DE19542043A1 - Bleifreie Niedertemperaturlegierung und Verfahren zur Bildung einer mechanisch überlegenen Verbindung unter Verwendung dieser Legierung - Google Patents

Bleifreie Niedertemperaturlegierung und Verfahren zur Bildung einer mechanisch überlegenen Verbindung unter Verwendung dieser Legierung

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DE19542043A1
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine bleifreie Legierung aus Wismut-Zinn und einem dritten Metall, wobei die Legierung das Verhalten eines ternären Eutektikums zeigt, das eine hundertprozentige Verbesserung der Dehnbarkeit bzw. Verform­ barkeit gegenüber eutektischen Zinn-Wismut-Lötmittel auf­ weist.
Anordnungen von elektronischen Komponenten erfordern eine elektrische Verbindung, und die Verbindung erforderte typi­ scherweise ein Lötmittel der einen oder anderen Sorte.
Niedertemperaturlötmittel sind nützlich beim Absenken der Rückflußtemperatur bzw. bei einer Temperatur, bei der eine Wiederverflüssigung einsetzt, bei einem elektronischen An­ ordnungsprozeß. Die Bezeichnung niedrige Temperatur, wie sie hier verwendet wird, bezieht sich auf Lötmittellegierungen mit Schmelzpunkten unterhalb desjenigen der 63Sn-37Pb (eute­ ktischen) Legierung. Die Wiederverflüssigungstemperatur für ein 63Sn-37Pb Lötmittel liegt bei 220 Grad Celsius. Die Ver­ wendung eines Niedertemperaturlötmittels in einer elektri­ schen Anordnung erniedrigt die Wiederverflüssigungstempera­ tur. Die Vorteile einer niedrigen Wiederverflüssigungstem­ peratur schließen ein: 1) Reduzieren der Kosten für tempera­ turempfindliche Komponenten; 2) Reduzieren des Risikos eines thermischen Schocks aufgrund der Unterschiede der thermi­ schen Ausbreitungskoeffizienten des Substrats, des Löt­ mittels und der verschiedenen Komponenten; 3) Bereitstellen von Optionen für eine hierarchische Anordnung. Lötmittel ohne Blei reduzieren die Gefahren für die Umwelt. Mit fort­ laufend kleiner werdenden Komponenten und Verbindungen er­ fordert die elektronische Gehäusungsindustrie ferner zu­ nehmend ein Lötmittel, das nicht nur als elektrische Verbin­ dung sondern auch als mechanische Unterstützung wirksam ist.
Die 85Bi-42Sn (Wismut-Zinn) Legierung weist bei der Gehäu­ sung von Elektronikbauelementen begrenzte Anwendbarkeiten auf. Obwohl sie eine größere Stärke und einen größeren Kriechwiderstand als 63Sn-37Pb aufweist, wird ihre Anwend­ barkeit aufgrund ihrer schlechten Dehnbarkeit und aufgrund des schlechten Müdigkeitswiderstandes erheblich einge­ schränkt. Die schlechte Dehnbarkeit und der schlechte Müdig­ keitswiderstand des 85Bi-42Sn Legierung beschränkt deren Nützlichkeit bei der Gehäusung und bei einem Zusammenbau von elektronischen Komponenten erheblich, da die sich ergebende Anordnung den Belastungen beim Verpacken und Versenden nicht ausreichend widerstehen kann. Folglich sind Produkte, bei denen elektronische Komponentenverbindungen mittels 58Bi- 42Sn gelötet sind, nicht ausreichend zuverlässig, besonders für den anspruchsvollen Kunden von heute und für die heuti­ gen Märkte mit großer Konkurrenz.
Es wurde berichtet, daß eine Mischung von Wismut-Zinn Löt­ mittelpasten auf eine Oberfläche aufgebracht wurde, die mit Gold oder Silber elektroplattiert wurde, und daß während der Wiederverflüssigung (die bei einer Temperatur auftritt, die höher ist als der Schmelzpunkt von Wismut-Zinn) das elektro­ plattierte Metall sich auflöste, wodurch die Verbindung ge­ bildet wurde (Melton u. a. US-A-5,320,272). Es wurde behaup­ tet, daß die so gebildete Verbindung eine erhöhte Härte zeigt, wodurch die Fähigkeit der Verbindung erhöht wird, Temperaturverläufen zu widerstehen, die bei elektronischen Gehäusen während deren Verwendung angetroffen werden. Die Erhöhung der Stärke allein erhöht jedoch die Sprödigkeit, was zu einer kurzen Ermüdungslebensdauer oder einer frühen Ermüdung führt. Das eutektische Bi-Sn zeigt eine geeignete Stärke und einen geeigneten Kriechwiderstand, kommt jedoch bezüglich der erforderlichen Dehnbarkeit und des erforder­ lichen Ermüdungswiderstandes zu kurz. Die optimale Verbin­ dung zeigt die mechanischen Eigenschaften einer erhöhten Er­ müdungslebensdauer (Zeit während des Betriebs) und eine er­ höhte Dehnbarkeit (Fähigkeit, lateralen Scherbewegungen zu widerstehen). Ferner sollte der Prozeß der Bildung einer solchen Verbindung die Gefahren für die unmittelbare Umge­ bung der Arbeiter minimieren sowie die Umgebung als Ganzes harmonisieren. Es ist ebenfalls wünschenswert, daß die Le­ gierung, die aus drei Metallen besteht, als ein ternäres Eu­ tektikum oder als ein "nahezu ternäres" Eutektikum für die Zwecke der elektronischen Anordnung wirkt.
Die Legierung und die Lötmittelzusammensetzung, die hier ge­ lehrt werden, sind bleifrei, haben eine niedrige Schmelztem­ peratur und haben vorteilhafte mechanische Charakteristika, die diese zu einer sinnvollen Zusammensetzung sowohl für die elektrische Verbindung als auch für die mechanische Unter­ stützung machen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Legierung und eine Lötmittelzusammensetzung zu schaffen, die bleifrei ist, eine niedrige Schmelztemperatur hat und vor­ teilhafte mechanische Charakteristika aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Verbindungsanord­ nung gemäß Anspruch 1 und Anspruch 4, durch ein Verfahren zum Bilden von ternären eutektischen Lötmittelerhebungen ge­ mäß Anspruch 2 und Anspruch 5, und durch eine Legierung nach Anspruch 7 gelöst.
Die hier gelehrte Erfindung schließt eine neue Formel für eine Legierung ein, genauer gesagt für eine Legierung für Anwendungen beim Aufbau und bei der Gehäusung elektronischer Bauelemente. Genauer gesagt schließt die Erfindung eine Löt­ mittelpaste ein, die aus dem Metallpulver einer ternären Le­ gierung gebildet ist. Die Legierung schließt im wesentlichen drei Elementarbestandteile ein: Wismut, Zinn und ein drittes Metall, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Indium und Silber besteht. Das ternäre Metall ist in einer relativ geringen Gewichtsmenge vorhanden, weniger als zwei (2) Pro­ zent. Das Wismut und das Zinn sind in Beträgen von fünfzig (50) Gewichtsprozent bzw. achtundvierzig (48) Gewichtspro­ zent vorhanden. Die Legierung, die aus den drei Elementar­ bestandteilen gebildet ist, verhält sich wie ein ternäres oder nahezu ternäres Eutektikum und schmilzt bei einem ein­ zigen Temperaturpunkt oder in einem schmalen Temperaturbe­ reich von etwa 136-137 Grad Celsius. Die eutektischen Charakteristika der Legierung ermöglichen die Reduzierung des Aufheizens während des Zusammenbaus der elektronischen Bauteile (weniger Wärme für eine kürzere Zeitdauer), was die Auswahl von Komponenten ermöglicht, die ansonsten aufgrund ihrer Instabilität bezüglich des Widerstands gegenüber er­ höhten Temperaturen, die notwendig sind, um das Lötmittel zu schmelzen, nicht verwendbar sind. Solche Komponenten sind fast immer kostengünstiger als ihre Gegenstücke, die aus Ma­ terialen besonders entworfen sind, die fähig sind, höheren Temperaturen zu widerstehen. Die eutektischen Charakteri­ stika der hier gelehrten Legierung ermöglicht ebenfalls die niedrigste Viskosität, und eine niedrige Viskosität ermög­ licht das Schwall-Löten. Ferner werden exzellente Ergebnisse von der neuen Legierung bei anderen Löttechniken erwartet, die einen Verbindungslötmittelerhebungsprozeß einschließen, der dem Erfinder als "Abscheidung der enthaltenen Paste" (CPD = Contained Paste Deposition) bekannt ist. Die CPD ver­ wendet die Schablonierung von Lötmittelpaste auf benetzbaren Regionen eines Substrats durch Einbringen einer Paste mit­ tels eines Rakels (das sogenannte "Squeegeeing") in die be­ reits ausgerichteten Öffnungen einer speziellen Maske, Auf­ heizen der Masken-Substrat-Pasten-Anordnung und Entfernen der Maske nach der Lötmittelkugelbildung. Die CPD eliminiert die Elektroplattierung und den gesamten zugeordneten Aufwand bezüglich einer sauberen, schnellen Lötmittelerhebungsher­ stellungsprozedur. Die sich ergebende zusammengesetzte Schaltung, die die hier gelehrte Legierung verwendet, zeigt eine Verbesserung der Ermüdungslebensdauer und Dehnbarkeit in der Größenordnung einer hundertprozentigen Verbesserung, was zu robusteren Verbindungen führt, die fähig sind, mecha­ nischen Belastungen, die der Gehäusung und Versendung zuge­ ordnet sind, sowie den thermischen und anderen Belastungen beim Betrieb zu widerstehen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 das Ergebnis einer Scherüberprüfung von Lötmittel­ verbindungen, die aus zwei Legierungen (58Bi-42Sn und 50Bi-42Sn-2Ag) hergestellt sind, zwischen Kupferplatten, die bei drei Temperaturen und einer Dehnungsrate von 0,01 1/s durchgeführt wurde.
Fig. 2 das Ergebnis der Scherüberprüfung von Lötmittel­ verbindungen, die aus zwei Legierungen (58Bi-42Sn und 50Bi-48Sn-2Ag) hergestellt sind, zwischen Kupferplatten, die bei drei Temperaturen und einer Dehnungsrate von 0,001 1/s durchgeführt wurden;
Fig. 3 einschließlich Fig. 3A bis 3H zeigen das CPD-Erhe­ bungsherstellungsverfahren, das die hier gelehrte Legierung verwendet;
Fig. 4 ein Flußdiagramm des Erhebungsbildungsverfahrens, das eine Anwendung der hier gelehrten Legierung darstellt;
Fig. 5 den Aufbau der Maske auf dem Substrat bei einem be­ vorzugten Ausführungsbeispiel; und
Fig. 6 die tatsächlichen und berechneten eutektischen Übergangstemperaturen einer Zinn-Wismut-Silber-Le­ gierung.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine Paste in Übereinstimmung mit dieser Erfindung verwendet, um eine bleifreie ternäre oder nahezu ternäre eutektische Legie­ rungsverbindung zu bilden, um elektrische Verbindungen auf und zwischen Substraten zu erzeugen. Die Legierungspaste bildet eine Verbindung, die zwei Substrate physikalisch be­ festigt und elektrisch verbindet, wobei sowohl eine mechani­ sche Unterstützung als auch eine elektrische Verbindung be­ reitgestellt wird.
Eine bevorzugte Paste gemäß der vorliegenden Erfindung kann aus dem Metallpulver der erwünschten Legierung hergestellt werden. Die erwünschte Legierung wird im wesentlichen aus den folgenden Bestandteilselementen gebildet: Zinn (48 Ge­ wichtsprozent), Wismut (50 bis 51,5 Gewichtsprozent) und Silber oder alternativ Indium (0,5 bis 1,5 Gewichtsprozent). Die Lieferung der Legierung in der Pastenform erfolgte durch die Indium Corporation of America.
Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann Indium das Sil­ ber ersetzen, genauso wie Gold. Der Gewichtsprozentsatz von Zinn bleibt etwa 48 Prozent obwohl ein Bereich von 47 bis 49 Prozent möglich ist; der kombinierte Anteil von Wismut und dem tertiären Element kann sich verändern, wobei sich das tertiäre Element bevorzugterweise von etwa 0,5 bis 2,0 Pro­ zent ändert, und der Rest durch Wismut ausgeglichen wird. Die obere Grenze für das tertiäre Element beträgt etwa 4 Prozent, da höhere Prozentsätze die Dehnbarkeit der sich er­ gebenden Legierung beeinträchtigen können. Folglich zeigen die bisherigen Experimente die beste Dehnbarkeit bei etwa 50Bi-48Sn-2Ag. Ähnliche Ergebnisse werden mit Indium erwar­ tet. Die Experimente haben gezeigt, daß die bevorzugten Aus­ führungsbeispiele eine Legierung ergeben, die die Charakte­ ristika eines ternären Eutektikums zeigen, wie dies durch NIST (siehe Fig. 6, NIST = National Institute of Standards and Tests) berechnet wurde.
Fig. 1 und 2 stellen die Ergebnisse von Scherprüfungen von Lötmittelverbindungen, die aus zwei Legierungen, 52Bi-42Sn und 50Bi-48Sn-2Ag, hergestellt wurden, zwischen Kupferplat­ ten bei drei Temperaturen (20, 65 und 110 Grad Celsius) und bei zwei Dehnungsraten (0,01 1/s bzw. 0,001 1/s) dar. Die Dehnbarkeitswerte der hier gelehrten Legierung (wobei die Dehnbarkeit aus der Größe der Dehnung erkannt werden kann, die vor einer Lötmittelverbindungstrennung ausgehalten wur­ de) ist unter nahezu allen Testbedingungen erheblich größer als bei 52Bi-42Sn. Experimentelle Ergebnisse der Ermüdungs­ lebensdauer sollten ebenfalls eine Erhöhung der Ermüdungsle­ bensdauer von 100 Prozent zeigen. Es wird erwartet, daß ähn­ liche Ergebnisse aus einer Verbindung, bei der das dritte Metall Indium ist, erreicht werden.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, siehe Fig. 3A bis 3H, wird diese Erfindung verwendet, um elektrisch leitfähige Verbindungsstrukturen, die Erhebungen einschließen, zu bil­ den, die fähig sind, ein Substrat mit einem anderen derart zu verbinden, daß elektrische Impulse zwischen diesen Sub­ straten fließen.
Wie es in Fig. 4 gezeigt ist, schließt ein CPD-Verfahren, das die Legierung verwendet, im allgemeinen folgende Schrit­ te ein: Auswählen 410 eines Substrats, einer Maske und einer Paste (in diesem Fall die Legierung, die hier gelehrt wird); das Zusammenbauen 412 des Substrats und der Maske; das Aus­ richten 414 der Substrat-Maske; das Abscheiden 416 der Pa­ ste; das Wiederverflüssigen 422 der Substrat-Maske-Paste; das Entfernen 424 der Maske; das Reinigen 430 der Maske; das erneute Verwenden der Maske bei einer erneuten Wiederholung des Prozesses. Alternativ wird bei einigen Teil-Verfahren die Maske nicht entfernt. Überdies schließen die verfahrens­ mäßigen Änderungen bzw. Variationen folgende Schritte ein: die Zwischeninspektion 418, 426 und das Auffrischen 420, 428, um eine gleichmäßige Dicke der Lötmittelpastenabscheidung und der Kugelanordnung sicherzustellen. Wenn eine nicht-be­ netzbare Oberfläche verwendet wird, dann werden anstelle eines mit Erhebungen versehenen Substrats Lötmittelkugeln mit gesteuertem Volumen erzeugt.
Fig. 3A bis 3H stellen dar, wie die Legierung in einer Flip-Chip-Bildung und bei einem Flip-Chip-Zusammenbau ver­ wendet wird. Das ausgewählte Substrat 320 weist eine Ober­ fläche 321 oder eine aktive Seite auf, die zur Bildung von elektrischen Verbindungen ausgewählt ist, auf die benetzbare oder lötbare Regionen 322 oder Regionen aus einem lötbaren Erhebungsbegrenzungsmetall (BLM = Bump Limiting Metal) auf­ gebracht wurden. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das ausgewählte Substrat ein Siliziumwafer mit einem BLM, das durch die abzuscheidende Legierung benetzbar ist. Der Siliziumwafer mit mit Zinkat versehenen Anschlußstellen (Al-Anschlußstellen, die durch eine stromlose Zn, Ni Ab­ scheidung behandelt wurden und dann mit Au plattiert wur­ den), und mittels SiN (Siliziumnitrid) passiviert ist die Substrat/BLM-Kombination des bevorzugten Ausführungsbei­ spiels. Ein Wafer mit lötbarem (oder benetzbarem) BLM mit einem Zwischenabstand von 400 µm oder weniger ist einfach und wirksam vorzubereiten. Die Entfernung von Mitte zu Mitte jedes benetzbaren BLM entspricht dem Zwischenabstand der Er­ hebungen; das bevorzugte Ausführungsbeispiel schafft Zwi­ schenräume im Bereich von 150 bis 350 µm. Diese minimale Zwischenraumbegrenzung ist derzeitig eine Funktion der Mas­ kentechnologie und es sind sogar kleinere Zwischenräume mit Verbesserungen in der Maskenherstellungstechnologie mittels der vorliegenden Erfindung erreichbar.
Die übrigen Regionen der Substratoberfläche 321 müssen nicht-benetzbare Regionen 324 sein (zum Beispiel Regionen des Substrats, die durch nicht-benetzbare Materialien be­ deckt sind, wie zum Beispiel Polyimid, Siliziumnitrid oder Siliziumdioxid). Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel für 50Bi-48Sn-2Ag Erhebungen hat der Siliziumwafer benetzbare Regionen aus Ni-Au und nicht-benetzbare Regionen aus Sili­ ziumnitrid.
Als nächstes wird die gesamte Anordnung bestehend aus dem Substrat 320, der Maske 326 und dem Lötmittel 334 aufge­ heizt, so daß sich das Lötmittel 334 wieder verflüssigt (Fig. 3C). Das heißt, daß es aufgeheizt wird, bis die Löt­ mittelpastenmetallkugeln 334 schmelzen und zu einer einzel­ nen Kugel oder einer Lötmittelerhebung 338 zusammenwachsen, wobei eine Erhebung 338 pro Maskenöffnung 330 existiert.
Die Substratoberfläche 546 und die Maske 544 weisen jeweils ein Paar von Löchern oder Feineinstellungsstrukturen 540, 542, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist. Diese können als Aus­ richtungsführungen auf der Substratoberfläche dienen, wenn die Maske auf dem Substrat angeordnet wird. Die Maske er­ füllt zwei Zwecke. Der erste besteht darin, ein Reservoir zu schaffen, um das Volumen der abzuscheidenden Paste zu steuern. Der zweite besteht darin, bis zum und während des Wiederverflüssigungsprozeß als Damm zu wirken oder die Paste auf andere Art zu enthalten. Die zweite Anwendung ist die­ jenige, die diesen Prozeß von der standardmäßigen Verarbei­ tung gemäß der Oberflächenbefestigungstechnologie (SMT = Surface Mount Technology) unterscheidet. Da es das Seiten­ verhältnis der Öffnungen für Zwischenabstände von weniger als 400 Mikrometer nicht ermöglicht, die Maske von dem Sub­ strat zu entfernen (ohne die Paste mit der Maske zu ent­ fernen), muß die Maske während des Wiederverflüssigungspro­ zesses an Ort und Stelle bleiben.
Andere Ausführungsbeispiele von Masken schließen eine Viel­ zahl von wechselnden Maskenmaterialien ein, die durch eine Vielzahl von Einrichtungen entfernbar sind, einschließlich der Entfernung durch chemisches Ätzen oder chemischen Anhe­ ben (flüssige, photoabbildbare Photomaske, Trockenfilmphoto­ maske, Abschäl/-Abheb-Polyimide, Keramik, Silizium).
Der Wiederverflüssigungsprozeß bei der Abscheidung der ent­ haltenen Paste ist fast identisch zu demjenigen, der für Standardoberflächenbefestigungsprozesse (SMT = Surface Mount) verwendet wird. Um das Zusammenwachsen des Metallpul­ vers zur Bildung von Metallerhebungen zu unterstützen, müssen drei gut bekannte Zeit-Temperatur-Regionen in einem Wiederverflüssigungsprofil beibehalten werden:
  • 1. Lösungsmittelverdampfung: Lösungsmittel werden der Löt­ mittelpaste hinzugefügt, um den Squeegeeing-Abschnitt des Prozesses zu steuern. Diese Lösungsmittel müssen während der Wiederverflüssigungsoperation (vor dem Schmelzen des Metalls) verdampfen. Verschiedene Lötmit­ telpastenzusammensetzungen werden unterschiedliche Tem­ peraturen und Zeitdauern erfordern.
  • 2. Flußaktivierung: Damit das Metallpulver zu einer einzel­ nen Metallerhebung zusammenwächst, um eine metallur­ gische Verbindung mit der Metallisierung unterhalb der Erhebung zu bilden, muß die Temperatur der Lötmittel­ paste und des Substrats für eine bestimmte Zeitdauer auf einer vorgeschriebenen Temperatur gehalten sein, um es den Aktivatoren in der Lötmittelpaste zu ermöglichen, die Metalloxide sowohl von der Metallisierung unterhalb der Erhebung als auch von der Oberfläche jedes einzelnen Metallpartikels zu entfernen. Es wird erwartet, daß die Flußaktivierungstemperatur beim 50Bi-48Sn-2Ag niedriger als 130 Grad Celsius ist. Andere Lötmittelpastenzusam­ mensetzungen erfordern unterschiedliche Temperaturen und Zeitdauern.
  • 3. Maximale Temperatur: Allgemeine Wiederverflüssigungslöt­ mittelpraktiken empfahlen, daß die maximale Lötmitteltem­ peratur zwischen 30 und 50 Grad Celsius oberhalb des Schmelzpunktes des Lötmittelpulvers sein soll. Für die eutektische oder nahezu eutektische Legierung, die hier gelehrt wird, beträgt die maximale Temperatur für die Wiederverflüssigung zwischen 155 und 170 Grad Celsius.
Andere Metallegierungen haben unterschiedliche Schmelz­ punkte, die die Verwendung von unterschiedlichen maxi­ malen Temperaturen erfordern.
Die maximale Temperaturänderungsrate verändert sich gegen­ über einem normalen Oberflächenbefestigungsaufbauprozeß leicht. Bei einem normalen Oberflächenbefestigungswiederver­ flüssigungsprozeß ist die maximale Temperaturänderungsrate durch die Fähigkeit von bestimmten Oberflächenbefestigungs­ komponenten vorgegeben, um die schnellen Temperaturänderun­ gen zu überleben. Bei der Abscheidung der enthaltenen Paste wird die maximale Temperaturänderungsrate durch die Anfor­ derung bestimmt, daß die Masken und das Substrat ihre Tempe­ ratur mit derselben Rate ändern.
Nachdem die Erhebungen während des Wiederverflüssigungspro­ zesses gebildet sind und die Anordnung abgekühlt ist, blei­ ben Abschnitte des Lötmittelpastenflußträgers zurück und können bewirken, daß die Maske 326 an dem Substrat 320 an­ haftet. Diese Rückstände werden durch Wässern der Maske und des Substrats in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst. Bei dem anfänglichen Ausführungsbeispiel löst eine Mischung von 50 Prozent Isoprophylalkohol und 50 Prozent Wasser die Rest­ bestandteile und ermöglicht es, daß die Maske von dem Sub­ strat entfernt wird. Nach der Trennung werden die Maske und das Substrat gründlicher gereinigt. Nach der Reinigung wird die Maske an den Beginn des Prozesses zum Zwecke einer Wie­ derverwendung bei einem weiteren Substrat zurückgebracht.
Die hier gelehrte Legierung umfaßt als ihre Vorteile eine niedrige Viskosität und eine erhöhte Dehnbarkeit, was es wünschenswert erscheinen läßt, diese bei anderen Verfahren zur Bildung elektrischer Verbindungen, die noch nicht be­ kannt sind oder noch nicht entwickelt sind, zu verwenden.

Claims (8)

1. Elektrische Verbindungsanordnung (354), mit:
einem ersten Substrat (342) und einem zweiten Substrat (350), die jeweils eine Oberfläche mit vorbestimmten benetzbaren und nicht-benetzbaren Regionen aufweisen;
wobei das erste Substrat Lötmittelerhebungen (338) auf­ weist, die auf den benetzbaren Regionen seiner Oberflä­ che durch folgende Schritte gebildet sind:
Anordnen einer nicht-benetzbaren Metallmaske (326) auf der Oberfläche des ersten Substrats derart, daß eine Mehrzahl von Öffnungen in der Maske (330) mit den benetzbaren Regionen (322) ausgerichtet ist;
Aufbringen einer Lötmittelpaste (334) auf die Me­ tallmaske derart, daß die Lötmittelpaste die Masken­ öffnungen ausfüllt, wobei die Paste aus Zinn-Wismut- Silber besteht;
Wiederverflüssigen der Lötmittelpaste, um Lötmittel­ erhebungen auf den benetzbaren Regionen zu bilden; und
Entfernen der Metallmaske (326) nach der Bildung der Lötmittelerhebungen (338);
wobei die Oberfläche des ersten Substrats (342) im we­ sentlichen parallel zu der Oberfläche des zweiten Sub­ strats (350) derart angeordnet ist, daß die Lötmittel­ erhebungen, die auf dem ersten Substrat gebildet sind, mit den benetzbaren Regionen auf der Oberfläche des zweiten Substrats ausgerichtet sind, und
wobei beim Vorhandensein von Wärme eine Wiederverflüs­ sigung erfolgt, um eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat zu bilden.
2. Ein Verfahren zum Bilden ternärer eutektischer Lötmit­ telerhebungen direkt auf einem Substrat mit einer Mehr­ zahl von benetzbaren Anschlußstellen, mit folgenden Schritten:
Anordnen einer nicht-benetzbaren Metallmaske auf dem Substrat derart, daß eine Mehrzahl von Öffnungen in der Maske mit den Anschlußstellen (410, 412, 414) ausge­ richtet sind;
Aufbringen einer Lötmittelpaste (416) auf die Metallma­ ske derart, daß die Lötmittelpaste die Maskenöffnungen ausfüllt, wobei die Lötmittelpaste aus der Gruppe Wis­ mut-Zinn-Silber oder Wismut-Zinn-Indium mit Gewichts­ prozenten zwischen 50 : 48 : 2 bzw. 51,5 : 48 : 0,5 ausgewählt ist;
Wiederverflüssigen der Lötmittelpaste, um Lötmitteler­ hebungen auf den Anschlußstellen (422) zu bilden; und
Entfernen der Metallmaske nach der Bildung der Lötmit­ telerhebungen (424).
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Lötmittelpaste aus einer Gruppe von bleifreien, eutektisch ternären Legierungen ausgewählt ist, die aus Wismut, Zinn und einem dritten Element besteht, das aus der Gruppe aus­ gewählt ist, die aus Silber und Indium besteht, und wo­ bei das dritte Element in einer Menge relativ zum Wis­ mut und zum Zinn vorhanden ist, um eine Abnahme der Schmelztemperatur der Verbindung gegenüber derjenigen von eutektischem Wismut-Zinn zu bewirken.
4. Elektrische Verbindungsanordnung (354) mit:
einem ersten Substrat (342) und einem zweiten Substrat (350), die jeweils eine Oberfläche mit vorbestimmten benetzbaren und nicht-benetzbaren Regionen aufweisen;
wobei das erste Substrat (342) Lötmittelerhebungen (338) aufweist, die auf den benetzbaren Regionen (322) seiner Oberfläche durch folgende Schritte gebildet sind,
Anordnen einer nicht-benetzbaren Metallmaske (326) auf der Oberfläche des ersten Substrats derart, daß eine Mehrzahl von Öffnungen (330) in der Maske mit den benetzbaren Regionen (322) ausgerichtet sind;
Aufbringen einer Lötmittelpaste (334) auf die Metall­ maske, derart, daß die Lötmittelpaste die Masken­ öffnungen ausfüllt, wobei die Lötmittelpaste eine Wismut-Zinn-x Legierung enthält, wobei x eine Kom­ ponente ist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die im wesentlichen aus Silber und Indium besteht, und wobei x in einer Menge vorhanden ist, die wirksam ist, um die Schmelztemperatur der Verbindung gegen­ über der Schmelztemperatur von eutektischem Zinn-Wis­ mut zu erniedrigen;
Wiederverflüssigenden der Lötmittelpaste, um die Lötmittelerhebungen (338) auf den benetzbaren Regionen zu bilden; und
Entfernen der Metallmaske (336) nach der Bildung der Lötmittelerhebungen; und
wobei die Oberfläche des ersten Substrats im wesent­ lichen parallel zu der Oberfläche des zweiten Substrats derart angeordnet ist, daß die Lötmittelerhebungen auf dem ersten Substrat mit den benetzbaren Regionen auf dem zweiten Substrat (352) ausgerichtet ist, und wobei beim Vorhandensein von Wärme eine Wiederverflüssigung erfolgt, um eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat zu bilden.
5. Verfahren zum elektrischen Verbinden eines ersten Sub­ strats mit einer Mehrzahl von benetzbaren Anschluß­ stellen mit einem zweiten Substrat mit einer Mehrzahl von benetzbaren Anschlußstellen, mit folgenden Schrit­ ten:
Bilden von Lötmittelerhebungen auf dem ersten Substrat durch ein Verfahren, das folgende Schritte aufweist:
Befestigen einer nicht-benetzbaren Metallschablonen­ maske mit einer Mehrzahl von Öffnungen auf dem Sub­ strat, derart, daß die Maskenöffnungen mit den An­ schlußstellen (410, 412, 414) ausgerichtet sind;
Aufbringen einer Lötmittelpaste (416), wobei die Löt­ mittelpaste eine Wismut-Zinn-x Legierung enthält, wo­ bei x aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Silber und Indium besteht, und wobei x in einer Menge vor­ handen ist, die wirksam ist, um die Schmelztemperatur der Verbindung gegenüber der Schmelztemperatur von eutektischem Zinn-Wismut zu erniedrigen, auf die Me­ tallmaske derart, daß die Lötmittelpaste die Masken­ öffnungen ausfüllt;
Wiederverflüssigen der Lötmittelpaste (422), um Löt­ mittelerhebungen auf den Anschlußstellen zu bilden; und
Entfernen der Metallmaske nach der Bildung der Lötmit­ telerhebungen (424);
Anordnen der Lötmittelerhebungen, die auf dem ersten Substrat gebildet sind, ausgerichtet mit den netzbaren Anschlußstellen des zweiten Substrats; und
Wiederverflüssigen der Lötmittelerhebungen, um eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat zu bilden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Erhebungen Zwi­ schenabstände im Bereich von 150 bis 350 µm haben.
7. Legierung, die im wesentlichen aus den folgenden Ele­ menten besteht:
Zinn: etwa 48 Gewichtsprozent
Silber oder Indium: ab 0,5 bis 2,0 Gewichtsprozent
Wismut: den Rest (von 50 bis 51,5 Gewichtsprozent).
8. Legierung nach Anspruch 6, bei der die Dehnbarkeit der Legierung um das Doppelte größer ist als bei eutekti­ schem Zinn-Wismut.
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0845324A1 (de) * 1996-11-26 1998-06-03 Ford Motor Company Weichlotzusammensetzungen
US5833921A (en) * 1997-09-26 1998-11-10 Ford Motor Company Lead-free, low-temperature solder compositions
DE10117404A1 (de) * 2001-04-06 2002-10-17 Paff Stannol Loetmittel Verfahren zum Löten von elektronischen Baugruppen mit niedrig schmelzenden Weichloten
DE102008031836A1 (de) * 2008-07-05 2010-01-21 Deutsche Cell Gmbh Lotkontakt
US7745321B2 (en) 2008-01-11 2010-06-29 Qimonda Ag Solder contacts and methods of forming same
US7973417B2 (en) 2008-04-18 2011-07-05 Qimonda Ag Integrated circuit and method of fabricating the same
CN112490137A (zh) * 2020-11-30 2021-03-12 安徽光智科技有限公司 一种焦平面倒装互连铟柱的制备方法

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10103390B4 (de) * 2001-01-26 2005-09-22 Robert Bosch Gmbh Verfahren und System zum Herstellen einer im Wesentlichen ringförmigen Lotverbindung
KR100716434B1 (ko) 2006-04-17 2007-05-10 주식회사 파이컴 프로브 본딩 방법 및 프로브 카드 제조 방법

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4832255A (en) * 1988-07-25 1989-05-23 International Business Machines Corporation Precision solder transfer method and means
GB2257386B (en) * 1991-06-24 1995-07-05 Tani Denki Kogyo Kk Screen printing apparatus
US5389160A (en) * 1993-06-01 1995-02-14 Motorola, Inc. Tin bismuth solder paste, and method using paste to form connection having improved high temperature properties

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0845324A1 (de) * 1996-11-26 1998-06-03 Ford Motor Company Weichlotzusammensetzungen
US5833921A (en) * 1997-09-26 1998-11-10 Ford Motor Company Lead-free, low-temperature solder compositions
DE10117404A1 (de) * 2001-04-06 2002-10-17 Paff Stannol Loetmittel Verfahren zum Löten von elektronischen Baugruppen mit niedrig schmelzenden Weichloten
US7745321B2 (en) 2008-01-11 2010-06-29 Qimonda Ag Solder contacts and methods of forming same
US7973417B2 (en) 2008-04-18 2011-07-05 Qimonda Ag Integrated circuit and method of fabricating the same
DE102008031836A1 (de) * 2008-07-05 2010-01-21 Deutsche Cell Gmbh Lotkontakt
CN112490137A (zh) * 2020-11-30 2021-03-12 安徽光智科技有限公司 一种焦平面倒装互连铟柱的制备方法

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