DE60305119T2

DE60305119T2 - Auslaugbeständige Lötlegierungen für elektrisch leitende Dickfilme auf Silberbasis

Info

Publication number: DE60305119T2
Application number: DE60305119T
Authority: DE
Inventors: Bradley H. Carter; Shing Yeh
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 2002-09-23
Filing date: 2003-09-23
Publication date: 2006-10-26
Anticipated expiration: 2023-09-24
Also published as: DE60305119D1; EP1402989A1; US6630251B1; EP1402989B1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Lotzusammensetzungen des Typs, der bei mikroelektronischen Anwendungen verwendet wird. Spezieller bezieht sich diese Erfindung auf Lötlegierungen auf Basis Zinn-Blei, welche auf Silber enthaltenden Dickfilmleitern verwendet werden und welche das Auslaugen von Silber aus solchen Leitern hemmt, wodurch die Haftung und Zuverlässigkeit der Verbindung Lot-Leiter verbessert wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die 1 und 2 stellen einen Querschnitt durch einen elektronischen Zusammenbau vor bzw. nach einem Löt-Reflowvorgang dar, der zum Verbinden einer elektronischen Komponente 10 an Dickfilmleiter 18 auf einem Substrat 14, welches aus Aluminiumoxid oder einem anderen für Hybridschaltungsanwendungen geeigneten Material gebildet ist, durchgeführt wird. In 1 liegt das Lötmaterial in Form einer Paste 11 vor, während in 2 die Lötpaste 11 unter Bildung einer Lötverbindung 12 aufgeschmolzen ist. Die Lötverbindung 12 bindet und verbindet elektrisch eine Lötkontaktfläche 16 auf der Komponente 10 mit dem Dickfilmleiter 18 auf dem Substrat 14, wodurch die Komponente 10 mit dem Substrat 14 elektrisch und mechanisch verbunden wird. Die Kontaktfläche 16 kann aus Aluminium gebildet sein, auf welchem eine Unterlöthöckermetallurgie (UBM) abgelagert ist, oder sie kann aus einem Silber enthaltenden Dickfilmmaterial gebildet sein. Die Komponente 10 kann ein Chipkondensator, Chipwiderstand, Varistor, frei liegender integrierter Schaltkreis (IC), Flip-Chip, angebauter IC, etc. sein.
Silber enthaltende Dickfilmzusammensetzungen wie 20Ag/1Pd/0,3Pt und 99Ag/1Pt (Gewichtsteile) werden weit verbreitet als Leiter 18 für Hybridschaltungsanwendungen verwendet. Silber ist ein guter Leiter und hat relativ geringe Kosten im Vergleich zu anderen Edelmetallen, insbesondere Palladium. Jedoch kann Silber sich rasch in geschmolzenen Lötlegierungen auflösten, wie in 2 dargestellt ist, in welcher der Leiter 18 signifikant dünner als sein Zustand vor dem Aufschmelzlöten ist. Silberauflösung (oder Silberauslaugung) kann bewirken, dass das Lot sich von dem beschädigten oder fehlenden Lötaugenmuster des Leiters entnetzt. Palladium wurde in dem Gewichtsverhältnis von etwa 3:1 Ag/Pd (d.h. etwa 25 Gewichtsprozent Palladium) zur Reduzierung dieses Auslaugeffektes zugesetzt. Höhere Mengen von Palladium sind effektiver, wobei wiederholt angegeben wurde, dass ein Palladiumgehalt von etwa 35 Gewichtsprozent die Auflösungsrate um die Hälfte reduziert. Da jedoch die Kosten von Palladium angestiegen sind, sind die Materialkosten für AgPd-Leiter teurer geworden. Als Ergebnis werden AgPd-Zusammensetzungen, welche 25 Gewichtsprozent oder weniger Palladium enthalten, stärker in der elektronischen Industrie eingesetzt.
In Verbindung mit Dickfilmleitern verwendete Lote sind im Allgemeinen (in Gewicht) das Eutektikum Sn-37Pb, die nahezu eutektische Legierung Sn-40Pb und das Eutektikum Sn-36Pb-2Ag. Diese Legierungen werden typischerweise bei Spitzentemperaturen von etwa 205°C bis etwa 240°C für den Zusammenbau in hybridelektronischen Bauteilen für Kraftfahrzeuge aufgeschmolzen bzw. reflowed. In einigen Fällen kann eine so hohe Spitzen-Reflowtemperatur wie ca. 260°C erforderlich sein. Ein Beispiel ist ein Zusammenbau unter Verwendung einer Lötlegierung In-50Pb für Flip-Chip-Löthöcker (nicht gezeigt) und eine Lötlegierung Sn-40Pb für die Lötverbindung 12 von anderen Komponenten auf dem Substrat 14. Unter diesen Umständen kann ein doppelter Reflowprozess während des Zusammenbaus der Karte angewandt werden. Nachteile mit doppeltem Reflowverfahren schließen jedoch höhere Kosten, längere Verarbeitungszeiten und die Möglichkeit der Beschädigung des Flip-Chips ein. Zur Verarbeitung eines Zusammenbaus mit diesen Lötlegierungen unter Anwendung eines einzelnen Reflowvorganges ist eine Spitzen-Reflowtemperatur von etwa 250°C bis etwa 260°C erforderlich. Bei diesen Temperaturen wurde starkes Auslaugen von Silber bei Komponentenlötverbindungen mit Sn-40Pb beobachtet, was eine herabgesetzte Zuverlässigkeit oder einen teuren Produktionsverlust ergibt. Die Anwesenheit von Silber in einer Lötverbindung hat die Fähigkeit, die Auslaugrate von Silber aus einem Dickfilmleiter, an welche sie gebunden ist, zu verlangsamen. Jedoch wurden Zugaben von etwa 2 Gewichtsprozent Silber (z.B. der Legierung Sn-36Pb-2Ag) und etwa 2,5 Gewichtsprozent Silber (z.B. Sn-95Pb-2,5Ag) als nicht angemessen gefunden, um das Auslaugen und die Interdiffusion im Festkörperzustand in Schaltungen zu verhindern, welche in der Kraftfahrzeugindustrie verwendet wurden, was erhöhte Lot-Reflowtemperaturen und strenges beschleunigtes Testen erfordert. Silberauslaugung und Interdiffusion im Festkörperzustand können effektiver mit einer Diffusionssperre reduziert werden, wie einer autokatalytischen Nickelschicht, welche auf einem Silber enthaltenden Dickfilmleiter abgelagert ist. Jedoch die zusätzlichen Verarbeitungskosten und die Komplexität, welche mit einer diskreten Sperrschicht verbunden ist, sind unerwünscht.
Da das Herauslösen von Silber aus Dickfilmleitern mit einem relativ hohen Silbergehalt Probleme der Zuverlässigkeit bewirken kann, sind das Reflowverfahren (Spitzentemperatur und Zeit oberhalb Liquidus), Leiterfläche und Leiterdicke kritisch für die Zuverlässigkeit. Es wäre erwünscht, falls das Auslaugen von Silber aus Dickfilmleitern zur Verbesserung der Zuverlässigkeit des Produktes ohne Erhöhung von Prozess- und Materialkosten verhindert werden könnte, und zugleich mit dem Potential für vereinfachte Verarbeitung.
Die EP 0 828 410 betrifft eine Löttechnik, welche erhöhte Zuverlässigkeit bei erhöhten Temperaturen durch Reduzierung des Auslaugens von Silber aus einem Leiter zeigt. Die EP 0 828 410 beschreibt Dickfilm-Hybridschaltungen, welche Schaltungskomponenten aufweisen, die auf Leiter mit einem doppelten Lötverfahren montiert sind, welches die Hochtemperaturleistungsfähigkeit solcher Schaltungen verbessert. Die Schaltungskomponente ist an den Leiter durch eine Lötverbindung befestigt, welche aus einer ersten Lotschicht, welche über dem Leiter liegt, besteht, mit welcher die Schaltungskomponente elektrisch verbunden ist, und eine zweite Lotschicht zwischen der ersten Lotschicht und der Schaltungskomponente. Die erste und die zweite Lotschicht haben unterschiedliche Zusammensetzungen, wovon jede Zinn enthält, wobei jedoch die erste Lotschicht einen niedrigeren Zinngehalt als die zweite Lotschicht hat. Die angegebenen Lotzusammensetzungen sind eine Lötlegierung 60Sn-40Pb und eine Lötlegierung 96,5Sn-3,5Ag.
Die US 4 622 205 betrifft zunehmenden Widerstand gegen Elektromigration von Blei/Zinnloten. Die US 4 622 205 beschreibt die Reduzierung der Elektromigrationsaktivität und die Verlängerung der Lebensdauer von Lötverbindungen an Kupferleiter durch Ausbilden einer im Wesentlichen gleichförmigen Verteilung einer kleinen Menge eines aufgelösten Elementes in Legierungen auf Bleibasis, wie einem Blei/Zinnlot. Angegebene aufgelöste Elemente schließen Kupfer, Silber, Gold und Seltenerdelemente ein.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist in ihren verschiedenen Ausführungsformen wie in den beigefügten Ansprüchen angegeben.
Die vorliegende Erfindung ist auf eine Zinn-Bleilötlegierung, welche Kupfer und/oder Nickel enthält und wahlweise Silber, Palladium, Platin und/oder Gold als ihre Legierungsbestandteile gerichtet. Die Lötlegierung besteht im Wesentlichen aus, in Gewicht, etwa 5% bis etwa 70% Zinn, etwa 0,5% bis etwa 10% Kupfer und/oder Nickel und bis zu etwa 4% Silber, Palladium, Platin und/oder Gold, wobei der Rest Blei und zufällige Verunreinigungen ist. Gemäß der Erfindung hat die Anwesenheit von Kupfer und/oder Nickel in einer Zinn-Bleilötlegierung den günstigen Einfluß, die Auflösung und das Auslaugen von Silber aus einem Silber enthaltenden Dickfilmleiter in die geschmolzene Lötlegierung während des Reflowvorganges zu hemmen, der sonst zum Ausdünnen oder sogar zur vollständigen Auflösung des Leiters führen würde. Zusätzlich bilden die Lötverbindungen, welche aus der Lötlegierung geformt sind, eine Diffusionssperrschicht von CuSn- und/oder NiSn-intermetallischen Verbindungen (IMC's) an der Grenzfläche zwischen der Lötverbindung und dem Leiter, was Interdiffusion im Festkörperzustand zwischen Silber aus dem Leiter und Zinn aus der Lötverbindung hemmt. Bemerkenswerterweise wird jedes dieser Merkmale der Erfindung unabhängig von dem Silbergehalt in der Lötlegierung erreicht, so dass Silber ein wahlweiser Bestandteil der Legierung ist.
Bestimmte Lötlegierungen dieser Erfindung scheinen eutektisch zu sein, und dadurch sind sie durch eine echte Schmelztemperatur gekennzeichnet, während andere nicht-eutektisch sind und daher durch unterschiedliche Solidus- und Liquidustemperaturen gekennzeichnet sind. Die nicht- eutektischen Legierungen haben eine Solidustemperatur nahe bei den Schmelztemperaturen der eutektischen Legierungen, und sie können eine Liquidustemperatur von bis zu etwa 470°C haben. Jedoch ist der von den nicht-eutektischen Legierungen gezeigte Schmelzmechanismus derart, dass im Wesentlichen alle innerhalb eines schmalen Temperaturbereiches geschmolzen sind, und daher werden sie so bezeichnet, dass sie eine "effektive Schmelztemperatur" haben, in welcher die Legierung sich vergleichbar zu den eutektischen Legierungen verhält, obwohl ihre tatsächlichen Liquidustemperaturen beträchtlich höher sind. Legierungen dieser Erfindung, welche bis zu 10 Gew.-% Kupfer enthalten, haben gezeigt, dass sie bei sehr viel niedrigeren Temperaturen als ihren tatsächlichen Liquidustemperaturen aufschmelzen in dem Ausmaß. dass diese Zusammensetzungen so behandelt werden können, als ob sie Spitzen-Reflowtemperaturen bzw. Aufschmelztemperaturen von so niedrig wie 205°C erfordern, dass sie dennoch in geeigneter Weise bei so hohen Temperaturen wie 260°C ohne Herbeiführung von übermäßigem Auslaugen von Silber aufgeschmolzen bzw. reflowed werden können.
Andere Gegenstände und Vorteile dieser Erfindung ergeben sich besser aus der folgenden detaillierten Beschreibung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 stellt eine Querschnittsansicht eines elektronischen Zusammenbaus unmittelbar vor dem Lot-Reflowverfahren dar.
2 stellt eine Querschnittsansicht einer Lötverbindung dar, welche sich aus dem Reflowverfahren des Zusammenbaus von 1 ergibt, wenn eine Lötlegierung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
3 stellt eine Querschnittsansicht einer Lötverbindung, resultierend aus dem Reflow des Zusammenbaus von 1 bei Verwendung einer Lötlegierung entsprechend der vorliegenden Erfindung, dar.
Die 4 bis 7 sind gescannte Bilder von Oberflächen von Silber enthaltenden Dickfilmleitern, auf welchen Lote auf Basis SnPb aufgeschmolzen bzw. reflowed wurden, und sie sind für die Anwesenheit und das Fehlen von Fehlern, welche durch Silberauslaugung während des Reflowverfahrens hervorgerufen werden, repräsentativ.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung ist eine Verbesserung gegenüber Lötlegierungen auf Basis von SnPb und SnPbAg, welche typischerweise zum Verbinden von oberflächenmontierten Einrichtungen in Hybridschaltungsanordnungen verwendet werden. Die verbesserte Lötlegierung enthält Kupfer und/oder Nickel in einer ausreichenden Menge, um die Auflösung von Silber aus einem Silber enthaltenden Dickfilmleiter in die geschmolzene Legierung während des Löt-Reflowverfahrens zu hemmen, wobei dies ein bekannter Einfluß auf die Zuverlässigkeit als Folge der Verdünnung oder vollständigen Auflösung des Leiters ist. Erhöhte Zuverlässigkeit aus dem Unterdrücken der Auflösung von Silber wird selbst dann erreicht, wenn Spitzen-Reflowtemperaturen von etwa 260°C angewandt werden. Im Anschluß an den Reflowvorgang behält die verbesserte Lötlegierung die Zuverlässigkeit der Verbindung als Ergebnis der Ausbildung von IMC-Ausscheidungen bei, welche die Interdiffusion im Festkörperzustand zwischen der Lötverbindung und dem Leiter hemmen. Mehr spezifisch, die IMC-Ausscheidungen bilden eine Schicht an der Grenzfläche Verbindung-Leiter, welche die Interdiffusion von Silber aus dem Silber enthaltenden Leiter und Zinn aus der Lötverbindung verlangsamt, das Ergebnis hiervon würde zu einem Verlust der Haftung zwischen dem Leiter und dem darunter liegenden Substrat führen.
3 stellt eine Lötverbindung 22 dar, welche gebildet wird, wenn eine Lötlegierung dieser Erfindung in dem Schaltungszusammenbau, der in 1 dargestellt ist, verwendet wird. Beim Vergleich von 3 zu der 2 des Standes der Technik ist ersichtlich, dass der Silber enthaltende Leiter 18 in 3 nicht dünner geworden oder in anderer Weise an Silber verarmt ist als Ergebnis der Lötverbindung 22, welche eine ausreichende Menge von Kupfer oder Nickel enthält, um das Auslaugen von Silber während des Reflowvorganges zu verhüten. 3 stellt ebenfalls IMC-Ausscheidungen dar, welche von der Lötlegierung dieser Erfindung gebildet wurden, und welche längs der Grenzfläche zwischen der Lötverbindung 22 und dem Dickfilmleiter 18 ausgeschieden wurden, wie durch die dünne IMC-Schicht 26 in 3 dargestellt ist, ebenfalls innerhalb der Masse der Lötverbindung 22 und an der Grenzfläche der Lötverbindung 22 mit der Lötkontaktfläche 16, wie durch die dünne IMC-Schicht 24 in 3 dargestellt ist. Das Ergebnis ist effektiv eine Diffusionssperrschicht, von welcher festgestellt wurde, dass sie die Interdiffusion im Festkörperzustand von Silber aus dem Leiter 18 und Zinn aus der Lötverbindung 22 (und/oder die Interdiffusion im Festkörperzustand von Zinn aus der Lötverbindung 22 und Silber aus der Lötkontaktfläche 16, falls aus einem Silber enthaltenden Material gebildet) während den Expositionen bei hohen Temperaturen, welche während der Verarbeitung des nachfolgenden Zusammenbaus und dem Service auftreten können, hemmt.
Die obigen Vorteile, welche durch diese Erfindung möglich sind, wurden mit Legierungen auf Basis Sn-Pb erreicht, welche in Gewicht enthalten: wenigstens 0,5% bis etwa 10% Kupfer und wahlweise bis zu etwa 4% Silber. Der Rest der Legierungszusammensetzung ist in Gewicht etwa 5% bis etwa 70% Zinn und Rest Blei und zufällige Verunreinigungen. Gemäß der Erfindung wird angenommen, dass Nickel in geeigneter Ersatz für eine gewisse Menge oder die Gesamtmenge des Kupfergehaltes in der Legierung wegen der ähnlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften, die Nickel bei Lötanwendungen zeigt, ist. Zusätzlich wird angenommen, dass Palladium, Platin und/oder Gold als Ersatzstoff/stoffe für einen beliebigen Silbergehalt in der Legierung sind. Falls Kupfer der gewählte Zusatz zum Hemmen der Silberauflösung und der Diffusion im Festkörperzustand ist, kann Nickel als ein Ersatzstoff für Silber, Palladium, Platin und/oder Gold in der Lötlegierung vorliegen.
Zwei eutektische oder nahe-eutektische Zusammensetzungen, Sn-36Pb-2Cu und Sn-35Pb-2Ag-2Cu, wurden innerhalb der oben angegebenen Zusammensetzungsbereiche identifiziert. Jede dieser Zusammensetzungen ist durch Schmelztemperaturen von etwa 183,0°C bzw. 178,3°C gekennzeichnet, und daher gleich wie die oder sehr nahe bei den Schmelztemperaturen des Eutektikums Sn-37Pb (183,0°C) und Sn-36Pb-2Ag (178,8°C). Andere Legierungen innerhalb der oben angegebenen Zusammensetzungsbereiche sind nicht-eutektisch und daher durch unterschiedliche Solidus- und Liquidustemperaturen gekennzeichnet. Die nicht-eutektischen Legierungen haben eine Solidustemperatur nahe bei den Schmelztemperaturen der eutektischen Legierungen, jedoch haben sie Liquidustemperaturen weit oberhalb der Spitzen-Reflowtemperatur von 250°C, welche für viele Reflowverfahren erforderlich ist. Dennoch haben mit Ausnahme ihrer IMC's nicht-eutektische Legierungen dieser Erfindung, welche so viel wie 10 Gewichtsprozent Kupfer enthalten, gezeigt, dass sie innerhalb eines sehr schmalen Temperaturbereiches nahe bei ihren Solidustemperaturen schmelzen. Unter sehr sorgfältiger Prüfung von Differentialabtastkalorimetrie (DSC) – Werten für diese Legierungen wurden deren tatsächliche Liquidustemperaturen so identifiziert, dass sie bei Temperaturen von bis zu etwa 470°C auftreten, abhängig vom Kupfergehalt. Jedoch ermöglicht die Menge und die Verteilung der IMC's, dass die Legierungen dieser Erfindung innerhalb eines "effektiven" Schmelzbereiches dem Reflowverfahren unterzogen werden, welches die Verwendung von Spitzen-Reflowtemperaturen von so niedrig wie 205°C bis zu etwa 260°C, abhängig von Legierungszusammensetzung, erlaubt. Als solche können Legierungen dieser Erfindung bei Spitzentemperaturen dem Reflowverfahren unterworfen werden, welche für eine Vielzahl von Hybrid-Schaltungsanwendungen geeignet sind.
Für SnPb- und SnPbAg-Legierungen, welche Kupfer entsprechend dieser Erfindung enthalten, wurden zwei CuSn-IMPC's, Cu₆Sn₅ und Cu₃Sn, oberhalb der Solidustemperaturen der Legierungen identifiziert. Wegen der Zusammensetzungen und der sehr beschränkten Mengen dieser IMS's ist ihre Auflösung/ihr Schmelzen in den Legierungen nicht leicht offensichtlich, falls nicht das Schmelzverhalten der Legierungen sehr sorgfältig geprüft wird. In jedem Fall haben Untersuchungen, welche zu dieser Erfindung führten, gezeigt, dass SnPb- und SnPbAg-Legierungen, welche bis zu 10 Gewichtsprozent Kupfer enthalten, bei Temperaturen sehr viel niedriger als ihren tatsächlichen Liquidustemperaturen bis zu dem Ausmaß aufschmelzen, dass diese Zusammensetzungen als eutektische Zusammensetzungen mit sehr geringen Mengen von Cu₆Sn₅- oder Cu₃Sn-IMC-Teilchen, welche in dem flüssigen Lot während des Reflowvorganges suspendiert sind, behandelt werden können. Jedoch enthalten Legierungen dieser Erfindung ausreichende Mengen von Kupfer, so dass CuSn-IMC's ausscheiden unter Bildung der IMC-Schicht 26 an der Grenzfläche zwischen der Lötverbindung 22 und dem Leiter 18 (3), wie auch an der Lotkontaktfläche (Schicht 24) und innerhalb der Masse der Lötverbindung 22. Falls Nickel alleine oder in Kombination mit Kupfer in den Lötlegierungen dieser Erfindung vorhanden ist, enthalten in ähnlicher Weise IMC-Schichten 24 und 26 und die Masse der Lötverbindung 22 Nickel-IMC's-Ausscheidungen, wahrscheinlich Ni₃Sn₄ oder Ni₃Sn₂, abhängig von der Nickelkonzentration.
Bei einer ersten Untersuchung, welche zu dieser Erfindung führte, wurde ein Reflow-Auslaugversuch zur Bestimmung des Effektes der Zugabe von Kupfer zu den eutektischen Legierungen Sn-37Pb und Sn-36Pb-2Ag in Werten des Entnetzens und der Auslaugbeschädigung, welche von Silber enthaltenden Dickfilmleitern ausgehalten werden, durchgeführt. Die untersuchten Leitermaterialien waren kommerziell erhältliches 20Ag/1Pd/03,Pt und 3Ag/1Pd (angegeben in Gewichtsteilen), und sie hatten eine Dicke im gebrannten Zustand von etwa 12 Mikrometer. Die Lötlegierungen Sn-37Pb und Sn-36Pb-2Ag wurden als Grundmaterialien untersucht, während experimentelle Zusammensetzungen durch Modifizieren dieser Legierungen formuliert wurden, so dass sie Kupfer in Werten in Gewicht von etwa 0,35%, 0,7%, 1,0%, 1,25, 0,5%, 1,75%, 2,0%, 2,25, 2,5%, 2,75, 3,0%, 3,25% und 3,5% enthalten. Die Lötlegierungen wurden abgelagert und dann auf den Leitern bei Spitzentemperaturen von 235°C, 260°C oder 278°C dem Reflowverfahren unterworfen. 4 und 5 zeigen sichtbare Auslaugbeschädigung auf einem Leiter 20Ag/1Pd/0,3Pt, hervorgerufen durch Reflowbehandlung der Ausgangslötlegierungen Sn-37Pb und Sn-36Pb-2Ag bei 235°C Spitzen-Reflowvorgang. 6 zeigt, dass sichtbare Auslaugbeschädigung ebenfalls auftrat, wenn die experimentelle Legierung Sn-37Pb-0,35Cu auf einem Leiter 20Ag/1Pd/0,3Pt bei 235°C Spitzen-Reflowvorgang aufgeschmolzen wurde. Jedoch trat keine Auslaugbeschädigung auf, wenn experimentelle Reflow-Lötlegierungen, welche 0,7% oder mehr Kupfer enthielten, auf einem Leiter 20Ag/1Pd/0,3Pt bei 235°C Spitze aufgeschmolzen wurden, wie in 7 ersichtlich ist.
Ergebnisse der Tests auf Reflowauslaugen auf den Leitern 20Ag/1Pd/0,3Pt und 3Ag/1Pd sind unten in den Tabellen I bzw. II zusammengefaßt. 4, 5 und 6 sind repräsentativ für solche in den Tabellen I und II angegebenen Leiter, welche als auslaugbesehädigt ("Schädigung") angegeben sind, wobei in den schwersten Fällen das Lot vollständig von dem Leiter entnetzt war und eine Lotkugel bildete. Im Gegensatz dazu ist 7 repräsentativ für solche Leiter, welche in den Tabellen I und II als frei von Auslaugbeschädigung ("OK") angegeben sind, wovon jeder mit einer Kupfer enthaltenden SnPb-Lötlegierung dieser Erfindung erreicht wurde.
TABELLE I: Leiter 20Ag/1Pd/0,3Pt
TABELLE II: Leiter 3Ag/1Pd
Aus den obigen Werten ist ersichtlich, dass Leiter 20Ag/1Pd/0,3Pt gegenüber Auslaugschädigung empfänglicher waren als die kostspieligeren Leiter 3Ag/1Pd, und dass höhere Mengen von Kupfer erforderlich waren, um Auslaugschädigung in Leitern mit niedrigeren Palladiumgehalten und mit zunehmenden Reflowtemperaturen zu verhindern. Insbesondere traten Auslaugschäden auf, wenn der Reflowvorgang an Leitern 20Ag/1Pd/0,3Pt bei 235°C durchgeführt wurde, falls nicht mehr als 0,35 Kupfer in der Lötlegierung vorhanden war. Wenn der Reflowvorgang bei einer Spitzentemperatur von 260°C durchgeführt wurde, waren mehr als 0,7% Kupfer erforderlich, um Auslaugschädigung zu vermeiden, während mehr als 1% Kupfer erforderlich waren, um Auslaugschädigung zu vermeiden, wenn der Reflowvorgang bei 278°C durchgeführt wurde. Obwohl die Leiter 3Ag/1Pd gegenüber Auslaugschäden signifikant weniger empfänglich waren, trat dennoch Schädigung auf, wenn Reflowtemperaturen oberhalb 235°C angewandt wurden. Mit einer Reflowtempe ratur von 260°C war mehr als 0,35% Kupfer erforderlich, um Auslaugschäden zu vermeiden, während mehr als 1,75% Kupfer erforderlich waren, um Schäden bei den Spitzen-Reflowtemperaturen von 278°C zu vermeiden. Bemerkenswerterweise trat Auslaugschädigung nicht auf, um signifikant durch 2% Silbergehalt des Lotes Sn-36Pb-2Ag beeinflußt zu werden, so dass geschlossen wurde, dass Silber ein wahlweiser Bestandteil der Kupfer enthaltenden Lötlegierungen dieser Erfindung ist.
Ein Reflowversuch und DSC-Analyse wurden angewandt, um den maximalen zulässigen Kupfergehalt, der in die eutektischen SnPb- und eutektischen SnPbAg-Legierungen ohne negative Beeinträchtigung der Spitzen-Reflowtemperaturen eingebaut werden kann, zu bestimmen. Der Reflowversuch wurde mit Barren von SnPbCu- und SnPbAgCu-Legierungen durchgeführt, hergestellt durch Zugabe von Kupfer zu der geschmolzenen eutektischen Legierung Sn-37Pb und der geschmolzenen eutektischen Legierung Sn-36Pb-2Ag, um Kupfergehalte bis zu etwa 20 Gewichtsprozent zu erreichen. Die geschmolzenen Legierungen wurden auf über etwa 500°C für etwa 30 Minuten erhitzt, um vollständige Legierungsbildung aller Elemente sicherzustellen. Kleine Stücke wurden dann von den erhaltenen Barren abgeschnitten, auf Keramiksubstraten angeordnet, mit einem Flußmittel vom Typ RMA-Flußmittel versehen und dann durch einen Reflowofen mit einer Spitzen-Reflowtemperatur von entweder etwa 215°C oder etwa 250°C durchgeschickt. Das verwendete Profil des Reflowvorganges war typisch für Schaltungszusammenbauprozesse unter Verwendung der eutektischen Lötlegierungen Sn-37Pb und Sn-36Pb-2Ag.
Bei Reflowtemperaturen von etwa 215°C wurde gefunden, dass die eutektischen Grundlegierungen und solche Legierungen, welche bis zu einem Gehalt von etwa 4 Gew.-% Kupfer modifiziert worden waren, vollständig aufschmolzen, wobei cha rakteristische kugelförmige Lotkugeln gebildet wurden, während Legierungen, welche 6 Gew.-% Kupfer oder mehr enthielten, nicht vollständig aufschmolzen. Bei Reflowtemperaturen von etwa 250°C wurde gefunden, dass die eutektische Grundlegierungen und solche Legierungen, welche bis zu einem Gehalt von bis zu 10 Gew.-% Kupfer modifiziert waren, vollständig aufschmolzen, wobei wiederum charakteristische kugelförmige Lotkugeln gebildet wurden, während Legierungen, welche 12 Gew.-% Kupfer oder mehr enthielten, nicht vollständig aufschmolzen. Die Solidus- und Liquidustempaturen von Barren, welche bis zu etwa 10 Gew.-% Kupfer enthielten, wurden mittels DSC-Analyse, durchgeführt bis etwa 500°C, bestimmt, die Ergebnisse hiervon sind in der Tabelle III unten zusammengefaßt. TABELLE III

* Die Liquidustemperaturen dieser Legierungen können oberhalb 500°C liegen, wobei dies der obere Grenzwert des Bereiches der DSC-Analyse war.

Alle Kupfer enthaltenden Legierungen zeigten einen sehr schmalen Schmelzbereich, um entweder 183°C oder 179°C, wobei dies die Schmelztemperaturen für die eutektischen Legierungen SnPb bzw. SnPbAg sind. Bei der Zugabe von etwa 4 Gew.-% Kupfer erschien ein schmaler Peak in den DSC-Kurven bei ungefähr 330°C bis 340°C. Fortschreitend größere Peaks wurden mit Legierungen beobachtet, welche zunehmend höhere Kupfergehalte enthielten. Es wurde geschlossen, dass diese Peaks von dem Schmelzen der CuSn-IMC's in der Masse der Lötlegierungen auftraten. Für Kupferzugaben von etwa 2 bis 6 Gew.-% war die vorwiegende IMC in der pro-eutektischen Phase Cu₆Sn₅, während Cu₃Sn bei Kupferzugaben oberhalb 6 Gew.-% zu erscheinen begann, was eine Mischung von Cu₆Sn₅ und Cu₃Sn in der proeutektischen Phase ergibt.
Die obigen Ergebnisse stehen im Gegensatz zu dem konventionellen Wissen, dass Spitzen-Reflowtemperaturen 20°C bis 50°C über der Liquidustemperatur der Lötlegierung sein muß. Beispielsweise wurde durch DSC-Analyse bestimmt, dass die Legierung 61Sn-35Pb-4Cu eine Liquidustemperatur von 337,1°C hat, jedoch wurde gefunden, dass eine Probe dieser Legierung vollständig bei 215°C aufschmolz. In gleicher Weise wurde bestimmt, dass die Legierung 56Sn-32Pb-2Ag-10Cu eine Liquidustemperatur von 324,8°C hat, dennoch wurde gefunden, dass sie bei 250°C vollständig aufschmolz. Wie sich aus den DSC-Diagrammen ergibt, existierte nur eine Spurenmenge von CuSn-IMC's oberhalb der Schmelztemperaturen der eutektischen Zusammensetzungen SnPb und SnPbAg. Die Mengen der CuSn-IMC's waren beschränkt und quantitative Analyse konnte nicht genau durchgeführt werden. Es wurde geschlossen, dass die kleinen Mengen von CuSn-IMC's erklären könnten, warum Legierungen, die bis zu 10 Gewichtsprozent Kupfer enthielten, bei Temperaturen weit unterhalb ihrer Liquidustemperaturen aufgeschmolzen werden konnten. Für praktische Zwecke können alle der ge testeten Kupfer enthaltenden Zusammensetzungen als eutektische Zusammensetzungen mit sehr geringen Mengen von Cu₆Sn₅- oder Cu₃Sn-IMC-Teilchen, die in dem flüssigen Lot während des Aufschmelzens bei einer Spitzentemperatur zwischen 205°C und 250°C suspendiert sind, behandelt werden. Anders ausgedrückt, es wird angenommen, dass Merkmale des geschmolzenen Lotes wie Benetzen, Oberflächenspannung, etc. im Wesentlichen unter Bedingungen des Reflowverfahrens im Industriestandard unverändert bleiben.
Basierend auf den oben gemachten Ausführungen wurde gezeigt, dass die Löslichkeit von Silber als Hauptkomponente von Dickfilmleitern in flüssigen Loten auf Basis SnPb eine Funktion von Temperatur und Kupferkonzentration sind, wobei die Löslichkeit durch Erhöhung der Kupferkonzentrationen stark reduziert wird, so dass Silberauslaugen aus einem Silber enthaltenden Leiter während des Reflowvorganges signifikant gehemmt wird. Basierend auf metallurgischen Untersuchungen der aus Kupfer enthaltenden Lötlegierungen SnPb und SnPbAg gebildeten Lötverbindungen, wurde festgestellt, dass Kupfer intermetallische CuSn-Verbindungen längs der Grenzfläche zwischen der Lötverbindung und dem Leiter sich ausscheidet. Es wurde geschlossen, dass intermetallische CuSn-Schicht als eine Diffusionssperre wirkt, welche die Interdiffusion im Festkörperzustand während Expositionen gegenüber hohen Temperaturen, wie sie im Gebrauch wie auch beim beschleunigten Test auf Zuverlässigkeit auftreten würden, verlangsamt. Durch Hemmen der Interdiffusion im Festkörperzustand wird Entlaminierung eines Silber enthaltenden Leiters verhindert, wodurch die Zuverlässigkeit der Lötverbindung erhöht wird.
Basierend auf solchen untersuchten Legierungen wurde geschlossen, dass Kupfergehalte von so niedrig wie etwa 0,5 Gewichtsprozent in der Lage sein sollten, das Auslaugen von Silber aus Leitern auf Basis AgPd, welche weniger als 25 Ge wichtsprozent Palladium enthalten (z.B. 20Ag/1Pd/0,3Pt) zu verhüten, falls Spitzen-Reflowtemperaturen unterhalb 260°C angewandt werden. Erhöhen der Reflowtemperaturen erfordert höhere Kupfergehalte, obwohl die erforderliche Zunahme des Kupfers teilweise weggelassen werden kann, falls ein Leiter auf Basis AgPd, der wenigstens etwa 25 Gew.-% Palladium enthält (z.B. 3Ag/1Pd), verwendet wird. Darüber hinaus wird angenommen, dass so hohe Kupfergehalte wie etwa 10 Gewichtsprozent geeignete Reflowcharakteristika bei Spitzentemperaturen von so hoch wie 278°C zeigen. Da nicht offensichtlich wurde, dass Auslaugschäden signifikant durch den Silbergehalt beeinflußt werden, wurde angenommen, dass Silber in Mengen bis zu 4 Gewichtsprozent ein wahlweiser Bestandteil der Kupfer enthaltenden Lötlegierungen dieser Erfindung sind. Im Folgenden werden Beispiele von Lötlegierungen gegeben, welche als besonders geeignet aufgrund der oben angeführten Untersuchungen angesehen werden.

Legierung Reflowbereich

62Sn-37Pb-1Cu 210–235°C

62Sn-36Pb-2Cu 210–235°C

25Sn-73Pb-2Cu 290–310°C

10Sn-88Pb-2Cu 330–350°C

5Sn-93Pb-2Cu 330–350°C
Obwohl die Erfindung anhand von bevorzugter Ausführungsform beschrieben wurde, ist es offensichtlich, dass andere Formen vom Fachmann auf dem Gebiet angewandt werden können.
Obwohl die Untersuchung sich auf Zugaben von Kupfer konzentrierte, wird beispielsweise angenommen, dass Nickel ein geeigneter Ersatzstoff für eine gewisse Menge oder die Gesamtmenge des Kupfergehaltes in der Legierung wegen der vergleichbaren physikalischen und chemischen Eigenschaften, die Nickel bei Lötanwendungen zeigt, ist. Zusätzlich gilt, dass, obwohl Legierungen mit einem Gehalt an Silber untersucht wur den, angenommen wird, dass Palladium, Platin und/oder Gold als Ersatzstoff/stoffe für einen beliebigen Silbergehalt in der Legierung geeignet sind.
Darüber hinaus gilt, dass, falls die Legierung Kupfer für Zwecke der Hemmung der Silberauflösung und Interdiffusion im Festkörperzustand enthält, Nickel dennoch als Ersatzstoff für Silber, Palladium, Platin und/oder Gold in der Lötlegierung vorhanden sein kann. Daher ist der Umfang der Erfindung nur durch die folgenden Ansprüche beschränkt.

Claims

Elektronischer Zussammenbau, umfassend eine Lötverbindung (22), die mit einem silberhaltigen Dickfilm (16, 18) verbunden ist, wobei die Lötverbindung (22) aus einer Lötlegierung gebildet ist, die in Gewicht besteht aus: 5 % bis 70 % Zinn, bis zu 4 % Silber, Palladium, Platin und/oder Gold, Kupfer und/oder Nickel in einer Gesamtmenge von größer als 1 % bis 10 %, der Rest Blei und zufällige Verunreinigungen, wobei die Menge von Kupfer und/oder Nickel in der Lötlegierung das Auslaugen von Silber aus dem Dickfilm (16, 18) während der Bildung der Lötverbindung (22) durch Reflow-Löten hemmt, die Lötverbindung (22) eine Diffusionssperrschicht (24, 26) von CuSn- und/oder NiSn-intermetallischen Verbindungen an einer Grenzfläche zwischen der Lötverbindung (22) und dem Dickfilm (16, 18) umfaßt, wobei die Diffusionssperrschicht (24, 26) Interdiffusion im Festkörperzustand zwischen Silber aus dem Dickfilm (16, 18) und Zinn aus der Lötverbindung (22) hemmt.
Elektronischer Zusammenbau entsprechend Anspruch 1, bei welchem der Kupfergehalt wenigstens 1,25 Gew.-% der Lötlegierung beträgt.
Elektronischer Zusammenbau entsprechend Anspruch 1, bei welchem der Kupfergehalt 2 Gew.-% der Lötlegierung beträgt.
Elektronischer Zusammenbau entsprechend Anspruch 1, bei welchem die Lötlegierung frei von Silber ist.
Elektronischer Zusammenbau entsprechend Anspruch 1, bei welchem die Lötlegierung in Gewicht besteht aus 62 Zinn, 2 % Kupfer, der Rest aus Blei und zufälligen Verunreinigungen.
Elektronischer Zusammenbau entsprechend Anspruch 1, bei welchem die Lötlegierung in Gewicht besteht aus 25 Zinn, 2 % Kupfer, der Rest aus Blei und zufälligen Verunreinigungen
Elektronischer Zusammenbau entsprechend Anspruch 1, bei welchem die Lötlegierung in Gewicht besteht aus 10 Zinn, 2 % Kupfer, der Rest aus Blei und zufälligen Verunreinigungen.
Elektronischer Zusammenbau entsprechend Anspruch 1, bei welchem die Lötlegierung in Gewicht besteht aus 5 % Zinn, 2 % Kupfer, der Rest aus Blei und zufälligen Verunreinigungen.
Elektronischer Zusammenbau entsprechend Anspruch 1, bei welchem der Dickfilm (16, 18) weniger als 25 Gew.-% Palladium enthält.
Elektronischer Zusammenbau entsprechend Anspruch 1, bei welchem der Dickfilm (16, 18) wenigstens 25 Gew.-% Palladium enthält.
Elektronischer Zusammenbau entsprechend Anspruch 1, bei welchem die Lötverbindung (22) auch an ein Zwischenverbinbindungslötauge (16) einer oberflächenmontierten Einrichtung (10) gebunden ist, wobei die Lötverbindung (22) eine zweite Diffusionssperrschicht (24) von intermetallischer Verbindung an der Grenzfläche zwischen Lötverbindung (22) und dem Zwischenverbindungslötauge (16) aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Zusammenbaus, umfassend eine Lötverbindung (22), die an einen silberhaltigen Dickfilm (16, 18) gebunden ist, wobei das Verfahren die Stufen umfaßt: Reflow-Löten der Lötlegierung von Anspruch 1 auf den Dickfilm (16, 18) zur Bildung der Lötverbindung (22), wobei der Kupfer- und/oder Nickelgehalt der Lötlegierung das Auslaugen von Silber aus dem Dickfilm (16, 18) in die Lötverbindung (22) hemmt; und Kühlen der Lötlegierung zur Bildung der Lötverbindung (22), wobei die Lötverbindung (22) eine Diffusionssperrschicht (24, 26) von CuSn- und/oder NiSn-intermetallischen Verbindungen an einer Grenzfläche zwischen Lötverbindung (22) und dem Dickfilm (16, 18) umfaßt, wobei die Diffusionssperrschicht (24, 26) Interdiffusion im Festkörperzustand zwischen Silber aus dem Dickfilm (16, 18) und Zinn aus der Lötverbindung hemmt.
Verfahren entsprechend Anspruch 12, bei welchem der Dickfilm (16, 18) weniger als 25 Gew.-% Palladium enthält.
Verfahren entsprechend Anspruch 13, bei welchem die Lötlegierung bei einer Temperatur von wenigstens 235°C dem Reflow-Löten unterzogen wird und der Kupfergehalt der Lötlegierung wenigstens 0,7 Gew.-% beträgt.
Verfahren entsprechend Anspruch 13, bei welchem die Lötlegierung bei einer Temperatur von wenigstens 260°C dem Reflow-Löten unterzogen wird und der Kupfergehalt der Lötlegierung wenigstens 1,0 Gew.-% beträgt.
Verfahren entsprechend Anspruch 13, bei welchem die Lötlegierung bei einer Temperatur von wenigstens 278°C dem Reflow-Löten unterzogen wird und der Kupfergehalt der Lötlegierung wenigstens 1,25 Gew.-% beträgt.
Verfahren entsprechend Anspruch 12, bei welchem der Dickfilm (16, 18) wenigstens 25 Gew.-% Palladium enthält.
Verfahren entsprechend Anspruch 17, bei welchem die Lötlegierung bei einer Temperatur von wenigstens 260°C dem Reflow-Löten unterzogen wird und der Kupfergehalt der Lötlegierung wenigstens 0,7 Gew.-% beträgt.
Verfahren entsprechend Anspruch 17, bei welchem die Lötlegierung bei einer Temperatur von wenigstens 278°C dem Reflow-Löten unterzogen wird und der Kupfergehalt der Lötlegierung wenigstens 2 Gew.-% beträgt.
Verfahren entsprechend Anspruch 12, bei welchem die Lötlegierung frei von Silber ist.
Verfahren entsprechend Anspruch 12, bei welchem die Lötverbindung (22) auch an ein Zwischenverbindungslötauge (16) einer oberflächenmontierten Einrichtung (10) gebunden ist, wobei die Lötverbindung (22) wenigstens eine zweite Diffusionssperrschicht (24) von intermetallischer Verbindung an der Grenzfläche zwischen der Lötverbindung (22) und dem Zwischenverbindungslötauge (16) aufweist.