DE3523808A1

DE3523808A1 - Verfahren zum loeten von teilen aus unterschiedlichen werkstoffen

Info

Publication number: DE3523808A1
Application number: DE19853523808
Authority: DE
Inventors: Hiroaki Hachino; Hirokazu Toukai Ibaraki Inoue; Yasutoshi Katsuta Ibaraki Kurihara; Tadashi Mito Ibaraki Minakawa; Kazunori Katsuta Iabaraki Morozumi; Mamoru Hitachi Ibaraki Sawahata
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1984-07-03
Filing date: 1985-07-03
Publication date: 1986-01-16
Anticipated expiration: 2005-07-04
Also published as: DE3523808C2; DE3523808C3

Description

Verfahren zum Löten von Teilen aus
unterschiedlichen Werkstoffen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum elektrischen, thermischen oder mechanischen Verbinden von wenigstens zwei Teilen aus unterschiedlichen Werkstoffen mit jeweils verschiedenen Wärmedehnzahlen, insbesondere ein Lötverfahren, das zu einer Verminderung der Bruchhäufigkeit der elektrischen Verbindung bzw. verringerter Beschädigung der Verbindungsstelle führt. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Lötverfahren, bei dem die Wärmeermüdungs-Lebensdauer der Verbindung zwischen einem Halbleiterchip und einem dielektrischen Substrat oder zwischen einem Halbleiterchip und einem Metallblech verbessert wird.
Lotmaterial, das als Hauptbestandteile Blei und Zinn aufweist, wird auf vielen technischen Gebieten, insbesondere in der Elektronikindustrie, in großem Umfang zum elektrischen, thermischen oder mechanischen Verbinden von Teilen aus unterschiedlichen Werkstoffen mit jeweils verschiedenen Wärmedehnzahlen eingesetzt.
Nachstehend werden zuerst einige typische Beispiele von bekannten Verbindungen beschrieben.
(1) Die US-PS 3 429 040 zeigt eine bevorzugte Art des mechanischen und elektrischen Verbindens eines Halbleitersubstrats mit einer Leiterbahn auf einem dielektrischen Träger durch ein kontrolliertes Kollaps-Kontaktierverfahren (controlled collapse bonding). Dabei wird eine Lotzusammensetzung mit ca.
5-40 Gew.-% Zinn und ca. 95-60 Gew.-% Blei als Verbindungswerkstoff eingesetzt, und die Verbindung wird durch Aufschmelzlöten hergestellt.
(2) In dem Artikel Thermal Fatigue Failure of Soft-Soldered Contacts to Silicon Power Transistors" von S.K. Kang et al. in IEEE Trans. on Parts, Hybrids and Packaging, PHP-13, 318 (1977), ist eine Formkontaktiervorrichtung angegeben, wobei ein Siliciumsubstrat auf einem Kupferblech, das mit einem Stahlblech silberverlötet ist, durch Einsatz eines Lots auf Bleibasis (95 % Pb - 5 % Sn) befestigt wird.
(3) In der JP-Offenlegungsschrift Nr. 130285/1977 ist eine Formkontaktiervorrichtung angegeben, wobei ein Halbleiterchip, der auf seiner Kontaktierungsfläche einen Nickelfilm trägt, mit einem metallischen Trägerkörper durch Verwendung eines Lots verbunden wird, das 1,0-2,0 Gew.-% Silber, 1,5-4,5 Gew.-% Zinn und 93,5-97,5 Gew.-% Blei aufweist.
(4) In dem Artikel Temperature Cycling of HIC Thin-Film Solder Connections von H.N. Keller in IEEE Trans. on Components, Hybrids, and Manufacture Technology, CHMT-4, 132 (1981), ist ein Halbleiterbauteil angegeben, wobei metallische Anschlußpunkte mit einer Keramikplatte für einen Hybridschaltkreis einstückig verbunden werden durch Lot, das aus 60 Gew.-% Zinn und 40 Gew.-% Blei besteht.
(5) Der Artikel Mechanical Design of Chip Components for "Flip" and Short Beam-Lead Mounting" von D. Boswell in Solid State Technology, July, 54 (1970), zeigt ein Lötgefüge, bei dem ein Kondensator mit zwei Anschlüssen mit einer Verdrahtung auf einem Aluminiumoxidsubstrat durch ein Lot aus 60 Gew.-% Zinn und 40 Gew.-% Blei verbunden ist.
(6) Die JP-Offenlegungsschrift Nr. 39047/1983 zeigt eine Halbleitervorrichtung, bei der auf einen organischen Film aufgebrachte Metallfolienanschlußpunkte einstückig mit auf einem Halbleitersubstrat ausgebildeten Elektroden mit feinem Ohmschem Kontakt mit Hilfe eines Lots verbunden sind, das eine solche Zusammensetzung aufweist, daß das Atomverhältnis von Blei zu Zinn nach der die Verbindung bewirkenden Wärmebehandlung 99,5/0,5 bis 70/30 ist.
(7) Der Artikel solider for Semiconductor Assembly" von Arino et al. in Electronics Technology, Bd. 23, Nr. 7, S. 88 (1981), gibt die Zusammensetzungen und Schmelztemperaturen verschiedener Lotmaterialien mit Blei und Zinn als Hauptkomponenten an. Ferner wird dort der Einsatz von Lotmaterial als Halbleiterbaugruppelangegeben, wobei das Lot aus 50 Gew.-% Pb und 50 Gew.-% Sn oder 30 Gew.-% Pb und 70 Gew.-% Sn besteht.
Die Gründe für die Verwendung von Blei-Zinn-Lot in der Elektronikindustrie sind folgende: (1) Blei und Zinn sind relativ billig, die Legierungsbildung und Behandlung sind einfach und damit kostengünstig.
(2) Der Schmelzpunkt des Lots liegt zwischen 183 und 327 0C und ist niedriger als der Schmelzpunkt anderer metallischer Lotmaterialien vom Silber-, Gold- und Aluminiumtyp, und das Löten kann ohne eine durch Temperaturanstieg eintretende Beschädigung von Randteilen nahe der Verbindungsstelle erfolgen.
(3) Blei-Zinn-Lot ist weich und sehr gut plastisch verformbar gegenüber anderen metallischen Lotmaterialien, so daß es als tragendes Element für die Aufnahme von thermischen Beanspruchungen besser geeignet ist.
Von den Lotmaterialien auf Blei-Zinn-Basis werden jedoch ein Lot auf Bleibasis mit typischerweise 95 Gew.-% Blei und 5 Gew.-% Zinn sowie ein eutektisches Lot mit typischerweise 40 Gew.-% Blei und 60 Gew.-% Zinn am meisten angewandt. Insbesondere sind die Zusammensetzungen von Feinlot für Bauelemente, bei denen ein Halbleiterchip und ein dielektrisches Substrat elektrisch und mechanisch unter Anwendung einer großen Anzahl Feinlotstellen miteinander verbunden werden, auf das Lot auf Bleibasis sowie das eutektische Lot beschränkt, und zwar aus folgenden Gründen.
Aus dem Zweistofflegierungs-Diagramm in dem Artikel Constitution of Binary Alloys" von Max Hansen, S. 1106, McGraw-Hill Book Company (1985), ist klar ersichtlich, daß in dem Lot auf Bleibasis der Anteil einer -Festlösung (wobei eine geringe Menge Zinn in Blei gelöst ist), die weich und in einem Beanspruchungsfeld in hohem Maß plastisch verformbar ist, überwältigend größer als der Anteil einer ß-Festlösung (wobei eine geringe Menge Blei in Zinn gelöst ist) ist, die hart und nur unter Schwierigkeiten plastisch verformbar ist.
Somit besteht die Wahrscheinlichkeit, daß das Lotmaterial insgesamt plastisch verformt wird, und es wurde bisher angenommen, daß diese Lotmaterialien auf Bleibasis in bezug auf die Absorption von thermischen Beanspruchungen, die sich durch die unterschiedlichen Wärmedehnzahlen der beiden zu verbindenden Teile (etwa eines Halbleiterchips und eines dielektrischen Substrats) ergeben, sowie hinsichtlich der Aufrechterhaltung des elektrischen und mechanischen Betriebsverhaltens der Verbindungsstelle vorteilhafter sind.
Ferner ist aus dem vorgenannten Diagramm ebenfalls ersichtlich, daß die Zusammensetzung eines eutektischen Lots nahe einer eutektischen Zusammensetzung (37 Gew.-% Blei -63 Gew.-% Zinn) liegt und ein aus feinen Körnern bestehendes eutektisches Gefüge der O4-Festlösung und der ß-Festlösung aufweist.
Da das eutektische Lot aus feinen Kristallkörpern besteht, besteht in diesem Fall die Wahrscheinlichkeit der plastischen Verformung aufgrund des Gleitens der Korngrenzen und von Diffusionskriechen, und es tritt ein superplastisches Verhalten auf, wie es z. B. in dem Artikel "Superplasticity in Lead-Tin Alloys" von S.W. Zehr und W.A. Backofen in Transaction of the ASM, Bd. 61, 300 (1968), beschrieben ist. Deshalb wurde bisher angenommen, daß die eutektischen Lotmaterialien hinsichtlich der Aufnahme von thermischen Beanspruchungen, die aus den unterschiedlichen Wärmedehnzahlen der beiden zu verbindenden Teile resultieren, sowie im Hinblick auf die Aufrechterhaltung des elektrischen, thermischen und mechanischen Betriebsverhaltens der Verbindungsstelle vorteilhaft sind.
Die oben genannten Veröffentlichungen (1) bis (6) beschreiben auch die Verwendung von Lotmaterialien auf Bleibasis oder von eutektischen Lotmaterialien. Andererseits geben die Veröffentlichungen (1) und (7) an, daß Lotmaterialien verwendet werden können, deren Zusammensetzung sich von derjenigen der Lotmaterialien auf Bleibasis und der eutektischen Lotmaterialien unterscheidet. Dabei ist in (1) eine Lotzusammensetzung mit 40 Gew.-% Zinn und 60 Gew.-% Blei angegeben, während in (7) eine Lotzusammensetzung mit 50 Gew.-% Blei und 50 Gew.-% Zinn oder 30 Gew.-% Blei und 70 Gew.-% Zinn angegeben ist. Es wird jedoch angenommen, daß die Lotmaterialien, deren Zusammensetzungen sich von den Lotmaterialien auf Bleibasis und den eutektischen Lotmaterialien unterscheiden, eine geringere Zuverlässigkeit haben, und es ist bisher üblich, den Einsatz solcher Lotmaterialien zu vermeiden.
Das heißt mit anderen Worten, daß bei den Lotmaterialien, deren Zusammensetzung außerhalb der Zusammensetzungsbereiche des Lots auf Bleibasis und des eutektischen Lots liegt, die folgenden Probleme auftreten.
(i) Bei einer Lotzusammensetzung mit z. B. 60 Gew.-% Blei und 40 Gew.-% Zinn oder 50 Gew.-% Blei und 50 Gew.-% Zinn nimmt der Anteil der oC-Festlösung als Primärkristall ab, und in den Korngrenzen zwischen den M-Festlösungen existiert ein eutektisches Gefüge, wodurch die Verformbarkeit der Korngrenzen verringert wird. Da die Primärkristall-O(-Festlösung, die die Superplastizität vermindert, in das eutektischen Feingefüge eintritt, nimmt die plastische Verformbarkeit ab.
(ii) Bei einer Lotzusammensetzung mit z. B. 30 Gew.-% Blei und 70 Gew.-% Zinn existiert in dem eutektischen Feingefüge eine relativ harte ß-Festlösung als Primärkristall, die die Superplastizität vermindert, so daß die aus dem Gleiten der Korngrenzen resultierende plastische Verformbarkeit verringert ist. Infolgedessen könnten das Lotmaterial selbst, das die Verbindungsstelle zusammenhält, oder die zu verbindenden Teile beschädigt werden.
Das heißt mit anderen Worten, daß die als Sn-Pb-System ausgelegten Lotmaterialien, deren Zusammensetzung außerhalb des Zusammensetzungsbereichs der Lotmaterialien auf Bleibasis oder der eutektischen Lotmaterialien liegt, nur dazu einsetzbar sind, Teile aus unterschiedlichen Werkstoffen metallurgisch zu verbinden, physisch zu integrieren oder elektrisch zu verbinden, wie dies in (1) und (7) angegeben ist. Es wurde jedoch bisher angenommen, daß diese Lotmaterialien sich nicht dazu eignen, Ausfallerscheinungen, wie sie durch die Einleitung von Beanspruchungen oder Spannungen in die die Verbindungsstelle tragenden Lotmaterialien auftreten, und die Ausbildung von Ermüdungserscheinungen, wie sie durch die Temperaturwechselbeanspruchung des aus verschiedenen Werkstoffen bestehenden Verbindungskörpers im praktischen Betrieb auftreten, so daß diese funktionsunfähig werden, zu reduzieren. Ferner wurde bisher bei der Verwendung von Lotmaterialien, die nicht den Zusammensetzungen der Lotmaterialien auf Bleibasis bzw. der eutektischen Lotmaterialien entsprechen, nicht ausreichend untersucht, ob ein Verbindungsverfahren mit dem Ziel der Verbesserung der Zuverlässigkeit möglich ist, so daß bisher kein industrielles Lötverfahren entwickelt wurde.
Ferner wurde bisher nicht geklärt, wie die Eigenschaft der Wärmeermüdungs-Beständigkeit der Verbindungsstelle durch die Abkühlgeschwindigkeit des Lots nach dem Schmelzen beeinflußt werden. Es wurde bisher nicht versucht, die Abkühlgeschwindigkeit der geschmolzenen Sn-Pb-Lotmaterialien zu kontrollieren, um eine befriedigende Wärmeermüdungs-Beständigkeit der Verbindungsstelle zu erzielen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Lötverfahrens, mit dem die Wärmeermüdungs-Beständigkeit der Verbindungsstelle eines Verbindungskörpers verbessert wird, der durch metallurgisches Verbinden von Teilen aus unterschiedlichen Werkstoffen, insbesondere mit verschiedenen Wärmedehnzahlen, gebildet wird. Dabei soll ferner der metallurgische Verbindungsprozeß durch Anwendung eines Lots verbessert werden, das zum Zweck der Verbesserung der Wärmeermüdungs-Beständigkeit der Verbindungsstelle eine eingestellte Zusammensetzung aufweist. Ferner soll ein neues Lötverfahren zum Erhalt eines Verbindungskörpers aus Teilen aus unterschiedlichen Werkstoffen angegeben werden, wobei ein Pb-Sn-Lotmaterial eingesetzt wird, dessen Zusammensetzungsbereich sich von demjenigen der Lotmaterialien auf Bleibasis und der eutektischen Lotmaterialien unterscheidet, und bei dem nach der Schmelzbehandlung des Lotmaterials die Abkühlgeschwindigkeit bzw. der Temperaturverlauf einstellbar ist. Dabei soll ein Metallgefüge erhalten werden, mit dem das Fortschreiten der Ermüdung einer die Verbindungsstelle tragenden Lotschicht minimiert wird, und es soll ein Verbindungskörper aus einem Halbleiterchip und einem Metallblech erhalten werden. Ferner soll ein neues Verfahren angegeben werden zum elektrischen und mechanischen Verbinden eines Halbleiterchips mit einem dielektrischen Substrat oder mit einem dielektrischen Substrat, das auf seiner Oberfläche einen Leiterbahnfilm trägt, unter Anwendung einer großen Anzahl Feinlotstellen, so daß ein Halbleiter-Bauelement mit verbesserter Wärmeermüdungs-Lebensdauer erhalten wird.
Zur Lösung der vorgenannten Aufgabe ist das Lötverfahren nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß ein Lotmaterial aus 35-80 Gew.-% Zinn (mit Ausnahme des Falls, daß der Zinngehalt 60 Gew.-% oder mehr bis 65 Gew.-% oder weniger beträgt), Rest im wesentlichen Blei, oder ein Lotmaterial, dem wenigstens ein Metall als dritte Komponente zugefügt ist, zwischen Teilen aus unterschiedlichen Werkstoffen, insbesondere mit unterschiedlichen Wärmedehnzahlen, vorgesehen wird, und daß ein metallurgischer Prozeß abläuft, bei dem das Lot geschmolzen und dann mit einer Abkühlgeschwindigkeit von bis zu 125 OC/min abgekühlt wird. Ein Halbleiter-Bauelement kann ebenfalls erhalten werden, indem als Teile aus unterschiedlichen Werkstoffen ein Halbleiterchip und ein Metallblech oder ein dielektrisches Substrat oder ein dielektrisches Substrat, das auf seiner Oberfläche einen Leiterfilm vorbestimmter Form trägt, verwendet werden.
Als Resultat umfangreicher Untersuchungen wurde eine außerordentlich deutliche Zusammensetzungs-Abhängigkeit der Wärmeermüdungs-Beständigkeit eines Verbindungskörpers, der durch Verbinden von Teilen aus unterschiedlichen Werkstoffen unter Einsatz des Lots mit Blei und Zinn aus Hauptkomponenten erhalten wurde, festgestellt, und es wurde bestätigt, daß der Verbindungskörper unter besonders bevorzugten metallurgischen Prozeßbedingungen den örtlichen Höchstwert der Wärmeermüdungs-Beständigkeit dann aufweist, wenn das Lot aus 50 Gew.-% Blei und 50 Gew.-% Zinn oder aus 25 Gew.-% Blei und 75 Gew.-% Zinn zusammengesetzt ist. Der Ausdruck "bevorzugte metallurgische Prozeßbedingungen" bedeutet, daß ein Sn-Pb-Lotmaterial, dessen Zusammensetzungsbereich sich von demjenigen eines Lotmaterials auf Bleibasis und demjenigen eines eutektischen Lotmaterials unterscheidet, insbesondere ein Lotmaterial, das aus 35 Gew.-% oder mehr bis 60 Gew.-% oder weniger Zinn bzw. 65 Gew.-% oder mehr bis 80 Gew.-% oder weniger Zinn, Rest im wesentlichen Blei, zwischen den zu verbindenden Teilen aus unterschiedlichen Werkstoffen angeordnet und nach dem Schmelzen des Lots mit einer bestimmten Abkühlgeschwindigkeit, d. h. mit einer Abkühlgeschwindigkeit von bis zu 125 °C/min, abgekühlt wird, bis wenigstens das geschmolzene Lot vollständig erstarrt ist.
Die unter diesen metallurgischen Prozeßbedingungen erhaltene Verbindungsstelle des Verbindungskörpers weist ein Metallgefüge auf, in dem das eutektische Gefüge mit relativ großen Korngrößen relativ große «-Primärkristalle umfaßt, wenn die Lotzusammensetzung 35 Gew.-% oder mehr bis 60 Gew.-% oder weniger Zinn, Rest im wesentlichen Blei, enthält, und weist ein Metallgefüge auf, in dem das eutektische Gefüge mit relativ großen Korngrößen ß-Primärkristalle mit großer Korngröße umfaßt, wenn die Lotmasse 65-80 Gew.-% Zinn, Rest im wesentlichen Blei, enthält.
Die Gründe für die Wahl dieser metallurgischen Prozeßbedingungen sind folgende: Erstens sind die Bedingungen darauf gerichtet, die Bruchfestigkeit oder Elastizitätsgrenze des Lotmaterials selbst zu erhöhen. Ferner wird damit angestrebt, ein Metallgefüge einzuführen, das nur schwer plastisch verformbar ist bzw. die plastische Verformung in die Lotschicht begrenzt. Wenn diese Bedingungen erfüllt sind, kann die Steifigkeit der Lotschicht, die der weichste Teil des Verbindungskörpers ist und infolgedessen eine Spannungskonzentration und plastische Verformung erfährt, verbessert werden, die auf die Lotschicht wirkende Beanspruchung kann verteilt und das Ausmaß der plastischen Verformung verringert werden, so daß die Wärmeermüdungs-Lebensdauer verbessert wird.
Wenn der Sn-Gehalt außerhalb des vorstehend beschriebenen Bereichs liegt, oder wenn die Abkühlgeschwindigkeit des geschmolzenen Lots größer als 125 OC/min ist, werden die Wärmeermüdungs-Beständigkeit und die mechanische Festigkeit der Verbindungsstelle in nachteiliger Weise verschlechtert.
Ein bevorzugtes Lot besteht aus 40-55 Gew.-% Zinn, Rest im wesentlichen Blei. Die besonders bevorzugte Lotmasse besteht aus ca. 50 Gew.-% Zinn, Rest im wesentlichen Blei.
Es besteht keine spezielle Beschränkung hinsichtlich der Differenz der Wärmedehnzahlen der zu verbindenden Teile aus unterschiedlichen Werkstoffen, und wenn eine solche Differenz vorhanden ist, kann eine daraus resultierende Wärmeermüdung entweder eliminiert oder mindestens reduziert werden. Z. B.
haben die durchgeführten Versuche gezeigt, daß eine erhebliche Verbesserung der Wärmeermüdungs-Lebensdauer erzielt wird, wenn das Verfahren gemäß der Erfindung eingesetzt wird, um Invar (eine Legierung aus Fe - 36 Gew.-% Ni) mit einer Wärmedehnzahl -6 o von 0,5 x 10 6/°C mit Messing zu verbinden, dessen Wärmedehnzahl 20 x 10 6/ob ist. Daraus ist ersichtlich, daß das Verfahren nach der Erfindung ein effektives Verfahren zum Verbinden von Teilen aus unterschiedlichen Werkstoffen ist, wobei eine Wärmedehnzahl-Differenz von 19,5 x 10 6/°C vorliegen kann.
Dieser Effekt der Erfindung kann auch dann erzielt werden, wenn dem Sn-Pb-Lot, das zur Durchführung des Verfahrens eingesetzt wird, wenigstens einer der Werkstoffe Kupfer, Silber, Gold, Palladium, Nickel, Antimon, Zink, Bismut, Indium, Cadmium, Arsen oder Gallium zugefügt wird, um die Benetzbarkeit des Lots zu verbessern und ein Vermischen der Komponenten der zu verbindenden Teile mit dem Lot zu begrenzen. Dabei kann die jeweils zugefügte Menge eines solchen Elements so gewählt sein, daß die angestrebten Ziele erreicht werden. Bevorzugt sollte jedoch die Wärmeermüdungs-Beständigkeit der unter Einsatz verschiedener Mengen der genannten Elemente erhaltenen Verbindungskörper unter Bezugnahme auf die nachstehend beschriebenen Beispiele bestimmt werden, um die Zugabemenge im einzelnen zu bestimmen.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Verbindungskörpers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; Fig. 2 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Zinngehalt des Lötmittels in dem Verbindungskörper nach Fig. 1 und der Wärmeermüdung der Verbindungsstelle zeigt; Fig. 3 eine Schnittdarstellung eines Verbindungskörpers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; Fig. 4 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Zinngehalt im Lötmittel des Verbindungskörpers nach Fig. 3 und der Scherfestigkeit der Verbindungsstelle zeigt; Fig. 5 ein Diagramm, das die Abkühlgeschwindigkeit des Lötmittels in dem Verbindungskörper nach Fig. 3 und die Scherfestigkeit der Verbindungsstelle zeigt; Fig. 6a und Fig. 6b Schliffbilder, die das Metallgefüge der Verbindungsstelle des Verbindungskörpers zeigen, das mit dem Lötverfahren nach der Erfindung erhalten wird; Fig. 6c und Fig. 6d Schliffbilder, die das Metallgefüge der Verbindungsstelle des Verbindungskörpers zeigen, wenn die Abkühlgeschwindigkeit höher als bei dem Verfahren nach der Erfindung ist; Fig. 7 eine Schnittdarstellung eines Verbindungskörpers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; Fig. 8 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Zinngehalt im Lötmittel des Verbindungskörpers nach Fig. 7 und der Wärmeermüdung der Verbindungsstelle zeigt; Fig. 9 eine Schnittdarstellung von Verbindungskörpern gemäß weiteren Ausführungsformen der Erfindung; Fig. 10a bis Fig. 10d Schnittdarstellungen, die das Herstellungsverfahren der Verbindungskörpern nach Fig. 9 veranschaulichen; Fig. 11 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Temperatur des geschmolzenen Lots und der Abtragungstiefe von Lot in Kupfer zeigt; Fig. 12 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Zinngehalt in den Verbindungskörpern nach Fig. 9 und der Wärmeermüdung zeigt; Fig. 13 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Temperatur des geschmolzenen Lots und der Abtragungstiefe des Lots in Kupfer zeigt; und Fig. 14 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Zinngehalt in dem Lot der Verbindungskörper nach Fig. 9 und der Wärmeermüdung der Verbindungsstelle zeigt.
Ausführungsform 1 Fig. 1 zeigt im Schnitt einen Verbindungskörper gemäß einer Ausführungsform, und Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen dem Zinngehalt der Verbindungsstelle des Verbindungskörpers und der Wärmeermüdung.
Der Verbindungskörper nach Fig. 1 wird erhalten, indem ein Siliciumsubstrat 3, das eine Dicke von 250 pin hat und sowohl in Längs- wie auch in Querrichtung 13 mm breit ist, auf eine Trägerplatte 2 aus vernickeltem Kupferblech mit einer Dicke von 3 mm, einer Länge von 27 mm und einer Breite von 47 mm unter Zwischenfügung einef 100 pm dicken Lotfilms gelegt wird, die Teile in einer Wasserstoffatmosphäre unter Schmelzen der Lotschicht erhitzt werden und das geschmolzene Lot anschließend mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 40 +10 OC/min abgekühlt wird, bis wenigstens das Lot vollständig erstarrt ist.
Der Lotfilm wird nach dem Schmelzen abgekühlt und wird zu der Lotschicht 1 von Fig. 1.
Chrom, Nickel und Silber werden nacheinander durch Aufdampfen auf die Verbindungsfläche des Siliciumsubstrats 3 in Dicken von 0,1 pm bzw. 0,6 pm bzw. 2 um aufgebracht, so daß eine Metallisierung durch Mehrschichtaufdampfen erfolgt. Die eingesetzten Lotfilme sind Legierungen innerhalb des Zusammensetzungsbereichs von 35-59 Gew.-% Zinn, Rest im wesentlichen Blei, und innerhalb des Zusammensetzungsbereichs von 65-80 Gew.-% Zinn, Rest im wesentlichen Blei. Die Wärmebehandlung bei dem vorstehend angegebenen Verfahren wird so geregelt, daß die höchste erreichte Temperatur um ca. 50 0C höher als die Liquidustemperatur des Lots ist, und die Temperatur wird auf diesem Pegel für ca. 5 min gehalten. Die höchste erreichte Temperatur sollte so gewählt sein, daß die metallurgische Verbindung zwischen dem Lot und den zu verbindenden Teilen vollständig ist und daß eventuelle Nachteile, die sich aus dem Vermischen der Bestandteile der zu verbindenden Teile in das geschmolzene Lot ergeben, vermieden werden. Somit kann eine willkürliche bevorzugte Temperatur oberhalb der Liquidustemperatur des eingesetzten Lots gewählt werden. Ebenso kann die Haltezeit willkürlich gewählt werden.
Das Diagramm von Fig. 2 zeigt die Abhängigkeit der Wärmeermüdungs-Lebensdauer der Verbindungsstelle (d. h. der Lotschicht 1) des Verbindungskörpers aus einem Siliciumsubstrat -6 o 3 (mit einer Wärmedehnzahl von 3,5 x 10 6/ob) und einer Kupfertragplatte 2 (mit einer Wärmedehnzahl von 16,5 x 1 0-6/OC) vom Zinngehalt. Die Wärmeermüdungs-Lebensdauerdaten (die durch einen Kreis bezeichneten Werte) bezeichnen die erhaltene mittlere Lebensdauer, wenn die "Lebensdauer" als die Anzahl Wiederholungen definiert ist, bei denen der Wärmewiderstand, der sequentiell durch einen wiederholten Temperaturwechsel von 0 0 -55 C bis +150 C in einem Zyklus pro Stunde (bei einem Temperaturwechselspielraum von 205 0C) auf den Verbindungskörper wirkt, das 1,5fache des Anfangswerts erreicht; dabei werden die Lebensdauerwerte von zehn Proben in konventioneller Weise in ein Weibull-Diagramm eingetragen, und die mittlere Lebensdauer wird aus der resultierenden Kurve bestimmt. Hier bezeichnet der in konventioneller Weise bestimmte Wärmewiderstand einen kontinuierlichen Wärmewiderstand eines Wärmeleitungsverlaufs vom Siliciumsubstrat 3 zur Kupfertragplatte 2, der bei Rissen, die aus der Ermüdung der Lotschicht 1 des Verbindungskörpers resultieren, ansteigen sollte.
Gemäß Fig. 2 weist die Wärmeermüdungs-Lebensdauer des Verbindungskörpers, der durch Lötverbinden des Siliciumsubstrats 3 mit der Kupfertragplatte 2 entstanden ist, eine deutliche Zusammensetzungs-Abhängigkeit auf und zeigt Lebensdauer-Charakteristiken mit lokalen Höchstwerten, wenn die Zinnkonzentration im Lotblech 1 50 und 75 Gew.-% beträgt. Wenn das Lotmaterial mit dem Zusammensetzungsbereich der oben beschriebenen Ausführungsform eingesetzt wird, wird ein Lebensdauerwert von wenigstens 500 erhalten.
Fig. 2 zeigt ferner vergleichsweise den Wärmeermüdungswert (bezeichnet durch schwarze Punkte) der Verbindungskörper, die durch Einsatz von Lötmitteln erhalten werden, deren Zusammensetzung außerhalb des Zusammensetzungsbereichs der Ausführungsform liegt, wobei das geschmolzene Lot mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 40 +10 OC/min in der gleichen Weise wie oben abgekühlt wird. Wie aus dem Vergleich dieser Referenz-Körper mit denjenigen, deren Zusammensetzung dem Ausführungsbeispiel entspricht, hervorgeht, ist die Grenze der Lebensdauer der Referenz-Körper früher bei einer geringeren Anzahl von Temperaturwechselbeanspruchungen erreicht. Insbesondere im Vergleich mit den Verbindungskörpern, die unter Einsatz der Lötmittel auf Bleibasis und der eutektischen Lötmittel gebildet wurden, die bisher in großem Umfang zum Verbinden von Teilen aus verschiedenen Werkstoffen eingesetzt wurden, zeigen sämtliche Verbindungskörper, die unter Einsatz des Lötmittels mit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung gebildet sind, eine längere Lebensdauer.
Aus dem Vorstehenden ist verständlich, daß der metallurgische Prozeß dieser Ausführungsform hinsichtlich der Verbesserung der Wärmeermüdungs-Lebensdauer der Verbindungskörper außerordentlich wirksam ist. Bis jetzt sind die Gründe für die Abhängigkeit der Lebensdauer von der Zusammensetzung und die Frage, warum im Zusammensetzungsbereich der Erfindung die bevorzugten Lebensdauer-Eigenschaften auftreten, nicht vollständig geklärt. Aufgrund der Ergebnisse von durchgeführten Untersuchungen wird der nachstehend unter Bezugnahme auf das zweite Ausführungsbeispiel erläuterte Mechanismus angenommen.
Ausführungsform 2 Fig. 3 ist die Schnittansicht des bei dieser Ausführungsform gebildeten Verbindungskörpers, und Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen dem Zinngehalt der Verbindungsstelle des Verbindungskörpers und deren Scherfestigkeit.
Der Verbindungskörper nach Fig. 3 wird erhalten, indem ein pastöses Gemisch aus einem Kolophonium-Flußmittel und Lötpulver zwischen ein Anschlußelement 5 aus Messing und ein Aluminiumoxidsubstrat 4 gebracht wird, wonach Erhitzung in Luft erfolgt, um das Lötpulver zu schmelzen, die Temperatur um ca. 50 OC höher als die Liquidustemperatur des Lötmaterials gehalten wird und dann das geschmolzene Lot mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 60+10 OC/min abgekühlt wird, bis wenigstens das geschmolzene Lot vollständig erstarrt ist. Das Messing-Anschlußelement 5 wird durch Vernickeln eines 0,25 min dicken, 1 mm breiten und 13 mm langen Messingblechs mit einer Vernickelungsschicht von 3 pm erzeugt und hat eine Wärmedehn--6 o zahl von 20 x 10 6/ob. Das Aluminiumoxidsubstrat 4 wird für Hybridschaltkreise eingesetzt und ist 0,6 mm dick, 15 mm breit und 30 mm lang. Das Aluminiumoxidsubstrat hat eine Wärmedehn--6 o zahl von 7,5 x 10 6/ob, und auf seinem Verbindungsabschnitt ist eine Anschlußfläche (1 mm breit und 1,5 mm lang) mit einer Vernickelungsschicht von ca. 3 um Dicke auf einer Metallisierungsschicht, die durch Sintermolybdän erhalten ist, ausgebildet. Die auf die Verbindungsstelle aufgebrachte Lotmenge ist so eingestellt, daß die Dicke der Lotschicht 1 nach dem metallurgischen Prozeß ca. 100 Fm beträgt.
Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen dem Zinngehalt in der Verbindungsstelle des mit Hilfe der Lotschicht 1 zusammengesetzten Verbindungskörpers und der Scherfestigkeit (Kurven 21, 22, 23). Die Kurven 21, 22 und 23 bezeichnen die bei -25 0C bzw. +20 0C bzw. +100 0C gemessenen Werte. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, daß die Scherfestigkeit eine solche Zusammensetzungs-Abhängigkeit aufweist, daß sie bei einem Zinngehalt im Lot von 50 Gew.-% und 75 Gew.-% lokale Höchstwerte hat. Die Festigkeit nimmt mit niedrigerer Umgebungstemperatur zu und mit höherer Umgebungstemperatur ab, weist jedoch bei beiden Temperaturen eine im wesentlichen gleiche Zusammensetzungs-Abhängigkeit auf. Dieser Trend entspricht deutlich den Lebensdauer-Eigenschaften von Fig. 2 und deutet darauf hin, daß der Grad der Versteifung der Lotschicht 1 sich relativ stark auf die Ermüdungs-Lebendauereigenschaften auswirkt.
Zu Vergleichszwecken zeigt das Diagramm auch die Scherfestigkeit bei 20 0C der in dem Verbindungskörper vorhandenen Lotschicht 1 zwischen dem Aluminiumoxidsubstrat 4 und dem Messing-Anschlußelement 5 mit der 3 pm dicken Vernickelung, wobei der Verbindungskörper mit einer Abkühlgeschwindigkeit von ca. 200 OC/min nach dem Schmelzen des Lots abgekühlt wurde (Kurve 24). In diesem Fall wird eine von den Kurven 21, 22 und 23 vollständig verschiedene Tendenz erhalten. Die lokalen Höchstwerte der Festigkeit bei dem Zinngehalt von 50 Gew.-% und 75 Gew.-% sind nicht alle zu beobachten, und die Festigkeit ist über den gesamten Zusammensetzungsbereich gering. In diesem Fall wird auch eine Tendenz beobachtet, die analog der Zugfestigkeit ist, wie sie bei der Zugfestigkeitsprüfung eines gewalzten Bleiblechs (entsprechend dem Artikel von Nishihata et al. mit dem Titel "The effect of Strain Rate on Tensile Strength and Elongation in Pb-Sn Alloys" in Material Testing Technique, Bd. 25, Nr. 1, S. 31 (1980)) erhalten wird, aber die Kurven 21, 22 und 23 weisen eine davon verschiedene Tendenz auf. Daher weist Fig. 2 auf die weitere wesentliche Tatsache hin, daß die durch schnelles Abkühlen erhaltene Lotschicht 1 nicht dadurch verstärkt wird, daß das Lotmaterial die Zusammensetzung gemäß dem Ausführungsbeispiel aufweist, sondern daß das Lotmaterial mit dieser Zusammensetzung durch langsames Abkühlen verstärkt wird.
Die durch die Kurven 21, 22, 23 und 24 in Fig. 4 repräsentierten Daten werden erhalten, indem die Zugversuche der gefügten Körper von Fig. 3 bei jeder der bereits genannten Temperaturen und mit einer Geschwindigkeit von 2 mm/min durchgeführt werden, so daß die Lotschicht 1 mit einer Schubspannung beaufschlagt wird.
Wenn die Wärmeermüdungs-Lebensdauern von Proben untersucht werden, die denen des Ausführungsbeispiels entsprechen, können in gleicher Weise wie in Fig. 2 Wärmeermüdungs-Lebensdauereigenschaften erhalten werden, die lokale Höchstwerte bei dem Zinngehalt von 50 und 75 Gew.-% der Lotschicht 1 aufweisen. In diesem Fall wird die Wärmeermüdungs-Lebensdauer durch Brechen einer Probe, die wiederholt mit vorbestimmten Temperaturwechselbeanspruchungen beaufschlagt wurde, mittels einer Zugprüfeinrichtung bestimmt, und die Flächen oxidierter Abschnitte an der Bruchstelle (wobei die Abschnitte der durch Ermüdung hervorgerufene Bruch sind) werden vermessen und verglichen. Je kleiner die Flächen, umso länger die Lebensdauer.
Das Diagramm von Fig. 5 zeigt die Beziehung zwischen der Abkühlgeschwindigkeit des Lots des Verbindungskörpers aus dem Aluminiumoxidsubstrat 4 und dem Messing-Anschlußelement 5, wobei zwei Arten von Lötmittel eingesetzt wurden, die innerhalb des Zusammensetzungsbereichs des Ausführungsbeispiels liegen, nach dem Schmelzen des Lots und der Scherfestigkeit der Verbindungsstelle bei Raumtemperatur. Dabei bezeichnet die Kurve 25 den Fall, bei dem Lot mit 50 Gew.-% Blei und 50 Gew.-% Zinn eingesetzt wird, und die Kurve 26 zeigt den Fall, bei dem Lot mit 25 Gew.-% Blei und 75 Gew.-% Zinn eingesetzt wird.
Wie aus dem Diagramm hervorgeht, ist die Scherfestigkeit in einem Bereich niedriger Abkühlgeschwindigkeit hoch und im Fall hoher Abkühlgeschwindigkeit niedrig, und eine konstante hohe Festigkeit kann erzielt werden, wenn die Abkühlgeschwindigkeit unterhalb ca. 125 OC/min liegt. Eine gleichartige Abhängigkeit von der Abkühlgeschwindigkeit ist auch für solche Lotmaterialien ersichtlich, die im Bereich dieses Ausführungsbeispiels liegen, jedoch eine andere Zusammensetzung als 50 Gew.-% Pb/50 Gew.-% Sn und 25 Gew.-% Pb/75 Gew.-% Sn haben.
Wie vorstehend beschrieben, besteht der Hauptgrund für die Erzielung der erwünschten Lebensdauer-Eigenschaften darin, daß das Lotmaterial 1 selbst unter den kontrollierten Bedingungen verstärkt wird.
Nachstehend wird der zweite Grund für die Erzielung der erwünschten Lebensdauer-Eigenschaften beschrieben.
Die Fig. 6a und 6b zeigen Metallgefüge eines Lotmaterials aus 50 Gew.-% Blei und 50 Gew.-% Zinn bzw. eines Lotmaterials aus 25 Gew.-% Blei und 75 Gew.-% Zinn nach dem bevorzugten metallurgischen Prozeß, also nach dem Abkühlen mit einer Geschwin-0 digkeit von 40 C/min, wobei diese Materialien als typische Beispiele für die Lotmaterialien mit der Zusammensetzung nach dem Ausführungsbeispiel ausgewählt sind. Die Fig. 6c und 6d zeigen Metallgefüge der Lotmaterialien nach einem unerwünschten metallurgischen Prozeß, d. h. nach Abkühlen mit einer Geschwindigkeit von 150 °C/min.
Aus Fig. 6a ist ersichtlich, daß die Lotschicht ein Gefüge aufweist, in dem das eutektische Gefüge mit relativ großen Korngrößen (ein Mischgefüge aus ß-Festlösung 62 des Eutektikums und «-Festlösung 63 desselben) o<-Festlösungs-Primärkristalle 61 umfaßt, die zu Teilchen mit großen Korngrößen gewachsen sind, wogegen in Fig. 6c das eutektische Gefüge aus feinen Teilchen (ein Mischgefüge aus ß-Festlösung 68 des Eutektikums und #-Festlösung 69 desselben) M-Festlösungs-Primärkristalle 67 mit relativ kleinen Korngrößen umfaßt.
Dagegen hat in Fig. 6b die Lotschicht ein Gefüge, in dem das eutektische Gefüge mit großen Korngrößen (ein Mischgefüge aus ß-Festlösung 65 des Eutektikums und M-Festlösung 66 desselben) ß-Festlösungs-Primärkristalle 64 aufweist, die zu großen Teilchen gewachsen sind, während in Fig. 6d das feine eutektische Gefüge (ein Mischgefüge aus ß-Festlösung 71 des Eutektikums und #-Festlösung 72 desselben) ß-Festlösungs-Primärkristalle 70 mit kleinen Korngrößen umfaßt.
Wie oben beschrieben, wird angenommen, daß das eutektische Gefüge aus feinen Kristallkörnern aufgrund der Superplastizität leicht verformbar ist; wenn jedoch die Kristallkorngrößen sowohl der #-Festlösung 63 als auch der ß-Festlösung 62, die das eutektische Gefüge in Fig. 6a bilden, zunehmen, bewirkt dies eine Verminderung der plastischen Verformbarkeit des eutektischen Gefüges selbst und begrenzt die plastische Verformbarkeit der X -Festlösungs-Primärkristalle 61. Wenn andererseits ein eutektisches Gefüge mit kleinen Korngrößen wie in Fig. 6c vorliegt, bleibt die plastische Verformbarkeit des eutektischen Gefüges selbst erhalten, so daß sich die Auswirkung einer Begrenzung der plastischen Verformbarkeit der Primärkristall- 0(-Festlösung 67 verringert. Wenn das eutektische Gefüge mit großen Korngrößen die ß-Festlösungs-Primärkristalle 64 großer Korngröße entsprechend Fig. 6b umfaßt, ist die plastische Verformung der ß-Festlösung nur schwer zu erreichen, und die plastische Verformbarkeit des eutektischen Gefüges selbst geht ebenfalls verloren, wogegen die plastische Verformbarkeit der Lotschicht insgesamt erhalten bleibt, weil das feine eutektische Gefüge die ß-Festlösungs-Primärkristalle 70 umfaßt, die entsprechend Fig. 6d relativ kleine Korngrößen haben.
Wenn die bevorzugten metallurgischen Verfahrensbedingungen angewandt werden, wird angenommen, daß die technische Streckgrenze der Lotschicht bzw. ihre Steifigkeit verbessert wird und daß die auf die Lotschicht konzentrierten Beanspruchungen in geeigneter Weise auf die zu verbindenden Teile 2, 3, 4, 5 verteilt werden, so daß die Ausbildung von Ermüdungserscheinungen infolge von plastischer Verformung schließlich begrenzt werden kann. Der Grund, weshalb Lotmaterialien mit Zusammensetzungen außerhalb des Bereichs des Ausführungsbeispiels und mitlhöherem Bleigehalt, z. B. eine Zusammensetzung aus 95 dew.-% Blei und 5 Gew.-% Zinn, schlechte Wärmeermüdungs-Lebensdauereigenschaften aufweisen, liegt darin, daß der Gehalt der 0<-Festlösung ganz erheblich größer ist und die plastische Verformbarkeit der Lotschicht insgesamt aufrechterhalten bleibt. Der Grund, weshalb Lotmaterialien mit extrem hohem~ Zinngehalt, z. B. eine Lotmasse aus 5 Gew.-% Blei und 95 Gew.-% Zinn, schlechte Wärmeermüdungs-Lebensdauereigenschaften aufweisen, -liegt darin, daß wegen der geringen Bleikonzentration die ß-Festlösung die Eigenschaften aufweist, die denen von reinem Zinnmetall analog sind.
Zusammenfassend ist zu sagen, daß der vorgenannte zweite Grund darin liegt, daß in der mit dem bevorzugten metallurgischen Verfahren erhaltenen Lotschicht 1 die Korngrößen der das eutektische Gefüge bildenden Kristalle groß sind, die Verformbarkeit des eutektischen Gefüges selbst abnimmt und somit die technische Streckgrenze ansteigt und Beanspruchungen verteilt werden.
Bei der vorliegenden Erfindung wird das Lotmaterial dazu verwendet, elektrische, mechanische oder thermische Verbindungen von Teilen aus unterschiedlichen Werkstoffen mit jeweils verschiedenen Wärmedehnzahlen zu haltern. Bevorzugt hat in jedem dieser Fälle die metallurgische Verbindung zwischen dem Lotmaterial und den zu verbindenden Teilen eine möglichst hohe Festigkeit. Da die Verbindung metallurgisch ist, erfolgt natürlich eine Legierung zwischen dem Lotmaterial und wenigstens den die äußerste Schicht der zu verbindenden Teile bildenden Stoffe an den Hauptabschnitten der resultierenden Verbindung. Das bedeutet, daß von Blei und Zinn verschiedene, dritte Bestandteile bildende Metalle unvermeidlich in das Lotmaterial nach Herstellung der Verbindung eingebaut oder darin gelöst sind. Es kann bevorzugt sein, andere Metalle als Zinn und Blei dem Lotmaterial zuzusetzen, um die Benetzbarkeit des Lotmaterials zu verbessern oder das Mischen der Bestandteile der zu verbindenden Teile in das Lotmaterial zu begrenzen. Das in einem solchen Fall möglicherweise auftretende Problem besteht darin, daß die Ermüdungsbeständigkeit des Lotmaterials selbst durch die Zugabe der dritten Komponente verringert wird. Diese Möglichkeit wird nachstehend unter Bezugnahme auf das dritte Ausführungsbeispiel erläutert.
Ausführungsform 3 Die Schnittdarstellung von Fig. 7 zeigt den bei dieser Ausführungsform erzeugten Verbindungskörper, und das Diagramm von Fig. 8 zeigt die Beziehung zwischen dem Zinngehalt der Verbindungsstelle des Verbindungskörpers und dessen Wärmeermüdungs-Lebensdauer.
Der Verbindungskörper von Fig. 7 ist ein Aufbau für eine Flüssigkristallanzeige, gebildet durch elektrisches und mechanisches Verbinden eines Halbleitersubstrats 31 aus Silicium als IS-Chip (6 mm breit, 7 mm lang und 0,4 mm dick) mit einem -6 o Natronglassubstrat 6 (mit einer Wärmedehnzahl von 9 x 10 6/ob) als dielektrisches Substrat unter Verwendung von Feinlotgruppen 11 mit einem Verfahren, das als kontrolliertes Kollaps-Kontaktierverfahren bezeichnet wird. Das IS-Chip-Substrat trägt auf seiner Oberfläche Aluminiumleiterbahnen, und auf den Aluminiumleiterbahnen sind selektiv und sequentiell Filme aus Chrom mit 0,1 pm Dicke, aus Kupfer mit 0,6 pm Dicke und aus Nickel mit 0,3 pm Dicke gebildet, so daß eine Metallschicht aus einem Mehrlagen-Metallmuster gebildet ist. Davon getrennt sind sequentiell und selektiv auf dem Glassubstrat 6 unter Bildung eines weiteren Mehrlagen-Metallmusters Filme aus Chrom mit 0,1 pm Dicke und aus Kupfer mit 2 pm Dicke gebildet. Diese Metallfilme sind durch Aufdampfen im Vakuum hergestellt. Der Verbindungskörper wird dadurch erhalten, daß Feinlot 11 zwischen beide Mehrlagen-Metallmuster gebracht wird, wonach das Feinlot 11 auf eine Temperatur, die um ca. 50 OC über der Liquidustemperatur des Lotmaterials liegt, unter Anwendung eines bekannten Kondensationslötverfahrens erhitzt wird, bei dem die latente Verdampfungswärme von flüssigem Fluorkohlenwasserstoff zum Schmelzen des Feinlots genutzt wird, wonach das Lot mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 15+5 OC/min abgekühlt wird, bis wenigstens die Erstarrung des Lots abgeschlossen ist. Hinsichtlich Einzelheiten des Kondensationslötverfahrens sei z. B. auf den Artikel von Christian M. Val et al.
in Electrocomponent Science and Technology, 1983, Bd. 10, S.
111-127, verwiesen.
Das Diagramm von Fig. 8 zeigt die Wärmeermüdungs-Lebensdauer der Verbindungsstelle des mit dem Feinlot 11 zusammengefügten Körpers. Die Wärmeermüdungs-Lebensdauerdaten sind durch die Anzahl Heizstromzyklen ausgedrückt, wobei an den IS-Chip des Halbleitersubstrats 31 wiederholt ein Heizstrom angelegt wird, um eine Temperaturwechselbeanspruchung zwischen 50 oC und 125 0C (mit einem Temperaturwechselspielraum von 75 0C) zu bewirken, und der Chip seine Funktion als IS-Schaltung aufgrund eines Bruchs oder Fehlers der Verbindungsstelle infolge der unterbrochenen Stromzuführung verliert. Die Daten werden aufgrund eines Mittels von 15-20 Proben erhalten.
Das Diagramm zeigt die Resultate der Feinlotmaterialien 11, die aus dem Zusammensetzungsbereich mit 35-59 Gew.-% Zinn oder 65-80 Gew.-% Zinn, 1,0 Gew.-% Kupfer, Rest im wesentlichen Blei (diese Materialien sind durch einen Kreis bezeichnet), ausgewählt sind, und von als Vergleich dienenden Feinlotmaterialien, die aus einer Sn-Pb-Legierung mit anderen Zusammensetzungen, denen 1,0 Gew.-% Kupfer zugefügt ist (diese sind durch einen schwarzen Punkt bezeichnet), ausgewählt sind. Wie aus dem Diagramm hervorgeht, zeigt die Heizstromzyklus-Lebensdauer bzw. die Wärmeermüdungs-Lebensdauer der Lotschicht 11 des Verbindungskörpers solche Lebensdauer-Charakteristiken, daß ein lokaler Höchstwert bei einer Zinnkonzentration von 50 Gew.-% oder 75 Gew.-% erreicht wird. Somit zeigt die Lotschicht 11 eine Zusammensetzungs-Abhängigkeit, die derjenigen von Fig. 1 gleicht. Es ist somit verständlich, daß auch dann, wenn Kupfer als dritte Komponente dem Feinlot 11 zugefügt ist, die Zusammensetzungs-Abhängigkeit der Wärmeermüdungs-Lebensdauer eine ähnliche Tendenz wie bei der Zusammensetzung ohne Kupfer aufweist, und der Zusammensetzungsbereich dieser Ausführungsform zeigt bessere Lebensdauer-Charakteristiken als die Zusammensetzung des Vergleichsbeispiels, insbesondere der Lotmaterialien auf Bleibasis und der eutektischen Lotmaterialien.
Ferner wurde bestätigt, daß auch bei Zugabe von Silber, Gold, Palladium, Nickel, Antimon, Zink, Bismut, Indium, Cadmium, Arsen oder Gallium anstelle von Kupfer als dritte Komponente zu dem metallurgischen Verfahren oder bei Zugabe mehrerer dieser Metalle die Wärmeermüdungs-Lebensdauer der Lotschicht die gleiche Zusammensetzungs-Abhängigkeit aufweist und die Lebensdauer insbesondere bei Zugabe von Gold, Silber oder Palladium verlängerbar ist. Auch wenn die dritte Metallkomponente zugegeben wird, verschlechtert sich die Wärmeermüdungs-Lebensdauer nicht, solange die Lotschicht den bevorzugten metallurgischen Prozeß durchläuft, bei dem die Abkühlung mit einer Geschwindigkeit von bis zu 125 OC/min abläuft.
Ausführungsform 4 Unter Bezugnahme auf die Fig. 9-12 und Fig. 5 wird nachstehend die vierte Ausführungsform erläutert. Wie Fig. 9 zeigt, wird der Verbindungskörper bzw. das Bauteil hergestellt, indem ein Tonerdekeramiksubstrat 42 mit einem Siliciumchip 41 unter Anwendung mehrerer Lötstellen 43 zusammengefügt wird. Auf dem Siliciumchip 41 und auf dem Tonerdekeramiksubstrat 42 sind Lotelektroden 44 und 45 ausgebildet, die durch das Lot 43 miteinander zu verbinden sind. Bei dieser Ausführungsform ist der Siliciumchip 41 ein Quadrat mit einer Seitenlänge von 5 mm, und für jede Seite sind 20 Lötstellen 43 (von denen nur vier gezeigt sind) bzw. insgesamt 80 Lötstellen vorgesehen. Die chipseitigen Lotelektroden 44 und die substratseitigen Lotelektroden 45 haben einen Durchmesser von 100 pm und einen Mindestabstand von 200 }ihm.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 10a-10d wird das Herstellungsverfahren des Bauteils dieser Ausführungsform erläutert.
(a) Wie Fig. 10a zeigt, wird auf einem Siliciumsubstrat 46, auf dem bereits Transistoren, Dioden u. dgl. ausgebildet sind, ein Aluminiumfilm 48 für Leiterbahnen über einem zur Isolation dienenden SiO2-Passivierungsfilm 47 gebildet, und ein weiterer SiO -Passivierungsfilm 49 mit Öffnungen für externe Anschlüsse 2 wird gebildet. Ein Verbundfilm, bestehend aus 0,1 tun dickem Chrom, 1 jim dickem Kupfer und 0,1 um dickem Gold, wird über eine Metallmaske im Vakuum derart aufgedampft, daß die Öffnung überdeckt ist, und eine Lotelektrode 44 wird auf der Chipseite gebildet. Die Aufdampftemperatur liegt bei 350 OC für Chrom und Kupfer, um die Haftung des Films zu steigern, und bei 100 OC für Gold, um dessen Diffusion zu verhindern.
Die Funktionen dieser Filme werden kurz erläutert. Der Chromfilm dient der Verbesserung der Haftfähigkeit in Verbindung mit dem Aluminiumleiterfilm 48 und dem SiO2-Passivierungsfilm 49 als Basis und der Verhinderung der Reaktion des Lots 43 mit dem Aluminiumleiterfilm 48; der Kupferfilm dient der Verbesserung der Haftfähigkeit mit dem Lot 43, und der Goldfilm verhindert die Oxidation von Kupfer.
(b) Wie Fig. 10b zeigt, wird das Lot auf der chipseitigen Lotelektrode 44 durch Aufdampfen im Vakuum gebildet. Ein Bleifilm 50 wird zuerst im Vakuum aufgedampft, und dann wird darauf ein Zinnfilm 51 im Vakuum aufgedampft. Das erforderliche Lotvolumen ist 9 x 10 mm3. Die Dicke des Bleifilms 50 muß ca. der halben Dicke des Zinnfilms 51 entsprechen, damit die Lotzusammensetzung z. B. aus 50 Gew.-% Blei und 50 Gew.-% Zinn besteht, und zwar, weil die Wichte von Blei bei ca. 11 liegt, während diejenige von Zinn bei ca. 6 liegt. Die Gesamtdicke der Blei- und Zinnfilme beträgt 200 pm.
(c) Wie Fig. 10c zeigt, wird das Siliciumsubstrat 46, auf dem der Bleifilm 50 und der Zinnfilm 51 in dieser Weise gebildet wurden, in einen elektrischen Ofen verbracht, um beide Filme 50 und 51 in einem Wasserstoffgasstrom zu schmelzen. Da der eutektische Punkt von Blei und Zinn bei ca. 183 0C liegt, beginnen der Bleiflm 50 und der Zinnfilm 51 oberhalb dieser Temperatur von ihrer gegenseitigen Grenzfläche aus allmählich zu schmelzen. Die Liquidustemperatur des aus 50 Gew.-% Blei und 50 Gew.-% Zinn bestehenden Lots liegt bei ca. 215 OC, und wenn über dieser Temperatur liegende Temperaturen erreicht sind, wird ein im wesentlichen kugelförmiges Lotmaterial 52 auf der Chipseite gebildet. Bei dieser Ausführungsform wird das Lot für 5 min bei 250 0C zum Schmelzen gehalten.
(d) Eine Lotelektrode 45 auf der Seite des Tonerdekeramiksubstrats, die durch Metallisieren mittels eines dickfilmbildenden Naßverfahrens erhalten wird, wird auf dem Tonerdekeramiksubstrat 42 gebildet, und Lot 53 auf der Substratseite, bestehend auf 50 Gew.-% Blei und 50 Gew.-% Zinn, wird auf der Oberfläche der Elektrode gebildet (Fig. 1tod). Die Lotelektrode 45 wird gebildet durch Bedrucken der Oberfläche eines Aluminiumoxid-Grünblechs mit einer Mo-Mn-Paste, Sintern des Blechs und Vernickeln der resultierenden Mo-Mn-Schicht (Dicke 1 um) mit einem Ni-Film von 3 pm Dicke. Das Lot 53 auf der Substratseite wird erhalten durch Vakuumaufdampfen von Blei und Zinn mit einer Gesamtdicke von 15-30 pm und Wärmebehandeln des Substrats bei 250 OC während 5 min in Wasserstoffatmosphäre.
Anschließend wird das Siliciumsubstrat 46, auf dem das chipseitige Lot 53 bereits gebildet wurde, unter Einsatz eines Substratzerteilers in Siliciumchips 41 unterteilt, und der Siliciumchip 41 wird auf dem Tonerdekeramiksubstrat 42, auf dem das Lot 53 für die Substratseite bereits gebildet wurde, mit Hilfe eines Halbspiegels positioniert. Während das Lot 52 auf der Chipseite und das Lot 53 auf der Substratseite in gegenseitigem Kontakt gehalten werden, werden der Siliciumchip 41 und das Tonerdekeramiksubstrat 42 wieder in den Ofen verbracht und in der Wasserstoffatmosphäre auf eine Temperatur erwärmt, die geringfügig über der Liquidustemperatur des Lots aus 50 Gew.-% Blei und 50 Gew.-% Zinn liegt. Danach wird das Lot langsam abgekühlt, so daß das Bauteil von Fig. 9 erhalten wird. Dabei wird das Lot geschmolzen, indem es während 15 s auf 260 OC gehalten wird, und allmählich mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 40 OC/min abgekühlt.
Das Diagramm von Fig. 12 zeigt die Beziehung zwischen der Lotzusammensetzung und der Wärmeermüdungs-Lebensdauer, wenn der Verbindungskörper dieses Ausführungsbeispiels einer Temperaturwechselprüfung unterworfen wird, indem ein Temperaturwechsel von -55 OC bis +150 0C in einem Zyklus pro Stunde erfolgt. Dabei ist in Fig. 12 auf der Ordinate die Wärmeermüdungs-Lebensdauer von Proben aufgetragen, die unter Anwendung von Lotmaterialien verschiedener Zusammensetzung hergestellt wurden, wobei die Wärmeermüdungs-Lebensdauer des Lotmaterials aus einer Pb/5 Gew.-% Sn-Legierung als Referenzwert Eins aufgetragen ist. Auf der Abszisse ist der Sn-Gehalt der eingesetzten Lotmaterialien aufgetragen.
Aus Fig. 12 ist ersichtlich, daß die Wärmeermüdungs-Lebensdauer des Verbindungskörpers dieses Ausführungsbeispiels bis zur neunfachen Lebensdauer des konventionellen Bauteils verbessert wird, das durch ein Lot 43 mit 95 Gew.-% Blei und 5 Gew.-% Zinn gebildet ist, wenn der Test mittels einer Temperaturwechselprüfung von -55 OC bis +150 C in einem Zyklus pro Stunde durchgeführt wird. Da jedoch der Zinngehalt erhöht ist, besteht die Gefahr, daß die Reaktion zwischen dem Lot 43 und dem in der Lotelektrode 44 auf der Chipseite enthaltenen Kupfer stärker als in dem konventionellen Bauteil ausfällt.
Daher wurde die Beziehung zwischen der Abtragungstiefe von Kupfer durch ein Lot mit 95 Gew.-% Blei und 5 Gew.-% Zinn und ein Lot mit 50 Gew.-% Blei und 50 Gew.-% Zinn und der Löttemperatur untersucht. Die Haltezeit bei jeder Temperatur beträgt 15 s. Dabei wurden folgende Ergebnisse erhalten: Bei einem Vergleich bei derselben Temperatur ist die Abtragungstiefe bei dem Lot mit 50 Gew.-% Blei und 50 Gew.-% Zinn (Kurve 82) größer, da jedoch die Liquidustemperatur dieses Lots um ca.
100 0C niedriger als diejenige des Lots mit 95 Gew.-% Blei und 5 Gew.-% Zinn (Kurve 81) liegt, ist die Abtragungstiefe nur geringfügig größer, wenn der Vergleich bei den Temperaturpunk-0 ten 86 und 87 erfolgt, die um 50 C über der Liquidustemperatur liegen (die diesen Temperaturpunkten 86 und 87 entsprechenden Temperaturen werden im allgemeinen als Löttemperaturen gewählt). Es wurde somit gefunden, daß die Kupferfilmdicke von 1 pm ausreichend Spielraum bietet.
Die Beziehung zwischen der Abkühlgeschwindigkeit des Lots nach dem Schmelzen und der Scherfestigkeit der Verbindungsstelle bei Raumtemperatur gleicht der Kurve 25 von Fig. 5. Das Metallgefüge des Lots nach Durchlaufen des Abkühlungsprozesses 0 mit der Abkühlgeschwindigkeit von weniger als 125 C/min, z. B. 40 °C/min, gleicht demjenigen von Fig. 6a, und das-Metallgefüge nach Durchlaufen des Prozesses mit einer Abkühlgeschwindigkeit über 125 °C/min, z. B. 150 °C/min, gleicht demjenigen von Fig. 6c.
Als Grund für die sehr guten Wärmeermüdungs-Charakteristiken der Verbindungsstelle dieses Ausführungsbeispiels wird der gleiche Grund angenommen, der unter Bezugnahme auf das zweite Ausführungsbeispiel in Verbindung mit dem Metallgefüge beschrieben ist. D. h., in einem Zustand, in dem das eutektische Gefüge mit relativ großen Korngrößen die großen b<-Primärkristalle 61 entsprechend Fig. 6a umfaßt, dienen die M-Primärkristalle der Begrenzung der Verformbarkeit des Lots, und da die Superplastizität des eutektischen Gefüges ebenfalls durch die «0(-Primärkristalle begrenzt wird, wird die plastische Verformbarkeit des Lots reduziert, wodurch die Wärmeermüdungs-Lebensdauer verlängert wird. Diese Eigenschaften des Lots wurden bisher als nachteilig zum Verbinden von Halbleiterchips angenommen.
Es wurde jedoch nunmehr klargestellt, daß die besseren Wärmeermüdungs-Eigenschaften durch eine Entwicklung erzielbar sind, bei der die plastische Verformbarkeit des Lots begrenzt wird und das Lot und die es umgebenden Teile die Wärmebeanspruchung gezwungenermaßen teilen müssen, wogegen bei der konventionellen Entwicklung die Verformbarkeit des Lots unter Wärmeeinwirkung verstärkt wird und das Lot die Wärmebeanspruchung vollständig allein tragen muß. In dem Zustand, in dem das eutektische Gefüge mit relativ großen Korngrößen die 0(-Primärkristalle mit großer Korngröße entsprechend Fig. 6a umfaßt, ist ferner die Festigkeit des Lots hoch, und die Wärmeermüdungs-Lebensdauer kann verlängert werden. Um die Festigkeit des Lots bleibend zu verbessern, muß die Abkühlgeschwindigkeit unterhalb ca. 125 C/min liegen, wie aus Fig. 5 deutlich hervorgeht.
Bei dieser Ausführungsform wird zwar ein Verbundfilm aus Chrom, Kupfer und Gold für die Lotelektrode 44 auf der Siliciumchipseite verwendet, der gleiche Effekt kann jedoch auch unter Verwendung von Titan als Metall mit gleicher Funktion wie Chrom und von Nickel als Metall mit gleicher Funktion wie Kupfer erzielt werden. Die Lotelektrode 44 auf der Chipseite wird zwar im vorliegenden Fall durch Maskenbedampfen im Vakuum gebildet, das Elektrodenmuster kann aber auch nach Vakuumbedampfen der Gesamtfläche durch Ätzen gebildet werden. Andere Verfahren als Bedampfen im Vakuum (z. B. Kathodenzerstäubung) können ebenfalls angewandt werden. Anstelle des Aufdampfens im Vakuum kann für die Bildung des Lots 52 auf der Chipseite selbstverständlich auch ein Plattierverfahren angewandt werden. Wenn die Zusammensetzungen des Lots 52 auf der Chipseite und des Lots 53 auf der Substratseite zwischen 35 Gew.-% und weniger als 60 Gew.-% Zinn, Rest im wesentlichen Blei, umfassen, kann eine längere Wärmeermüdungs-Lebensdauer erhalten werden als mit dem 95 Gew.-% Blei und 5 Gew.-% Zinn enthaltenden Lot, wenn die Abkühlgeschwindigkeit des Lots bis zu ca.
0 125 C/min beträgt (vgl. Fig. 12).
Ausführungsform 5 Es wird ein Verbindungskörper mit dem in Fig. 9 gezeigten Aufbau, also ein Bauteil, in der gleichen Weise wie bei der Ausführungsform 4 hergestellt, jedoch mit folgenden Änderungen: i) Das verwendete Lot hat eine Zusammensetzung von 65-80 Gew.-% Zinn, Rest im wesentlichen Blei, z. B.
25 Gew.-% Blei und 75 Gew.-% Zinn; ii) die Dicke des Bleifilms 50 muß etwa 1/6 derjenigen des Zinnfilms 51 betragen, wenn die Lotzusammensetzung z. B.
25 Gew.-% Blei und 75 Gew.-% Zinn entspricht; und iii) die Liquidustemperatur des Lots mit der Zusammensetzung von z. B. 25 Gew.-% Blei und 75 Gew.-% Zinn liegt bei ca.
0 195 C und ist niedriger als bei der Ausführungsform 4, so daß die Temperatur der Schemlzbehandlung ebenfalls niedriger als bei der Ausführungsform 4 ist.
Das Diagramm von Fig. 14 zeigt die Beziehung zwischen der Lotzusammensetzung und der Wärmeermüdungs-Lebensdauer, wenn der Verbindungskörper dieses Ausführungsbeispiels einer Temperaturwechselprüfung mit Temperaturwechseln von -55 0C bis +150 0C in einem Zyklus pro Stunde unterworfen wird. Dabei ist auf der Ordinate die Wärmeermüdungs-Lebensdauer von Proben mit unterschiedlichen Zusammensetzungen aufgetragen, wobei die Wärmeermüdungs-Lebensdauer des Lots aus Pb/5 Gew.-% Sn als Referenzwert Eins definiert ist, und auf der Abszisse sind die Sn-Gehalte der verwendeten Lotmaterialien aufgetragen.
Aus dem Diagramm ist ersichtlich, daß mit dem Verbindungskörper dieses Ausführungsbeispiels die Wärmeermüdungs-Lebensdauer drastisch um das Fünffache in der Temperaturwechselprüfung mit einem Temperaturwechsel von -55 0C bis +150 0C in einem Zyklus pro Stunde verbessert wird im Vergleich zu der Wärmeermüdungs-Lebensdauer des konventionellen Bauteils, das unter Einsatz von Lot 43 mit 95 Gew.-% Blei und 5 Gew.-% Zinn hergestellt wurde. Da jedoch der Zinngehalt erhöht ist, kann das Problem auftreten, daß die Reaktion zwischen dem Lot 43 und Kupfer in der Lotelektrode 44 auf der Chipseite stärker als bei dem konventionellen Bauteil ausfällt. Daher wurde in der gleichen Weise wie bei der Ausführungsform 4 die Beziehung zwischen den Abtragungstiefen von Kupfer durch Lot mit 95 Gew.-% Blei und 5 Gew.-% Zinn sowie durch Lot mit 25 Gew.-% Blei und 75 Gew.-% Zinn und der Löttemperatur untersucht. Das Ergebnis ist, daß die Abtragungstiefe durch das Lot mit 25 Gew.-% Blei und 75 Gew.-% Zinn (Kurve 92) größer ist im Vergleich mit derselben Temperatur; wenn jedoch der Vergleich bei den Temperaturpunkten 96 und 97 erfolgt, die um 50 0C über den Liquidustemperaturen liegen (die den Temperaturpunkten 96, 97 nahen Temperaturen werden im allgemeinen als Löttemperatur gewählt), ist die Zunahme der Abtragungstiefe nur gering, und die Kupferfilmdicke von 1 pm bietet einen ausreichenden Spielraum, da die Luqiidustemperatur des Lots mit 25 Gew.-% Blei und 75 Gew.-% Zinn um ca. 120 OC niedriger als diejenige für das Lot mit 95 Gew.-% Blei und 5 Gew.-% Zinn (Kurve 91) liegt.
Die Beziehung zwischen der Abkühlgeschwindigkeit des Lots nach dem Schmelzen und der Scherfestigkeit der Verbindungsstelle entspricht im wesentlichen der Kurve 26 von Fig. 5, und das Metallgefüge des Lots nach Durchlaufen des Abkühlprozesses bei einer Abkühlgeschwindigkeit unterhalb 125 °C/min, z. B.
40 °C/min, entspricht im wesentlichen Fig. 6b. Ebenso entspricht das Metallgefüge des Lots nach Durchlaufen des Abkühlprozesses bei der Abkühlgeschwindigkeit oberhalb 125 °C/min, z. B. 150 °C/min, im wesentlichen demjenigen von Fig. 6d.
Es wird angenommen, daß der Grund für die sehr gute Wärmeermüdungs-Lebensdauer der Verbindungsstelle dieses Ausführungsbeispiels derselbe ist, der bereits hinsichtlich der zweiten Ausführungsform in Verbindung mit dem Metallgefüge erläutert wurde. D. h., bei einem Zustand, in dem das eutektische Gefüge mit relativ großen Korngrößen die ß-Primärkristalle mit großen Korngrößen umfaßt, geht das eutektische Gefüge in die ß-Primärkristalle über und begrenzt die Verformbarkeit des Lots. Da ferner die Superplastizität des eutektischen Gefüges durch die ß-Primärkristalle begrenzt wird, wird die plastische Verformbarkeit des Lots reduziert, wodurch die Wärmeermüdungs-Lebensdauer verbessert wird. Diese Eigenschaften des Lots wurden bisher als unerwünscht für die Kontaktierung von Halbleiterchips angesehen. Im Gegensatz zu der konventionellen Auslegung wird bei dem vorliegenden System, bei dem die plastische Verformbarkeit des Lots begrenzt ist und die Wärmebeanspruchung von dem Lot und den es umgebenden Teilen gemeinsam getragen wird, eine bessere Wärmeermüdungs-Beständigkeit als bei dem konventionellen System erhalten, bei dem die plastische Verformbarkeit des Lots gesteigert ist, so daß das Lot die Wärmebeanspruchung vollständig allein aufnehmen muß.
Bei einem Zustand, in dem das eutektische Gefüge mit relativ großen Korngrößen die ß-Primärkristalle mit großen Korngrößen umfaßt, ist die Festigkeit des Lots hoch, wodurch die Wärmeermüdungs-Lebensdauer des Lots verlängert wird. Wie aus Fig. 5 deutlich wird, muß die Abkühlgeschwindigkeit unterhalb ca.
125 OC/min gehalten werden, um die Festigkeit des Lots in stabiler Weise zu steigern.
Die für die Lotelektroden eingesetzten Metallarten und die Aufbringverfahren für die Lotelektroden entsprechen denjenigen für die Ausführungsform 4.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß bei einer Zusammensetzung des Lots 52 auf der Chipseite und des Lots 53 auf der Substratseite mit 65 Gew.-% oder mehr bis 80 Gew.-% oder weniger Zinn, Rest im wesentlichen Blei, eine verbesserte Wärmeermüdungs-Lebensdauer als für Lot mit 95 Gew.-% Blei und 5 Gew.-% Zinn erhalten wird, wenn die Abkühlgeschwindigkeit des Lots bis zu ca. 125 °C/min beträgt (Fig. 14).
Die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen zeigen das Verfahren zum Verbinden eines Halbleiters mit einem Metall, eines anorganischen Dielektrikums wie Keramik oder Glas mit einem Metall, und insbesondere das Verbindungsverfahren für elektronische Bauelemente. Gemäß dem bevorzugten metallurgischen Verfahren ist es jedoch auch möglich, Verbindungen zwischen organischen Harzen, z. B. Epoxidharz, Phenolharz, und Metallen, zwischen anorganischen Dielektrika und Halbleitern, zwischen organischen Harzen, zwischen Metallen und zwischen Dielektrika herzustellen. Ferner ist es möglich, Verbindungskörper dadurch zu erhalten, daß man wenigstens zwei Teile aus den Stoffen organische Harze, Metalle, Dielektrika oder Halbleiter in willkürlichen Kombinationen wählt. Die Erfindung ist ferner auch auf anderen Gebieten der Technik und nicht nur in der Elektronikindustrie anwendbar. In allen diesen Fällen können verbesserte Wärmeermüdungs-Lebensdauern erhalten werden.
Bei dem metallurgischen Verfahren nach der Erfindung kann die Behandlung in einer kontrollierten Atmosphäre von Wasserstoff-, Stickstoff-, Helium-, Argon- oder Kohlensäuregas, in einer kontrollierten Atmosphäre von Dampf wie Fluorkohlenwasserstoffdampf oder in Luft durchgeführt werden. Dabei ist es möglich, irgendeines der bekannten Wärmebehandlungsverfahren wie Wärmebehandlung in einem Ofen, auf einer Heizplatte, Bestrahlung mit IR-Strahlen, Laser- oder Elektronenstrahlbehandlung, Heizstabbehandlung, Kondensationslöten, Parallelspaltlöten usw. anzuwenden. Geeignete Flußmittel können nach Maßgabe der erwünschten Eigenschaften des herzustellenden Verbindungskörpers gewählt werden. Der Ausdruck Teile aus unterschiedlichen Werkstoffen" bezieht sich hauptsächlich auf solche Teile, die voneinander verschiedene Wärmedehnzahlen haben, und im allgemeinen sind auch die Eigenschaften dieser Teile, etwa die Wärmeleitfähigkeit, mechanische und elektrische Eigenschaften u. dgl. im wesentlichen verschieden. Wenn daher das durch Lot zu verbindende Teil ein Molybdänblech ist, so gehören ein Molybdänblech für sich und ein mit Silber auf ein Kupferblech aufgelötetes Molybdänblech zur Gruppe der Teile aus unterschiedlichen Werkstoffen". Auch im Fall eines Verbundblechs, das durch Verbinden eines Kupferblechs mit einem Eisenblech erhalten wird, gehören ein durch Diffusions-Kontaktherstellung und ein durch Hartlöten erhaltenes Verbundblech zur Gruppe der Teile aus unterschiedlichen Werkstoffen".
Wie vorstehend beschrieben, wird ein verbessertes metallurgisches Verfahren zum elektrisch leitenden, thermischen und mechanischen Verbinden von Teilen aus unterschiedlichen Werkstoffen mit jeweils verschiedenen Wärmedehnzahlen angegeben.
Die mit dem Verfahren erzielbaren Auswirkungen bzw. Vorteile können wie folgt zusammengefaßt werden: (1) Die Verbindungsstelle des mit dem bevorzugten metallurgischen Verfahren erhaltenen Verbindungskörpers weist verbesserte Wärmeermüdungs-Lebensdauereigenschaften auf. Diese Verbesserung resultiert hauptsächlich aus einer Erhöhung der Festigkeit des Lots selbst und aus dem Effekt der Begrenzung der plastischen Verformbarkeit und trägt in hohem Maß zur Verbesserung der Güte und Zuverlässigkeit des Verbindungskörpers bei.
(2) Im Fall einer Verbindung zwischen einem großen Halbleitersubstrat und einem metallischen Trägerkörper war es z. B.
bisher üblich, ein Zwischenelement wie Molybdän einzufügen, um die Differenz zwischen den Wärmedehnzahlen zu vermindern und auf diese Weise die Wärmeermüdungs-Lebensdauer des Verbindungskörpers zu erhalten. Gemäß dem bevorzugten metallurgischen Verfahren wird jedoch die Notwendigkeit für ein solches Zwischenelement verringert, da die Wärmeermüdungs-Lebensdauer drastisch erhöht wird. Dies trägt wiederum dazu bei, die Anzahl der erforderlichen Komponenten zu reduzieren. Im Fall einer Verbindung zwischen einem wärmeerzeugenden oder wärmeempfangenden Teil und einem wärmeabsorbierenden, wärmeabstrahlenden oder wärmeübertragenden Teil, das zur Verminderung des Temperaturanstiegs vorgesehen ist, kann die Wärmeleitfähigkeit verbessert werden, weil das Vorsehen eines Zwischenelements nicht erforderlich ist.
(3) Da das Lotmaterial durch das angegebene metallurgische Verfahren verstärkt wird, kann ein direktes Löten auch zwischen Teilen mit stark unterschiedlichen Wärmedehnzahlen erfolgen. Es ist also nicht erforderlich, die Wärmedehnzahlen der zu verbindenden Teile nach strengen Kriterien zu wählen, wodurch die Konstruktionsfreiheit der Verbindungskörper verbessert wird.
(4) Bei dem angegebenen metallurgischen Verfahren wird eine normale Legierung mit Blei und Zinn als Hauptbestandteile des Verbindungselements gewählt, und damit ist eine hochzuverlässige elektrische, thermische und mechanische Verbindung zu erhalten, wodurch die Kosten erheblich verringert werden.
(5) Gemäß der Erfindung kann eine längere Wärmeermüdungs-Lebensdauer als im Fall eines Lots mit 95 Gew.-% Blei und 5 Gew.-% Zinn oder eines Lots mit Blei und Zinn, das ein eutektisches Gefüge aufweist, erhalten werden, wenn <i) eine große Anzahl von Feinlotstellen zum elektrischen und mechanischen Verbinden eines Halbleitersubstrats mit einem dielektrischen Substrat mit metallischen Leiterbahnen 35 Gew.-% oder mehr bis 60 Gew.-% oder weniger Zinn, Rest im wesentlichen Blei, aufweist, wodurch die Lotstruktur derart ist, daß das eutektische Gefüge mit relativ großen Korngrößen die CC-Primärkristalle mit großer Korngröße umfaßt, oder wenn (ii) das Lot 65-80 Gew.-% Zinn, Rest im wesentlichen Blei, aufweist, wodurch die Lotstruktur derart ist, daß das eutektische Gefüge mit relativ großer Korngröße die ß-Primärkristalle mit großer Korngröße umfaßt.

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zum Löten von Teilen aus unterschiedlichen Werkstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß Lot mit einer Zusammensetzung von 35 Gew.-% oder mehr bis 60 Gew.-% oder weniger Zinn bzw. von 65-80 Gew.-% Zinn, Rest im wesentlichen Blei, zwischen den Teilen aus unterschiedlichen Werkstoffen vorgesehen wird und daß das Lot nach dem Schmelzen einen metallurgischen Prozeß durchläuft, bei dem das geschmolzene Lot mit einer Abkühlge-0 schwindigkeit von bis zu 125 C/min abgekühlt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lot eine Zusammensetzung von 40-55 Gew.-% Zinn, Rest im wesentlichen Blei, aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lot eine Zusammensetzung von ca. 50 Gew.-% Zinn, Rest im wesentlichen Blei, aufweist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lot außerdem wenigstens ein Metall enthält, das Kupfer, Silber, Gold, Palladium, Nickel, Antimon, Zink, Bismut, Indium, Cadmium, Arsen oder Gallium ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das geschmolzene Lot mit einer Abkühlgeschwindigkeit von bis zu 125 °C/min mindestens während eines Zeitraums vor Beendigung der Erstarrung des geschmolzenen Lots abgekühlt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile aus unterschiedlichen Werkstoffen ein Halbleitersubstrat und ein dielektrisches Substrat sind.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Substrat auf seiner Oberfläche einen Leiterfilm vorbestimmter Form trägt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat auf seiner Oberfläche einen Leiterfilm vorbestimmter Form trägt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Lot aus einer Mehrzahl Lotmengen besteht.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile aus unterschiedlichen Werkstoffen ein Halbleitersubstrat und ein Metallblech sind.