DE69900894T2

DE69900894T2 - Gegen Ermüdung widerstandsfähige, bleifreie Legierung

Info

Publication number: DE69900894T2
Application number: DE69900894T
Authority: DE
Inventors: Bradley Howard Carter; Curtis Wayne Melcher; Shing Yeh
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 1998-04-03
Filing date: 1999-03-23
Publication date: 2002-06-27
Anticipated expiration: 2019-03-24
Also published as: DE69900894D1; EP0953400A1; US5938862A; EP0953400B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine bleifreie Lotzusammensetzung des Typs, der bei einer Elektronikverkapselung, wie beispielsweise einer Flip-Chip-Verkapselung benutzt wird. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf eine Lotlegierung mit einer Aufschmelztemperatur-Kenngröße, die mit typischen Oberflächenmontage-Prozessen, bei denen ein 63Sn-37Pb-Aufschmelz-Profil und Mehrschichtsubstrate verwendet werden, kompatibel ist und doch für die Verwendung in Anwendungen mit einer maximalen IC-Verbindungstemperatur von 150ºC geeignet ist. Zusätzlich weist die Legierung eine verbesserte thermische Dauerfestigkeit im Vergleich zu der 63Sn-37Pb-Flip-Chip-Bondhügel-Legierung auf.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Elektronische Schaltungsanordnungen müssen oft fähig sein, in aggressiven Betriebsumgebungen zu überleben, einschließlich jenen, die allgemein in Automobil- und Luft- und Raumfahrt-Anwendungen vorkommen. Für derartige Anordnungen werden oft oberflächenmontierte (SM) integrierte Schaltungsvorrichtungen (IC) verwendet, welche allgemein dadurch gekennzeichnet sind, daß sie elektrisch und mechanisch an dem Substrat einer elektronischen Schaltungsanordnung mit einer Anzahl von Anschlüssen oder Zuleitungen befestigt sind, die mit Leitern auf der Oberfläche des Substrats verlötet sind, welches ein keramisches Substrat, eine Mehrschichtplatte, ein flexibler Schaltkreis oder ein Siliziumsubstrat sein kann. Ein herausragendes Beispiel eines SM IC ist ein Flip-Chip, welches perlenförmige Anschlüsse typischerweise in der Form von Lötbondhügeln auf einer Oberfläche des Chips aufweisen. Die Lötbondhügel eines Flip- Chips werden allgemein durch selektives Abscheiden einer Lotzusammensetzung auf dem Flip-Chip, beispielsweise einer Lotpaste, die eine Lotlegierung und ein Bindemittel enthält und dann durch Aufschmelzen des Lötmaterials durch Erwärmen des Materials über seine Liquidus-Temperatur gebildet, so daß das geschmolzene Material zum Bilden der Lötbondhügel auf der Oberfläche des Chips koalesziert. Nach dem Aushärten können die Lötbondhügel genau mit ihren entsprechenden Leitern auf einem Substrat in Übereinstimmung gebracht werden, und dann wieder über die Liquidus-Temperatur des Lötmaterials erwärmt werden, um sowohl das Chip an das Substrat zu binden, als auch die Flip-Chip-Schaltung mit dem Leitermuster elektrisch zu verbinden. Die Temperatur, bei der das Lot aufgeschmolzen wird, um den Lötbondhügel zu bilden, und später aufgeschmolzen wird, um das Flip-Chip zu montieren, wird als die Aufschmelztemperatur bezeichnet.
Es gibt in der Elektronikindustrie den Wunsch, aufgrund von Umweltverträglichkeits-Bedenken die Verwendung bleihaltiger Materialien zu beschränken. Zusätzlich gibt es ernsthafte Zuverlässigkeits-Bedenken für einige Flip-Chip-Vorrichtungen wegen der Alpha-Teilchen, die durch bleihaltige Lotlegierungen ausgesandt werden. Bleihaltige Legierungen enthalten üblicherweise eine bestimmte Menge von Bleiisotopen, beispielsweise Pb-210 oder Pb-214. Es ist sehr schwierig, diese Isotope während typischer Bleimetall-Reinigungsprozesse zu entfernen, außer es werden extrem teure Laserplasma-Isotopentrennprozesse benutzt. Diese Isotope sind chemisch instabil und werden Alpha-Teilchen während normaler radioaktiver Verfallsprozesse aussenden. Alpha-Teilchen, die durch den radioaktiven Zerfall von Pb-210 und Pb-214 freigesetzt werden, können eine Energie bis zu 5,4 MeV bzw. 7,8 MeV aufweisen. Ein 5 MeV-Alpha- Teilchen könnte bis zu 25 Mikrometer Silizium durchdringen und 1,4 Millionen Elektronen-Loch-Paare erzeugen. Falls die Elektronen-Loch- Akkumulation die kritische Ladung für eine Schaltung, wie beispielsweise eine Zelle in einem DRAM, überschreitet, könnte ein Soft-Error in dem Speicherabschnitt der Vorrichtung auftreten. Hochreine Pb-freie Legierungen enthalten üblicherweise keine schweren Elemente und sind deshalb frei von radioaktiven Isotopen.
Es gibt viele kommerziell erhältliche Pb-freie Legierungen, einschließlich Sn-52In, Bi-42Sn, Sn-20In-2,8Ag, Sn-3Ag-2Bi, Sn-SAg, Sn-8,5Sb, Sn-1Cu, Sn-3,5Ag, Sn-2,5Ag-0,8Cu-0,5Sb, Sn-4,8Bi-3,4Ag, Sn-9Zn und Sn- 8,8In-7,6Zn. Jedoch erfüllt keine diese Legierungen die Erfordernisse für Automobilanwendungen mit Flip-Chips auf Mehrschichtplatten. Viele der Legierungen enthalten Wismut. Obwohl Wismut umweltverträglich ist, enthält es auch radioaktive Isotope, die schwierig zu entfernen sind. Infolgedessen sind Wismut-enthaltende Legierungen typischerweise nicht für Flip-Chip-Verkapselungs-Anwendungen geeignet, wegen des Potentials für Alpha-Teilchen induzierte Zuverlässigkeitsbedenken.
Die WO-A-97/43456 offenbart eine bleifreie Lotlegierung mit 86,2% bis 91,8% Zinn, 3,2% bis 3,8% Silber, 5% bis 5,5% Indium, 0% bis 3% Wismut und 0% bis 1,5% Kupfer.
Ein typisches Erfordernis für Automobilanwendungen ist es, Verbindungstemperaturen von 150ºC über einen längeren Zeitraum (z. B. 2000 Stunden kontinuierlichem Betrieb bei 150ºC) standzuhalten. Dieses Erfordernis schließt alle Pb-freien Legierungen mit Solidus-Temperaturen unter ungefähr 170ºC, wie beispielsweise Sn-52In, Bi-42Sn und Sn-20In-2,8Ag aus. Obwohl die berichtete Solidus-Temperatur der Sn-20In-2,8Ag-Legierung ungefähr 175ºC beträgt, konnte diese Legierung wegen dem Vorhandensein einer eutektischen In/Sn-Phase mit einer Schmelztemperatur von ungefähr 120ºC einen -50ºC/+150ºC-Wärmezyklustest nicht bestehen. Demgemäß ist 120ºC die effektive Solidus-Temperatur dieser Legierung.
Aus Gründen der Kostenersparnis, gibt es einen Trend, Flip-Chips direkt auf Mehrschichtplatten zusammen mit anderen 8M-Komponenten direkt unter Verwenden eines typischen Aufschmelzprozesses eutektischer Komponenten mit Spitzen-Aufschmelztemperaturen von ungefähr 225ºC bis ungefähr 240ºC zu montieren. In diesem Fall würden Flip-Chips als eine andere Standard-SM-Komponente behandelt, und werden auf dem Substrat mit einem eutektischen Sn/Pb-Komponenten-Aufschmelzen gefestigt. Dies erfordert eine Legierung mit einer Liquidus-Temperatur von ungefähr 200ºC oder niedriger, und schließt die verbleibenden Pb-freien Legierungen, die oben angegeben sind, mit Ausnahme von Sn-9Zn und Sn-8,8In-7,6Zn aus. Lotpasten, die mit diesen letzten zwei Legierungen gebildet sind, sind wegen einer wohlbekannten Anfälligkeit für eine Zinkoxidation sehr schwierig zu verarbeiten. Dieses Oxidationsproblem kann problematisch sein und eine schlechte Bondhügelherstellung und schlechte Substrat-Montage-Ausbeuten verursachen.
Demgemäß wäre es erwünscht, wenn eine bleifreie Lotzusammensetzung erhältlich wäre, die fähig ist, Lotverbindungen zu bilden, die zuverlässig Anwendungen mit maximalen IC-Verbindungstemperaturen von 150ºC standzuhalten, und doch an Mehrschichtplatten mit anderen SM-Komponenten bei einer Spitzen-Aufschmelztemperatur von weniger als 240ºC montiert werden können.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine bleifreie Lotlegierung angegeben, die zum Bilden von Lotverbindungen einer oberflächenmontierten (SM) integrierten Schaltungsvorrichtung (IC), wie beispielsweise ein Flip- Chip geeignet ist. Die Lotlegierung besitzt eine ausreichend niedrige Liquidus-Temperatur, um erwünschte Aufschmelzeigenschaften bei Temperaturen von 240ºC und weniger zu erreichen, und ist deshalb mit typischen Mehrschichtschaltungsplatten-Montageprozessen kompatibel. Die Lotlegierung besitzt eine ausreichend hohe Solidus-Temperatur, um zu sichern, daß aus der Legierung gebildete Lotverbindungen geeignete mechanische Eigenschaften bei Anwendungstemperaturen bis zu 150ºC aufweisen, wenn eine Komponente auf einem Mehrschichtsubstrat montiert wird.
Allgemein ist die Lotlegierung dieser Erfindung eine bleifreie Lotlegierung auf Zinnbasis, die ungefähr 7 bis ungefähr 11 Gew.-% Indium, ungefähr 2,5 bis ungefähr 3,5 Gew.-% Silber, ungefähr 0,5 bis ungefähr 1,5 Gew.-% Kupfer und den Rest vorzugsweise Zinn und begleitende Verunreinigungen enthält. Die Legierung mit der oben genannten Zusammensetzung ist durch Solidus- und Liquidus-Temperaturen von weniger als 200ºC gekennzeichnet, während sie geeignete mechanische Eigenschaften bei Anwendungstemperaturen von bis zu 150ºC aufweist. Als solche kann die Lotlegierung bei ausreichend niedrigen Temperaturen wieder aufgeschmolzen werden, so daß sie andere Komponenten auf einer Mehrschichtplatte, auf der das Flip-Chip montiert ist, nicht thermisch beschädigt, und doch die Bildung von Lotverbindungen zur Folge hat, die eine erhöhte Zuverlässigkeit in thermisch harten Umgebungen aufweist.
Andere Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung werden von der folgenden detaillierten Beschreibung besser verstanden werden.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Die Lotlegierung dieser Erfindung ist allgemein von dem Typ, bei dem beabsichtigt ist, daß er in der Form einer Lotpaste auf einer oberflächenmontierten (SM) integrierten Schaltungsvorrichtung (IC), wie beispielsweise ein Flip-Chip zum Zwecke des Bildens von Lötbondhügeln in einer in der Technik bekannten Art abgeschieden wird. Gemäß dieser Erfindung besitzt die Lotlegierung Solidus- und Liquidus-Temperaturen von weniger als 200ºC, was ermöglicht, daß die Legierung bei Temperaturen aufgeschmolzen wird, die andere Komponenten auf demselben Substrat wie das Flip-Chip nicht beschädigen, und doch Lotverbindungen ergibt, die geeignete mechanische Eigenschaften aufweisen, um bei Anwendungstemperaturen von bis zu 150ºC zu überleben.
Die Lotlegierung dieser Erfindung basiert allgemein auf der eutektischen Sn-3,5Ag-Lotlegierung mit einer Schmelztemperatur von ungefähr 221ºC. Die Basislegierung ist modifiziert, um eine nicht-eutektische Legierung mit Solidus- und Liquidus-Temperaturen niedriger als die Schmelztemperatur der Basislegierung zu ergeben. Gemäß der Erfindung wird ungefähr 7 bis ungefähr 11 Gew.-% Indium vorzugsweise zu der Basislegierung zu diesem Zweck hinzugefügt, was die modifizierte Legierung mit einer Liquidus- Temperatur von ungefähr 200ºC zur Folge hat. Jedoch weist die Legierung dabei ein Indium-Zinn-Eutektikum auf, das bei ungefähr 120ºC schmelzt. Die vorliegende Erfindung unterdrückt die Bildung des In-Sn-Eutektikums mit beschränkten Zugaben von Kupfer, dessen Vorhandensein auch die Liquidus-Temperatur der Legierung auf weniger als 200ºC reduziert. Als ein Beispiel wird das In-Sn-Eutektikum wesentlich mit einer Lotlegierungszusammensetzung eliminiert, die ungefähr 89,1 Gew.-% der Sn- 3,5Ag-Legierung (d. h., die Lotlegierung enthält ungefähr 86 Gew.-% Zinn und ungefähr 3,1 Gew.-% Silber), ungefähr 9,9 Gew.-% Indium und ungefähr 1 Gew.-% Kupfer enthält. Die Liquidus-Temperatur dieser Lotlegierung beträgt ungefähr 197ºC.
Gemäß dieser Erfindung enthalten Lotlegierungen, die die erwünschten Eigenschaften dieser Erfindung aufweisen, ungefähr 7 bis ungefähr 11 Gew.-% Indium, ungefähr 2,5 bis ungefähr 3,5 Gew.-% Silber und ungefähr 0,5 bis ungefähr 1,5 Gew.-% Kupfer, wobei der Rest vorzugsweise im wesentlichen Zinn (z. B. ungefähr 84 bis ungefähr 90 Gewichtsprozent Zinn) und begleitende Verunreinigungen ist. Derartige Legierungen besitzen eine Solidus-Temperatur von ungefähr 189ºC und eine Liquidus- Temperatur von ungefähr 197ºC. Bevorzugtere Gehalte von Silber und Kupfer sind ungefähr 3 bis 3,5 Gew.-% Silber und 0,9 bis 1,1 Gew.-% Kupfer. Eine bevorzugte nominelle Zusammensetzung für die Lotlegierung dieser Erfindung ist 85,8 Gew.-% Zinn, 10 Gew.-% Indium, 3,2 Gew.-% Silber und 1 Gew.-% Kupfer.
Aus dem oben dargelegten ist ersichtlich, daß Lotpasten, die ein geeignetes Bindemittel und die Lotlegierung dieser Erfindung enthalten, aufgeschmolzen werden können, um Lötbondhügel auf einer oberflächenmontierten Vorrichtung, wie beispielsweise ein Flip-Chip bei Aufschmelztemperaturen von ungefähr 230ºC bis ungefähr 240ºC zu bilden, was mit Mehrschichtplatten-Montageprozessen mit 63Sn-37Pb-Komponenten- Lotverbindungen kompatibel ist. Wie in der Technik bekannt ist, werden die Lötbondhügel in einem zweiten Aufschmelzvorgang metallurgisch an ihre entsprechenden Leiter auf einem Schaltungssubstrat gebondet, wodurch Lotverbindungen gebildet werden, die vorteilhafterweise eine erwünschte mechanische Stärke bei Temperaturen von bis zu 150ºC aufweisen, einschließlich einer Widerstandsfähigkeit gegenüber einer Wärmezyklus-Ermüdung. Als eine Folge ermöglicht die Lotlegierung dieser Erfindung, daß ein Flip-Chip zuverlässig auf einem Substrat montiert wird, das thermisch harten Umgebungen augesetzt ist.
Während einer Bewertung der vorliegenden Erfindung wurden vier Lotlegierungen mit den unten angezeigten Zusammensetzungen bewertet.
Legierung A 87,8Sn-8,0In-3,2Ag-1,0Cu
Legierung B 87,3Sn-8,0In-3,2Ag-1,0Cu-0,5Sb
Legierung C 85,8Sn-10,0In-3,2Ag-1,0Cu
Legierung D 85,3Sn-10,0In-3,2Ag-1,0Cu-0,5Sb
Für jede dieser Zusammensetzungen wurden Lötbondhügel mit einem Abstand von 18 Milli-Inch (ungefähr 0,46 Millimeter) auf 0,250 · 0,250 Inch (ungefähr 6,35 · 6,35 Millimeter) und 0,500 · 0,500 Inch (ungefähr 12,7 · 12,7 Millimetern)-Testchips gebildet. Unter Verwendung eines 63Sn-37Pb- Aufschmelzprofils mit einer 230ºC-Spitzentemperatur, wurden die kleineren Chips ohne Unterfüllung auf keramischen Substraten montiert, während die größeren Chips mit Unterfüllung auf Mehrschichtplatten montiert wurden.
Die kleineren Chips wurden dann einem Zuverlässigkeitstest unter Durchlaufen thermischer Zyklen zwischen -50ºC und +150ºC unterzogen, um die relative Wärmeermüdungs-Lebenszeit (RTFL) der Bondhügel-Legierungen zu bestimmen. Zum Vergleich wurden identische Chips auf identische keramische Substrate unter Verwendung der 63Sn-37Pb-Legierung und der kommerziell erhältlichen bleifreien Legierungen Sn-3,5Ag, Sn-2,5Ag- 0,80u-0,5Sb, Sn-SSb, Sn-8,5Sb und Sn-20In-2,8Ag gebondet. Das RTFL aller Chips mit bleifreien Lötbondhügeln ist im folgenden im Vergleich zu der durchschnittlichen Dauerhaltbarkeit der 633n-37Pb-Proben angegeben, wobei den letzteren einen Basislinienwert von 1,0 zugeordnet wurde.
Legierung A 1,1
Legierung B 0,8
Legierung C 1,5
Legierung D 1,3
63Sn-37Pb 1,0
Sn-3,5Ag 0,5
Sn-2,5Ag-0,8Cu-0,5Sb 0,8
Sn-5Sb 0,4
Sn-8,5Sb 0,5
Sn-20In-2,8Ag 0,3
Aus dem oben dargelegten ist ersichtlich, daß die Legierungen A und C, die gemäß der vorliegenden Erfindung formuliert sind, alle der kommerziell erhältlichen bleifreien Legierungen, wie auch die Industrie-Standard- 63Sn-37Pb-Legierung in ihrem Verhalten übertrafen. Die Legierungen B und D verhielten sich nicht so gut wie die Legierungen A bzw. C, auf deren Zusammensetzungen die Legierungen B bzw. D jedoch mit der Zugabe von 0,5 Gew.-% Antimon basierten. Daraus wurde geschlossen, daß Antimon für die Dauerhaltbarkeit von Lotlegierungen, die gemäß dieser Erfindung formuliert sind, schädlich war. Jedoch verhielten sich die Legierungen B und D mindestens so gut wie die bleifreien Legierungen, und die Legierung D übertraf die bleifreien und 63Sn-37Pn-Legierungen in ihrem Verhalten.
Vierzig von jedem der 0,500 · 0,500 Chips, die auf Mehrschichtsubstraten mit den Legierungen A und C montiert waren, wurden dann unter Durchlaufen von Wärmezyklen zwischen -40ºC und +125ºC bewertet. Die Zuverlässigkeit der Bondhügellegierung für Automobilanwendungen auf Mehrschichtsubstraten wurde bei einer erfolgreichen Beendigung von 1000 Zyklen ohne Fehler unter Beweis gestellt. Die Testergebnisse zeigten, daß alle Chips 1750 Zyklen ohne Fehler beendeten, wobei die Proben der Legierung A keinerlei Fehler aufwiesen, bis 3000 Zyklen beendet waren.
Während unsere Erfindung in Form einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben wurde, könnten andere Formen durch in der Technik erfahrene Personen übernommen werden. Demgemäß wird der Umfang unserer Erfindung nur durch die folgenden Ansprüche beschränkt.

Claims

1. Bleifreie Lotlegierung auf Zinnbasis, die aus 7 bis 11 Gew.-% Indium, 2,5 bis 3,5 Gew.-% Silber, 0,5 bis 1,5 Gew.-% Kupfer und dem Rest Zinn und begleitende Verunreinigungen besteht, wobei das Lot Solidus- und Liquidus-Temperaturen von weniger als 200ºC und eine Aufschmelztemperatur von weniger als 240ºC aufweist.

2. Lotlegierung nach Anspruch 1, bei der die Lotlegierung eine Solidus- Temperatur von 189ºC und eine Liquidus-Temperatur von 197ºC aufweist.

3. Lotlegierung nach Anspruch 1, bei der die Lotlegierung in der Form eines Lötbondhügels auf einer oberflächenmontierten integrierten Schaltungsvorrichtung ausgebildet ist.

4. Lotlegierung nach Anspruch 1, bei der die Lotlegierung in der Form einer Lotverbindung ausgebildet ist, mit der eine Komponente an einem Mehrschichtsubstrat befestigt ist.

5. Lotlegierung nach Anspruch 1, bei der die Lotlegierung aus 7 bis 11 Gew.-% Indium, 3,0 bis 3,5 Gew.-% Silber, 0,9 bis 1,1 Gew.-% Kupfer und dem Rest Zinn und begleitenden Verunreinigungen besteht.

6. Lotlegierung nach Anspruch 1, bei der die Lotlegierung aus 10 Gew.-% Indium, 3,2 Gew.-% Silber, 1,0 Gew.-% Kupfer und dem Rest Zinn und begleitenden Verunreinigungen besteht.

7. Bleifreie Lotlegierung auf Zinnbasis, die aus 84 bis 90 Gew.-% Zinn, 7 bis 11 Gew.-% Indium, 2,5 bis 3,5 Gew.-% Silber und 0,5 bis 1,5 Gew.-% Kupfer besteht, wobei die Lotlegierung eine Solidus- Temperatur von 189ºC und eine Liquidus-Temperatur von 197ºC aufweist.

8. Lotlegierung nach Anspruch 7, bei der die Lotlegierung in der Form eines Lötbondhügels auf einer oberflächenmontierten integrierten Schaltungsvorrichtung ausgebildet ist.

9. Lotlegierung nach Anspruch 7, bei der die Lotlegierung in der Form einer Lotverbindung ausgebildet ist, mit der eine Komponente an einem Mehrschichtsubstrat befestigt ist.

10. Lotlegierung nach Anspruch 7, bei der die Lotlegierung aus 84 bis 90 Gew.-% Zinn, 7 bis 11 Gew.-% Indium, 3,0 bis 3,5 Gew.-% Silber und 0,9 bis 1,1 Gew.-% Kupfer besteht.

11. Lotlegierung nach Anspruch 7, bei der die Lotlegierung aus 10 Gew.-% Indium, 3,2 Gew.-% Silber, 1,0 Gew.-% Kupfer und dem Rest Zinn besteht.