DE3740773A1 - Verfahren zum herstellen elektrisch leitender verbindungen - Google Patents

Verfahren zum herstellen elektrisch leitender verbindungen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen elek­ trisch leitender Verbindungen mittels isothermer Er­ starrung einer beim Löten aus mindestens einem Übergangs­ metall und mindestens einem Metall mit niedrigerem Schmelzpunkt als der des Übergangsmetalls gebildeten in­ termetallischen Phase, die Indium oder Gallium enthalten kann.
Aus der europäischen Patentanmeldung 1 93 128 ist ein der­ artiges Verfahren zum Verlöten von elektrischen Bauelemen­ ten mit Anschlußflächen auf einem Trägerelement bekannt, wobei als Lotmaterial Indium oder Gallium in einer solchen Menge verwendet wird, daß sich in Verbindung mit dem Me­ tall der Anschlußflächen (Gold oder eine Gold/Kupfer- Legierung) eine Legierung bilden kann, deren Legierungs­ verhältnis so eingestellt ist, daß sich bei der Löttempe­ ratur infolge thermischer Diffusion eine hochtemperatur­ beständige Phase mit einem Schmelzpunkt im Bereich von 548 K bis 646 K ausbildet.
Dieses bekannte Verfahren hat den Nachteil, daß für die Anschlußkontakte Edelmetall eingesetzt werden muß, was kostspielig ist, und es hat darüber hinaus den weiteren Nachteil, daß für manche Anwendungszwecke zu hohe Löttem­ peraturen erforderlich sind.
Aus US-PS 36 21 564 sind Lötverbindungen bekannt, die aus intermetallischen Phasen (Legierungen) der Systeme Ag/Sn, Au/Sn, Pt/Sn, Pd/Sn, Ag/Pb, Au/Pb, Pt/Pb oder Pd/Pb gebil­ det werden.
Auch bei diesem bekannten Verfahren ist nachteilig, daß für die Ausbildung der intermetallischen Phase teure Edel­ metalle wie insbesondere Gold oder Silber eingesetzt wer­ den müssen und daß für manche Anwendungszwecke zu hohe Löttemperaturen von 623 K bzw. 713 K erforderlich sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß Löttem­ peraturen 530 K ausreichen und die Lötverbindungen unter mechanischer Belastung thermisch stabil sind bis zu einer Temperatur von mindestens 730 K.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Bildung der intermetallischen Phase mindestens ein Nicht­ edelmetall als Übergangsmetall und mindestens eines der Elemente Gallium, Indium, Zinn und/oder Wismut als Metall mit niedrigerem Schmelzpunkt eingesetzt werden.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens ge­ mäß der Erfindung wird(werden) als Übergangsmetall min­ destens eines der Elemente Kupfer, Mangan und/oder Nickel eingesetzt.
Nach weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des Verfahrens nach der Erfindung wird die intermetallische Phase inner­ halb des Systems Nickel/Indium oder des Systems Kupfer/ Zinn oder des Systems Nickel/Zinn gebildet.
Nach vorteilhaften Weiterbildungen des Verfahrens gemäß der Erfindung wird(werden) das(die) Übergangsmetall(e) auf zu verbindenden Kontaktflächen durch Chemical oder Physi­ cal Vapour Deposition oder elektrochemisch oder stromlos aus Lösungen so abgeschieden, daß es in Korngrößen 2 µm vorliegt.
Nach weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des Verfahrens nach der Erfindung wird das Metall mit niedrigerem Schmelzpunkt zwischen den mit dem Übergangsmetall be­ schichteten Kontaktflächen als dünne Schicht oder lose, vorzugsweise als vorverformter Körper, in einer für eine intermetallische Phasenbildung in einer Reaktionstiefe von jeweils ≈ 1 µm ausreichenden Menge angebracht.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Ver­ fahrens nach der Erfindung wird die Ausbildung der inter­ metallischen Phase unter einem Druck im Bereich von 1 bis 3 MPa bei einer Temperatur im Bereich von 470 bis 530 K bewirkt.
Mit der vorliegenden Erfindung sind insbesondere folgende Vorteile verbunden:
Es können bei mechanischer Belastung bis zu mindestens ei­ ner Temperatur von 730 K stabile Lötverbindungen bei rela­ tiv niedrigen Temperaturen ( 530 K) hergestellt werden. Ein weiterer Vorteil ist, daß eine Vielzahl von elektri­ schen Anschlüssen kleinster Abmessungen (µm-Bereich) gleichzeitig herstellbar ist, wobei eine thermomechanische Verspannung der zu verbindenden Teile infolge der relativ niedrigen Löttemperaturen sehr gering ist.
Die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellten Verbindungen zeichnen sich infolge der geringen Schicht­ dicke der intermetallischen Phasen und der definierten Zusammensetzung dieser Phasen durch eine gute Temperatur­ wechselbeständigkeit aus.
Die gemäß dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung gebildeten Verbindungen eignen sich bei wärmeverteilenden Systemen überdies gut zur Wärmeableitung, da sie einen niedrigen Wärmewiderstand und eine gute Temperaturstabili­ tät (theroretisch bis zu einer Temperatur von mindestens 930 K, unter mechanischer Belastung bis zu einer Tempera­ tur von mindestens 730 K) aufweisen.
Anhand der Figuren werden Ausführungsbeispiele der Erfin­ dung beschrieben und in ihrer Wirkungsweise erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 Beispiel der Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung unter Anwendung von die intermetallische Phase bildenden Metallen in Form von dünnen Schichten,
Fig. 2 Beispiel der Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung, wobei Übergangsmetall in Form von dünnen Schichten und niedrig schmelzendes Metall lose vorverformt zwischen den Übergangsmetallschichten angeordnet ist,
Fig. 3 Phasendiagramm für das System Nickel/Indium,
Fig. 4 Phasendiagramm für das System Kupfer/Zinn,
Fig. 5 Phasendiagramm für das System Nickel/Zinn.
In den Fig. 1 und 2 ist dargestellt, auf welche Weise eine intermetallische Phase bildende Metalle A, A′, B und B′ zwischen zu verbindenden Teilen 1, z.B. ein elektronisches Bauelement, und 3, z.B. eine Leiterplatte oder Folie mit Leiterbahnen, angebracht werden können. B und B′ sind mittels Chemical oder Physical Vapour Deposition oder mittels naßchemischer Verfahren aus Lösungen auf Anschluß­ flächen der zu verbindenden Teile 1, 3 abgeschiedene Schichten einer Schichtdicke 1,5 µm aus mindestens einem Übergangsmetall wie z.B. Cu,Mn oder Ni. Mit A, A′, A′′ ist Metall mit niedrigerem Schmelzpunkt als der des Übergangs­ metalls B, B′ dargestellt, wobei das niedrigschmelzende Me­ tall A, A′ in Form von dünnen Schichten mit einer Schicht­ dicke, die ausreicht, um eine intermetallische Phase bis zu einer Reaktionstiefe ≈ 1 µm zu bilden, vorliegt. Das niedrigschmelzende Metall A′′ ist lose in Form eines vorverformten Körpers zwischen den zu verbindenden Teilen 1 und 3 mit den auf ihnen angebrachten Übergangsmetall­ schichten B und B′ angeordnet, wobei es in einer solchen Menge eingebracht wird, daß ebenfalls eine intermetalli­ sche Phase bis zu einer Reaktionstiefe von ≈ 1 µm gebil­ det wird.
Das System aus zu verbindenden Teilen 1 und 3 mit den die intermetallische Phase bildenden Metallen A, A′, A′′, B, B′ wird auf eine Temperatur erhitzt, die etwa 20 bis 60K über der eutektischen Temperatur TE der die interme­ tallischen Phasen bildenden Systeme liegt, wobei eine Ver­ bindung der Teile 1 und 3 durch isotherme Erstarrung der gebildeten intermetallischen Phase unter einem Druck von 1 bis 3 MPa über eine Dauer von wenigstens 15 s hergestellt wird. Aus den Phasendiagrammen gemäß den Fig. 3 bis 5 für die Systeme Ni/In, Cu/Sn und Ni/Sn ist ersichtlich, daß die Löttemperatur in einem Bereich von 470 K bis 530 K liegen kann. In den Figuren bedeuten: TE= eutektische Temperatur, TL= Löttemperatur und I = Stabilitätsgrenze der In-reichen bzw. der Sn-reichen Phase.
Als Beispiel für die Verbindung der Teile 1 und 3 gemäß Fig. 1 wurden Übergangsmetallschichten B, B′ aus Nickel oder Kupfer einer Schichtdicke von 1,5 µm und Schichten A, A′ aus einem Metall mit niedrigem Schmelzpunkt, z.B. Zinn-Schichten, in einer Schichtdicke von ≈ 1 µm unter folgenden Bedingungen mittels eines Kathodenzerstäubungs­ prozesses abgeschieden:
Tabelle 1
Als Beispiel für die Verbindung der Teile 1 und 3 gemäß Fig. 2 wurde zunächst eine Nickelschicht B, B′ durch Kathodenzerstäubung gemäß den Parametern der Tabelle 1 ab­ geschieden und als Metall mit niedrigem Schmelzpunkt A′′ wurde vorverformtes Indium in einer solchen Menge zwischen den Nickelschichten angeordnet, die entsprechend der Schichtdicke der Nickelschicht, z.B. ≈ 1,5 µm, zur Bildung der Phase Ni2In3 bis zu einer Reaktionstiefe von jeweils ≈ 1 µm ausreicht.
Zur Ausbildung von Lötverbindungen mittels Legierungen der Systeme Ni/In, Cu/Sn oder Ni/Sn sind weder Schutzgas noch Flußmittel erforderlich.
In der nachfolgenden Tabelle sind Eigenschaften von im Rahmen der vorliegenden Erfindung gebildeten intermetalli­ schen Phasen dargestellt:
Tabelle 2

Claims (12)

1. Verfahren zum Herstellen elektrisch leitender Verbindungen mittels isothermer Erstarrung einer beim Löten aus mindestens einem Übergangsmetall und mindestens einem Metall mit niedrigerem Schmelzpunkt als der des Übergangsmetalls gebildeten intermetallischen Phase, die Indium oder Gallium enthalten kann, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der intermetallischen Phase mindestens ein Nichtedelmetall als Übergangsmetall und mindestens eines der Elemente Gallium, Indium, Zinn und/oder Wismut als Metall mit niedrigerem Schmelzpunkt eingesetzt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Übergangsmetall mindestens eines der Elemente Kupfer, Mangan und/oder Nickel eingesetzt wird(werden).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die intermetallische Phase innerhalb des Systems Nickel/Indium gebildet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die intermetallische Phase innerhalb des Systems Kupfer/Zinn gebildet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die intermetallische Phase innerhalb des Systems Nickel/Zinn gebildet wird.
6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das(die) Übergangsmetall(e) auf zu verbindenden Kontaktflächen so abgeschieden wird(werden), daß es(sie) in Korngrößen ≈ 2 µm vorliegt(vorliegen).
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das(die) Übergangsmetall(e) durch Chemical oder Physi­ cal Vapour Deposition abgeschieden wird(werden).
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das(die) Übergangsmetall(e) aus Lösungen elektroche­ misch oder stromlos abgeschieden wird(werden).
9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall mit niedrigerem Schmelzpunkt zwischen den mit dem Übergangsmetall beschichteten Kontaktflächen in einer für eine intermetallische Phasenbildung in einer Reaktionstiefe von jeweils ≈ 1 µm ausreichenden Menge angebracht wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das(die) Metall(e) mit niedrigerem Schmelzpunkt als dünne Schicht auf den mit dem(den) Übergangsmetall(en) be­ schichteten Kontaktflächen angebracht wird(werden).
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das(die) Übergangsmetall(e) lose, vorzugsweise als vorverformter Körper, zwischen den mit dem(den) Übergangsmetall(en) beschichteten Kontaktflächen angebracht wird(werden).
12. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbildung der intermetallischen Phase unter einem Druck im Bereich von 1 bis 3 MPa bei einer Temperatur im Bereich von 470 bis 530 K bewirkt wird.
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