DD283236A5

DD283236A5 - Alterungsbestaendiger weichloetkontakt zur kontaktierung von anschlusselementen

Info

Publication number: DD283236A5
Application number: DD32851189A
Authority: DD
Inventors: Rainer Dohle; Siegfried Daebritz; Ekkehard Meusel; Klaus Becker
Original assignee: Robotron Elektronik
Priority date: 1989-05-11
Filing date: 1989-05-11
Publication date: 1990-10-03

Abstract

Die Erfindung betrifft einen alterungsbestaendigen Weichlotkontakt zur Kontaktierung von Anschluszelementen, der in der Mikroelektronik Anwendung findet. Erfindungsgemaesz weist die Lotschicht zwischen den Anschluszelementen und der Substratmetallisierung einen Zinn-Gehalt von 2,5 bis * auf und die Dicke der Lotschicht zwischen Anschluszelement und Substratmetallisierung uebersteigt das Dreifache der Dicke der Substratmetallisierung nicht. Die Loesung ermoeglicht eine alterungsbestaendige Kontaktierung (d. h. die elektrischen und mechanischen Eigenschaften verschlechtern sich nur geringfuegig) von Anschluszelementen vorzugsweise an Substrate von Kompaktbaugruppen/Hybridbaugruppen o. ae. Bauelemente. Das erfindungsgemaesze Kontaktsystem ist edelmetallfrei. Ein festigkeitsbegrenzendes Wachstum der Diffusionszonen bis zum Substrat ist ueberraschenderweise nicht mehr nachweisbar. Fig. 1{Weichlotkontakt, alterungsbestaendig; Anschluszelemente; Zinngehalt 2,5 bis * Lotschichtdicke; Diffusionszonenwachstum; Festigkeitsbegrenzung; Substratmetallisierung; Mikroelektronik; Kompaktbaugruppen; Pin-Grid-Arrays}

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen alterungsbeständigen Weichiotkontakt zur Kontaktierung von lötbaren Anschlußelementen oder Bauelementen. Anwendungsgebiet ist die Elektrotechnik/Elektronik/Mikroelektronik und dabei insbesondere die Herstellung von Hybridbaugruppen, Kompaktbaugruppen oder Pin-Grid-Arrays towie von Leiterplatten in Feinstleitertechnik.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Aus dem DD-WP263632 ist bekannt, an metallisierte Keramiksubstrate Anschlußelemente mit einem Zinn/Blei-Weichlot anzulöten. Das Lot hat einen Zinngehalt kleiner 10%. Die Anschlußelemente weisen einen Metallüberzug auf. Obwohl derartige Lötstellen eine gute Ausgangsfestigkeit und ein günstiges Alterungsverheiten aufweisen, verschlechtern sich die mechanischen und elektrischen Eigenschaften des Kontaktes ständig mit der Alterungszeit infolge des kontinuierlichen Wachstums intermetallischer Phasen bzw. Diffusionszonen entsprechend dem parabolischen Phasenwachstumsgesetz χ = k »VT (Däbritz, Diss. B TU Dresden 1988 S.88). Erst wenn das gesamte Leitbahnmaterial in intermetallische Verbindungen bzw. stöchiometrische Gemische umgesetzt ist, kommt entweder dieser Prozeß zum Erliegen (stabile imtermetallische Verbindung) oder es tritt eine Entmischung bzw. eine Phasenumbildung auf. Dann sind jedoch zumindest die mechanischen Eigenschaften des Kontaktes so schlecht, daß die Verbindung unbrauchbar ist, sofern sie nicht schon vorher ausfällt: Dringt Zinn infolge Diffusion bis zum Substrat vor, verringert sich die Haftfestigkeit der Substratmi allisierung auf dem Substrat drastisch. Weiterhin sind Lote der Zusammensetzung L-PbSnI Ag1,5 und L-PbSn2 bekannt (Hanke/Fabian Technologie elektronischer Baugruppen VEB Verlag Technik Berlin 1975 S. 392). Bei deren Anwendung verschlechtern sich die Kontakteigenschaften bei Alterung sehr langsam. Die Ursache besteht nach Däbritz, Diss. B TU Dresden 1988, in der gegenüber L-PbSn63 und auch L-PbSnI 0 geringeren Phasenwachstumsgeschwindigkeit. Nachteilig bei der Anwendung dieser Lote ist die geringe Ausgangsfestigkeit der Kontaktstelle aufgrund der geringen Eigenfestigkeit der Lote, Frost, M. J. et al. Creep and Tensile Behavior of Lead-Reach Lead Tin Solder Alloys, IEEE Trans, on CHMT, New York Vol. 11 No. 4, Dec. 1988, sowie deren schlechten Benetzungseigenschaften und die relativ hohe erforderliche Löttemperatur.

Weiterhin sind edelmetallhaltige Kontaktsysteme mit hoher Haftfestigkeit und günstigem Alterungsverhalten aus der IEER CH 1781-4 (1982) S. 32-38 sowie aus den EP-OS 55378 und EP-OS 3568 bekannt. Nachteilig ist der hohe Verbrauch von Gold bzw. Silber durch den Einsatz von Edelmetalloten.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, Anschlußelemente alterungsbeständig, kostengünstig und ohne Edelmetallote an Kompaktbaugruppen/Hybridbaugruppen zu kontaktieren.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Kontaktsystem ohne Edelmetallote anzugeben, das ein günstiges Alterungsverhalten und eine hohe Haftfestigkeit aufweist.

Die Aufgabe wird mit einem alterungsbeständigen Weichlotkontakt zur Kontaktierung von lötbaren Anschlußelementen, vorzugsweise aus Eisen/Nickel-Legierungen oder mit einem Nickel-Überzug an Substrate, insbesondere an Keramiksubstrate oder an Leiterplattenbasismaterial, von Hybridbaugruppen/Kompaktbaugruppen oder Pin-Grid-Arrays sowie Leiterplatten in Feinstleitertechnik mit einer Substratmetallisierung, insbesondere einer Silber/Palladium-Dickschichtmetallisierung; einer Kupfermetallisierung oder einer Silber/Platin-Dickschichtmetallisierung über eine Lotschicht aus Zinn/Blei-Weichlot, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Lotschicht zwischen den Anschlußelementen und der Substratmetallisierung einen Zinn-Gehalt von 2,5 bis 12 Ma.-% aufweist und daß die Dicke der Lotschicht zwischen Anschlußelement und Substratmetallisierung das Dreifache der Dicke der Substratmetallisierung nicht übersteigt.

Durch die Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung werden Kontakte mit einem wesentlich verbesserten Alterungsverhalten und einer erhöhten Haftfestigkeit erzeugt. Überraschenderweise gilt für die angegebenen Abmessungen der Kontaktsysteme das Gesetz, wonach die Breite der Diffusionszone parabolisch mit der Zeit zunimmt, nicht. Bei allen angegebenen .

Kontaktsystemen ist das parabolische Wachstum der festigkeitsbegrenzenden Diffusionszone nicht mehr nachweisbar, sondern das Wachstum der Diffusionszonen verringert sich stark mit fortschreitender Zeit.

Aufgrund von unterschiedlichen linearen Ausdehnungskoeffzienten der eingesetzten Werkstoffe sollte die Dicke der Lotschicht (Lötspaltbreite) etwa 5 ηί* 10Mm nicht unterschreiten.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Lotschicht 0,5 bis 2,5 Ma.-% Silber enthält.

Bei einer weiteren Variante enthält die Lotschicht 0,2 bis 3 Ma.-% Kupfer.

Die Zugaben von Silber und Kupfer erhöhen die Eigenfestigkeit der bleireichen Lote und damit der Kontaktstelle. Dabei wird Silber vorzugsweise bei Silber/Palladium bzw. Silber/Platinmetallisierten Substraten und Kupfer bei kupfermetallisierten Substraten zugesetzt.

Bei einer Substratmetallisierung aus Kupfer ist es vorteilhaft, wenn die Lotschicht weniger als 5 Ma.-% Zinn enthält. Die festigkeitsbegrenzende Cu_eSn₆-Phase ist bei diesem Kontaktsystem nicht mehr nachweisbar.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß die Lotschicht 0,5 Ma.-% Nickel und 1 Ma.-% Kupfer sowie gegebenenfalls außerdem 1,5 Ma.-% Silber enthält.

Weitere Varianten bestehen darin, daß das Lot 0,01 Ma.-% Tellur oder 0,04 Ma.-% Cer enthält.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird an drei Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: K.eramiksubstrat mit Anschlußstift

Fig.2: Pin-Grid-Array

Fig. 3: Kompaktbaugruppe mit Anschlußarmatur.

Im ersten Ausführungsbeispiel ist ein Keramiksubstrat 1 mit einer 20 pm dicken Ag/Pd-Dickschichtmetallisierung 2 versehe n. Die Lotschicht 3 ist 20 bis 40pm dick, besteht aus L-PbSn 10Ag2 und wird in Form einer Lötpaste aufgebracht. Als Anschlußelerr. inte 4 werden in diesem Fall Stifte aus einer Fe/Ni-Legierung verwendet.

Beim zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist das Substrat laus AI₂O₃-Keramik mit einer 20 pm starken Kupferdickschichtmetallisierung 2 versehen. Über eine Lotschicht 3 aus L-PbSn2,5CuO,5Ag1,5 von etwa 20Mm Dicke sind lötfähige, dtiftförmige Anschlußelemente 4 mit der Kupfer-Dickschichtmetallisierung 3 verbunden. Die Lotschicht 3 wird seitlich von einem Rahmen aus einer Isolationsschicht 6, in diesem Ausführungsbeispiel aus Dickschichtisolationspaste, begrenzt.

Auf einem größeren anderen Rahmen aus einer Isolationsschicht 7 befindet sich eine Kupferdickschichtmetallisierung 8. Über einen Lotrahmen 9 aus L-SnAg3 ist eine Kappe 5 befestigt.

Die Substratmetallisierung 2, die Rahmen aus einer Isolationsschicht 6,7 und die Kupfer-Dickschichtmetallisierung 8 werden in Siebdrucktechnik aufgebracht und eingebrannt. Im nachfolgenden Kontaktierprozeß schmilzt die vorher aufgetragene Lötpaste auf und stellt die Verbindung zu den lötfähigen Anschlußelementen 4 her. Die Rahmen aus einer Isolationsschicht 6 begrenzen dabei die Lotausbreitung. Dadurch wird verhindert, daß Lot bis zum Rand der Substratmetallisierung 2 gelangt und dort aufgrund der drucktechnisch bedingten geringeren Dicke der Substratmetallisierung 2 Zinn bis zum Substrat 1 diffundiert. Dies würde die Rißentstehung und -ausbreitunr begünstigen.

Nach der Montage des Halbleiterchips 10 wird mit einem Lotrahmen 9 aus L-SnAg3 die Kappe flußmittelfrei aufgelötet. Damit ist das Pin-Grid-Array hermetisch dicht verschlossen.

Im dritten Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist das Keramiksubstrat einer Kompaktbaugruppe nit einer 5 μηι dicken Kupfer-Dünnschichtmetallisiorung 2 versehen. Dieser Metallisierung ist eine Lotschicht 3 aus L-PbSn4CuO,2, die vor der Kontaktierung in Form einer Lotpaste aufgetragen wird, nachgeordnet. Der Lötspalt beträgt weniger als 10μηη. Die Anschlußarmatur 4 ist über die Lotschicht mit der Kupfer-Dünnschichtmetallisierung verbunden.

Bei allen Ausführungsbeispielen haben die entstehenden Kontaktsysteme eine hohe Festigkeit und ein günstiges Alterungsverhalten. Ein Wachstum der Diffusionszonen bis zum Substrat ist nicht nachweisbar.

Claims

1. Alterungsbeständiger Weichlotkontakt zur Kontaktierung von lötbaren Anschlußelementen oder Bauelementen vorzugsweise aus Eisen/Nickel-Legierungen oder vorzugsweise mit einem Nickel-Überzug an Substrate, insbesondere an Keramikäubstrate, von Hybridbaugruppen/ Kompaktbaugruppen oder Pin-Grid-Arrays sowie Leiterplatten in Feinstleitertechnik mit einer Substratmetallisierung, insbesondere einer Silber/Palladium-Dickschichtmetallisierung; einer Kupfermetallisierung oder einer Silber/Platin-Dickschichtmetallisierung über eine Lotschicht aus Zinn/Blei-Weichlot, dadurch gekennzeichnet, daß die Lotschicht (3) zwischen den Anschlußelementen (4) und der Substratmetallisierung (2) einen Zinn-Gehalt von 2,5 bis 12 Ma.-% aufweist und daß die Dicke (b) der Lotschicht (3) zwischen Anschlußelement (4) und Substratmetallisierung (2) das Dreifache der Dicke (d) der Substratmetailisierung (2) nicht übersteigt.

2. Alterungsbeständiger Weichlotkontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lotschicht (3) 0,1 bis 2,5 Ma.-% Silber enthält.

3. Alterungsbeständiger Weichlotkontakt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lotschicht (3) 0,2 bis 3 Ma.-% Kupfer enthält.

4. Alterungsbeständiger WeichlotKontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lotschicht (3) bei einer Kupfermetallisierung weniger als 5 Ma.-% Zinn enthält.

5. Alterungsbeständiger Weichlotkontakt nach Anspruch 3 oder/und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lotschicht (3) etwa 0,5 Ma.-% Nickel enthält.

6. Alterungsbeständiger Weichlotkontakt nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lotschicht (3) etwa 0,01 Ma.-% Tellur enthält.

7. Alterungsbeständiger Weichlotkontakt nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lotschicht (3) etwa 0,04 Ma.-% Cer enthält.

8. Alterungsbeständiger Weichlotkontakt nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Relation zwischen der Dicke (d) der Substratmetallisierung (2) und der Dicke (b) der Lotschicht (3) auch am Rand der Lotschicht (3) garantiert wird, indem ein Isolationsrahmen (6) auf der Substratmetallisierung (2) angeordnet ist.