Das Gebiet der Erfindung betrifft bleifreie Lötmittel.

Zahlreiche Plättchenbefestigungsverfahren setzen Lötmittel mit hohem Bleigehalt ein, um das Halbleiterplättchen innerhalb einer integrierten Schaltung an einer Leiterplatine zur mechanischen Verbindung zu befestigen und zwischen dem Plättchen und der Leiterplatine Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit bereitzustellen. Obwohl die meisten Lötmittel mit hohem Bleigehalt relativ kostengünstig sind und verschiedene wünschenswerte physikalisch-chemische Eigenschaften aufweisen, steht die Verwendung von Blei bei der Plättchenbefestigung und anderer Lötmittel von einem Umwelt- und Gesundheitsstandpunkt im Arbeitsbereich immer öfter auf dem Prüfstand. Folglich sind verschiedene Ansätze entwickelt worden, um bleihaltige Lötmittel durch bleifreie Plättchenbefestigungszusammensetzungen zu ersetzen.

Zum Beispiel werden in einem Ansatz Polymerklebstoffe (zum Beispiel Epoxidharze oder Cyanatesterharze) eingesetzt, um ein Plättchen an einem Substrat zu befestigen, wie in den US-Patentschriften Nr. 5,150,195, 5,195,299, 5,250,600, 5,399,907 und 5,386,000 beschrieben ist. Polymerklebstoffe härten in der Regel innerhalb einer kurzen Zeit bei Temperaturen aus, die im Allgemeinen unter 200°C liegen, und können sogar nach dem Härten eine strukturelle Flexibilität bewahren, um die Plättchenbefestigung von integrierten Schaltungen an flexiblen Substraten zu ermöglichen, wie in US-Patentschrift Nr. 5,612,403 dargestellt. Jedoch neigen viele Polymerklebstoffe zur Erzeugung von Harzauslaufen, was potenziell zu einer unerwünschten Verminderung des elektrischen Kontakts des Plättchens mit dem Substrat oder sogar zu einer Teilablösung oder vollständigen Ablösung des Plättchens führt.

Um mindestens einige der Probleme bezüglich des Harzauslaufens zu umgehen, können siliziumhaltige Plättchenbefestigungsklebstoffe eingesetzt werden, wie in US-Patentschrift Nr. 5,982,041 an Mitani et al. beschrieben. Wenngleich solche Klebstoffe die Bindung des Drahts sowie diejenige zwischen dem Harzdichtungsmittel und dem Halbleiterchip, Substrat, dem Gehäuse und/oder der Leiterplatine tendenziell verbessern, erfordert der Härteprozess für mindestens einige solcher Klebstoffe eine Strahlungsquelle hoher Energie, welche die Kosten des Plättchenbefestigungsprozesses bedeutend erhöhen kann.

Als Alternative kann eine Glaspaste eingesetzt werden, die ein Borsilikatglas mit hohem Bleigehalt umfasst, wie in US-Patentschrift Nr. 4,459,166 an Dietz et al. beschrieben ist, wodurch ein Härteschritt mit hoher Energie im Allgemeinen vermieden wird. Jedoch erfordern viele Glaspasten, die ein Borsilikatglas mit hohem Bleigehalt umfassen, Temperaturen von 425°C und höher, um das Plättchen dauerhaft an das Substrat zu binden. Darüber hinaus neigen Glaspasten während des Erwärmens und Abkühlens häufig zur Kristallisierung, wodurch die Hafteigenschaften der Bindeschicht vermindert werden.

In noch einem anderen Ansatz werden verschiedene Schmelzlötmittel eingesetzt, um ein Plättchen an einem Substrat oder einer Leiterplatine zu befestigen. Das Löten eines Plättchens an ein Substrat hat verschiedene Vorteile, die eine relativ einfache Verarbeitung, eine lösungsmittelfreie Aufbringung und in manchen Fällen relativ geringe Kosten aufweisen. Es gibt verschiedene hochschmelzende Lötmittel, die im Stand der Technik bekannt sind. Jedoch weisen alle oder fast alle von ihnen einen oder mehrere Nachteile auf. Zum Beispiel sind die meisten eutektischen Goldlegierungen (zum Beispiel Au-20%Sn, Au-3%Si, Au-12%Ge und Au-25%Sb) relativ kostenintensiv und leiden oft unter unzulänglichen mechanischen Eigenschaften. Als Alternative kann die Legierung J (Ag-10%Sb-65%Sn, siehe US-Patentschrift Nr. 4,170,472 an Olsen et al.) bei verschiedenen hochschmelzenden Lötmittelanwendungen eingesetzt werden. Jedoch weist die Legierung J einen Solidus von 228°C auf und leidet auch unter einer relativ schlechten mechanischen Leistungsfähigkeit. Eine Lötmittelzusammensetzung aus 97%Bi-3%Ag ist aus Humpston et al., "Solder Spread: A Criterium for Elaboration of Soldering", Gold Bulletin and Gold Patent Digest, Word Gold Coonal, Genf, CH, Band 23, Nr. 3, 1999, S. 83-96, bekannt. Prüfungen dieser Lötmittelzusammensetzung zeigen, dass sie aufgrund ihrer sehr schlechten Benetzungseigenschaften sehr schlechte mechanische Eigenschaften aufweist.

Obwohl verschiedene Verfahren und Zusammensetzung für Lötmittel und Plättchenbefestigungszusammensetzungen im Stand der Technik bekannt sind, weisen alle oder die fast alle einen oder mehrere Nachteile auf. Folglich besteht ein Bedarf an der Bereitstellung verbesserter Zusammensetzungen und Verfahren für Lötmittel und insbesondere für bleifreie Lötmittel.

Die vorliegende Erfindung richtet sich an Verfahren, Zusammensetzungen und Vorrichtungen, die nach Anspruch 1 oder 13 bereitgestellt und definiert werden.

In einem Aspekt des erfinderischen Gegenstands liegt das Silber in der Legierung in einer Menge von 2 Gew.-% bis 7 Gew.-% und das Wismut in einer Menge von 98 Gew.-% bis 93 Gew.-% vor, oder das Silber liegt in der Legierung in einer Menge von 7 Gew.-% bis 18 Gew.-% und das Wismut in einer Menge von 93 Gew.-% bis 82 Gew.-% vor, oder das Silber liegt in der Legierung in einer Menge von 5 Gew.-% bis 9 Gew.-% und das Wismut in einer Menge von 95 Gew.-% bis 91 Gew.-% vor.

In einem anderen Aspekt des erfinderischen Gegenstands weisen berücksichtigte Lötmittel eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 9 W/mK und nach 1 Sekunde auf einer Benetzungsbilanz eine Benetzungskraft bezüglich feuchtem Ag von etwa 0,2 mN auf. Berücksichtigte Zusammensetzungen können in verschiedene Formen, einschließlich Drähten, Bändern, Vorformen, Kugeln oder Barren geformt sein.

In einem weiteren Aspekt des erfinderischen Gegenstands umfasst eine elektronische Vorrichtung ein Halbleiterplättchen, das durch berücksichtigte Zusammensetzungen mit einer Fläche verbunden ist, wobei besonders berücksichtigte Halbleiterplättchen Silizium-, Germanium- und Galliumarsenidplättchen aufweisen. Es wird ferner berücksichtigt, dass mindestens ein Abschnitt des Plättchens oder ein Abschnitt der Fläche solcher Vorrichtungen mit Silber metallisiert werden kann. In besonders bevorzugten Aspekten umfasst die Fläche eine mit Silber metallisierte Leiterplatine. In weiteren Aspekten werden berücksichtigte Lötmittel in einem elektronischen Flächenanordnungsgehäuse in Form von mehreren Erhebungen auf einem Halbleiterplättchen benutzt, um als elektrische Verbindungen zwischen dem Plättchen und entweder einem Gehäusesubstrat (im Allgemeinen als Flip-Chip bekannt) oder einer Verdrahtungsleiterplatte (im Allgemeinen als Chip auf einer Platte bekannt) zu dienen. Als Alternative können berücksichtigte Lötmittel in Form von mehreren Lötmittelkugeln eingesetzt werden, um ein Gehäuse mit einem Substrat (im Allgemeinen als Kugelgitteranordnung mit vielen Variationen auf dem Motiv bekannt) zu verbinden oder das Plättchen mit entweder einem Substrat oder einer Verdrahtungsleiterplatte zu verbinden.

Verschiedene Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung zusammen mit der beiliegenden Zeichnung offensichtlich.

1 ist ein schematischer vertikaler Querschnitt einer beispielhaften elektronischen Vorrichtung.

Die Erfinder haben unter anderen wünschenswerten Eigenschaften entdeckt, dass berücksichtigte Zusammensetzungen vorteilhaft als ein nahezu genau passender Ersatz für Lötmittel mit hohem Bleigehalt in verschiedenen Plättchenbefestigungsanwendungen eingesetzt werden können. Insbesondere sind berücksichtigte Zusammensetzungen bleifreie Legierungen mit einem Solidus von nicht weniger als 262,5°C und einem Liquidus von nicht mehr als 400°C.

Die erfinderischen Zusammensetzungen sind Legierungen, die als Lötmittel benutzt werden können und die im Hinblick auf das Gesamtgewicht von Ag und Bi in einer Menge von 2 Gew.-% bis 18 Gew.-% aus Silber, in einer Menge von 98 Gew.-% bis 82 Gew.-% aus Wismut und in einer Menge zwischen 10 ppm und 1000 ppm aus einem oder mehreren chemischen Elementen bestehen und eine Sauerstoffaffinität aufweisen, die höher ist als die Sauerstoffaffinität des Ag- und Bi-Anteils der Legierung. In einem bevorzugten Verfahren zur Herstellung berücksichtigter Zusammensetzungen wird eine Ladung angemessen gewichteter Mengen (supra) der reinen Metalle unter einem Vakuum oder in einer inerten Atmosphäre (zum Beispiel Stickstoff oder Helium) auf zwischen 960°C und 1000°C in einem feuerfesten oder wärmebeständigen Behälter (zum Beispiel einem Graphitschmelztiegel) erwärmt, bis sich eine flüssige Lösung bildet. Die Ladung wird gerührt und bei dieser Temperatur für einen Zeitraum gehalten, der zur Gewährleistung einer vollständigen Vermischung und Schmelzung beider Metalle ausreicht. Das geschmolzene Gemisch oder die Schmelze wird dann schnell in eine Form gegossen, durch Kühlen auf Umgebungstemperatur verfestigt und durch herkömmliche Extrusionstechniken, die das Erwärmen des Rohteils auf etwa 190°C aufweisen, zu einem Draht hergestellt oder durch ein Verfahren, bei dem eine rechteckige Scheibe zuerst bei Temperaturen zwischen 225 und 250°C geglüht und dann bei der gleichen Temperatur warmgewalzt wird, zu einem Band hergestellt. Als Alternative kann ein Band extrudiert werden, das nachfolgend zu dünneren Abmessungen gewalzt werden kann. Der Schmelzschritt kann auch unter Luft ausgeführt werden, sofern die Schlacke, die sich bildet, vor dem Gießen des Gemischs in die Gussform entfernt wird.

In alternativen Aspekten des erfinderischen Gegenstands und insbesondere, wenn höhere Liquidustemperaturen gewünscht werden, können berücksichtigte Zusammensetzungen Ag in der Legierung in einer Menge von 7 Gew.-% bis 18 Gew.-% und Bi in einer Menge von 93 Gew.-% bis 82 Gew.-% enthalten. Wenn andererseits niedrigere Liquidustemperaturen gewünscht werden, können gewünschte berücksichtigte Zusammensetzungen Ag in der Legierung in einer Menge von 2 Gew.-% bis 7 Gew.-% und Bi in einer Menge von 98 Gew.-% bis 93 Gew.-% enthalten. Im Allgemeinen wird jedoch berücksichtigt, dass die meisten Plättchenbefestigungsanwendungen eine Zusammensetzung verwenden, in der Ag in der Legierung in einer Menge von 5 Gew.-% bis 10 Gew.-% und Bi in einer Menge von 95 Gew.-% bis 90 Gew.-% vorliegen.

Man sollte besonders zu schätzen wissen, dass berücksichtigte Zusammensetzungen als bleifreie Lötmittel eingesetzt werden können, die auch vollkommen frei von Sn sind, das ein gewöhnlicher vorherrschender Bestandteil in bekannten bleifreien Lötmitteln ist.

Zum Beispiel weisen Zusammensetzungen nach Anspruch 1 ein oder mehrere chemische Elemente auf, die eine Sauerstoffaffinität aufweisen, die höher ist als die Sauerstoffaffinität der Legierung (ohne das chemische Element). Insbesondere weisen berücksichtigte chemische Elemente Al, Ba, Ca, Ce, Cs, Hf, Li, Mg, Nd, P, Sc, Si, Ti, Y und Zr auf, wobei solche chemischen Elemente in der Legierung bei einer Konzentration von zwischen 10 ppm und etwa 1000 ppm vorliegen. Wenngleich nicht gewünscht wird, an eine bestimmte Theorie oder einen bestimmten Mechanismus gebunden zu sein, wird berücksichtigt, dass Elemente mit einer höheren Sauerstoffaffinität als derjenigen der Legierung Metalloxide reduzieren, die bekanntermaßen die Oberflächenspannung eines Schmelzlötmittels oder geschmolzenen Lötmittels erhöhen. Folglich wird berücksichtigt, dass eine Abnahme der Menge von Metalloxiden während des Lötens im Allgemeinen die Oberflächenspannung des geschmolzenen Lötmittels reduziert und dadurch die Benetzungsfähigkeit des Lötmittels erhöht.

Man sollte ferner zu schätzen wissen, dass die Zugabe von chemischen Elementen oder Metallen zur Verbesserung einer oder mehrer physikalisch-chemischer oder thermomechanischer Eigenschaften in jeder beliebigen Reihenfolge ausgeführt werden kann, sofern alle Bestandteile in der Legierung im Wesentlichen vollständig (das heißt, mindestens 95 % jedes Bestandteils) geschmolzen werden, und es wird berücksichtigt, dass die Reihenfolge der Zugabe nicht auf den erfinderischen Gegenstand eingeschränkt ist. In ähnlicher Weise sollte man zu schätzen wissen, dass, obwohl die Kombination von Silber und Wismut vor dem Schmelzschritt bevorzugt wird, auch berücksichtigt wird, dass Silber und Wismut getrennt geschmolzen werden und dass das geschmolzene Silber und das geschmolzene Wismut nacheinander kombiniert werden. Ein weiter verlängerter Erwärmungsschritt auf eine Temperatur über dem Schmelzpunkt von Silber kann hinzugefügt werden, um ein im Wesentlichen vollständiges Schmelzen und Vermischen der Bestandteile zu gewährleisten.

Im Hinblick auf die Wärmeleitfähigkeit der berücksichtigten Legierungen wird berücksichtigt, dass Zusammensetzungen gemäß der Erfindung eine Leitfähigkeit von nicht weniger als 5 W/mK, mehr bevorzugt von nicht weniger als 9 W/mK und am meisten bevorzugt von nicht weniger als 15 W/mK aufweisen. Es wird ferner berücksichtigt, dass geeignete Zusammensetzungen ein Lötmittel aufweisen, das nach 1 Sekunde auf einer Benetzungsbilanz eine Benetzungskraft bezüglich feuchtem Ag von mehr als 0,1 mN, mehr bevorzugt mehr als 0,2 mN und am meisten bevorzugt mehr als 0,3 mN aufweist. Es wird darüber hinaus berücksichtigt, dass eine bestimmte Form berücksichtiger Zusammensetzungen im Hinblick auf den erfinderischen Gegenstand nicht entscheidend ist. Jedoch wird bevorzugt, dass berücksichtigte Zusammensetzungen in eine Drahtform, Bandform oder eine Kugelform (Lötmittelerhebung) geformt werden.

Unter verschiedenen anderen Verwendungen können die berücksichtigten Verbindungen (zum Beispiel in Drahtform) zur Bindung eines ersten Materials an ein zweites Material benutzt werden. Zum Beispiel können berücksichtigte Zusammensetzungen (und Materialien, welche die berücksichtigten Zusammensetzungen umfassen) in einer elektronischen Vorrichtung benutzt werden, um ein Halbleiterplättchen (zum Beispiel Silizium-, Germanium- oder Galliumarsenidplättchen) an eine Leiterplatine zu binden, wie in 1 dargestellt. Hier umfasst die elektronische Vorrichtung 100 eine Leiterplatine 110, die mit einer Silberschicht 112 metallisiert ist. Eine zweite Silberschicht 122 ist auf das Halbleiterplättchen 120 (zum Beispiel durch Rückseitensilbermetallisierung) aufgebracht. Das Plättchen und die Leiterplatine sind miteinander über ihre jeweiligen Silberschichten durch die berücksichtigte Zusammensetzung 130 (hier zum Beispiel ein Lötmittel, das eine Legierung umfasst, die Ag in einer Menge von 2 Gew.-% bis 18 Gew.-% und Bi in einer Menge von 98 Gew.-% bis 82 Gew.-% enthält, wobei die Legierung einen Solidus von nicht weniger als 262,5°C und einen Liquidus von nicht mehr als 400°C aufweist) verbunden. In einem optimalen Plättchenbefestigungsverfahren werden berücksichtigte Zusammensetzungen 15 Sekunden lang auf etwa 40°C über dem Liquidus der bestimmten Legierung und vorzugsweise nicht länger als 30 Sekunden lang auf nicht mehr als 430°C erwärmt. Das Löten kann in einer reduzierten Atmosphäre (zum Beispiel Wasserstoff oder Schutzgas) ausgeführt werden.

In weiteren alternativen Aspekten wird berücksichtigt, dass die Verbindungen gemäß der Erfindung in zahlreichen Lötverfahren eingesetzt werden können, welche keine Plättchenbefestigungsanwendungen betreffen. In der Tat können berücksichtigte Zusammensetzungen in allen oder fast allen Lötmittelanwendungen besonders nützlich sein, bei denen ein nachfolgender Lötschritt bei einer Temperatur unter der Schmelztemperatur der berücksichtigten Zusammensetzungen ausgeführt wird. Ferner können berücksichtigte Zusammensetzungen als ein Lötmittel auch in Anwendungen eingesetzt werden, bei denen Lötmittel mit hohem Bleigehalt durch bleifreie Lötmittel ersetzt werden müssen, wobei Solidustemperaturen von mehr als 262,5°C wünschenswert sind. Besonders bevorzugte alternative Verwendungen weisen die Verwendung von berücksichtigten Lötmitteln in verbindenden Bestandteilen eines Wärmeaustauschers als eine nicht schmelzende Abstandskugel oder eine elektrische/thermische Verbindung auf.

Aufgrund der Differenz hinsichtlich des Koeffizienten der Wärmeausdehnung verschiedener Materialien erfahren Lötstellen häufig eine Scherbelastung. Folglich ist es besonders wünschenswert, dass Legierungen, welche solche Materialien verbinden, ein Modul mit geringer Scherkraft und somit eine gute thermomechanische Ermüdungsfestigkeit aufweisen. Zum Beispiel unterstützen bei Plättchenbefestigungsanwendungen ein Modul mit geringer Scherkraft und eine gute thermomechanische Ermüdungsfestigkeit die Verhinderung des Brechens eines Plättchens, insbesondere wenn relativ große Plättchen mit einem festen Träger verbunden werden.

Basierend auf den bekannten elastischen Modulen der reinen Metalle, der Tatsache, dass Ag und Bi eine Feststoff-Teilvermischbarkeit aufweisen, und der Tatsache, dass das Ag-Bi-System keine intermetallischen Phasen oder Zwischenphasen enthält, wird berücksichtigt, dass das Scherkraftmodul bei Raumtemperatur der Ag-Bi-Legierungen im Bereich von 13 bis 16 GPa (unter der Annahme, dass ein Scherkraftmodul bei Raumtemperatur eine zusätzliche Eigenschaft ist – das heißt, den Gemischregeln folgt) liegt. Die Scherkraftmodule bei Raumtemperatur im Bereich von 13 bis 16 GPa der berücksichtigten Legierungen sind besonders im Vergleich zu 25 GPa für sowohl Au-25%Sb- als auch Au-20%Sn-Legierungen (durch das gleiche Verfahren und unter Berücksichtigung der gleichen Annahme) und im Vergleich zu 21 GPa für die Legierung J (Ag-10%Sb-65%Sn) vorteilhaft, wobei 22,3 GPa ein gemessener Wert für die Legierung J ist.

Prüfanordnungen, die aus einem Siliziumplättchen konstruiert sind, das an eine Leiterplatine mit einer Ag-89%Bi-Legierung gebunden ist, haben nach 1500 Wärmealterungszyklen keine sichtbaren Mängelanzeichen gezeigt, was das berechnete und beobachtete Modul mit geringer Scherkraft der berücksichtigten Ag-Bi-Legierungen weiter unterstützt.

In den Prüfanordnungen und verschiedenen anderen Plättchenbefestigungsanwendungen ist das Lötmittel im Allgemeinen als ein dünnes Blatt hergestellt, das zwischen dem Plättchen und dem Substrat angeordnet ist, an das es gelötet werden soll. Ein nachfolgendes Erwärmen schmilzt das Lötmittel und bildet die Verbindungsstelle. Alternativ kann das Substrat erwärmt werden, gefolgt von der Anordnung des Lötmittels auf dem erwärmten Substrat in einem dünnen Blatt, Draht, geschmolzenen Lötmittel oder einer anderen Form, um ein Lötmitteltröpfchen zu erzeugen, auf welches das Halbleiterplättchen angeordnet wird, um die Verbindungsstelle zu bilden.

Für ein Flächenanordnungsgehäuse können berücksichtigte Lötmittel als eine Kugel, kleine Vorform, Paste aus Lötmittelpulver oder als andere Formen angeordnet werden, um die mehreren Lötstellen zu erzeugen, welche für diese Anwendung im Allgemeinen benutzt werden. Alternativ können die berücksichtigten Lötmittel in Verfahren benutzt werden, umfassend das Galvanisieren in einem Galvanisierungsbad, die Verdampfung aus einer festen oder flüssigen Form, das Drucken aus einer Düse wie einem Tintenstrahldrucker oder das Sputtern zur Erzeugung einer Anordnung von Lötmittelerhebungen, die zum Erzeugen der Verbindungsstellen benutzt werden.

In einem bevorzugten Verfahren werden Kugeln auf Segmenten auf einem Gehäuse angeordnet, wobei ein Flussmittel oder eine Lötmittelpaste (Lötmittelpulver in einem flüssigen Medium) benutzt wird, um die Kugeln festzuhalten, bis sie zur Bindung an das Gehäuse erwärmt werden. Die Temperatur kann entweder derart sein, dass die Lötmittelkugeln schmelzen, oder die Temperatur kann unter dem Schmelzpunkt des Lötmittels liegen, wenn eine Lötmittelpaste einer Zusammensetzung mit niedrigem Schmelzpunkt benutzt wird. Das Gehäuse mit den befestigten Lötmittelkugeln wird dann mit einer Flächenanordnung auf dem Substrat ausgerichtet, wobei entweder ein Flussmittel oder eine Lötpaste benutzt wird, und zur Bildung der Verbindungsstelle erwärmt.

Ein bevorzugtes Verfahren zur Befestigung eines Halbleiterplättchens an einem Gehäuse oder einer Verdrahtungsleiterplatte weist das Erzeugen von Lötmittelerhebungen durch Drucken einer Lötpaste durch eine Maske, Verdampfen des Lötmittels durch eine Maske oder Galvanisieren des Lötmittels auf eine Anordnung leitfähiger Segmente auf. Die Erhebungen oder Säulen, die durch solche Techniken erzeugt werden, können entweder eine homogene Zusammensetzung aufweisen, so dass die gesamte Erhebung oder Säule schmilzt, wenn sie zur Bildung der Lötstelle erwärmt wird, oder können in eine Richtung, die zu der Fläche des Halbleiterplättchens senkrecht ist, nichthomogen sein, so dass nur ein Abschnitt der Erhebung oder Säule schmilzt.