittels einer In- oder Bi-Lage vor.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens für die Anfertigung einer kontaktierten Struktur unter Verwendung eines bleifreien Lötmittels, in dem z. B. für die Elektroden von Leiterrahmen usw. ein bleifreies Sn-Ag-Bi-Legierungs-Lötmittel mit niedriger Toxizität verwendet werden kann und das außerdem eine stabile Kontaktierungsgrenzfläche und eine ausreichende Haftfestigkeit aufweist.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens für die Anfertigung eines elektronischen Gegenstandes unter Nutzung eines bleifreien Sn-Ag-Bi-Legierungs-Lötmittels mit niedriger Toxizität, das eine stabile Kontaktierungsgrenzfläche in Bezug auf eine Änderung der Prozesszeit und eine Festigkeit, die hoch genug ist, um die Spannungen auszuhalten, die wegen eines Unterschieds des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen elektronischen Vorrichtungen und einer Platine, wegen einer Arbeit des Teilens der Platine nach dem Löten, wegen einer Durchbiegung der Platine während des Untersuchungstests, wegen der Handhabung usw. in durch Löten kontaktierten Abschnitten erzeugt werden, aufweist.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens für die Anfertigung einer kontaktierten Struktur und eines elektronischen Gegenstandes unter Nutzung eines bleifreien Sn-Ag-Bi-Legierungs-Lötmittels mit niedriger Toxizität, das eine ausreichende Haftfestigkeit aufweist, während es die Beständigkeit gegenüber der Bildung von Whiskern, die Benetzbarkeit des Lötmittels usw. sicherstellt.
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Um die Aufgaben der Erfindung zu lösen, wird somit ein wie in Anspruch 1 dargelegtes Verfahren geschaffen.
  • Vorzugsweise befindet sich zwischen der Elektrode und der Sn-Bi-Legierungslage eine Kupferlage.
  • Die Elektrode kann aus einem Kupfermaterial angefertigt werden oder die Elektrode kann aus einer Fe-Ni-Legierung einer Kupferlegierung angefertigt werden.
  • Vorzugsweise umfasst das bleifreie Sn-Ag-Bi-Legierungs-Lötmittel in dem Verfahren der Erfindung Sn als eine Hauptkomponente, 5 bis 25 Gew.-% Bi, 1,5 bis 3 Gew.-% Ag und bis zu 1 Gew.-% Cu.
  • Wie aus dem Obigen selbstverständlich ist, ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, durch Anwenden des bleifreien Sn-Ag-Bi-Legierungs-Lötmittels mit niedriger Toxizität auf eine Elektrode einer Halbleitervorrichtung eine stabile Kontaktierungsgrenzfläche mit einer ausreichenden Haftfestigkeit sicherzustellen. Außerdem ist es unter Nutzung des bleifreien Sn-Ag-Bi-Legierungs-Lötmittels mit niedriger Toxizität möglich, eine Kontaktierungsgrenzfläche sicherzustellen, die stabil in Bezug auf eine Änderung des Prozesses in der Zeit ist und die eine ausreichend hohe Festigkeit aufweist, um die Spannungen auszuhalten, die in den kontaktierten Abschnitten durch Löten wegen eines Unterschieds des Wärmeausdehnungskoef fizienten zwischen elektronischen Vorrichtungen und einer Platine, wegen einer Arbeit des Teilens der Platine nach dem Löten, wegen einer Durchbiegung der Platine während des Untersuchungstests, wegen der Handhabung usw. erzeugt werden. Ferner ist es unter Nutzung des bleifreien Sn-Ag-Bi-Legierungs-Lötmittels mit niedriger Toxizität möglich, eine Kontaktierungsgrenzfläche sicherzustellen, die eine ausreichende Festigkeit und eine gute Beständigkeit gegenüber dem Auftreten von Whiskern aufweist, indem ausreichend Lotkegel gebildet werden, während eine gute Benetzbarkeit bei einer Löttemperatur z. B. von 220–240°C erhalten bleibt.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Anschlussleiters für eine QFP-LSI gemäß der Erfindung;
  • 2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Anschlussleiters für ein TSOP gemäß der Erfindung;
  • 3 zeigt schematisch eine Testmöglichkeit zum Bewerten der Lötmittelhaftfestigkeit;
  • 4 zeigt Bewertungsergebnisse der Lotkegelfestigkeit in Bezug auf verschiedene Typen metallisierter Anschlussleiter gemäß der Erfindung;
  • 5 zeigt Bewertungsergebnisse der Benetzungszeit in Bezug auf verschiedene Typen metallisierter Anschlussleiter gemäß der Erfindung;
  • 6 zeigt Bewertungsergebnisse der Benetzungskraft in Bezug auf verschiedene Typen metallisierter Anschlussleiter gemäß der Erfindung;
  • 7 zeigt Bewertungsergebnisse der Lotkegelfestigkeit, falls eine Kupferlage gemäß der Erfindung gebildet wird;
  • 8 zeigt Bewertungsergebnisse der Festigkeit des flachen Abschnitts, falls eine Kupferlage gemäß der Erfindung gebildet wird;
  • 9 zeigt ein Beobachtungsergebnis eines Grenzflächengebiets eines Lötmittels und eines Anschlussleiters aus einer Fe-Ni-Legierung (d. h. 42er-Legierung), woran eine Sn-10Pb-Legierungsgalvanisierung gemäß dem Stand der Technik vorgesehen ist, wobei (a) eine Querschnittsansicht des Grenzflächengebiets ist und (b) Bruchflächen auf der Anschlussleiterseite bzw. auf der Lötmittelseite sind;
  • 10 zeigt ein Beobachtungsergebnis eines Grenzflächengebiets eines Lötmittels und eines Anschlussleiters aus einer Fe-Ni-Legierung (d. h. 42er-Legierung), woran eine Sn-4Bi-Legierungsgalvanisierung gemäß der Erfindung vorgesehen ist, wobei (a) eine Querschnittsansicht des Grenzflächengebiets ist und (b) Bruchflächen auf der Anschlussleiterseite bzw. auf der Lötmittelseite sind; und
  • 11 zeigt ein Beobachtungsergebnis eines Grenzflächengebiets eines Lötmittels und eines Anschlussleiters aus einer Fe-Ni-Legierung (d. h. 42er-Legierung) gemäß der Erfindung, woran eine untere Kupferlage und eine obere Sn-4Bi-Legierungsgalvanisierung gemäß der Erfindung vorgesehen sind, wobei (a) eine Querschnittsansicht des Grenzflächengebiets ist und (b) Bruchflächen auf der Anschluss leiterseite bzw. auf der Lötmittelseite sind.
  • BESTE AUSFÜHRUNGSART DER ERFINDUNG
  • Im Folgenden wird eine Beschreibung von Ausführungsformen gemäß der Erfindung gegeben.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung ist das Herstellen eines elektronischen Gegenstandes, der eine erste und eine zweite Elektrode umfasst, die beide mittels eines bleifreien Lötmittels mit niedriger Toxizität miteinander kontaktiert werden, wobei die erste Elektrode z. B. ein QFP-Anschlussleiter, ein TSOP-Anschlussleiter oder dergleichen in einer Halbleitervorrichtung (z. B. LSI) ist, während die zweite Elektrode auf einer Leiterplatte ist.
  • Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist das Herstellen einer kontaktierten Struktur, die eine erste und eine zweite Elektrode umfasst, die beide mittels eines bleifreien Lötmittels mit niedriger Toxizität miteinander kontaktiert sind.
  • Das bleifreie Lötmittel mit niedriger Toxizität kann aus einer Sn-Ag-Bi-Legierung sein. Bei Nutzung der Sn-Ag-Bi-Legierung ist es erforderlich, eine Kontaktierungsgrenzfläche zu erhalten, die stabil in Bezug auf eine Änderung des Prozesses mit der Zeit ist und die eine Haftfestigkeit aufweist, die hoch genug ist, um Spannungen auszuhalten, die in den mit Lötmittel kontaktierten Abschnitten wegen einer Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen einer elektronischen Vorrichtung und einer Leiterplatte, wegen einer Arbeit des Teilens der Platine nach dem Löten, wegen Durchbiegung der Platine während des Untersuchungstests, wegen der Handhabung usw. erzeugt werden. Außerdem ist es erforderlich, unter Nutzung des bleifreien Sn-Ag-Bi-Legierungs-Lötmittels durch Bilden einer ausreichenden Lotkegelform eine ausreichende Haftfestigkeit zu erhalten, während eine ausreichende Benetzbarkeit bei 220–240°C sichergestellt wird, was eine geeignete Löttemperatur in Bezug auf die Wärmebeständigkeit von Leiterplatten mit elektronischen Vorrichtungen ist. Falls das Lötmittel eine niedrigere Benetzbarkeit aufweist, kann keine ausreichende Lotkegelform erhalten werden, was dazu führt, dass keine ausreichende Haftfestigkeit erhalten wird oder dass mehr aktives Flussmittel erforderlich ist, was zu einem nachteiligen Einfluss auf den Isolationswiderstand führt. Darüber hinaus ist es außerdem erforderlich, eine Beständigkeit gegenüber der Bildung von Whiskern usw. sicherzustellen, da zwischen den Elektroden ein Kurzschluss auftritt, falls Whisker erzeugt werden und auf der durch Galvanisieren usw. behandelten Elektrodenoberfläche wachsen.
  • Wie in den 1 und 2 gezeigt ist, ist als die Elektrodenstruktur der Erfindung auf der Oberfläche einer Elektrode 1 eines Anschlussleiters eine Sn-Bi-Lage 2 gebildet, um ausreichende Haftfestigkeit zu erhalten. Nachfolgend wird eine Auswahl einer Elektrodenstruktur der Erfindung beschrieben. Diese Auswahl erfolgte auf der Grundlage der obigen Anforderungen hauptsächlich durch Bewerten der Haftfestigkeit, der Benetzbarkeit und der Beständigkeit gegenüber dem Auftreten von Whiskern.
  • Zunächst wird das Ergebnis einer Untersuchung der Haftfestigkeit beschrieben, die zwischen einem Sn-Ag-Bi-Legierungs-Lötmittel und verschiedenen Arten von Elektrodenmaterialien erhalten wurde. In 3 ist eine Skizze des Experiments veranschaulicht. Die Probenanschlussleiter 4 wurden jeweils durch Galvanisieren bleifreier Materialien von Sn-, Sn-Bi-, Sn-Zn- und Sn-Ag-Legierungen, die als alternative Materialien für die herkömmliche Sn-10Pb-Legierungslage verwendbar betrachtet werden, auf Anschlussleiter, von denen jeder eine aus einer Fe-Ni-Legierung (42er-Legierung) hergestellte Elektrode ist, gebildet. Außerdem wurde auch eine Bewertung für Kombinationen mit der herkömmlichen Sn-10Pb-Legierungsgalvanisierung ausgeführt. Der jeweilige Beispielanschlussleiter 4 war 3 mm breit und 38 mm lang. Er wurde gebogen, um einen rechten Winkel zu bilden, so dass die Länge des Lötabschnitts 22 mm beträgt. Die Galvanisierungsdicke war für jede Zusammensetzung etwa 10 μm. Der jeweilige Beispielanschlussleiter 4 wurde unter Nutzung eines bleifreien Lötmittels 5 einer 82,2 Gew.-%-Sn-2,8 Gew.-%-Ag-15-Gew.-%-Bi-Legierung (im Folgenden als Sn-2,8Ag-15Bi bezeichnet) an eine Cu-Anschlussfläche (Cu-Elektrode) 7 auf einem Glas-Epoxidharz-Substrat 6 gelötet, das eine Leiterplatte ist.
  • Die Cu-Anschlussfläche (Cu-Elektrode) 7 auf dem Glas-Epoxidharz-Substrat 6 hatte eine Größe von 3,5 mm × 25 mm. Das Lötmittel 5 wurde in Form einer Folie von 0,1 mm × 25 mm × 3,5 mm bereitgestellt. Genauer wurde die Lötmittelfolie 5 auf der Cu-Anschlussfläche 7 auf dem Glas-Epoxidharz-Substrat 6 angeordnet und der rechtwinklig gebogene Beispielanschlussleiter 4 auf der Lötfolie 5 angeordnet. Das Löten wurde in der Luft nach Vorwärmen für 60 Sekunden mit 140°C bei einer Maximaltemperatur von 220°C ausgeführt. Beim Löten wurde ein Kolophonium-Flussmittel verwendet, das Chlor enthielt. Nach dem Löten wurde eine Reinigung mit einem organischen Lösungsmittel ausgeführt. Der Zugtest wurde in drei Fällen ausgeführt; d. h. ein Probenanschlussleiter sofort nach dem Löten, ein weiterer Beispielanschlussleiter, der unter Berücksichtigung der Verschlechterung der Haftfestigkeit wegen einer Änderung mit Ver streichen der Zeit nach dem Löten 168 Stunden einer hohen Temperatur von 125°C ausgesetzt wurde, und ein weiterer Beispielanschlussleiter, bei dem nach dem Löten, nachdem er 168 Stunden 150°C ausgesetzt war, die Haftfestigkeit in dem Fall untersucht wurde, in dem die Benetzbarkeit des Anschlussleiters verschlechtert war. Im Zugtest wurde der Beispielanschlussleiter durch Ergreifen seines distalen Endes mit einer Rate von 5 mm/Minute vertikal gezogen, während das Substrat festgesetzt war. Daraufhin wurden für den Beispielanschlussleiter mit jeder Zusammensetzung eine maximale Festigkeit und eine allgemein gesättigte konstante Festigkeit als eine Lotkegelfestigkeit bzw. als eine Festigkeit des flachen Abschnitts erfasst. Der Test wurde für jede Bedingung zehn Mal ausgeführt, um einen Durchschnittswert zu bestimmen.
  • In 4 sind die Testergebnisse der Lotkegelfestigkeit des Beispielanschlussleiters mit jeder Zusammensetzung gezeigt. In Kunststoffgehäusevorrichtungen wie etwa normalen QFP-LSIs ist es notwendig, dass die Lotkegelfestigkeit in Anbetracht einer Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten der Leiterplatte wenigstens etwa 5 kgf beträgt. Daraus wurde ersichtlich, dass im Fall von Sn-Zn-, Sn-Ag- und Sn-Pb-Legierungslagen keine angemessene Kontaktierungsgrenzfläche erhalten werden kann, obgleich mit den Beispielanschlussleitern, in denen auf die Fe-Ni-Legierung (42er-Legierung) eine Sn-Lage oder andere Sn-Bi-Lagen als Sn-23 Bi-Lagen, die 23 Gew.-% Bi enthalten, galvanisiert wurden, eine Lotkegelfestigkeit von nicht weniger als 5 kgf erhalten wurde. Außer diesen Beispielanschlussleitern wurden weiter durch Bereitstellung einer Ni-Galvanisierungslage mit einer Dicke von etwa 2 μm auf der 42er-Legierung und durch Galvanisieren der Ni-Lage mit einer Au-Lage, mit einer Pd-Lage und mit einer Pd-Lage mit einer weiteren Au-Lage jeweils drei Typen von Beispielanschlussleitern vorbereitet. Das Löten wurde in der gleichen Weise ausgeführt und es wurde die Haftfestigkeit untersucht. Wie in 4 gezeigt ist, konnte aber keine ausreichende Lotkegelfestigkeit erhalten werden. Dementsprechend ist offensichtlich geworden, dass es notwendig ist, auf einem Anschlussleiter einer Elektrode eine Sn-Bi-Lage aufzubringen.
  • In den mit einer Sn-Bi-Legierung galvanisierten Anschlussleitern, die in dem obigen Zugtest, der an Beispielanschlussleitern mit verschiedenen Zusammensetzungen ausführt wurde, ausreichende Haftfestigkeit zeigten, wurde die Benetzbarkeit für das Sn-2,8Ag-15Bi-Lötmittel durch das Meniscograph-Verfahren getestet. Um die Benetzbarkeit zu untersuchen, wurde ein Flussmittel mit weniger Aktivität verwendet. Dadurch, dass die obigen Beispielanschlussleiter in eine Länge von 1 cm geschnitten wurden, wurden Teststücke erhalten. Der Benetzbarkeitstest wurde unter den folgenden Testbedingungen ausgeführt: eine Lötmittelbadtemperatur von 220°C, eine Tauchgeschwindigkeit von 1 mm/Minute, eine Tauchtiefe von 2 mm und eine Tauchzeit von 20 Sekunden. Die Zeit, die verstreicht, bis sich die Last auf 0 (null) erholt, wurde als die Benetzungszeit betrachtet und die Last nach dem Tauchen für 20 Sekunden wurde als Benetzungskraft betrachtet. Die Benetzbarkeit wurde in zwei Fällen bestimmt: ein Anschlussleiter sofort nach dem Galvanisieren und ein Anschlussleiter, der nach dem Galvanisieren 168 Stunden 150° ausgesetzt wurde. Für jede Testbedingung wurden zehn Mal Messungen vorgenommen, um einen Durchschnittswert zu erhalten.
  • In 5 und 6 sind die Benetzungszeit bzw. die Benetzungskraft für jede Zusammensetzung gezeigt. Aus dem in 5 gezeigten Ergebnis der Benetzungszeit wurde offensichtlich, dass die Benetz barkeit in den sofort nach dem Galvanisieren getesteten Sn-Bi-Legierungs-galvanisierten Anschlussleitern umso besser war, je höher der Bi-Gehalt war, während sich die Benetzbarkeit bei unter 1 Gew.-% Bi und bei 23 Gew.-% Bi verschlechterte, wenn die Anschlussleiter 168 Stunden einer hohen Temperatur von 150° ausgesetzt wurden. Es kann gesagt werden, dass die Benetzbarkeit bei Bi-Gehalten von unter 1 Gew.-% niedrig war, da die Benetzungszeit lang wurde, während die Benetzungskraft, wie in 6 gezeigt ist, sichergestellt war. Somit ist offensichtlich, dass ein erwünschter Bi-Gehalt von 1 bis 20 Gew.-% beträgt, um selbst mit der Sn-Bi-Legierungslage eine ausreichende Benetzbarkeit zu erhalten.
  • Die in der Grenzfläche erzeugte Spannung ist hoch, wenn Materialien mit einer großen Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten miteinander kontaktiert werden, wenn Materialien in einer Umgebung hoher Temperaturdifferenz verwendet werden und dergleichen. Um eine ausreichende Zuverlässigkeit sicherzustellen, muss die Haftfestigkeit in der Grenzfläche annähernd 10 kgf oder mehr betragen. Somit wurde aus 4 sichtbar, dass durch direktes Vorsehen einer Sn-Bi-Lage auf der Fe-Ni-Legierung (42er-Legierung) keine Lotkegelfestigkeit von 9810 N (10 kgf) oder mehr erhalten werden kann. Es wird angenommen, dass dies daran liegt, dass die Verbindungen an der Grenzfläche nicht ausreichend gebildet werden. Somit wurde auf die Fe-Ni-Legierung (42er-Legierung) eine Cu-Galvanisierungslage von durchschnittlich etwa 7 μm aufgebracht, wobei auf diese Cu-Lage eine Sn-Bi-Legierungsgalvanisierungslage aufgebracht wurde, um die Reaktionsfähigkeit mit dem Lötmittel in der Grenzfläche zu erhöhen, wobei die Haftfestigkeit gemessen wurde. Die Lotkegelfestigkeit im Fall keiner Cu-Lage ist in 7 ebenfalls gezeigt. Mit Ausnahme des Falls von 23 Gew.-% Bi wurde eine Haftfestigkeit von nicht weniger als 10 kgf erhalten, wobei die Wirkung der Unterlage aus Cu bestätigt werden konnte. Durch Anwenden dieser Elektrodenstruktur war es möglich, eine Haftfestigkeit von etwa 12,1 kgf oder mehr zu erhalten, die sofort nach dem Löten eines aus der 42er-Legierung hergestellten Anschlussleiters erhalten wird, auf dem eine Sn-10Pb-Legierungslage gebildet wird, die mittels eines eutektischen Sn-Pb-Legierungs-Lötmittels gelötet wird und deren Haftfestigkeit als ein Vergleichslötmittel ebenfalls in 7 gezeigt ist. Wie darüber hinaus in 8 gezeigt ist, konnte die Festigkeit des flachen Abschnitts durch Bilden einer Cu-Lage unter der Sn-Bi-Legierungslage ebenfalls verbessert werden. Wenn ein Leiterrahmen aus der 42er-Legierung verwendet wird, kann die Cu-Lage wie oben beschrieben auf die 42er-Legierung aufgebracht werden. Wenn dagegen ein Cu-Leiterrahmen verwendet wird, kann ermöglicht werden, dass dieser Leiterrahmen als die Cu-Lage dient, oder kann eine weitere Cu-Lage gebildet werden, um die Wirkung anderer Elemente zu beseitigen, die gelegentlich zu dem Leiterrahmenmaterial zugegeben werden, um die Steifheit zu verbessern. Die Benetzbarkeit der Beispielanschlussleiter, auf die diese Cu-Lage aufgebracht wird, ist in den 5 und 6 ebenfalls gezeigt. Es gibt kaum irgendeine Wirkung der Cu-Lage, wobei bei 1–20 Gew.-% Bi eine ausreichende Benetzbarkeit erhalten werden konnte, obgleich sich die Benetzbarkeit bei Bi-Gehalten von nicht mehr als 1 Gew.-% ebenfalls verschlechterte, wenn die Leiterrahmen einer hohen Temperatur ausgesetzt wurden. Übrigens wurde in den in den 7 und 8 gezeigten Beispielen ein Sn-2,8Ag-15Bi verwendet. Dagegen bewirkt die Bildung einer Unterlage aus Cu sogar in Systemen mit niedrigem Bi-Gehalt, z. B. einer Sn-2Ag-7,5Bi-0,5Cu-Legierung, eine Verbesserung der Haftfestigkeit.
  • Das Verfahren des Aufbringens der obigen Sn-Bi-Legierungs- und der Cu-Lagen ist nicht auf Galvanisieren beschränkt, wobei diese Lagen ebenfalls durch Eintauchen, durch Abscheidung aus der Dampfphase, durch Walzbeschichten oder durch Metallpulveraufbringung gebildet werden können.
  • Um den Grund zu untersuchen, weshalb verschiedene Typen der Elektrodenmaterialien voneinander verschiedene Festigkeiten aufwiesen, wurden somit Querschnittsflächen von Kontaktierungsabschnitten nach dem Polieren beobachtet. Ferner wurden die Bruchflächen der Proben, die dem Zugtest ausgesetzt wurden, unter einem REM untersucht. Im Folgenden werden die Ergebnisse beschrieben, die in den typischen Kombinationen erhalten wurden.
  • Zunächst zeigt 9 ein Beobachtungsergebnis, falls ein Anschlussleiter, der durch Aufbringen einer Sn-10Pb-Legierungsgalvanisierungslage direkt auf die herkömmliche Fe-Ni-Legierung (42er-Legierung) erhalten wurde, unter Verwendung eines Sn-Ag-Bi-Legierungs-Lötmittels kontaktiert wurde. In dieser Kombination agglomerierten die Pb-Bi-Verbindungen an der Grenzfläche, wobei der Bruch in der Grenzfläche zwischen der 42er-Legierung und dem Lötmittel auftrat. An der 42er-Legierungs-Bruchgrenzfläche des Anschlussleiters wurde eine kleine Menge Sn festgestellt, wobei angenommen wird, dass das Sn in dem Lötmittel Verbindungen mit der 42er-Legierung des Anschlussleiters bildet. Somit wird angenommen, dass die Agglomerisation der obigen Verbindungen von Pb und Bi an der Grenzfläche den Kontaktbereich zwischen dem Sn und der 42-Verbindung verringerte, was die Haftfestigkeit stark schwächte.
  • Nachfolgend zeigt 10 ein Beobachtungsergebnis, falls die Sn-10Pb-Legierungsgalvanisierungslage durch eine Sn-4Bi-Legie rungsgalvanisierungslage ersetzt wurde. Die in der Grenzfläche gebildete Verbindungslage war dünn, wobei der Bruch an der Grenzfläche zwischen der 42er-Legierung und dem Lötmittel ähnlich auftrat. Allerdings blieb das Bi körnige Kristalle, die keine so starke Verringerung im Bereich der Bindung zwischen dem Sn und der 42er-Legierung wie im Fall eines Sn-10Pb verursachten. Es wird angenommen, dass dies der Grund ist, weshalb die Haftfestigkeit von nicht weniger als 5 kgf erhalten werden konnte. Eine Auger-Analyse offenbarte, dass die dünne Verbindungslage eine Sn-Fe-Lage von etwa 70 nm ist.
  • 11 zeigt ein Beobachtungsergebnis, falls unter der Sn-4Bi-Lage eine Cu-Lage gebildet wurde. Es wurde festgestellt, dass in der Grenzfläche eine dicke Lage von Verbindungen von Cu und Sn gebildet wurde. Der Bruch trat in der Grenzfläche zwischen dieser Verbindungslage und dem Lötmittel oder in der Verbindungslage auf. In dem in 10 gezeigten Fall, dass die Sn-Bi-Legierungslage direkt auf dem 42er-Legierungsanschlussleiter gebildet wurde, war die Bruchfläche fast flach, während sie uneben war, falls die Cu-Lage vorhanden war. Aus diesem Grund wird angenommen, dass dieser Unterschied der Bruchfläche zu der Verbesserung der Haftfestigkeit führte. Übrigens wurden auch aus anderen Sn-Ag-Bi-Legierungs-Lötmittelzusammensetzungen ähnliche Untersuchungsergebnisse erhalten.
  • Für die obigen Beispielanschlussleiter mit jeder Zusammensetzung wurde das Auftreten von Whiskern untersucht. Die Bildung von Whiskern wurde an den Oberflächen der Beispielanschlussleiter beobachtet, auf die eine Sn-Zn-Legierungsgalvanisierungslage aufgebracht wurde. Bisher hieß es, dass eine Sn-Galvanisierung in Bezug auf die Beständigkeit gegenüber der Bildung von Whiskern ein Problem darstellt. Allerdings wurde in den Sn-Bi-Legierungslagen das Auftreten von Whiskern nicht beobachtet und es gab kein Problem in Bezug auf die Beständigkeit gegenüber der Bildung von Whiskern.
  • Dementsprechend können bei Verwendung der Elektrodenstrukturen der Erfindung mittels Sn-Ag-Bi-Legierungs-Lötmitteln die Kontaktierungsabschnitte mit einer ausgezeichneten Haftfestigkeit, mit einer ausgezeichneten Benetzbarkeit und mit einer ausgezeichneten Beständigkeit gegenüber dem Auftreten von Whiskern erhalten werden.
  • Der Grund, weshalb Sn-Ag-Bi-Lötmittel ausgewählt wurden, die Sn als eine primäre Komponente, 5 bis 25 Gew.-% Bi, 1,5 bis 3 Gew.-% Ag und optional 0 bis 1 Gew.-% Cu enthält, ist, dass Lötmittel mit der Zusammensetzung in diesen Bereichen das Löten bei 220–240°C zulassen und dass diese Lötmittel fast die gleiche Benetzbarkeit wie Lötmittel aus einer eutektischen Sn-Ag-Legierung aufweisen, die bisher für Cu einsatzerprobt waren und ausreichend Zuverlässigkeit bei hohen Temperaturen boten. Genauer haben Sn-Ag-Bi-Legierungs-Lötmittel eine Zusammensetzung (eine ternäre eutektische Legierung), die bei etwa 138°C schmilzt, wenn der Bi-Gehalt nicht weniger als etwa 10 Gew.-% beträgt, wobei Bedenken bestehen, dass diese Anteile einen nachteiligen Einfluss auf die Zuverlässigkeit bei hoher Temperatur haben könnten. Allerdings wird der Niederschlag einer ternären eutektischen Zusammensetzung auf Pegel gesteuert, die in der praktischen Verwendung kein Problem darstellen, während ebenfalls eine Hochtemperaturfestigkeit bei 125°C sichergestellt ist. Dementsprechend können durch das Löten der obigen Elektrode unter Verwendung des Lötmittels mit dieser Zusammensetzung praktische und hochzuverlässige elektronische Gegenstände erhalten werden.
  • Beispiel 1:
  • In 1 ist die Querschnittsstruktur eines Anschlussleiters für eine QFP-LSI gezeigt. Diese veranschaulicht einen Teil der Querschnittsstruktur des Anschlussleiters. Auf einem Anschlussleiter 1, der aus einer Fe-Ni-Legierung (42er-Legierung) besteht, wurde eine Sn-Bi-Legierungslage 2 gebildet. Die Sn-Bi-Legierungslage 2 wurde durch Galvanisieren gebildet, wobei ihre Dicke etwa 10 μm betrug. Der Bi-Gehalt der Sn-Bi-Legierungsgalvanisierungslage war 8 Gew.-%. Die obige QFP-LSI mit dieser Elektrodenstruktur wurde unter Nutzung eines Sn-2,8Ag-15Bi-0,5Cu-Legierungs-Lötmittels auf ein Glas-Epoxidharz-Substrat gelötet, das eine Leiterplatte ist. Das Löten wurde in einem Schmelzofen mit einer Stickstoffumgebung bei einer Spitzentemperatur von 220°C ausgeführt. Es war möglich, Kontaktierungsabschnitte mit ausreichender Haftfestigkeit zu erhalten. Ähnlich wurde unter Nutzung eines Sn-2Ag-7,5Bi-0,5Cu-Legierungs-Lötmittels ein Rückflusslöten auf ein Glas-Epoxidharz-Substrat bei 240°C in der Luft ausgeführt. Insbesondere bei einer hohen Temperatur haben die durch Rückflusserwärmen erzeugten kontaktierten Abschnitte eine hohe Zuverlässigkeit.
  • Beispiel 2:
  • In 2 ist die Querschnittsstruktur eines TSOP-Anschlussleiters gezeigt, der ein Teil der Anschlussleiterstruktur ist. Auf einem Anschlussleiter 1, der aus einer Fe-Ni-Legierung (42er-Legierung) besteht, ist eine Cu-Lage 3 gebildet und auf dieser Cu-Lage ist eine Sn-Bi-Legierungslage 2 gebildet. Die Sn-Bi-Legierungslage 3 und die Sn-Bi-Lage 2 wurden durch Galvanisieren gebildet. Die Dicke der Cu-Lage 3 war etwa 8 μm und die der Sn-Bi-Galvanisierungslage war etwa 10 μm. Der Bi-Gehalt der Sn-Bi-Legierungsgalvanisierungslage war 5 Gew.-%. Wegen der hohen Starrheit des TSOP-Anschlussleiters ist die bei der Grenzfläche erzeugte Spannung im Vergleich zu der QFP-LSI höher, wenn er bei einer hohen Temperatur oder unter einer Bedingung, dass eine Wärmeerzeugung in der Vorrichtung selbst stattfindet, verwendet wird. In diesen Fällen ist es notwendig, eine Grenzfläche mit ausreichender Haftfestigkeit, die hoch genug ist, um diese Grenzflächenspannung auszuhalten, zu bilden, wobei die Cu-Lage unter der Sn-Bi-Lage für diesen Zweck wirksam ist.
  • Das TSOP wurde unter Nutzung eines Sn-Ag-Bi-Legierungs-Lötmittels in einem Dampfschmelzofen an eine Leiterplatte gelötet und es wurde der Wärmezyklustest ausgeführt. Der Test wurde unter den folgenden zwei Testbedingungen ausgeführt: eine Stunde pro Zyklus von –55°C für 30 Minuten und 125°C für 30 Minuten und eine Stunde pro Zyklus von 0°C für 30 Minuten und 90°C für 30 Minuten. Nach 500 Zyklen und 1000 Zyklen wurde der Querschnitt beobachtet und wurde die Bedingung der Bildung von Rissen untersucht. Das Zyklustestergebnis des Rissauftretens wurde mit einem Fall verglichen, in dem ein TSOP mit derselben Größe mit einer 42er-Legierung, auf der direkt eine Sn-10Pb-Legierungslage gebildet war, unter Verwendung eines eutektischen Sn-Pb-Legierungs-Lötmittels gelötet wurde. Obgleich in den Wärmezyklen von -55°C/125°C früh Risse gebildet wurden, traten bei den Wärmezyklen von 0°C/90°C keine Probleme auf, wobei eine Kontaktierungsgrenzfläche erhalten wurde, die für die praktische Verwendung ausreichend ist.
  • INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
  • Es kann eine Elektrodenstruktur realisiert werden, die als ein bleifreies Material für ein Sn-Ag-Bi-Legierungs-Lötmittel ausgezeichnet geeignet ist.
  • Unter Nutzung eines bleifreien Sn-Ag-Bi-Legierungs-Lötmittels kann durch ein bleifreies Lötmittel eine kontaktierte Struktur realisiert werden, in der eine Kontaktierungsgrenzfläche erhalten werden kann, die stabil ist und eine ausreichende Haftfestigkeit aufweist.
  • Unter Nutzung eines bleifreien Sn-Ag-Bi-Legierungs-Lötmittels mit niedriger Toxizität kann ein elektronischer Gegenstand realisiert werden, der eine durch das bleifreie Lötmittel kontaktierte Struktur aufweist, die eine stabile Kontaktierungsgrenzfläche in Bezug auf eine Änderung des Prozesses mit der Zeit und eine Festigkeit, die hoch genug ist, um die Spannung auszuhalten, die in den kontaktierten Abschnitten durch Löten wegen einer Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen den elektronischen Vorrichtungen und einer Platine, wegen einer Arbeit des Teilens der Platine nach dem Löten, wegen Durchbiegung der Platine während des Probentests, wegen der Handhabung usw. erzeugt werden, schaffen kann.
  • Unter Nutzung eines bleifreien Sn-Ag-Bi-Legierungs-Lötmittels mit niedriger Toxizität ist es möglich, durch Bilden angemessener Lotkegel ausreichende Haftfestigkeit zu erhalten, während eine ausreichende Benetzbarkeit z. B. bei 220–240°C sichergestellt ist, um die Beständigkeit gegenüber der Bildung von Whiskern usw. sicherzustellen.
  • Das Löten elektronischer Vorrichtungen unter Nutzung eines Sn-Ag-Bi-Lötmittels ermöglicht, eine Grenzfläche zu erhalten, die ausreichende Haftfestigkeit aufweist, und die für die praktische Verwendung ausreichende Benetzbarkeit sicherzustellen. Es besteht kein Problem in Bezug auf die Beständigkeit gegenüber der Bildung von Whiskern. Somit ist es unter Verwendung derselben Ausrüstung und desselben Prozesses wie herkömmlich möglich, bleifreie Elektrogeräte zu realisieren, die umweltfreundlich sind.

Claims (5)

  1. Verfahren zum Kontaktieren einer eine Elektrode aufweisenden Halbleitervorrichtung, mittels eines bleifreien Lötmittels, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode vor dem Kontaktieren mit dem Lötmittel eine Beschichtung aus einer Sn-Bi-Legierung, die 1 bis 20 Gew.-% Bi enthält, aufweist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Elektrode unter der Beschichtungslage aus der Sn-Bi-Legierung eine Kupferlage aufweist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Elektrode aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung oder aus einer Fe-Ni-Legierung hergestellt ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Lötmittel eine Sn-Ag-Bi-Legierung ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Lötmittel Sn als primäre Komponente, 5 bis 25 Gew.-% Bi, 1,5 bis 3 Gew.-% Ag und bis zu 1 Gew.-% Cu enthält.
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