DE19930190C2 - Lötmittel zur Verwendung bei Diffusionslötprozessen - Google Patents
Lötmittel zur Verwendung bei DiffusionslötprozessenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lötmittel zur Verwen
dung bei Diffusionslötprozessen nach dem Oberbegriff des Pa
tentanspruchs 1.
Diffusionslötprozesse sind allgemein zur Herstellung von Löt
verbindungen zwischen Metallteilen, insbesondere auch zur Her
stellung von Lötverbindungen zwischen elektronischen Schal
tungssystemen und Substraten, anwendbar.
Unter elektronischen Schaltungssystemen werden im Rahmen vor
liegender Erfindung Festkörperschaltungssysteme, insbesondere
integrierte Halbleiterschaltkreise, verstanden. Speziell be
zeichnet der Begriff System etwa bei einem integrierten Halb
leiterschaltkreis den die elektronischen Schaltungsfunktion
selemente, wie Transistoren, Dioden, Kapazitäten usw. enthal
tenden Halbleitermaterialkörper sowie die darauf befindli
chen, die Schaltungfunktionselemente verbindenden metalli
schen Leiterbahnen und Anschlußelemente. Die Anschlußelemente
können u. a. flächige Metallbelegungen, sog. Pads sein.
Unter Substraten werden im Rahmen vorliegender Erfindung
Schaltungsplatten wie gedruckte Schaltungen oder Schaltungs
platinen verstanden. Auch derartige Substrate besitzen An
schlußelemente der vorgenannten Art, ebenfalls in Form von
Pads.
Lötmittel für Diffusionslötprozesse sind beispielsweise aus
der US-PS 5 053 195 bekannt. Dabei handelt es sich um Amalga
me aus einem flüssigen Metall bzw. einer flüssigen Metalle
gierung und eines Metallpulvers, ggf. mit festen oder flüchtigen
Zusätzen. Der genannten US-PS ist auch entnehmbar, daß
sich solche Amalgame in vorteilhafter Weise zur festen Ver
bindung von elektronischen und mikroelektronischen Systemen
eignen. Als flüssige Metalle bzw. Metallegierungen, bei denen
es sich um Lote handelt, sind Gallium, Indium, Gallium/Zinn,
Gallium/Indium und Gallium/Indium//Zinn angegeben, während als
Metallpulver Antimon, Kobalt, Kupfer, Chrom, Germanium, Gold,
Eisen, Nickel, Magnesium, Mangan, Platin, Silber und Vanadium
angegeben sind.
Charakteristisch für einen Diffusionslötprozeß ist es, daß
mit einem niedrigschmelzenden Lot eine hochtemperaturfeste
metallische Verbindung dadurch hergestellt wird, dass das Lot
metall mit zu verbindenden hochschmelzenden Metallen eine
temperaturfeste und mechanisch sehr stabile intermetallische
Phase bildet. Dabei wird das niedrigschmelzende Lot vollstän
dig umgewandelt, d. h., es geht vollständig in der metalli
schen Phase auf. Dieser Prozeß ist diffusionsgesteuert und
dauert um so länger, je dicker die Lotmetallschicht ist. Bei
einer typischen Dicke der Lotmetallschicht von 2 µm dauert
der Umwandlungsprozeß wenige Minuten.
Da die große mechanische Stabilität von intermetallischen
Phasen der vorgenannten Art auf ihrer geringen elastischen
Verformbarkeit beruht, wird die Lotnaht bei zunehmender Dicke
schnell brüchig. Daher muss die Breite der Lotnaht bei Diffu
sionsprozessen sehr klein, typischerweise kleiner als 10 µm,
sein.
Um die Voraussetzung von Lotnähten kleiner Breite zu gewähr
leisten, ist eine Voraussetzung, dass die zu verbindenden Tei
le sehr plane und glatte Oberflächen besitzen. Dies ist zwar
in der Mikroelektronik oft gegeben. Bei anderen Anwendungen,
so z. B. auch schon in der Leistungselektronik, sind aber die
Oberflächen entweder nicht ausreichend formschlüssig oder we
sentlich rauher, so daß sich die geringen Lotnahtbreiten
nicht realisieren lassen.
Diffusionslötprozesse sind daher trotz ihrer mechanischen Vor
teile bei größeren Lotnahtbreiten nicht mehr praktikabel.
Aus 1996 "Electronic Components and Technology Conference",
Seiten 565-570 ist es bekannt, zur Verbindung von Objekten,
wie Halbleiterschaltkreisen und gedruckten Schaltungen ein
elektrisch leitendes Klebermaterial zu verwenden, das aus
einem mit einem Metall niedrigen Schmelzpunktes (Lotmetall)
überzogenen Füllerpulver, eine thermoplastischen Polymer-
Kunststoff und weiteren geringfügigen organischen Zusätzen
besteht. Dabei ist das Füllerpulver in Form von Körnern mit
Lotmetall beschichtet, das bei einem Lötprozeß zur Herstel
lung einer Verbindung zwischen den Objekten zwecks Realisie
rung einer metallurgischen Verbindung zwischen benachbarten
Füllerkörnern sowie zwischen Füllerkörnern und Anschlußele
menten auf den zu verwendenden Objekten geschmolzen wird. Zur
Herstellung einer mechanischen Verbindung zwischen den Objek
ten dient dabei der Kleber in Form des thermoplastischen Po
lymer-Kunststoffs. Solche Kleber sind jedoch nicht ausrei
chend temperaturfest, mechanisch nur gering belastbar, feuch
teempfindlich, schlecht wärmeleitend und elektrisch nicht op
timal. Darüber hinaus kann es bei Verbindungsnähten großer
Dicke zwischen miteinander zu verbindenden Objekten, etwa we
gen nicht planarer Oberflächen zu einer Entmischung der Kom
ponenten des elektrisch leitenden Klebermaterials kommen, was
die elektrische Leitfähigkeit weiter beeinträchtigt. Auch das
bereits genannte Problem der Brüchigkeit von intermetalli
schen Phasen großer Dicke besteht weiter.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Lötmittel für Diffusionslötprozesse
anzugeben, die auch für große Lotnahtarbeiten, insbe
sondere von mehr als 10 µm bis hin zu mehreren 100 µm, geeig
net sind, und einfache mechanisch stabile, gegen äußere
Reagenzien resistente und thermisch sowie elektrisch gut lei
tende Lötverbindungen gewährleisten.
Diese Aufgabe wird bei einem Lötmittel der gattungsgemäßen
Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden
Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.
Ausgestaltungen und Verwendung des erfindungsgemäßen Lötmit
tels sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Der Kern der Erfindung ist darin zu sehen, dass mit einem aus
schließlich ein Lotmetall bzw. eine Lotmetallegierung und ein
Metall mit gegenüber denjenigen des Lotmetalls bzw. der Lot
metallegierung großen Schmelztemperatur allein durch deren
Mengenverhältnis bei einem Diffusionslötprozeß die Dicke von
dabei entstehenden intermetallischen Phasen so gering bleibt,
dass deren elastische Verformbarkeit noch gewährleistet bleibt
und gleichzeitig eine vollständig metallgefüllte Lotnaht ent
steht. Unter "Dicke der intermetallischen Phase" ist dabei zu
verstehen, dass die maximale Wandstärke einer durch sie gebil
deten Schaumstruktur so beschaffen ist, daß deren Hohlräume
mit Metall großer Schmelztemperatur gefüllt sind, diese Dicke
also durch das Metall großer Schmelztemperatur festgelegt
ist. Der Begriff "ausschließlich" bedeutet hier, daß in der
fertigen Lotnaht keine Komponenten mehr enthalten sind, wel
che die elektrischen, mechanischen und/oder thermischen Ei
genschaften des Systems Metall/intermetallische Phase nach
teilig beeinflussen. Solche Komponenten können beispielsweise
Lötpasten oder Flußmittel sein, die während des Lötprozesses
entweichen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der einzigen Figur der
Zeichnung, welche eine schematische Darstellung einer mittels
des erfindungsgemäßen Lötmittels hergestellten Lotnaht zwi
schen zwei zu verbindenden Teilen zeigt, näher erläutert.
In der einzigen Figur der Zeichnung sind mit 10 und 11 zwei
weggebrochen dargestellte Teile bezeichnet, welche durch eine
aus einem erfindungsgemäßen Lötmittel durch einen Diffusions
lötprozeß hergestellten Lotnaht 12 miteinander verbunden
sind. Dass es sich hier um die Verbindung von zwei metalli
schen Teilen über eine vergleichsweise große Lotnaht handeln
soll, sind Unebenheiten einander gegenüberstehender Oberflä
chen dieser Teile 10 und 11 schematisch gekrümmt dargestellt.
Das erfindungsgemäße Lötmittel enthält in einer nicht eigens
dargestellten Lötpaste eine Lotmetall bzw. eine Lotmetallegie
rung - ebenfalls nicht eigens dargestellt - sowie Körner 13,
die teilweise aus einem Metall mit einer gegenüber
der Schmelztemperatur des Lotmetalls bzw. der Lotmetallegie
rung großer Schmelztemperatur bestehen.
Diese Körner 13 sind mit einem Metall überzogene isolierende
Kerne aus nicht metallischem Material. Als Material für die
isolierenden Kerne kann ein Stoff aus der Gruppe Silizium, Ke
ramik, Glas, Polymere Verwendung finden.
Die Herstellung der Körner kann beispielsweise so erfolgen,
wie dies in "JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE" 28 (1993), S. 5207-
5210 für eine stromlose Abscheidung von Silber auf Oxidkernen
beschrieben ist.
In besonderer Ausgestaltung der Erfindung können die
teilweise metallischen Körner 13 einen Durchmesser in
der Größenordnung von mindestens 50 bis 100 µm und speziell
in der Größenordnung von 5 bis 100 µm besitzen.
Das - nicht eigens dargestellte - Lotmetall bzw. die Lotme
tallegierung kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung
als Überzug auf den teilweise metallischen Körnern
13 vorgesehen oder gemäß einer weiteren Ausführungsform in
Form von Körnern zusammen mit den Körnern 13 in der Lötpaste
enthalten sein. Im letzteren Fall haben die Körner aus Lotme
tall bzw. einer Lotmetallegierung einen kleineren Durchmesser
als die teilweise metallischen Körner 13.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kommen
als Lotmetall bzw. Lotmetallegierung ein Metall aus der Grup
pe Quecksilber, Gallium, Indium, Zinn, Blei, Wismut bzw. Le
gierungen daraus und als Metall mit gegenüber der des Lotme
talls bzw. der Lotmetallegierung großer Schmelztemperatur der
Körner 13 - wie übrigens auch dasjenige der zu verbindenden
Teile 10 und 11 - ein Metall aus der Gruppe Gold, Silber,
Kupfer, Nickel in Betracht.
Die teilweise metallischen Körner 13 können gemäß
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung unterschied
liche Durchmesser besitzen, wie dies in der Figur der Zeich
nung dargestellt ist. Damit läßt sich eine maximal dichte
Füllung der Lotnaht 12 erreichen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann auch
eine Kombination aus mit Lotmetall bzw. einer Lotmetallegie
rung überzogenen Kernen 13 und Kernen 13 ohne Überzug, also
Kerne, die mindestens teilweise nur aus einem Metall mit gro
ßer Schmelztemperatur bestehen, vorgesehen werden.
Die Lötpaste kann neben dem Lotmetall bzw. der Lotmetallegie
rung und den teilweise metallischen Körnern 13 zu
sätzlich eine benetzende, beim Lötprozeß aus der Lotnaht 12
entweichende Flüssigkeit, ein die Oxidation von Metallober
flächen verhinderndes Flußmittel oder ein Hohlräume zwischen
den Körnern 13 ausfüllender Füllstoff sein. Damit lassen sich
in der Lotnaht 12 auch von den mechanischen und elektrischen
Eigenschaften einer intermetallischen Phase abweichende Eigen
schaften, beispielsweise ein bestimmter Wert der thermischen
Ausdehnung, ein niedriger Wert der thermischen Leitfähigkeit
oder eine hohe akustische Dämpfung realisieren. Derartige Zu
satzkomponenten können ohne weiteres in der Form vorgesehen
werden, dass sie die gewünschten Eigenschaften des Systems Me
tall/intermetallischen Phase nicht beeinflussen.
Gemäß der erfindungsgemäßen Verwendung von Lötmitteln der vor
stehend beschriebenen Ausführungsformen wird die Lötpaste auf
die zu verbindenden Teile 10 und 11 aufgebracht, wonach diese
zusammengesetzt werden und das Lötmittel über die Schmelztem
peratur des Lotmetalls bzw. der Lotmetallegierung nicht aber
über die Schmelztemperatur des Metalls der zu verbindenden
Teile 10 und 11 und der Körner 13 erhitzt wird. Dabei
reagiert das flüssige Lotmetall bzw. die flüssige Lotmetalle
gierung mit dem Metall der Körner 13 und der zu verbindenden
Teile unter Bildung einer in der Figur der Zeichnung gestri
chelt angedeuteten intermetallischen Phase 14 und gleichzei
tiger Verfestigung, wobei die Lotmaterialmenge vollständig
aufgebraucht wird.
Erfindungsgemäß ist gewährleistet, dass die Dicke der eine
Schaumstruktur bildenden intermetallischen Phase 14 so be
schaffen ist, dass deren Wandstärke zwischen den Körnern 13 so
klein bleibt, das sich, wie oben erläutert, die elastische
Verformbarkeit ergibt. Die Hohlräume in der Schaumstruktur
werden durch das Metall mit großer Schmelztemperatur ausgefüllt,
d. h., die Dicke bzw. Wandstärke wird durch dieses Me
tall festgelegt. Es sei erwähnt, daß die Packungsdichte der
Körner 13 in der Figur aus Übersichtlichkeitsgründen geringer
dargestellt ist, als dies bei einer erfindungsgemäß herge
stellten Lotnaht 12 in der Realität der Fall ist. Es sei
ebenfalls darauf hingewiesen, dass "Dicke bzw. Wandstärke"
nicht die Gesamtdicke der Lotnaht 12 bedeutet.
Das erfindungsgemäße Lötmittel bietet den Vorteil, daß die
gesamte Lotnaht auch großer Breite durch das System Me
tall/intermetallische Phase vollständig ausgefüllt wird, ohne
daß die intermetallische Phase 14 selbst irgendwo mehr als we
nige µm dick wird. Die Hohlräume dieses Gebildes werden durch
die teilweise metallischen Körner 13 und ggf. auch durch zu
sätzliche Füllstoffe ausgefüllt.
Über die teilweise metallischen Kerne 13 und die
intermetallische Phase 14 kann neben der mechanisch stabilen,
gegen äußere Reagenzien resistenten Verbindung zwischen Teil
en 10 und 11 eine elektrisch und thermisch gut leitende Ver
bindung zwischen diesen hergestellt werden.
Claims (17)
1. Lötmittel zur Verwendung bei einem Diffusionslötprozeß zur
Herstellung von Lötverbindungen zwischen Metallteilen (10,
11),
das ein Lötmetall oder eine Lötmetallegierung und ein hoch
schmelzendes Material enthält, wobei das Lötmetall oder die
Lötmetallegierung, das Material der miteinander zu verbinden
den Teile (10, 11) und das hochschmelzende Material beim Löt
prozeß eine intermetallische Phase (14) bilden, dadurch
gekennzeichnet, daß das Lötmittel in einer Lötpaste
neben dem Lötmetall oder der Lötmetallegierung zusätzlich
teilweise metallische Körner aus hochschmelzendem Material mit
isolierenden Kernen aus nicht metallischem Material aufweist.
2. Lötmittel nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Material für die isolierenden Kerne
einen Stoff aus der Gruppe Silizium, Keramik, Glas, Polymere
aufweist.
3. Lötmittel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die teilweise me
tallischen Körner (13) unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
4. Lötmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das Lötmetall bzw. die Löt
metallegierung als Überzug auf den teilweise metallischen
Körnern vorgesehen ist.
5. Lötmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß das Lötmetall bzw. die Löt
metallegierung in Form von Körnern in der Lötpaste vorgesehen
ist.
6. Lötmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß mit Lötmetall bzw. einer
Lötmetallegierung überzogene teilweise metallische
Körner (13) und überzugsfreie Körner (13) vorgesehen sind.
7. Lötmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß das hochschmelzende Material
ein Metall aus der Gruppe, Gold, Silber, Kupfer, Nickel auf
weist.
8. Lötmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß das Lötmetall oder
die Lötmetallegierung ein Metall aus der Gruppe Quecksil
ber, Gallium, Indium, Zinn, Blei, Wismut oder Legierungen
daraus aufweist.
9. Lötmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da
durch gekennzeichnet, daß das hochschmelzende
Material Kupfer und das Lötmetall Zinn ist.
10. Lötmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da
durch gekennzeichnet, daß das hochschmelzende
Material Silber und das Lötmetall Zinn ist.
11. Lötmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da
durch gekennzeichnet, daß die teilweise metalli
schen Körner (13) einen Durchmesser in der Größenordnung von
mindestens 50 bis 100 µm aufweisen.
12. Lötmittel nach Anspruch 11, dadurch gekenn
zeichnet, daß die teilweise metallischen Körner (13) ei
nen Durchmesser in der Größenordnung von 5 bis 100 µm aufwei
sen.
13. Lötmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da
durch gekennzeichnet, daß das Lötmetall
oder die Lötmetallegierung als Überzug auf teilweise metalli
schen Körnern (13) eine Schichtdicke in der Größenordnung von
200 µm aufweisen.
14. Lötmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da
durch gekennzeichnet, daß die das Lötmetall
oder die Lötmetallegierung und die teilweise metallischen
Körner (13) enthaltende Lötpaste ein flüssiges Lösungsmittel,
enthält, das bei Erwärmung während des Lötprozesses aus einer
Lötnaht (12) flüchtig ist.
15. Lötmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da
durch gekennzeichnet, daß die das Lötmetall
oder die Lötmetallegierung und die teilweise metallischen
Körner (13) enthaltende Lötpaste ein Flußmittel aufweist.
16. Lötmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da
durch gekennzeichnet, daß die das Lötmetall
oder die Lötmetallegierung und die teilweise metallischen
Körner (13) enthaltende Lötpaste einen Füllstoff enthält.
17. Verwendung des Lötmittels nach einem der vorhergehenden
Ansprüche zur Herstellung von Lötverbindungen,
dadurch gekennzeichnet, daß eine mindestens
das Lötmetall oder die Lötmetallegierung und die teilweise me
tallischen Körner (13) enthaltende Lötpaste auf miteinander zu
verbindende Metallteile (10, 11) aufgebracht wird, die Me
tallteile (10, 11) zusammengesetzt und auf eine unterhalb
der Schmelztemperatur von deren Metall sowie der teilwei
se metallischen Körner (13) liegende Schmelztemperatur
solange erhitzt werden, bis das Lötmetall oder die Lötme
tallegierung unter Bildung einer intermetallischen Phase
(14) vollständig mit dem hochschmelzenden Metall reagiert
hat.
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1999
- 1999-06-30 DE DE19930190A patent/DE19930190C2/de not_active Expired - Fee Related
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Also Published As
Publication number | Publication date |
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DE19930190A1 (de) | 2001-03-15 |
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