DE102008011265A1

DE102008011265A1 - Lötschicht und Substrat zum Bonden von Vorrichtungen, das diese verwendet, und Verfahren zum Herstellen eines solchen Substrats

Info

Publication number: DE102008011265A1
Application number: DE102008011265A
Authority: DE
Inventors: Yoshikazu Oshika; Munenori Hashimoto; Masayuki Nakano
Original assignee: Dowa Electronics Materials Co Ltd
Current assignee: Dowa Electronics Materials Co Ltd
Priority date: 2007-02-27
Filing date: 2008-02-27
Publication date: 2008-08-28
Anticipated expiration: 2028-02-28
Also published as: DE102008011265B4; JP5526336B2; US8747579B2; JP2008211101A; US20080205013A1

Abstract

Es werden eine Lötschicht und ein Substrat zum Bonden von Vorrichtungen, die trotz eines vereinfachten Verfahrens des Bondens einer Vorrichtung an ein Substrat eine hohe Haftfestigkeit der Vorrichtung aufweisen und bei denen Bonding-Fehler reduziert werden, sowie ein Verfahren zum Herstellen derselben geschaffen. Ein Substrat (1) zum Bonden von Vorrichtungen, das ein Substrat (2) und eine darauf gebildete bleifreie Lötschicht (5) umfasst, besitzt eine Lötschicht (5), die aus mehreren Schichten mit voneinander verschiedenen Phasen besteht, wobei die Sauerstoffkonzentration an der oberen Oberfläche der Lötschicht (5) weniger als 30 Atom-% der Konzentration jener Metallkomponenten beträgt, die unter den die obere Schicht der Lötschicht (5) bildenden Metallkomponenten am stärksten oxidiert. Die Kohlenstoffkonzentration an der oberen Oberfläche der Lötschicht (5) kann weniger als 10 Atom-% der Konzentration jener Metallkomponente betragen, die unter den die obere Schicht der Lötschicht (5) bildenden Metallkomponente am stärksten oxidiert.

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Bonden oder Bonding von Vorrichtungen und insbesondere auf eine für Elektronikschaltungssubstrate oder dergleichen verwendete Lötschicht gemäß Anspruch 1 und ein Substrat zum Bonden von Vorrichtungen, das diese verwendet, gemäß Anspruch 4 sowie auf ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Substrats gemäß Anspruch 7.
Um eine Elektronikschaltungsverdrahtung zu bilden, werden gewöhnlich verschiedene Elektronikteile an einer vorgegebenen Stelle an einem auf einem Drucksubstrat gebildeten Kupferverdrahtungsmuster eingesetzt und verlötet. Bei herkömmlichen Elektronikschaltungen werden elektronische Vorrichtungen bzw. Bauelemente auf ein Drucksubstrat gebondet, das aus Papier-Phenolharz, Epoxidharz, Glas-Epoxidharz oder dergleichen unter Verwendung einer Pb (Blei) enthaltenden Lötschicht als Hauptkomponente gefertigt ist.
Jedoch besteht in den letzten Jahren die Tendenz, den Gebrauch bleihaltiger Lötmittel einzuschränken, um die Umweltbelastung zu verringern. Vor allem in Europa ist ihre Verwendung seit dem 1. Juli 2006 durch die RoHS-Richtlinie (Richtlinie der Europäischen Gemeinschaft und Richtlinie der Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe in Elektro- und Elektronikgeräten) verboten. Folglich sind bleifreie Lötmittel wie etwa jene, die aus AuSn, AgSn, InSn, ZnSn und BiSn gebildet sind, als Alternativen für die blei- und zinnhaltigen Lötmittel vorgeschlagen worden.
Die Nicht-Patent-Referenz 1 berichtet, dass es dann, wenn ein Lötmittel, das kein Blei enthält, bei Zimmertemperatur belassen wird, mehr als 10 Monate dauert, bis Gleichgewicht erreicht ist.
Die Nicht-Patent-Referenz 2 berichtet, dass dann, wenn nach dem Lötbonden in einem Halbleiterlasergehäuse unter Verwendung eines kein Blei enthaltenden Lötmittels eine Belastung durch einen Wärmezyklus auferlegt wird, sich die Festigkeit der Lötverbindung infolge der Wärmezyklusbelastung nach und nach verändert.
Die Nicht-Patent-Referenz 3 offenbart ein Verfahren zum Bonden einer elektronischen Vorrichtung auf ein Substrat durch Kontaktieren der Vorrichtung mit einer Lötschicht mit dem Beginn der Erwärmung der Lötschicht, Pressen der Vorrichtung auf die Lötschicht und Verändern dieses Drucks durch die Lötschichttemperatur. 17 ist ein Phasendiagramm (siehe Nicht-Patent-Referenz 4), das die Phasen einer in der Nicht-Patent-Referenz 3 verwendeten Legierung aus Au und Sn (AuSn-Legierung) anhand des Atomverhältnisses zeigt.

[Nicht-Patent-Referenz 1] V. SIMIC und Z. MARINKOVIC, "Thin film interdiffusion of Au and Sn at room temperature", J. Less-Common Metals, 51, S. 177–179, 1977
[Nicht-Patent-Referenz 2] J-H. Kuang and 5 andere, "Effect of Temperature Cycling an Joint Strength of PbSn and AuSn Solders in Laser Packages", IEEE Trans., Adv. Pack, Bd. 24, Nr. 4, S. 563–568, 2001
[Nicht-Patent-Referenz 3] Kenji YAMAGUCHI und 3 andere, "Study of Au/Sn Bonding in Manufacture of Interpitch Multilayered Lead Frame (1)" (japanisch), Abstracts of National Meeting of Japan Welding Society, Bd. 49, S. 410–411, September, 1991
[Nicht-Patent-Referenz 4] "Metal Databook", herausgegeben durch The Japan Institute of Metals, 3. Ausgabe, Maruzen, 25. März 1993, S. 410
[Nicht-Patent-Referenz 5] O. Kubachewski u. a., "Materials Thermochemistry", 6. Ausgabe, Pergamon Press, S. 258–323 (Tabelle 1), 1993
[Nicht-Patent-Referenz 6] O. Kubachewski u. a., "Metallurgical Thermochemistry", 5. Ausgabe, Pergamon Press, S. 268–323 (Tabelle A), 1979

Beim herkömmlichen Lötbonden eines Substrats und einer Vorrichtung wird vorgezogen, eine Lötschicht bei einer Temperatur von 300°C oder darüber zu schmelzen und ein Substrat mit einer Vorrichtung zu verlöten, um die Anfangshaftfestigkeit, also die Festigkeit unmittelbar nach dem Schmelzen der Lötschicht und dem Bonden einer Vorrichtung, zu verbessern, und die Lötschicht verfestigen zu lassen. Wenn jedoch das Lötmittel bei einer Temperatur von 300°C oder darüber gebondet wird, kann es vorkommen, dass die thermische Belastung von Vorrichtungen wie etwa einer Halbleitervorrichtung oder eines elektronischen Teils so hoch ist, dass diese beschädigt werden.
Andererseits ist dann, wenn bei einer Temperatur von unter 300°C durch Löten gebondet wird, die Möglichkeit, eine Beschädigung einer Vorrichtung zu verursachen, gering. Jedoch ist die Festigkeit der Lötverbindung gering, wobei diese bei einem Herunterfallen oder dergleichen eventuell brechen kann, so dass die Handhabung des Substrats mit der angebrachten Vorrichtung Sorgfalt erfordert. Daher ist es problematisch, die Festigkeit einer Lötverbindung in kurzer Zeit zu erhöhen.
Vor allem dann, wenn eine Vorrichtung unter Verwendung eines Lötmittels, das praktisch kein Blei enthält, auf ein Substrat gebondet wird, neigt die Phase des Lötmittels, die die Lötschicht bildet, wie bei den Nicht-Patent-Referenzen 1 und 2 dazu, nicht im Gleichgewicht zu sein, wobei außerdem die anfängliche Haftfestigkeit instabil wird.
Bisher wurde daher, um die anfängliche Festigkeit der Haftung zwischen einer Vorrichtung und einem Substrat zu erreichen, wie in 18 gezeigt ist, eine Vorrichtung 52 bei einer Temperatur T₁ vor dem Schmelzen der Lötschicht 51, die auf dem in der Figur nicht gezeigten Substrat gebildet war, auf der Lötschicht 51 angebracht. Unter Verwendung eines Presswerkzeugs 53 wurde ein Presszustand erzeugt und aufrechterhalten, bis die Lötschicht 51 auf Grund der Lötverbindungstemperatur T₂ verfestigt war, wodurch sich die Anfangshaftfestigkeit zwischen einer Vorrichtung 52 und der Lötschicht 51 erhöhte. In 18 repräsentiert die Abszisse die Zeit und die Ordinate die Temperatur. Das heißt, dass die Anfangshaftfestigkeit durch Verlängern der Zeit zum Pressen einer elektronischen Vorrichtung an eine Lötschicht verbessert wurde, aber die Verteilung der Anfangshaftfestigkeit weit war, Bonding-Fehler vermehrt auftraten und folglich der Ertrag bzw. die Ausbeute niedrig war. Außerdem war durch ein solches Bonding-Verfahren mit einer langen Presszeit, wie oben erwähnt worden ist, eine komplizierte Fertigungsvorrichtung erforderlich, um viele Vorrichtungen gleichzeitig bonden zu können.
Um diesen Problemen Rechnung zu tragen, ist die Aufgabe der Erfindung daher, eine Lötschicht, die trotz eines vereinfachten Verfahrens des Bondens einer Vorrichtung an einem Substrat für eine hohe Haftfestigkeit der Vorrichtung sorgt und bei der Bonding-Fehler reduziert werden, sowie ein Substrat zum Bonden von Vorrichtungen und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Substrats zu schaffen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Lötschicht nach Anspruch 1, ein Substrat nach Anspruch 4 und ein Verfahren nach Anspruch 7. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung angegeben.
In einem Aspekt bezieht sich die Erfindung auf eine auf einem Substrat gebildete bleifreie Lötschicht, die aus mehreren Schichten mit voneinander verschiedenen Phasen gebildet ist, wobei der Sauerstoffgehalt an der Oberfläche ihrer oberen Schicht weniger als 30 Atom-% des Gehalts an jener Metallkomponente beträgt, die unter den die obere Schicht bildenden Metallkomponenten am stärksten oxidiert.
Bei dieser Struktur beträgt der Kohlenstoffgehalt an der Oberfläche der oberen Schicht der Lötschicht vorzugsweise weniger als 10 Atom-% des Gehalts an jener Metallkomponente, die unter den die obere Schicht bildenden Metallkomponenten am stärksten oxidiert. Vorzugsweise enthält die Lötschicht eine Gold und Zinn oder Silber und Zinn umfassende Legierung als Hauptkomponente, wobei das am stärksten oxidierende Metall Zinn ist.
Da es gemäß dieser Struktur möglich ist, die Lötschichtoberfläche gleichmäßig zu schmelzen, und nach dem Schmelzen und Verfestigen der Lötschicht der Gleichgewichtszustand eintritt, kann beim Lötbonden die Anfangshaftfestigkeit der Lötverbindung zwischen einer Vorrichtung und einer Lötschicht stabilisiert und außerdem die Ausfallrate reduziert werden.
In einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Substrat zum Bonden von Vorrichtungen, das ein Substrat und eine auf dem Substrat gebildete bleifreie Lötschicht umfasst, wobei die Lötschicht aus mehreren Schichten mit voneinander verschiedenen Phasen gebildet ist und wobei der Sauerstoffgehalt an der Oberfläche ihrer oberen Schicht weniger als 30 Atom-% des Gehalts an jener Metallkomponente beträgt, die unter den die obere Schicht bildenden Metallkomponenten am stärksten oxidiert.
Bei dieser Struktur beträgt der Kohlenstoffgehalt in der Oberfläche der oberen Schicht der Lötschicht vorzugsweise weniger als 10 Atom-% des Gehalts an jener Metallkomponente, die unter den die obere Schicht bildenden Metallkomponenten am stärksten oxidiert. Vorzugsweise enthält die Lötschicht eine Gold und Zinn oder Silber und Zinn umfassende Legierung als Hauptkomponente, wobei das am stärksten oxidierende Metall Zinn ist.
Entsprechend dieser Struktur kann ein Substrat zum Bonden von Vorrichtungen angeboten werden, das eine hohe Anfangshaftfestigkeit der Lötverbindung besitzt, so dass Lötverbindungsfehler reduziert werden können.
In einem nochmals weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen eines Substrat zum Bonden von Vorrichtungen, das ein Substrat und eine auf dem Substrat gebildete bleifreie Lötschicht umfasst und dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Lötschicht auf einem Substrat gebildet wird und anschließend eine Wärmebehandlung in einer Reduktionsatmosphäre ausgeführt wird. Die Wärmebehandlungstemperatur ist vorzugsweise höher als 150°C und niedriger als die eutektische Reaktionstemperatur. Vorzugsweise wird die Lötschicht durch den Wärmebehandlungsprozess in mehrere Phasen, eine Phase, die bei der eutektischen Reaktionstemperatur zu schmelzen beginnt, und eine Phase, die dies nicht tut, getrennt bzw. entmischt.
Nach dem oben erwähnten Verfahren werden mehrere Schichten in einer Lötschicht getrennt ausgebildet, gelangt die Lötschicht in einen Gleichgewichtszustand, wird die Anfangshaftfestigkeit zwischen einer Vorrichtung und einer Lötschicht hoch und verkleinert sich die Lötverbindungsfehlerrate, womit das oben erwähnte Substrat zum Bonden von Vorrichtungen hergestellt werden kann.
Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung und der angehängten Ansprüche, die auf die folgenden Abbildungen Bezug nehmen.
1 ist eine Querschnittsansicht, die die Struktur einer ersten Ausführungsform eines Substrats zum Bonden von Vorrichtungen gemäß der Erfindung schematisch zeigt.
2 ist eine Querschnittsansicht, die die Struktur einer zweiten Ausführungsform eines Substrats zum Bonden von Vorrichtungen gemäß der Erfindung schematisch zeigt.
3 ist eine Querschnittsansicht, die die Struktur einer dritten Ausführungsform eines Substrats zum Bonden von Vorrichtungen gemäß der Erfindung schematisch zeigt.
4 zeigt schematisch eine vergrößerte erfindungsgemäße Lötschicht.
5 ist eine Querschnittsansicht, die die Struktur einer Halbleitervorrichtung zeigt, die an einem Substrat zum Bonden von Vorrichtungen, wie es in 1 gezeigt ist, angebracht ist.
6 ist eine Querschnittsansicht, die die Struktur einer Halbleitervorrichtung zeigt, die an einem Substrat zum Bonden von Vorrichtungen, wie es in 3 gezeigt ist, angebracht ist.
7 zeigt vergrößerte Querschnittsansichten, die das Verlöten einer Vorrichtung an einer Lötschicht in jeweiligen Schritten gemäß der Erfindung schematisch zeigen, wobei (A) den Zeitpunkt vor dem Schmelzen der Lötschicht wiedergibt, (B) den Zeitpunkt während des Verlötens einer Vorrichtung mit der Lötschicht durch Schmelzen wiedergibt und (C) den Zeitpunkt nach dem Verfestigen der Lötschicht bzw. dem Verlöten einer Vorrichtung wiedergibt.
8 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Temperatur und der freien Standardbildungsenergie von Au, Ag, Cu, Sn und P zeigt.
9 zeigt schematische, vergrößerte Querschnittsansichten der Schritte des Bondens mit einer Lötschicht, die, wie später erläutert wird, nicht thermisch behandelt wird, wobei (A) den Stand des Bondens einer Vorrichtung vor dem Schmelzen der Lötschicht wiedergibt, (B) den Stand beim Bonden der Vorrichtung durch Schmelzen der Lötschicht wiedergibt und (C) den Stand nach dem Verfestigen der Lötschicht wiedergibt.
10 ist ein Ablaufplan, der aufeinander folgend die Schritte der Herstellung eines Substrats zum Bonden von Vorrichtungen von 1 zeigt.
11 ist ein Graph, der schematisch ein Zeitdiagramm zeigt, das für das erfindungsgemäße Lötschichtbonden einer Vorrichtung an einer Lötschicht verwendet wird.
12 ist ein Röntgenstrahlen-Beugungsprofil einer Lötschicht an dem Subträger aus dem Vergleichsbeispiel 5 und dem Beispiel 5, wobei (A) den Zeitpunkt unmittelbar nach dem Schichtbilden durch Aufdampfen einer Lötschicht in dem Vergleichsbeispiel 5 wiedergibt und (B) den Zeitpunkt nach der Wärmebehandlung einer Lötschicht in dem Beispiel 5 wiedergibt.
13 ist eine Ansicht, die ein Raster-Elektronenmikroskop-Bild eines Querschnitts der Lötschicht vor der Wärmebehandlung an dem Subträger aus dem Beispiel 5 zeigt.
14 ist eine Ansicht, die ein Raster-Elektronenmikroskop-Bild eines Querschnitts der Lötschicht nach der Wärmebehandlung an dem Subträger aus dem Beispiel 5 zeigt.
15 ist eine Ansicht, die ein Raster-Elektronenmikroskop-Bild eines Querschnitts der Lötschicht des Subträgers aus dem Beispiel 5 nach der Wärmebehandlung, dem Schmelzen bei 300°C und dem anschließenden Verfestigen zeigt.
16 ist eine Ansicht, die ein Raster-Elektronenmikroskop-Bild eines Querschnitts der Lötschicht des Subträgers aus dem Vergleichsbeispiel 5 nach dem Schmelzen bei 300°C und dem anschließenden Verfestigen zeigt.
17 ist ein Phasendiagramm, das eine Phase anhand des Atomverhältnisses der aus Au und Sn gebildeten Legierung (AuSn-Legierung) zeigt.
18 ist ein Graph, der schematisch ein Zeitdiagramm zeigt, das für das Lötschichtbonden einer Vorrichtung an einer Lötschicht in der Nicht-Patent-Referenz 3 verwendet wird.
Gemäß der Erfindung können selbst dann, wenn ein vereinfachtes Verfahren des Bondens zwischen einer Vorrichtung und einem Substrat unter Verwendung eines bleifreien Lötmittels angewandt wird, ein Substrat zum Bonden von Vorrichtungen und eine Lötschicht, die eine hohe Vorrichtungshaftfestigkeit aufweisen und bei denen Bonding-Fehler reduziert sind, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung angeboten werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Figuren unter Bezugnahme auf bestimmte Formen ihrer Ausführung bzw. Implementierung ausführlich beschrieben. In jeder Figur sind gleiche oder sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
1 ist eine Querschnittsansicht, die die Struktur eines Substrats zum Bonden von Vorrichtungen gemäß der Erfindung schematisch zeigt. Wie in 1 gezeigt ist, ist ein Substrat 1 zum Bonden von Vorrichtungen aus einem Substrat 2, einer Elektrodenschicht 4, die an einer Seite oder auf beiden Seiten des Substrats 2 gebildet ist, und einer Lötschicht 5, die an vorgegebenen Stellen auf der Oberfläche der Elektrodenschicht 4 gebildet ist, zusammengesetzt. Die Lötschicht 5 kann über eine Haftschicht 3 an der Elektrodenschicht 4 ausgebildet sein. In der Darstellung sind die Oberseite und die Rückseite der Haftschicht 3 mit den Bezugszeichen 3a bzw. 3b gekennzeichnet. Ähnlich weist die Elektrodenschicht 4 eine oberseitige Elektrodenschicht 4a und eines rückseitige Elektrodenschicht 4b auf, während die Lötschicht 5 eine oberseitige Lötschicht 5a und eine rückseitige Lötschicht 5b aufweist. Hierbei kann die Elektrodenschicht 4 über die gesamte Oberfläche des Substrats 2 oder als Elektrodenmuster ausgebildet sein. Außerdem kann ein Teil der Elektrodenschicht 4 durch Anschluss eines Golddrahts einen Stromkreis bilden.
Als Substrat 2 kann ein Halbleiter-Einkristallsubstrat wie etwa Si und Ila-Diamant oder ein Keramiksubstrat wie etwa Aluminiumnitrid (AIN) und Siliciumcarbid (SiC), die eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen, verwendet werden. Auch an Seitenflächen des Substrats 2 kann eine Elektrodenschicht, die zu den oben erwähnten ähnlich ist, gebildet sein, wobei die obere und die untere Seite des Substrats 2 elektrisch verbunden sein können. Als Substrat 2 kann ein Subträgersubstrat, auf das eine Licht emittierende Vorrichtung wie etwa eine Leuchtdiode angebracht werden kann, verwendet werden.
Die 2 und 3 sind Querschnittsansichten, die die Struktur einer zweiten bzw. einer dritten Ausführungsform eines Substrats zum Bonden von Vorrichtungen gemäß der Erfindung zeigen. In 2 ist ein Substrat 10 zum Bonden von Vorrichtungen als Metall-Keramik-Komplex-Substrat aus einem Metallsubstrat 11, Keramikschichten 12, 12, die ausgebildet sind, um das gesamte Metallsubstrat 11 an seiner Oberseite und seiner Rückseite abzudecken, einer Elektrodenschicht 13, die an der Oberfläche der Keramikschicht 12 ausgebildet ist, um einen Teil der Oberseite oder die gesamte Oberseite der Keramikschicht 12 abzudecken, und einer Lötschicht 14, die an der vorgegebenen Stelle 13a auf der Oberfläche der Elektrodenschicht 13 ausgebildet ist, gebildet.
Hierbei kann im Fall einer Leuchtdiode oder dergleichen die vorgegebene Stelle 13a auf der Elektrodenschicht 13 der gesamten Oberfläche entsprechen. Außerdem kann auch eine ohne Lötschicht ausgebildete Elektrodenschicht 13b vorhanden sein. Auf der Elektrodenschicht 13b kann ein Muster gebildet sein. An einem Abschnitt der Elektrodenschicht 13b kann Golddraht angeschlossen sein, um einen Stromkreis zu bilden.
Auch auf der Rückseite des Metallsubstrats 11 können eine Elektrodenschicht 13 und eine Lötschicht 14 ausgebildet sein. Das Metall-Keramik-Komplex-Substrat 10a, wie es in 3 gezeigt ist, ist ein Beispiel, in dem eine Keramikschicht 12, eine Elektrodenschicht 13 und eine Lötschicht 14 nacheinander auf der Rückseite des Metallsubstrats 11 abgelagert sind. Zwischen dem Metallsubstrat 11 und der Keramikschicht 12 und/oder der Elektrodenschicht 13 und der Lötschicht 14 kann eine Haftschicht, die die Haftfähigkeit bei der Schichtbildung verbessert, angeordnet sein. Als Haftschicht wird Titan bevorzugt.
Als Metallsubstrat 11 kann ein metallbasiertes Substrat, das aus Metallen wie etwa Kupfer und Aluminium gebildet ist, verwendet werden, um die von einer Vorrichtung erzeugte Wärme wirksam abzuleiten. Ein solches metallbasiertes Substrat besitzt vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit von beispielsweise mindestens 230 W/mK.
Als Keramikschicht 12 kann eine Keramik-Dünnschicht mit einer guten Haftfähigkeit gegenüber einem Metallsubstrat 11 oder stärker bevorzugt eine Nitridkeramik-Dünnschicht wie etwa Aluminiumnitrid mit einem niedrigen Wärmewiderstand verwendet werden.
Zwei Beispiele von Substraten 1 und 10 zum Bonden von Vorrichtungen werden hier erläutert, jedoch können sie, da sie nicht auf diese Beispiele beschränkt sind, eine beliebige Struktur besitzen, sofern sie mit Elektrodenschichten 4 und 13 und darauf gebildeten Lötschichten 5 und 14 versehen sind und die Vorrichtung mit den Lötschichten 5 und 14 verbunden ist, d. h. ein praktisches Substrat darstellen.
Die Elektrodenschichten 4 und 13 sind vorzugsweise aus einem Metall, wobei speziell Gold (Au), Platin (Pt), Silber (Ag), Kupfer (Cu), Eisen (Fe), Aluminium (Al), Titan (Ti) oder Wolfram (W) oder eine Legierung, die irgendwelche dieser Metalle enthält, verwendet werden kann. Die Elektrodenschichten 4 und 13 können durch eine mehrlagige Schicht aus diesen Metallen gebildet sein.
Als Haftschicht 3 wird vorzugsweise ein Metall verwendet, das eine gute Haftfähigkeit gegenüber dem Substrat 2 und einen hohen Schmelzpunkt besitzt, so dass eine gegenseitige Diffusion mit der Lötschicht 5 nicht ohne weiteres verursacht wird. Als Metallmaterial, das für die Haftschicht 3 verwendet wird, kann ein Material, das Titan (Ti), Chrom (Cr), Nickel (Ni) oder Molybdän (Mo) als Hauptkomponente enthält, verwendet werden. Andernfalls kann sie durch irgendein Material gebildet sein, das aus einer Legierung besteht, die Ti, Ni, Cr oder Mo als Hauptkomponente enthält. Außerdem kann zwischen die Elektrodenschichten 4 und 13 beispielsweise eine Lötmitteldiffusion verhindernde Schicht, die aus einer Platinschicht gebildet ist, eingefügt sein.
Für die Lötschichten 5 und 14 wird vorzugsweise ein von Blei (Pb) freies Lötmaterial verwendet. Die bleifreien Lötschichten 5 und 14 bedeuten gemäß der Erfindung ein Lötmittel, das nicht absichtlich Blei enthält. Da nach der Raffination unvermeidlich Blei als Rückstand in den Komponenten der bleifreien Lötschicht enthalten ist, kann ein Umfang von diesem, der die Umgebung nicht belastet, enthalten sein. Als Material der Lötschichten 5 und 14 wird vorzugsweise ein Lötmittel verwendet, das zwei oder mehr Elemente aus der Gruppe Silber (Ag), Gold (Au), Kupfer (Cu), Zink (Zn), Nickel (Ni), Indium (In), Gallium (Ga), Wismut (Bi), Aluminium (Al) und Zinn (Sn) enthält.
4 stellt schematisch und vergrößert die in 1 gezeigte erfindungsgemäße Lötschicht 5a auf der Oberseite dar. Wie in 4 gezeigt ist, ist eine bleifreie Lötschicht 5a aus mehreren Schichten 5c und 5d gebildet, wobei die obere Schicht die Schicht 5c einer Vorrichtungsverbindungsseite ist und die untere Schicht die Schicht 5d einer Substratverbindungsseite ist. Jede der mehreren Schichten 5c und 5d besitzt eine andere Phase. Falls die Zusammensetzung der gesamten Lötschicht 5a Au:Sn 70:30 (Gewichtsverhältnis) lautet, ist die obere Schicht 5c Au₅Sn, eine Phase, die bei einer relativ niedrigen Temperatur schmilzt, während die untere Schicht 5d AuSn ist, eine Phase, die bei einer relativ hohen Temperatur schmilzt. Wenn die Lötschicht 5a auf über 278°C erwärmt wird, schmilzt die Au₅Sn-Phase als obere Schicht 5c der Vorrichtungsverbindungsseite zuerst. Das bedeutet, dass die obere Schicht 5c der Vorrichtungsverbindungsseite der Lötschicht 5a diejenige Schicht ist, die bei einer relativ niedrigen Temperatur gleichmäßig schmilzt, womit eine gleichmäßige Benetzbarkeit erreicht werden kann.
Wenn eine AuSn-Legierung als Material für eine bleifreie Lötschicht 5a verwendet wird, kann die Letztere eine Zusammensetzung besitzen, die nicht eutektisch ist und beispielsweise Au:Sn (Gewichtsverhältnis) = 70:30 lautet. Falls die Lötschicht 5a eine aus Ag und Sn gebildete Legierung (AgSn-Legierung) ist, kann bei beispielsweise Ag:Sn (Gewichtsverhältnis) = 90:10 der Unterschied der Temperaturen, bei denen die Phasen zu schmelzen beginnen, (im Folgenden Schmelzbeginntemperaturen genannt) vorzugsweise groß gehalten werden. Wie später noch erläutert wird, können sich durch Wärmebehandlung nach Schichtbildung einer bleifreien Lötschicht 5a mehrere Schichten 5c und 5d mit unterschiedlichen Phasen ergeben. Beispielsweise wird durch Wärmebehandlung nach Schichtbildung einer Lötschicht 5a im Fall einer AuSn-Legierung die Schicht 5c auf der Oberseite der Lötschicht zu einer, die aus der Au₅Sn-Phase besteht, und die Schicht 5d auf der Seite des Substrats 2 zu einer, die aus der AuSn-Phase besteht, womit zwei Schichten 5c und 5d mit verschiedenen Schmelzbeginntemperaturen getrennt werden können.
Als Nächstes wird die Anbringung einer Halbleitervorrichtung an den Substraten 1 und 10 zum Bonden von Vorrichtungen erläutert.
5 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch die Struktur einer Halbleitervorrichtung 7 zeigt, die an einem Substrat 1 zum Bonden von Vorrichtungen, wie es in 1 gezeigt ist, angebracht ist. Wie in 5 gezeigt ist, kann bei dem Substrat 1 zum Bonden von Vorrichtungen eine Halbleitervorrichtung 7 durch Verlöten mit einer Lötschicht 5a auf der Oberseite gebondet sein.
6 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch die Struktur einer Halbleitervorrichtung zeigt, die an einem Substrat 10 zum Bonden von Vorrichtungen, wie es in 3 gezeigt ist, angebracht ist. Wie in 6 gezeigt ist, kann bei dem Substrat 10 zum Bonden von Vorrichtungen eine untere Elektrode 15a einer Halbleitervorrichtung 15 durch Verlöten mit einer Lötschicht 14 mit dem Substrat 10 zum Bonden von Vorrichtungen verbunden sein. Falls eine Lötschicht 14 verwendet wird, die aus einer weit verbreiteten AuSn-Legierung gebildet ist, kann eine Halbleitervorrichtung 15 auch ohne Flussmittel durch Löten gebondet sein.
Zum anderen kann, wie gezeigt ist, eine obere Elektrode 15b einer Halbleitervorrichtung 15 durch Drahtbonden mit Golddraht 16 oder dergleichen mit der linken Elektrodenschicht 13b, die von der rechten Elektrodenschicht 13a isoliert und ohne Lötschicht ausgebildet ist, verbunden sein.
Hierbei kann es dann, wenn die Halbleitervorrichtungen 7 und 15 aktive Vorrichtungen wie etwa Dioden von Licht emittierenden Vorrichtungen wie etwa Laser- oder Leuchtdioden, Transistoren, die zur Hochfrequenzverstärkung oder zum Schalten verwendet werden, oder Thyristoren sind, Fälle geben, in denen die Lage des pn-Übergangs als deren aktive Schicht zur Wärmeabstrahlungsseite hin angeordnet angelötet ist. In diesem Fall kann ein Kurzschluss mit der aktiven Schicht der aktiven Vorrichtung verhindert werden, indem die Dicke der Lötschichten 5 und 14 auf höchstens 10 μm gehalten wird.
Hier sind die Halbleitervorrichtungen 7 und 15 in den 5 und 6 als angebrachte Vorrichtungen gezeigt, jedoch können sie irgendwelche wie etwa sogenannte elektronische Vorrichtungen einschließlich passiver Vorrichtungen, Schaltern oder verschiedener aktiver Vorrichtungen sein, wobei mehrere Vorrichtungen mit den Lötschichten 5 und 14 an einem Substrat verlötet sein können.
7 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die das Verlöten einer Vorrichtung 7 an einer Lötschicht 5a der Oberseite in jeweiligen Schritten gemäß der Erfindung schematisch zeigt, wobei (A) den Zeitpunkt vor dem Schmelzen der Lötschicht 5a wiedergibt, (B) den Zeitpunkt während des Verlötens einer Vorrichtung 7 mit der Lötschicht 5a durch Schmelzen wiedergibt und (C) den Zeitpunkt nach dem Verfestigen der Lötschicht 5a bzw. dem Verlöten einer Vorrichtung 7 wiedergibt.
In 7(A) ist die erfindungsgemäße Lötschicht 5a in einem Gleichgewichtszustand mit zwei getrennten Schichten 5c und 5d aus Phasen mit verschiedenen Schmelzbeginntemperaturen vor ihrem Schmelzen gezeigt. 7(B) zeigt den Zustand bei Löttemperatur, auf die die Lötschicht 5a von 7(A) erwärmt ist, d. h. den Schmelzzustand der Lötschicht 5a als Flüssigphase 5e. Da die obere Schicht 5c der Lötschicht auf der Verbindungsseite der Vorrichtung 7 die Au₅Sn-Phase mit einer relativ niedrigen Schmelzbeginntemperatur ist und die untere Schicht 5d der Lötschicht die AuSn-Phase mit einer relativ hohen Schmelzbeginntemperatur ist, ist hier die Au₅Sn-Phase 5c auf der Verbindungsseite der Vorrichtung 7 zuerst im Schmelzzustand. Das heißt, dass auf Grund dessen, dass sich das Au₅Sn mit einem relativ niedrigen Schmelzpunkt an der oberen Schicht 5c der Lötschicht 5a gemäß der Erfindung abgesondert hat, die Vorrichtungsverbindungsseite gleichmäßig schmelzen kann. Da an der Lötschicht 5a eine gleichmäßige Benetzbarkeit aufrechterhalten werden kann, kann daher der gesamte Verbindungsabschnitt der Vorrichtung 7 über die Lötschicht 5a mit dem Substrat 2 verlötet werden. Da nur die obere Schicht 5c aus Au₅Sn der Lötschicht 5a geschmolzen und verbunden wird, kann ferner die Lötschicht in einem Gleichgewichtszustand gehalten werden, in dem zwei Schichten 5c und 5d getrennt sind, wie in 7(C) gezeigt ist, nachdem die Lötschicht 5a abgekühlt und die Vorrichtung gebondet ist. Somit kann die Anfangshaftfestigkeit verbessert werden.
Hierbei bedeutet "Anfangshaftfestigkeit" der Lötschicht 5 der Erfindung jene Haftfestigkeit, die nach dem Verlöten einer Vorrichtung 7 mit der Lötschicht 5 innerhalb eines Tages nach dem Bonden in dem in einer Umgebung bei Zimmertemperatur von 25 ± 10°C belassenen Zustand gemessen wird.
Ferner beträgt die Sauerstoffkonzentration der Verbindungsseite der oberen Schicht 5c einer Lötschicht zu einer Vorrichtung 7, d. h. der äußersten Schicht der oberen Schicht 5c, vorzugsweise 30 Atom-% oder weniger der Konzentration jener Metallkomponente, die unter den Hauptkomponenten aus Metallen, die die obere Schicht 5c bilden, am stärksten oxidiert. "Am stärksten oxidierende Metallkomponente" bedeutet ein Metallelement mit der niedrigsten freien Standardbildungsenergie (ΔG°) bei 300°C (573 K) unter den Hauptkomponenten aus Metallen, die das Lötmittel bilden.
Hier ist mit "Atom-%" jener Wert gemeint, der bei der vorliegenden Erfindung aus dem an der Oberfläche der Lötschicht 5 durch ein Röntgenstrahlen-Photoelektronenspektroskop gemessenen Wert berechnet wird. Es wird eine Datenanalyse der Art ausgeführt, dass zuerst ein Hintergrund beseitigt wird und nach dem Glätten Spitzenbereiche mit einer relativen Empfindlichkeitskorrektur berechnet werden und auf den Spitzenbereich von Zinn normierte Sauerstoff- und Kohlenstoffatomkonzentrationen berechnet werden.
Die freie Standardbildungsenergie wird durch die folgende Gleichung (1) erhalten:
wobei R eine Gaskonstante ist,
ein Sauerstoff-Partialdruck ist, ΔH° eine Standardenthalpieänderung ist und ΔS° eine Standardentropieänderung ist, wobei ΔH° und ΔS° durch die folgende Gleichung (2) erhalten werden können:
Für die thermodynamischen Daten in der Gleichung (spezifische Wärme Cp, Schmelzpunkt T, latente Wärme ΔH_m, Standardenthalpieänderung ΔH° (298 K), Standardentropieänderung ΔS° (298 K)) wurden Daten aus den Nicht-Patent-Referenzen 5 und 6 verwendet, um die freie Standardbildungsenergie zu berechnen.
8 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Temperatur und der freien Standardbildungsenergie von Au, Ag, Cu, Sn und P wiedergibt. Dieser Graph ist ein sogenanntes Ellingham-Diagramm. In 8 repräsentiert die Abszissenachse die absolute Temperatur (K), während die Ordinatenachse die freie Standardbildungsenergie (kJ/mol) repräsentiert. Wie aus 8 ersichtlich ist, ist bei einem aus einer AuSn-Legierung oder einer AgSn-Legierung gebildeten Lötmittel die am stärksten oxidierende Metallkomponente Sn.
Wenn das die obere Schicht 5c der Lötschicht-Oberseite bildende Metall Gold und Zinn oder Silber und Zinn als Hauptkomponenten enthält, ermöglicht eine Sauerstoffkonzentration von höchstens 30 Atom-% der Zinnkonzentration ein gleichmäßigeres Schmelzen der oberen Schicht 5c der Lötschicht nach einer Wärmebehandlung, was beim Bonden zu einer wirksamen Schmelzreaktion auf der Lötverbindungsseite führt.
Ferner beträgt die Kohlenstoffkonzentration auf der Verbindungsseite der oberen Schicht 5c zu einer Vorrichtung 7, d. h. der äußersten Schicht der oberen Schicht 5c vorzugsweise höchstens 10 Atom-% der Konzentration des am stärksten oxidierenden Metalls unter den Metallhauptkomponenten, die die obere Schicht 5c bilden. Wenn das die obere Schicht 5c bildende Metall Gold und Zinn oder Silber und Zinn als Hauptkomponenten enthält, ermöglicht eine Kohlenstoffkonzentration von höchstens 10 Atom-% der Zinnkonzentration das Verhindern einer Fremdstoffkontamination an der Verbindungsseite zwischen der Lötschicht 5 und einer Vorrichtung 7.
Wenn die Sauerstoffkonzentration und/oder die Kohlenstoffkonzentration an der Oberfläche der oberen Schicht 5c auf den oben genannten Werten gehalten werden, können auch dann, wenn das Schmelzen der Lötschicht 5 während ihres Kontakts mit einer Vorrichtung 7, d. h. das Pressen beim Vorrichtungsbonden, auf die Schmelzzeit der Lötschicht 5 verkürzt wird, Bonding-Fehler, bei denen die Haftfestigkeit weniger als 20 MPa beträgt, reduziert werden.
Dadurch, dass die Lötschicht 5 mehrere Schichten mit unterschiedlichen Phasen besitzt und überdies die Kohlenstoff- und Sauerstoffkonzentrationen auf der Vorrichtungsverbindungsseite der Lötschicht 5 kleiner gehalten sind, kann die Produktivität beim Herstellen eines Substrats 1 zum Bonden elektronischer Vorrichtungen erhöht werden. Ferner kann die Lebensdauer von Vorrichtungen 7 in einem Wärmezyklustest nach dem Vorrichtungsbonden, d. h. die Zuverlässigkeit beim Vorrichtungsbonden, erhöht werden.
9 zeigt schematische, vergrößerte Querschnittsansichten der Schritte des Bondens mit einer Lötschicht 5a, die, wie später erläutert wird, nicht thermisch behandelt wird, wobei (A) den Stand des Bondens einer Vorrichtung 7 vor dem Schmelzen der Lötschicht 5a wiedergibt, (B) den Stand beim Bonden der Vorrichtung 7 durch Schmelzen der Lötschicht 5a wiedergibt und (C) den Stand nach dem Verfestigen der Lötschicht wiedergibt.
Wenn die Lötschicht 5a von dem in 9(A) gezeigten Stand aus auf ihre Bonding-Temperatur erwärmt und geschmolzen ist, wie in 9(B) wiedergegeben ist, tritt auf Grund dessen, dass die Phase 5f (schwebende Teilchen in der Figur) mit der hohen Schmelzbeginntemperatur von Au und Sn auch in der Nähe der Vorrichtungsverbindungsseite vorhanden ist, ein Teil aus der Oberfläche der Lötschicht 5a aus, weshalb die Lötschicht 5a auf der Vorrichtungsverbindungsseite nicht gleichmäßig schmelzen kann. Daher ist der Kontaktbereich der Schmelzlage der Lötschicht 5a und der Vorrichtung 7 kleiner und das Bonden einer Vorrichtung 7 mit der Lötschicht 5a stellenweise verhindert, womit keine gute Lötverbindungsfestigkeit mehr erzielt werden kann.
Nun wird ein konkretes Verfahren zum Herstellen eines Substrats zum Bonden von Vorrichtungen erläutert.
10 ist ein Ablaufplan, der aufeinander folgend die Schritte der Herstellung eines Substrats zum Bonden von Vorrichtungen von 1 zeigt.
Im Schritt ST1 wird ein aus AIN gebildetes Substrat 2 vorbereitet. Im Schritt ST2 wird die Oberfläche des Substrats 2 in einem Läpp- und Polierprozess geschliffen und poliert, während im Schritt ST3 eine Musterung durch Photolithographie oder dergleichen ausgeführt wird, um lediglich den Bereich, in dem eine Elektrodenschicht 4 gebildet werden soll, freizulegen.
Im Schritt ST4 wird durch Aufdampfen oder dergleichen eine Elektrodenschicht 4 auf der Oberfläche des Substrats 2 gebildet, wobei des Weiteren durch einen Abhebprozess nur das im Voraus bestimmte Muster der Elektrodenschicht 4 hinterlassen wird, während die anderen Teile entfernt werden. Im Schritt ST5 wird durch Photolithographie oder dergleichen wieder eine Musterung ausgeführt, um nur den Bereich, in dem die Lötschicht 5 gebildet werden soll, freizulegen.
Als Nächstes wird im Schritt ST6 durch verschiedene Aufdampftechniken die Lötschicht 5 auf dem Substrat gebildet, wobei des Weiteren durch einen Abhebprozess nur das im Voraus bestimmte Muster der Lötschicht 5 hinterlassen wird, während die anderen Teile entfernt werden.
Im Schritt ST7 wird bei der vorgegebenen Temperatur für die vorgegebene Zeit die Wärmebehandlung ausgeführt, wobei das gesamte Substrat 1 zum Bonden von Vorrichtungen in einem Ofen oder dergleichen gehalten wird. Genauer kann beispielsweise eine Wärmebehandlung, die bei einer Temperatur von mehr als 150°C, einer Wärmebehandlungstemperatur, die niedriger als die eutektische Reaktionstemperatur der Lötschicht 5 ist, für eine Stunde oder länger ausgeführt wird, die Haftfestigkeit effektiv verbessern. Wenn beispielsweise ein Lötmittel, das aus einer AuSn-Legierung oder einer AgSn-Legierung gebildet ist, verwendet wird und die Wärmebehandlungstemperatur mindestens 180°C beträgt, kann die Phasenentmischung der Lötschicht 5 beschleunigt werden. Wenn die Wärmebehandlungstemperatur jedoch höher als der Schmelzpunkt ist, d. h. ein Schmelzzustand eintritt, ist dies nicht vorteilhaft, da die Lötschicht nicht phasenentmischt werden kann.
Die Wärmebehandlung ist vorzugsweise temperaturgesteuert, um die Wärmebehandlungstemperatur auf einer konstanten Temperatur zu halten, jedoch kann die Wärmebehandlungstemperatur in zwei oder mehr Schritten erreicht werden. Beispielsweise kann die erste Wärmebehandlungstemperatur 200°C oder höher und die nächste 250°C sein. Außerdem kann sie kontinuierlich von einem ersten Wert von 150°C oder darüber in einen Temperaturbereich verlegt werden, der den Schmelzpunkt der Lötschicht 5 nicht überschreitet. Beispielsweise kann nach einer Wärmebehandlung bei Wärmebehandlungstemperatur und dem anschließenden Abkühlen auf Zimmertemperatur die Wärmebehandlung nochmals wiederholt werden. In diesem Fall kann die Wärmebehandlungstemperatur höher als 150°C sein, wobei sich die Wärmebehandlungszeit, wenn der Schmelzpunkt nicht überschritten wird und die Wärmebehandlungstemperatur unter der eutektischen Reaktionstemperatur liegt, auf eine Stunde oder mehr ansammeln kann. Die Wärmebehandlung kann in einer Heizvorrichtung, die für das Lötbonden verwendet wird, oder in einer Heizvorrichtung, die einen speziell für die Wärmebehandlung entworfenen Elektroofen verwendet, ausgeführt werden.
Das Atmosphärengas für die Wärmebehandlung ist vorzugsweise ein Reduktionsgas. Durch Wärmebehandlung unter Verwendung eines Reduktionsgases kann die oxidierende Schicht auf der Oberfläche der Lötschicht 5 reduziert werden, die Sauerstoffkontamination innerhalb der auf die Wärmebehandlung hin gebildeten Lötschicht 5 verhindert werden und eine weitere Verunreinigung wie etwa eine Kohlenstoffkontamination in der Lötschicht 5 verhindert werden. Die Sauerstoffkonzentration in der obersten Oberfläche der oberen Schicht 5c der Lötschicht nach der Wärmebehandlung in der Reduktionsgasatmosphäre beträgt vorzugsweise höchstens 30 Atom-% der Zinnkonzentration der oberen Schicht 5c. Ferner sind vorzugsweise die Reduktionsgaskonzentration und die Wärme behandlungszeit so entworfen, dass die Kohlenstoffkonzentration in der obersten Oberfläche der oberen Schicht 5c höchstens 10 Atom-% der Zinnkonzentration der oberen Schicht 5c beträgt. Das heißt, dass die Reduktionsgaskonzentration in der Atmosphäre nach der Wärmebehandlung so entworfen sein kann, dass sie vom Beginn bis zum Ende der Wärmebehandlung konstant ist oder sich zeitlich verändert, sofern die Sauerstoffkonzentration und die Kohlenstoffkonzentration an der Oberfläche der oberen Schicht 5c höchstens 30 bzw. 10 Atom-% der Zinnkonzentration an der Oberfläche der oberen Schicht betragen.
Das Reduktionsgas kann durch Mischen von Inertgas oder anderen Gasen gebildet sein, jedoch können mit einer verdünnten Reduktionsgaskonzentration von mindestens 90% die Sauerstoffkonzentration und die Kohlenstoffkonzentration an der Oberfläche der Lötschicht 5c reduziert werden. Außerdem wird vorzugsweise die Reduktionsgasatmosphäre vom Beginn bis zum Ende der Wärmebehandlung aufrechterhalten. Jedoch kann ebenso gut eine Wärmebehandlung in einem Inertgas, das weder Sauerstoff noch Kohlenstoff enthält, für eine bestimmte Zeit nach der Wärmebehandlung zuerst in einer Reduktionsgasatmosphäre oder zuerst in einer Luftatmosphäre erfolgen. In jedem Fall sollte die Sauerstoffkonzentration und die Kohlenstoffkonzentration an der Oberfläche der Lötschicht 5c nach der Wärmebehandlung höchstens 30 bzw. 10 Atom-% der Zinnkonzentration betragen. Als Reduktionsgas können unter anderem Wasserstoff und CO genannt werden. Speziell dann, wenn Wasserstoff verwendet wird, können die Sauerstoffkonzentration und die Kohlenstoffkonzentration an der Oberfläche der oberen Schicht 5c effektiv reduziert werden.
Schließlich wird im Schritt ST8 das oben erwähnte Substrat 1 zum Bonden von Vorrichtungen durch Zersägen oder dergleichen individuell geschnitten, so dass es als Produkt für die Verschickung vorliegt. Nach diesem Herstellungsverfahren kann dann, wenn die Lötschicht 5 durch Aufdampfen gebildet wird, das Substrat 1 zum Bonden von Vorrichtungen vorteilhaft bei geringen Kosten hergestellt werden. Jedoch kann die allein durch Aufdampfen hergestellte Lötschicht 5 nicht in dem Zustand sein, indem jede Phase wie in einem Gleichgewichtszustand geschichtet ist, sondern entspricht einer Lötschicht 5, in der schwebende Teilchen wie etwa die Phase 5e, bei der die Schmelzbeginntemperatur des Au und Sn hoch ist, feinst verteilt sind. Deshalb kann wie bei der Erfindung die Lötschicht 5 in einem Gleichgewichtszustand in mehrere Schichten, deren Phasen unterschiedliche Schmelzbeginntemperaturen besitzen, getrennt werden, d. h., dass die durch Aufdampfen gebildete Lötschicht 5 durch Wärmebehandlung in die Phase mit einer relativ niedrigen Schmelzbeginntemperatur wie etwa die obere Schicht 5c der Lötschicht auf der Vorrichtungsverbindungsseite und die Phase mit einer relativ hohen Schmelzbeginntemperatur wie etwa die untere Schicht 5d der Lötschicht schichtengetrennt werden kann.
Zum Anbringen einer Vorrichtung 7 wie etwa einer Halbleitervorrichtung an diesem Substrat 1 zum Bonden von Vorrichtungen wird eine untere Elektrode der Vorrichtung 7 im Zustand der Anbringung an der Lötschicht 5, die dem Substrat 1 zum Bonden von Vorrichtungen entspricht, erwärmt, beispielsweise in einer Luftatmosphäre bei 300°C durch Lampenheizung oder dergleichen, so dass das Lötmittel, das die Lötschicht 5 bildet, schmilzt. Dadurch kontaktiert das Lötmittel die untere Elektrode der Vorrichtung 7, um einen sogenannten Nasszustand zu erzeugen. Wenn das Erwärmen beendet ist, verfestigt sich das Lötmittel, das die Lötschicht 5 bildet, durch Abkühlen auf Zimmertemperatur, was zu einer Lötverbindung führt.
11 ist ein Graph, der schematisch ein Zeitdiagramm zeigt, das bei der Erfindung für das Bonden einer Vorrichtung 7 an einer Lötschicht 5 verwendet wird. In der Figur repräsentiert die Abszissenachse die Zeit, während die Ordinatenachse die Temperatur repräsentiert.
Wie in 11 gezeigt ist, ist dies ein Verfahren, nach dem eine Lötschicht 5 und eine Vorrichtung 7 einzeln erwärmt werden, die Vorrichtung 7 an der Lötschicht 5 angebracht wird, sobald die Lötschicht 5 eine Lötverbindungstemperatur T₂ erreicht, und mit einem Presswerkzeug 22 gepresst wird, bis die Temperatur der Lötschicht 5 abzusinken beginnt. In diesem Fall kann auf Grund dessen, dass Fehler der Verbindung zwischen einer Vorrichtung 7 und einer Lötschicht 5 auch bei verkürzter Presszeit der Vorrichtung 7 reduziert werden können, das Lötbonden mit einer einfachen Vorrichtung ausgeführt werden. Ferner kann die Produktivität der Herstellung von Substraten zum Bonden von Vorrichtungen verbessert werden.
Entsprechend dem erfindungsgemäßen Substrat zum Bonden von Vorrichtungen ist auf Grund dessen, dass das Lötmittel, das die Lötschicht 5 bildet, durch die oben erwähnte Wärmebehandlung in einem stabilen Zustand ist, die Anfangshaftfestigkeit nach Abkühlung auf Zimmertemperatur hoch und stabil. Daher ist die Lötverbindung einer Vorrichtung 7 fest ausgeführt. Da die Haftfestigkeit hinreichend hoch ist, wird ein Lötfehler beim Anbringen der Vorrichtung 7 verhindert. Die Ausbeute der Vorrichtungsanbringung wird erhöht, d. h. Verbindungsfehler werden verringert.
Zu den vorliegenden Ausführungsformen wurde erläutert, dass die Vorrichtung 7 gebondet wird, nachdem das Substrat 1 zum Bonden von Vorrichtungen, bei dem die Lötschicht 5 in einer Reduktionsgasatmosphäre wärmebehandelt wird, geteilt wurde. Hier kann, also nicht auf diesen Fall beschränkt, beim Vorrichtungsbonden die Wärmebehandlung in einer Reduktionsgasatmosphäre nach der Teilung des Substrats 1 zum Bonden von Vorrichtungen mit einer darauf gebildeten Lötschicht 5 ausgeführt werden, gefolgt von dem Bonden einer Vorrichtung 7.
Das Substrat 1 zum Bonden von Vorrichtungen kann als einseitiges Substrat gebildet sein, oder es können eine Elektrodenschicht 4b und eine Lötschicht 5b nicht nur auf einer Seite der Oberfläche des Substrats 2, sondern auch auf seiner Rückseite angeordnet sein. Außerdem kann nach Bedarf eine Haftschicht 3 zwischen eine Elektrodenschicht 4 und eine Lötschicht 5 eingefügt sein.
Beispiel 1
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert.
Zuerst wird ein Beispiel erläutert, das einen Subträger 1 für ein Verfahren zum Herstellen eines Substrats 1 zum Bonden von Vorrichtungen, betrifft.
Durch Reinigen beider Seiten eines aus AIN gebildeten Substrats 2 wurde eine Oberflächenreinigung ausgeführt. Danach wurden durch Aufdampfen im Vakuum eine Ti-Haftschicht 3 mit einer Dicke von 0,05 μm auf der Oberfläche des Substrats 2, eine aus 0,2 μm dickem Pt und 0,5 μm dickem Au gebildete Elektrodenschicht 4 auf der Haftschicht 3 und eine Lötschicht 5 mit einer Dicke von 3 μm und einem Zusammensetzungsverhältnis Au:Sn = 70:30 (Gewichtsverhältnis) auf einem Teil der Elektrodenschicht 4 gebildet. Die Schichtbildungsbedingungen waren, dass das Vakuum 1 × 10^–4 Pa entsprach und die Temperatur 80°C betrug.
Die Lötschicht 5 des so bearbeiteten Substrats 2 wurde in einer Reduktionsgasatmosphäre mit einer Wasserstoffkonzentration von 95% für 10 Stunden bei 220°C, also einer Temperatur, die niedriger war als die eutektische Reaktionstemperatur von 278°C, wärmebehandelt. Aus dem so bearbeiteten Substrat 2 wurde der Subträger 1 des Beispiels 1 hergestellt. Als Nächstes wurde ein Bandabschältest ausgeführt, um die Haftfestigkeit der Lötschicht 5 des Subträgers 1 zu messen.
Der Subträger 1, bei dem sich die Lötschicht in einem Bandabschältest nicht abschälte, wurde mit einer Sägevorrichtung zu der vorgegebenen Form zugeschnitten. Auf den zugeschnittenen Subträger 1 wurde eine Leuchtdiode 7 gelötet. Genauer wurde die Lötschicht 5 des Subträgers 1 in einer Luftatmosphäre durch Lampen erwärmt. Dabei betrug die Rate des Temperaturanstiegs 2°C/s, bis die Temperatur der Lötschicht 5 von 240°C auf 300°C angestiegen war. Anschließend, nachdem die Temperatur der Lötschicht 5 300°C erreicht hatte, wurde die Verbindungsseite einer Leuchtdiode 7, die zuvor auf 150°C erwärmt wurde, mit der Lötschicht 5 in Kontakt gebracht und ein Druck von 2 N (Newton) auf die Leuchtdiode 7 aufgebracht, um sie an die Lötschicht 5 zu drücken, der für 10 Sekunden aufrechterhalten wurde. Danach wurde der Druck auf die Leuchtdiode 7 weggenommen und die Leuchtdiode 7 mit 2°C/s auf 240°C abkühlt, um sie zu verlöten (siehe 10). Hier ist der Bandabschältest dasselbe Verfahren, wie es zur Messung der Haftfestigkeit von Metallen allgemein angewandt wird, wobei zum Bewerten des Abschälens ein Band mit einer bestimmten Haftfähigkeit verwendet wird.
Beispiel 2
Als Beispiel 2 wurde ein Subträger 1 hergestellt, dessen Lötschicht 5 wie im Beispiel 1 wärmebehandelt wurde, jedoch betrug die Wärmebehandlungstemperatur diesmal 250°C. Nachdem ein Bandabschältest ausgeführt war, wurde eine Leuchtdiode 7 bei 300°C auf die Lötschicht 5 des Subträgers 1 gebondet, die keinen Abschälfehler aufwies. Das Verfahren des Bondens der Leuchtdiode 7 war dasselbe wie im Beispiel 1.
Beispiel 3
Als Beispiel 3 wurde ein Subträger 1 hergestellt, dessen Lötschicht 5 wie im Beispiel 1 wärmebehandelt wurde, jedoch betrug die Wärmebehandlungstemperatur diesmal 180°C. Nachdem ein Bandabschältest ausgeführt war, wurde eine Leuchtdiode 7 bei 300°C auf die Lötschicht 5 des Subträgers 1 gebondet, die keinen Abschälfehler aufwies. Das Verfahren des Bondens der Leuchtdiode 7 war dasselbe wie im Beispiel 1.
Beispiel 4
Als Beispiel 4 wurde ein Subträger 1 hergestellt, dessen Lötschicht 5 wie im Beispiel 1 wärmebehandelt wurde, jedoch betrug die Wärmebehandlungstemperatur diesmal 200°C. Nachdem ein Bandabschältest ausgeführt war, wurde eine Leuchtdiode 7 bei 300°C auf die Lötschicht 5 des Subträgers 1 gebondet, die keinen Abschälfehler aufwies. Das Verfahren des Bondens der Leuchtdiode 7 war dasselbe wie im Beispiel 1.
Als Nächstes werden Vergleichsbeispiele erläutert.
(Vergleichsbeispiel 1)
Ein Subträger des Vergleichsbeispiels 1 wurde wie im Beispiel 1 hergestellt, jedoch betrug die Wärmebehandlungstemperatur der Lötschicht 5 120°C. Nachdem ein Bandabschältest ausgeführt war, wurde eine Leuchtdiode 7 bei 300°C auf die Lötschicht des Subträgers gebondet, die keinen Abschälfehler aufwies. Das Verfahren des Bondens der Leuchtdiode 7 war dasselbe wie im Beispiel 1.
(Vergleichsbeispiel 2)
Ein Subträger des Vergleichsbeispiels 2 wurde wie im Beispiel 1 hergestellt, jedoch betrug die Wärmebehandlungstemperatur der Lötschicht 5 150°C. Nachdem ein Bandabschältest ausgeführt war, wurde eine Leuchtdiode 7 bei 300°C auf die Lötschicht des Subträgers gebondet, die keinen Abschälfehler aufwies. Das Verfahren des Bondens der Leuchtdiode 7 war dasselbe wie im Beispiel 1.
(Vergleichsbeispiel 3)
Ein Subträger des Vergleichsbeispiels 3 wurde wie im Beispiel 1 hergestellt, jedoch betrug die Wärmebehandlungstemperatur der Lötschicht 5 280°C, d. h., dass die Lötschicht geschmolzen wurde. Nachdem ein Bandabschältest ausgeführt war, wurde eine Leuchtdiode 7 bei 300°C auf die Lötschicht des Subträgers gebondet, die keinen Abschälfehler aufwies. Das Verfahren des Bondens der Leuchtdiode 7 war dasselbe wie im Beispiel 1.
Um die Haftfestigkeit einer Leuchtdiode 7 an einer Lötschicht 5 zu untersuchen, wurde zunächst ein Abschertest (shear test) ausgeführt und die so genannte Chip-Scherfestigkeit gemessen. Der Abschertest wurde in Entsprechung mit dem MIL-Standard (MIL-STD-883C, Methode 2019.4) ausgeführt. Die Anzahl N betrug 100 für jede Bedingung. Die Chip-Scherfestigkeit wurde als Mittelwert erhalten. Die Haftfestigkeit wurde mit einem Scherprüfgerät gemessen. Genauer wurde ein Scherwerkzeug in horizontaler Richtung an die zur Verbindungsseite des Chips der Leuchtdiode 7 senkrechte Seite angesetzt, wobei dann, wenn das Scherwerkzeug nach dem (als Ursprung definierten) Kontakt mit dem Chip der Leuchtdiode 7 in der horizontalen Richtung bewegt wurde, die von dem Chip der Leuchtdiode 7 aufgenommene Last (kg) und die Ablenkung (m) von der relativen Bewegung der Leuchtdiode 7 gemessen wurde. Die Haftfestigkeit τ (Pa) wurde durch die folgende Beziehung (3) aus der Last und der Ablenkung, die durch Messung erhalten wurden, berechnet. Haftfestigkeit τ = Last (kg) × Erdbeschleunigung (m/s2)/Scherfläche (m2) (3)
Hierbei ist die Scherfläche die Fläche jener Seite, die durch Löten gebondet werden soll, d. h. die untere Seite (300 μm × 300 μm) der Leuchtdiode 7. Die Scherlänge in Scherrichtung ist die 300 μm betragende Länge in der zur Chip-Seite der Leuchtdiode 7 senkrechten Richtung.

Die Tabelle 1 zeigt jeweils den Mittelwert von 100 durch einen Abschertest für die gebondeten Leuchtdiodenchips bei verschiedenen Wärmebehandlungstemperaturen des Subträgers 1 aus den Beispielen 1–4 und den Vergleichsbeispielen 1–3 gemessenen Chip-Scherfestigkeiten. [Tabelle 1]

	Lötschicht-Wärmebehandlungstemperatur (°C)	Chip-Scherfestigkeit (MPa) (Wärmebehandlung: 10 Stunden)
Beispiel 1	220	34,1
Beispiel 2	250	31,3
Beispiel 3	180	30,2
Beispiel 4	200	31,5
Vergleichsbeispiel 1	120	23,5
Vergleichsbeispiel 2	150	24,5
Vergleichsbeispiel 3	280	12,6

Wie aus der Tabelle 1 hervorgeht, betragen die Chip-Scherfestigkeiten des Subträgers 1 aus den Beispielen 1–4 34,1 MPa, 31,3 MPa, 30,2 MPa bzw. 31,5 MPa. was zeigt, dass eine Chip-Scherfestigkeit von mindestens 30 MPa für den für 10 Stunden wärmebehandelten Subträger 1 erzielt worden ist.
Andererseits war die Chip-Scherfestigkeit 23,5 MPa bei dem Subträger aus dem Vergleichsbeispiel 1, wo die Wärmebehandlungstemperatur 120°C betrug. Die Chip-Scherfestigkeit war 24,5 MPa bei dem Subträger aus dem Vergleichsbeispiel 2, wo die Wärmebehandlungstemperatur 150°C betrug. Die Chip-Scherfestigkeit war 12,6 MPa bei dem Subträger aus dem Vergleichsbeispiel 3, wo die Wärmebehandlungstemperatur 280°C betrug.
Wie anhand dieser Ergebnisse deutlich wird, kann durch ein Bonding-Verfahren mit einer kurzen Presszeit durch eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur, die höher als 150°C und niedriger als die eutektische Reaktionstemperatur der Lötschicht 5 in einer Reduktionsgasatmosphäre wie bei dem Subträger 1 aus den Beispielen 1–4 eine Anfangshaftfestigkeit von mindestens 30 MPa als Haftfestigkeit erzielt werden. Da außerdem die Wärmebehandlung vor dem Anbringen einer Vorrichtung 7 ausgeführt wird, wird diese durch Wärme nicht beeinträchtigt. Ferner ist die Wärmebelastung für die Vorrichtung 7 beim Bonden geringer, wodurch sich eine höhere Zuverlässigkeit ergibt.
Beispiel 5
Der Subträger 1 des Beispiels 5 wurde wie im Beispiel 1 mit der wärmebehandelten Lötschicht 5 hergestellt, jedoch wurde eine 0,2 μm dicke Pt-Schicht zwischen eine Au-Elektrodenschicht 4 und die Lötschicht 5 eingefügt und die Wärmebehandlung für 12 Stunden bei 220°C ausgeführt. Nachdem ein Bandabschältest ausgeführt war, wurde eine Leuchtdiode 7 bei 300°C auf die Lötschicht 5 des Subträgers 1 gebondet, die keinen Abschälfehler aufwies. Das Bonden der Leuchtdiode 7 war dasselbe wie im Beispiel 1.
Beispiel 6
Ein Subträger 1 des Beispiels 6 wurde wie im Beispiel 5 hergestellt, jedoch wurde die Wärmebehandlung der Lötschicht 5 in einer Atmosphäre mit 95% Kohlenmonoxid (CO) ausgeführt. Nachdem ein Bandabschältest ausgeführt war, wurde eine Leuchtdiode 7 bei 300°C auf die Lötschicht 5 des Subträgers 1 gebondet, die keinen Abschälfehler aufwies. Das Bonden der Leuchtdiode 7 war dasselbe wie im Beispiel 1.
(Vergleichsbeispiel 4)
Ein Subträger des Vergleichsbeispiels 4 wurde wie im Beispiel 5 hergestellt, jedoch wurde die Wärmebehandlung der Lötschicht 5 in einer Luftatmosphäre ausgeführt. Nachdem ein Bandabschältest ausgeführt war, wurde eine Leuchtdiode 7 bei 300°C auf die Lötschicht 5 des Subträgers gebondet, die keinen Abschälfehler aufwies. Das Bonden der Leuchtdiode 7 war dasselbe wie im Beispiel 1.
(Vergleichsbeispiel 5)
Ein Subträger des Vergleichsbeispiels 5 wurde wie im Beispiel 5 hergestellt, jedoch wurde keine Wärmebehandlung der Lötschicht 5 ausgeführt. Nachdem ein Bandabschältest ausgeführt war, wurde eine Leuchtdiode 7 bei 300°C auf die Lötschicht 5 des Subträgers gebondet, die keinen Abschälfehler aufwies. Das Bonden der Leuchtdiode 7 war dasselbe wie im Beispiel 1.
12 ist ein Röntgenstrahlen-Beugungsprofil einer Lötschicht vor dem Bonden einer Leuchtdiode 7 an dem Subträger aus dem Vergleichsbeispiel 5 und dem Beispiel 5, d. h. vor dem Schmelzen einer Lötschicht, wobei (A) den Zeitpunkt unmittelbar nach dem Schichtbilden durch Aufdampfen einer Lötschicht in dem Vergleichsbeispiel 5 wiedergibt und (B) den Zeitpunkt nach der Wärmebehandlung einer Lötschicht in dem Beispiel 5 wiedergibt. In 12 repräsentiert die Ordinatenachse die Röntgenstrahlen-Beugungsstärke (in einer willkürlich gewählten Einheit), während die Abszissenachse einen Winkel (°) repräsentiert, der dem Zweifachen des Einfallwinkels θ der Röntgenstrahlen auf die Atomebene entspricht. Die Röntgenstrahlen-Beugungsvorrichtung (Rigaku Corporation, RINT-2500) betreffend war die Röntgenstrahlenquelle Cu und betrug die Elektronenbeschleunigungsspannung 30 kV. Die Oberfläche der Lötschicht 5 für die Röntgenstrahlen-Beugung war die Verbindungsseite für eine Vorrichtung 7. Wie aus den 12(A) und 12(B) ersichtlich ist, ist im Beispiel 5, in dem eine Wärmebehandlung an der Lötschicht 5 ausgeführt wurde, die Au₅Sn-Phasenbeugungsstärke höher als in dem Vergleichsbeispiel 5, in dem keine Wärmebehandlung an der Lötschicht ausgeführt wurde. Das Röntgenstrahlen-Beugungsprofil wurde für die Proben des Beispiels 6 und des Vergleichsbeispiels 4 ähnlich wie in dem Beispiel 5 erhalten.
13 ist eine Ansicht, die ein Raster-Elektronenmikroskop-Bild eines Querschnitts der Lötschicht vor dem Schmelzen, d. h. vor der Wärmebehandlung, bei dem Subträger aus dem Beispiel 5 zeigt. Die Elektronenbeschleunigungsspannung betrug 15 kV, und die Vergrößerung war 10.000.
Wie 13 zeigt, wurde in einem Abschnitt der Lötschicht 5 unmittelbar nach dem Aufdampfen der Lötschicht eine Teilchenabsonderung beobachtet, woraus sich schließen lässt, dass jede Phase auf einen Umfang in Nanometergrößenordnung lokalisiert ist. Außerdem zeigt 13(A), dass sich sowohl für die AuSn-Phase als auch für die Au₅Sn-Phase unmittelbar nach dem Aufdampfen eine Teilchenverteilung herausbildete. Der Querschnitt der Lötschicht 5 in dem Vergleichsbeispiel 4, in dem keine Wärmebehandlung an der Lötschicht ausgeführt wurde, glich dem Querschnitt der Lötschicht 5 vor der Wärmebehandlung bei dem Subträger aus dem Beispiel 5.
14 ist eine Ansicht, die ein Raster-Elektronenmikroskop-Bild eines Querschnitts der Lötschicht des Subträgers 1 aus dem Beispiel 5 zeigt. Die Beobachtungsbedingungen waren dieselben wie bei 13. Aus 14 ist zu erkennen, dass die Lötschicht 5 nach einer Wärmebehandlung für 12 Stunden bei 220°C in zwei Schichten getrennt war. Bei einem Vergleich mit dem in 12(B) gezeigten Röntgenstrahlen-Beugungsergebnis ist zu erkennen, dass die Au₅Sn-Phase in laminarer Weise auf der Oberfläche 5c wie der Vorrichtungsverbindungsseite der Lötschicht 5 gebildet wurde und die AuSn-Phase auf der Substrat-2-Seite der Lötschicht, d. h. der unteren Schicht 5d, gebildet wurde.
15 ist eine Ansicht, die ein Raster-Elektronenmikroskop-Bild eines Querschnitts der Lötschicht des Subträgers 1 aus dem Beispiel 5 nach der Wärmebehandlung, dem Schmelzen bei 300°C und dem anschließenden Verfestigen zeigt. Die Beobachtungsbedingungen waren dieselben wie bei 13. Aus 15 ist zu erkennen, dass das Lötmittel nach dem Schmelzen einen stabilen Zustand beibehielt, da die Lötschicht 5 nach ihrer Wärmebehandlung am Querschnitt, nach ihrem Schmelzen bei 300°C und nach ihrem Verfestigen in zwei Schichten phasenentmischt war. Auch in dem Beispiel 6 und dem Vergleichsbeispiel 4 wurde die Lötschicht 5 wie im Beispiel 5 durch die Wärmebehandlung in zwei Schichten phasenentmischt.
16 ist eine Ansicht, die ein Raster-Elektronenmikroskop-Bild eines Querschnitts der Lötschicht des Subträgers 1 aus dem Vergleichsbeispiel 5 nach dem Schmelzen bei 300°C und dem anschließenden Verfestigen zeigt. Die Beobachtungsbedingungen waren dieselben wie bei 13. Wie aus 16 deutlich wird, bildeten sich an dem Querschnitt nach dem Schmelzen bei 300°C und dem anschließenden Verfestigen ohne Wärmebehandlung zwei Phasen heraus, eine AuSn-Phase und eine Au₅Sn-Phase, jedoch konnte in dem unteren Abschnitt der Lötschicht 5 vorhandenes AuSn festgestellt werden, das lokal aus der Oberfläche der Lötschicht austrat, woraus zu ersehen war, dass sich die beiden Phasen in einem schichtenweisen Zustand befanden, in dem keine Phasenentmischung stattfand.
Aus den Röntgenstrahlen-Beugungsprofilen und den Raster-Elektronenmikroskop-Photographien eines Querschnitts laut dem Beispiel 5 und dem Vergleichsbeispiel 5 oben ist zu erkennen, dass der Phasenzustand der auf einem Substrat durch Aufdampfen gebildeten Lötschicht 5 derart ist, dass sowohl die AuSn-Phase als auch die Au₅Sn-Phase in einer Teilchenweise verteilt sind. Es ist außerdem zu sehen, dass die Lötschicht 5 selbst unmittelbar nach ihrem Schmelzen und Verfestigen nicht in einem Gleichgewichtszustand ist. Wie andererseits aus 14 hervorgeht, ist die auf einem Substrat gebildete und danach wärmebehandelte Lötschicht 5 in zwei Schichten mit unterschiedlichen Phasenzuständen und nach ihrem Schmelzen und Verfestigen auch in laminarer Weise getrennt. Somit ist zu erkennen, dass durch Wärmebehandlung Schichten mit unterschiedlichen Phasen in der Lötschicht 5 getrennt werden und dass jede Phase im Gleichgewichtszustand ist. Da ein ähnlicher Phasenzustand, eine laminare Struktur, nach dem Schmelzen und Verfestigen beibehalten wird, ist ersichtlich, dass die obere Schicht 5c als Vorrichtungsverbindungsseite der Lötschicht 5 schmilzt.

Für ein Subträgersubstrat 1 und eine Vorrichtung 7 in der Lötschicht 5 nach den Beispielen 5 und 6 und den Vergleichsbeispielen 4 und 5 wurden die Haftfestigkeiten gemessen. In der Tabelle 2 sind der jeweilige Mittelwert der Chip-Scherfestigkeiten als Haftfestigkeit zwischen einem Subträgersubstrat 1 und einer Vorrichtung 7 sowie die Bonding-Fehlerraten als Verhältnis von 20 MPa oder darunter hinsichtlich der Bonding- bzw. Haftfestigkeiten gezeigt. [Tabelle 2]

	Wärmebehandlungsatmosphäre	Bonding-Fehlerrate (%)	Chip-Scherfestigkeit (MPa)	Lötschicht-Oberflächen-Sauerstoffkonzentration (Atom-%)	Lötschicht-Oberflächen-Kohlenstoffkonzentration (Atom-%)	Leuchtdioden-Lebensdauerverhältnis (%)
Beispiel 5	H₂ (95%)	0	34,1	23,7	6,4	100
Beispiel 6	CO (95%)	5	30,1	26,6	8,3	95
Vergl.beispiel 4	Luft	25	23,5	39,3	13,5	83
Vergl.beispiel 5	keine	60	18,1	-	-	-

Wie aus der Tabelle 2 ersichtlich ist, betrug bei dem Subträger 1 mit einer wärmebehandelten Lötschicht 5 aus den Beispielen 5 und 6 und dem Vergleichsbeispiel 4 die Bonding-Fehlerrate 0%, 5% bzw. 25%, was verglichen mit den 80% als Bonding-Fehlerrate aus dem Vergleichsbeispiel 5 ohne Wärmebehandlung ein deutlicher niedrigerer Wert ist. Speziell betrugen die Bonding-Fehlerraten eines Subträgers 1 und einer Leuchtdiode 7 in einer Lötschicht nach den Beispielen 5 und 6, bei denen eine Wärmebehandlung in einer Reduktionsatmosphäre ausgeführt wurde, 0% bzw. 5% und waren somit weit niedrigere Werte als die 25% als Bonding-Fehlerrate nach dem Vergleichsbeispiel 4, bei dem eine Wärmebehandlung in einer Luftatmosphäre ausgeführt wurde. Die Lötschicht-Haftfestigkeiten aus den Beispielen 5 und 6 betrugen 34,1 MPa bzw. 30,1 MPa, wobei die Anfangshaftfestigkeit mindestens 30 MPa betrug, was einen höheren Wert als die 23,5 MPa als Haftfestigkeit aus dem Vergleichsbeispiel 4, bei dem die Wärmebehandlung in einer Luftatmosphäre ausgeführt wurde, aufzeigte.
Für die Subträger aus den Beispielen 5 und 6 und dem Vergleichsbeispiel 4 wurde nach der Lötschicht-Wärmebehandlung und vor dem Bonden der Leuchtdiode die Sauerstoffkonzentration an einer Lötschichtoberfläche unter Verwendung einer Röntgenstrahlen-Photoelektronenspektroskopievorrichtung (ESCA) gemessen.
Die Oberflächen-Sauerstoff- und -Kohlenstoffkonzentrationen der Lötschicht 5, die in der Tabelle 2 gezeigt sind, sind Werte von Sauerstoff- und Kohlenstoffkonzentrationen an der äußersten Schichtoberfläche der Lötschicht 5, die vor dem Bonden einer Leuchtdiode 7, jedoch nach der Wärmebehandlung der Lötschicht 5 an den Subträgern 1 aus den Beispielen 5 und 6 und dem Vergleichsbeispiel 4 mit einer Röntgenstrahlen-Photoelektronenspektroskopievorrichtung (ESCA, JEOL, JPS-9000MC) gemessen wurden. Als Röntgenstrahlenquelle wurde die Mangan-Kα-Linie verwendet, wobei die Elektronenbeschleunigungsbedingungen bei der Röntgenstrahlenquelle 10 kV als Spannung und 20 mA als elektrischer Strom lauteten. Daten wurden als kumulativer Wert von fünf Abtastungen erhalten. Die Datenanalyse umfasste zunächst die Subtraktion des Hintergrunds, das Glätten und das anschließende Korrigieren der relativen Empfindlichkeit und das Berechnen von Spitzenbereichen, worauf die auf den Zinnspitzenbereich normierten Atomkonzentrationen von Sauerstoff und Kohlenstoff erhalten wurden.
Die Sauerstoff-Atomkonzentrationen im Verhältnis zur Zinnkonzentration an der Oberfläche der Lötschicht 5 in den Beispielen 5 und 6 und dem Vergleichsbeispiel 4 betrugen 23,7%, 26,6% bzw. 39,3%. Somit ist ersichtlich, dass durch Wärmebehandlung in einer Reduktionsgasatmosphäre die Sauerstoffkonzentration an der Lötschichtoberfläche reduziert wurde. Ähnlich betrugen die Kohlenstoff-Atomkonzentrationen im Verhältnis zur Zinnkonzentration an der Oberfläche der Lötschicht 5 in den Beispielen 5 und 6 und dem Vergleichsbeispiel 4 6,4%, 8,3% bzw. 13,5% und zeigten eine ähnliche Tendenz wie die Sauerstoffkonzentration auf.
Aus dem Obigen ist ersichtlich, dass durch Wärmebehandlung der Lötschicht in einer Reduktionsgasatmosphäre vor dem Lötbonden auch bei Kurzzeit-Lötbonden das Bonden mit einer hohen Anfangshaftfestigkeit einer Leuchtdiode 7 an einer Lötschicht 5 möglich ist, wodurch außerdem der Ertrag erhöht werden kann.
Hierbei kann die Lötschicht 5 in zwei Schichten mit unterschiedlichen Phasen getrennt werden und können die Sauerstoff- und Kohlenstoffkonzentrationen an der Oberfläche der Lötschicht 5c durch Wärmebehandlung der Lötschicht 5 in einer Reduktionsgasatmosphäre vor dem Bonden einer Leuchtdiode 7 reduziert werden. Bei einem solchen Lötbonden mittels der Lötschicht 5 ist erkennbar, dass das Bonden mit einer hohen Anfangshaftfestigkeit zwischen einer Leuchtdiode 7 und einer Lötschicht 5 möglich ist und der Ertrag auch durch ein Verfahren des Lötbondens, nach dem eine Leuchtdiode 7 mit der Lötschicht 5 in Kontakt gebracht wird, nachdem diese geschmolzen war und danach verfestigt wird, gesteigert werden kann.
Als Nächstes wurde für die an dem Subträger 1 aus den Beispielen 5 und 6 und dem Vergleichsbeispiel 4 angebrachte Leuchtdiode 7 ein Wärmezyklustest ausgeführt. Der Wärmezyklustest war derart, dass die Rückseite des Subträgers 1 gleichzeitig mit dem Bonden der Leuchtdiode mit einem TO-18-Gehäuse verlötet wurde. Es wurde ein ETAC-Wärmezyklus-Prüfgerät (Modell NT510) verwendet, wobei eine Zyklusbedingung 15 Minuten bei 150°C und 15 Minuten bei –65°C lautete, wobei dies wiederholt wurde. Hierbei flossen in der Leuchtdiode ständig 150 mA. In der Tabelle 2 ist für den Subträger 1 aus den Beispielen 5 und 6 und dem Vergleichsbeispiel 4 das Verhältnis des Nichtauftretens eines elektrischen Fehlers bei der Leuchtdiode nach einem 50-Wärmezyklen-Test, d. h. das Lebensdauerverhältnis (%) der Leuchtdiode als Verhältnis der Nichtverschlechterung der Lichtemission der Leuchtdiode 7 gezeigt.
Wie aus der Tabelle 2 ersichtlich ist, betrugen die Lebensdauerverhältnisse von Leuchtdioden 7 nach einem Wärmezyklustest in den Beispielen 5 und 6, bei denen eine Wärmebehandlung in einer Reduktionsgasatmosphäre ausgeführt wurde, 100% bzw. 95%, also mehr als die 68% nach einem Wärmezyklustest in dem Vergleichsbeispiel 4, bei dem eine Wärmebehandlung in einer Luftatmosphäre ausgeführt wurde.
Aus den obigen Beispielen ist erkennbar, dass auch dann, wenn die Presszeit beim Bonden einer Vorrichtung an einem Substrat kürzer gehalten ist, die Lötschicht in Phasen mit unterschiedlichem Phasenzustand getrennt werden kann, die Sauerstoff- und Kohlenstoffkonzentrationen auf der Vorrichtungsverbindungsseite der Lötschicht reduziert werden können und außerdem die Anfangshaftfestigkeit gesteigert werden kann und ein hoch zuverlässiges Bonden möglich ist.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen wurde der Fall erläutert, in dem eine Leuchtdiode 7 als Vorrichtung angebracht wurde, jedoch ist die Erfindung nicht darauf begrenzt. Sie ist auf beliebige Vorrichtungen wie etwa Halbleitervorrichtungen mit einer Elektrode oder Schaltungsteilen auf der Rückseite anwendbar. Auch sind verschiedene Abänderungen an der Erfindung, die in den Ansprüchen dargelegt sind, möglich, wobei solche Abänderungen selbstverständlich ebenso durch die Ansprüche umfasst sind. Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen ist ein Substrat 2 aus AIN als Keramikmaterial gebildet, jedoch ist dies nicht als Einschränkung auszulegen. Es können andere Materialien verwendet werden. Ferner können Muster für die Elektrodenschichten 4 und 13 oder die Lötschichten 5 und 14 so entworfen sein, dass sich eine Schaltungsgestaltung entsprechend dem gewünschten Zweck ergibt.

1, 10, 10a: Substrat zum Bonden von Vorrichtungen (Subträger)
2: Substrat
3: Haftschicht
4, 13: Elektrodenschicht
5, 5a, 5b, 14: Lötschicht
5c: Lötschicht auf einer Vorrichtungsverbindungsseite (Au₅Sn)
5d: Lötschicht auf einer Substratverbindungsseite (AuSn)
5e: Flüssigphase
5f: Phase bei Hochschmelzbeginntemperatur
7, 15: Halbleitervorrichtung (Vorrichtung)
11: Metallsubstrat
12: Keramikschicht (Keramik-Dünnschicht)
15a: Untere Halbleitervorrichtungselektrode
15b: Obere Halbleitervorrichtungselektrode
16: Golddraht
22: Presswerkzeug

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

- [Nicht-Patent-Referenz 1] V. SIMIC und Z. MARINKOVIC, "Thin film interdiffusion of Au and Sn at room temperature", J. Less-Common Metals, 51, S. 177–179, 1977 [0006]
- [Nicht-Patent-Referenz 2] J-H. Kuang and 5 andere, "Effect of Temperature Cycling an Joint Strength of PbSn and AuSn Solders in Laser Packages", IEEE Trans., Adv. Pack, Bd. 24, Nr. 4, S. 563–568, 2001 [0006]
- [Nicht-Patent-Referenz 3] Kenji YAMAGUCHI und 3 andere, "Study of Au/Sn Bonding in Manufacture of Interpitch Multilayered Lead Frame (1)" (japanisch), Abstracts of National Meeting of Japan Welding Society, Bd. 49, S. 410–411, September, 1991 [0006]
- [Nicht-Patent-Referenz 4] "Metal Databook", herausgegeben durch The Japan Institute of Metals, 3. Ausgabe, Maruzen, 25. März 1993, S. 410 [0006]
- [Nicht-Patent-Referenz 5] O. Kubachewski u. a., "Materials Thermochemistry", 6. Ausgabe, Pergamon Press, S. 258–323 (Tabelle 1), 1993 [0006]
- [Nicht-Patent-Referenz 6] O. Kubachewski u. a., "Metallurgical Thermochemistry", 5. Ausgabe, Pergamon Press, S. 268–323 (Tabelle A), 1979 [0006]

Claims

Lötschicht (5, 5a, 5b; 14), die frei von Blei und auf einem Substrat (2) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötschicht (5, 5a, 5b; 14) aus mehreren Schichten (5c, 5d) mit voneinander verschiedenen Phasen besteht, wobei die Sauerstoffkonzentration an der oberen Oberfläche der mehreren Schichten (5c, 5d) weniger als 30 Atom-% der Konzentration jener Metallkomponente beträgt, die unter den die obere Schicht (5c) bildenden Metallkomponenten am stärksten oxidiert.
Lötschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffkonzentration der oberen Oberfläche der Lötschicht (5, 5a, 5b; 14) weniger als 10 Atom-% der Konzentration jener Metallkomponente beträgt, die unter den die obere Schicht (5c) bildenden Metallkomponenten am stärksten oxidiert.
Lötschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötschicht (5, 5a, 5b; 14) eine Gold und Zinn oder Silber und Zinn umfassende Legierung als Hauptkomponente enthält, wobei das am stärksten oxidierende Metall Zinn ist.
Substrat (1; 10, 10a) zum Bonden von Vorrichtungen, das ein Substrat (2) und eine auf dem Substrat gebildete bleifreie Lötschicht (5, 5a, 5b; 14) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötschicht (5, 5a, 5b; 14) aus mehreren Schichten (5c, 5d) mit voneinander verschiedenen Phasen besteht, wobei die Sauerstoffkonzentration an der oberen Oberfläche der mehreren Schichten (5c, 5d) weniger als 30 Atom-% der Konzentration jener Metallkomponente beträgt, die unter den die obere Schicht (5c) bildenden Metallkomponenten am stärksten oxidiert.
Substrat (1; 10, 10a) zum Bonden von Vorrichtungen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffkonzentration an der oberen Oberfläche der Lötschicht (5, 5a, 5b; 14) weniger als 10 Atom-% der Konzentration jener Metallkomponente beträgt, die unter den die obere Schicht (5c) bildenden Metallkomponenten am stärksten oxidiert.
Substrat (1; 10, 10a) zum Bonden von Vorrichtungen nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötschicht (5, 5a, 5b; 14) eine Gold und Zinn oder Silber und Zinn umfassende Legierung als Hauptkomponente enthält, wobei das am stärksten oxidierende Metall Zinn ist.
Verfahren zum Herstellen eines Substrats (1; 10, 10a) zum Bonden von Vorrichtungen, das ein Substrat (2) und eine auf dem Substrat (2) gebildete bleifreie Lötschicht (5, 5a, 5b; 14) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Bilden einer Lötschicht (5, 5a, 5b; 14) auf dem Substrat (2) eine Wärmebehandlung in einer Reduktionsatmosphäre ausgeführt wird.
Verfahren zum Herstellen eines Substrats (1; 10, 10a) zum Bonden von Vorrichtungen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlungstemperatur höher als 150°C und niedriger als die eutektische Reaktionstemperatur ist.
Verfahren zum Herstellen eines Substrats (1; 10, 10a) zum Bonden von Vorrichtungen nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötschicht (5, 5a, 5b; 14) durch den Wärmebehandlungsprozess in mehrere Schichten (5c, 5d) getrennt wird, die aus einer Phase, die bei der eutektischen Reaktionstemperatur zu schmelzen beginnt, und einer Phase, die nicht bei der eutektischen Reaktionstemperatur zu schmelzen beginnt, gebildet ist.