DE10347622A1

DE10347622A1 - Substrat mit Lötpad zur Herstellung einer Lötverbindung

Info

Publication number: DE10347622A1
Application number: DE10347622A
Authority: DE
Inventors: Martin Reiss; Stephan Dr.-Ing. Blaszczak; Bernd Scheibe
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2003-10-09
Filing date: 2003-10-09
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2023-10-10
Also published as: DE10347622B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Substrat zur Herstellung einer Lötverbindung mit einem zweiten Substrat oder einem Chip, wobei das Substrat ein auf der Substratoberfläche angeordnetes Lötpad mit einer Oberseite, einer der Oberseite gegenüberliegenden Unterseite, an der das Lötpad mit dem Substrat verbunden ist, und zwischen den Flächen der Oberseite und der Unterseite liegende Begrenzungsflächen aufweist, wobei die Oberseite als elektrische Kontaktfläche ausgebildet ist, welche mit einer Lötkugel des zweiten Substrats oder des Chips verlötbar ist. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Substrat anzugeben, womit die Zuverlässigkeit von Lötverbindungen insbesondere von Ball-Grid-Arrays erhöht werden kann, indem die Haftung zwischen Lötpad und Lötkugel verbessert wird. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das Lötpad zusätzlich zu der elektrischen Kontaktfläche lötfähige Haftflächen aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Substrat zur Herstellung einer Lötverbindung mit einem zweiten Substrat oder einem Chip, wobei das Substrat ein auf der Substratoberfläche angeordnetes Lötpad mit einer Oberseite, einer der Oberseite gegenüberliegenden Unterseite, an der das Lötpad mit dem Substrat verbunden ist, und zwischen der Oberseitenfläche und der Unterseite liegende Begrenzungsflächen aufweist, wobei die
Oberseite als elektrische Kontaktfläche ausgebildet ist, welche mit einer Lötkugel des zweiten Substrats oder des Chips verlötbar ist.

Die elektrische Verbindung mittels Lötkugeln zwischen einem Substrat und einem Chip oder, beispielsweise bei der Integration eines substratbasierten Packages in ein PCB (Printed Circiut Board), zwischen dem Substrat des Moduls und einem zweiten Substrat, welches als Trägersubstrat für das substratbasierte Package dient, ist besonderem mechanischen Stresseintrag ausgesetzt. In beiden Fällen sind über die Lötverbindung entweder direkt oder über das zweite Substrat indirekt Materialien mit deutlich unterschiedlichem Ausdehnungsverhalten verbunden, einerseits das Silizium des Chips und andererseits beispielsweise das Kunstharz des Substrats. Daraus resultieren insbesondere bei betriebs- und prozessgenerierter Temperaturbelastung Normal- und Scherspannung, welche auf die Lötverbindung einwirken und zum Abreißen der einzelnen Verbindung bis zum Totalausfall des Packages führen können.

Dieses Problem wird bei matrixartig im Raster angeordneten Lötverbindungen, wie sie bei Ball-Grid-Arrays (BGA) vorhanden sind, durch die flächige Ausdehnung der Verbindung der verschiedenen Materialien besonders verstärkt. In derartigen Anordnungen kann es bereits während des Lötprozesses zur Verwölbung der Substrate und Bauteile klommen, was zu latenten Spannungszuständen innerhalb der Verbindung und zu einer weiteren Verschlechterung der Zuverlässigkeit der Lötverbindung führt.

Der Abriss der Lötverbindung erfolgt vornehmlich modulseitig zwischen dem Lötpad des Substrats des Moduls auf welches während der Herstellung der Lötverbindung eine Lötkugel aufgebracht wird (Landing-Pad) und der Lötkugel selbst.

Eine Möglichkeit, die Lötverbindung stressresistenter zu gestalten, ist der Einsatz größerer Lotmengen durch Vergrößerung der Lotkugeln, was jedoch die Gefahr birgt, dass durch vermehrten Lotausfluss während des Lötprozesses Kurzschlussbrücken gebildet oder die erforderlichen elektrischen Abstände nicht eingehalten werden und es zu elektrischen Überschlägen sowie zur Verbindungen zwischen benachbarter Lotkugeln oder zwischen Lotkugeln und benachbartem Leiter kommen kann. Dieser Effekt tritt besonders bei räumlich anspruchsvoller oder asymmetrischer Anordnung von rasterartigen Lötverbindungen auf.

In einigen Anwendungsfällen wird den modulseitigen Zuverlässigkeitsproblemen dadurch begegnet, dass die Anordnung der elektrischen Kontakte zwischen Substrat und dem Substrat des Moduls entsprechend der bei definierter Temperatur- oder mechanischer Belastung festgestellten Verteilung der ausgefallenen Kontakte angepasst wurde. Dies ist jedoch insbesondere infolge der immer kleiner werden Kontaktabstände (Pitches) nicht in dem erforderlichen Maße möglich und ebenso nicht auf chipseitige Lötverbindungen anwendbar.

Eine begrenzte Verringerung der auf die Lötverbindungen einwirkenden Stressmomente wurde durch Modifizierungen der Materialkombinationen bewirkt. Dies ist jedoch nur in den Grenzen möglich, welche die immer noch vorhandenen Materialpaarungen mit den entsprechend unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zulassen.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Substrat anzugeben, womit die Zuverlässigkeit von Lötverbindungen insbesondere von Ball-Grid-Arrays erhöht werden kann, indem die Haftung zwischen Lötpad und Lötkugel verbessert wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das Lötpad zusätzlich zu der elektrischen Kontaktfläche lötfähige Haftflächen aufweist. Diese Haftflächen dienen der zusätzlichen mechanischen Verbindung zwischen dem Lot und dem Lötpad innerhalb jeder einzelnen Lötverbindung, wodurch den meist auf jede Lötverbindung unterschiedlich einwirkenden mechanischen Spannungen unmittelbar entgegengewirkt wird.

Indem die Haftfläche darüber hinaus lötfähig ist, wird im Verlaufe des Lötprozesses eine widerstandsfähigere, strukturelle Verbindung zwischen dem Lot, welches auch die elektrische Verbindung bewirkt, und dem Lötpad hergestellt.

Die erfindungsgemäße Verbesserung der mechanischen Verbindung zwischen Lot und Lötpad durch zusätzliche Haftflächen, welche zudem nicht lediglich auf Haftung sondern auf einer festen Lötverbindung beruht, hat zum einen den Vorteil, dass sie unabhängig von weiteren Maßnahmen erfolgen kann, die zum Spannungsabbau den gesamten Chip oder das gesamte Package umfassend ergriffen werden, wie beispielsweise Kanten- und Rückseitenschutz durch Vergussmassen unterschiedlicher Eigenschaften oder Materialoptimierung der zu verbindenden Bestandteile.

Des Weiteren besteht ein anderer Vorteil darin, dass mit der Integration der beschriebenen zusätzlichen mechanischen Verbindung in die Lötverbindung keine wesentlich neuen Anforderungen an den Verbindungsaufbau und den Prozess des Lötens gestellt werden.

In weiterer besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird die mechanische Verbindung noch verstärkt, indem sich Lot und Lötpad im verlöteten Zustand gewissermaßen verhaken. Dafür wird zum einen das Lötpad so ausgestaltet, dass es zwischen seiner Oberseite und Unterseite sowie parallel zur Oberseite eine Querschnittsfläche aufweist, die kleiner ist als die Fläche der Oberseite.

Wird eine derartige Querschnittsfläche beispielsweise durch Verringerung des Umfangs der Oberseite erzeugt, entsteht eine Einschnürung des Lötpads in seiner vertikalen Ausdehnung. Das führt dazu, dass während des Lötvorganges das verflüssigte Lot teilweise unter die Oberseite des Pad fließt und im gehärteten Zustand untergreift. Außerdem führt eine derartige Einschnürung zu einer Vergrößerung der Haftfläche an sich und somit zu einer weiteren Verbesserung der mechanischen Verbindung.

Auch die Ausführung des Lötpads in der Weise, dass die Fläche der Unterseite kleiner ist als die Fläche der Oberseite, führt zu der beschriebenen Vergrößerung der Haftfläche und dem Verhaken von ausgehärtetem Lot und Lötpad. Da in dieser Ausführung das Lötpad beispielsweise bei kreisförmiger Ausführung die Form eines umgedrehten Kegelstumpfes aufweist, ist eine beträchtlichere Verringerung der Fläche der Unterseite gegenüber der Fläche der Oberseite möglich, als es bei einer Einschnürung der Fall ist.

Derartige Einschürungen oder in sonstiger Weise ausgeführte Unterschneidungen in der vertikalen Ausdehnung sind mit den bekannten und erprobten Verfahren zur Herstellung des Lötpads, insbesondere durch gezieltes Unterätzen mit entsprechend gestalteten Masken nach der Strukturierung der Substratmetallisierung oder durch zumindest einen weiteren Metallisierungsschritt, welcher zu einem weiteren Höhenwachstum und somit weiteren Vergrößerung der Haftflächen führt, realisierbar. Welche Ausführung zu Anwendung kommt, hängt vor allem von den Höhen ab, die im speziellen Schaltungsaufbau möglich sind.

Es ist entsprechend weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltungen auch möglich, dass die Haftflächen als strukturierte, seitliche Begrenzungsflächen des Lötpads ausgebildet sind. In diesem Fall sind die Haftflächen insbesondere entsprechend bestimmter, im jeweiligen Anwendungsfall speziell auftretender Wirkungsrichtungen der auf die Lötverbindung einwirkenden mechanischen Spannungen und nicht an die Form der Ober- oder Unterseite des Lötpads gebunden ausgeführt. Derartig gestaltete Haftflächen lassen insbesondere auch die Kombination mit weiteren Maßnahmen zur Verbesserung der Zuverlässigkeit der Lötverbindung, wie beispielsweise ein gezieltes Lötstoppmaskendesign zu.

Solche Strukturierungen der seitlichen Begrenzungsflächen des Lötpads schließt neben oder anstelle der Strukturierung der Form der zur Oberseite parallelen Querschnittsfläche auch eine Strukturierung in der vertikalen Ausdehnung ein, wie sie wie beschrieben beispielsweise durch zumindest einen zweiten Metallisierungsschritt möglich ist.

Wenn dabei die Strukturierung der Begrenzungsflächen des Lötpads als eine Unterschneidung des Lötpads ausgebildet ist, wie in einer anderen vorteilhaften Gestaltung des erfindungsgemäßen Substrats vorgesehen, können diese Vorteile mit den eingangs beschriebenen, durch Unterschneidungen erzielbaren kombiniert werden.

Deshalb sieht eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung vor, dass die Strukturierung der Begrenzungsflächen eine im Wesentlichen pilzartige Form des Lötpad bilden. In diesem Fall wird ein besonders ausgeprägtes Verhaken des Lots mit dem Lötpad erzielt.

Wenn entsprechend einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung das Substrat eine Lötstoppmaske aufweist und die Lötstoppmaske derart strukturiert ist, dass zwischen den Haftflächen und den diese umgebenden Umfassungsflächen der Öffnung des Lötstopplacks ein Spalt vorhanden ist, ist der Lotfluss während des Lötvorganges so zu begrenzen, dass das Lot zum einen das Lötpad und damit die in einer der beschriebenen Weisen gestalteten Haftflächen vollständig umfließt und andererseits die erforderlichen elektrischen Abstände zu benachbarten Leitungsbahnen oder Lötpads realisierbar sind.

Es ist selbstverständlich, dass dabei die Breite des Spaltes überall so bemessen sein muss, dass das Lot im verflüssigten Zustand hineinfließen kann. Bei entsprechend optimierter Breite des Spaltes ist das Hineinfließen des Lots und Umfließen der erfindungsgemäßen Haftflächen aufgrund einer Kapillarwirkung des Spaltes besonders sicher realisierbar.

In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Haftflächen elektrisch leitfähig ausgebildet, so dass sie entweder insgesamt an der elektrischen Kontaktierung beteiligt sind oder über die Haftflächen gezielt spezielle Kontaktierungen zu weiteren Bauteilen ausgeführt werden.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt in
1 schematische Darstellung eines Vertikalschnitts durch eine Lötverbindung
2 schematische Darstellung eines Vertikalschnittes durch ein erfindungsgemäßes Substrat
1 zeigt eine Lötverbindung zwischen einem erfindungsgemäßen Substrat 1 und einem Chip 2.
Das Substrat 1 umfasst ein Lötpad 3 mit im Wesentlichen pilzförmigen Querschnitt, dessen seitliche vertikale 4 und horizontale 5 Begrenzungsflächen die erfindungsgemäßen Haftflächen 6 und die horizontale Oberseite 7 die elektrische Kontaktfläche 8 darstellt. Die seitlichen vertikalen 4 und horizontalen 5, die Haftflächen 6 bildenden Begrenzungsflächen des Lötpads 3 formen aufgrund des pilzförmigen Querschnitts des Lötpads 3 eine Unterschneidung 9 der elektrischen Kontaktfläche 8, so dass die horizontalen, zur Oberseite 7 parallelen und zentrischen Querschnittsflächen im oberen Bereich des Lötpads 3 die gleiche Ausdehnung und Größe wie die Oberseite 7 und nach einer sprunghaften Verkleinerung im verbleibenden unteren Bereich des Lötpads 3 eine einheitliche und dabei deutlich verringerte Ausdehnung und Größe aufweisen.
Die Oberfläche des Substrats 1 ist von einer Lötstoppmaske 10 bedeckt, welche das Lötpad 3 derart freilässt, dass um das Lötpad 3 zumindest abschnittsweise ein Abstand zwischen der maximalen Ausdehnung der elektrischen Kontaktfläche 8 und der vertikalen Umfassungsungsfläche 11 der Öffnung der Lötstoppmaske 10 vorhanden ist. Infolge dessen ist ein Spalt 12 mit der Breite dieses Abstands zuzüglich der Unterschneidung 9 der Haftflächen 6 in der Größe ausgebildet, dass das Lot während des Lötprozesses in das Volumen fließen und die erfindungsgemäßen Haftflächen 6 umschließen kann.
Die Lötverbindung wird mittels einer Lötkugel 13 hergestellt, welche auf einem Bond-Pad 14 des Chips 2 aufgebracht ist. Das Bond-Pad 14 wiederum ist von der die Siliziumoberfläche des Chips 2 abdeckenden Passivierungsschicht 15 umgeben. In dem in 1 dargestellten verlöteten Zustand ist der Spalt 12 zwischen den Haftflächen 6 des Lötpads 3 und den Umfassungsflächen 11 der Öffnung der Lötstoppmaske 10 durch das Lot der Lötkugel 13 vollständig ausgefüllt.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht das gesamte Lötpad 3 aus einem einheitlichen elektrisch leitfähigen Material, so dass der elektrische Kontakt zwischen dem Lötpad 3 und der Lötkugel 13 über die als elektrische Kontaktfläche 8 dienende Oberseite 7 und die Haftflächen 6 hergestellt ist.
Die Herstellung des in 1 dargestellten Lötpads 3 ist mit erprobten Verfahren der Substratmetallisierung möglich. In einem ersten Schritt wird durch ein Substraktiv-Verfahren, bevorzugt durch Ätzen, der untere, verjüngte Bereich des Lötpads 3 und nachfolgend durch chemische Verstärkung der Metallisation das Lötpad 3 in der dargestellten Form hergestellt, wobei der im ersten Schritt hergestellte Teil des Lötpads 3 als Keimschicht für das chemische und über dessen Abmessungen hinausragende Aufwachsen des zweiten Teils dient.
2 zeigt ein erfindungsgemäßes Substrat 1 mit einem Lötpad 3, welches eine andere der möglichen Querschnittsformen aufweist. Hierbei ist die Größe der parallel zur Oberseite 7 und zentrisch liegenden Querschnittsflächen von der Ober- zur Unterseite 7, 16 des Lötpads 3 hin kontinuierlich kleiner werdend. In dieser Form werden die Haftflächen 6 durch konisch verlaufende seitliche Begrenzungsflächen 4 des Lötpads 3 gebildet, so dass ebenfalls eine Unterschneidung 9 der elektrischen Kontaktfläche 8 gebildet ist und somit ein Spalt 12 vorhanden ist, welcher ebenfalls durch den Abstand zwischen der äußersten Ausdehnung der als elektrische Kontaktfläche 8 dienenden Oberseite 7 und der vertikalen Umfassungsungsfläche 11 der Öffnung der Lötstoppmaske 10 sowie durch die Unterschneidung 9 gebildet ist.
Die Herstellung des Lötpads 3 in dieser Form erfolgt durch einen gesonderten Ätzschritt für die gewünschte Unterätzung, wobei die vorher aufgebrachte Lötstoppmaske 10 so strukturiert ist, dass sie einen Bereich um das Lötpad 3 frei lässt und so als Maske für das Unterätzen dient.

1: Substrat
2: Chip
3: Lötpad
4: vertikale Begrenzungsfläche
5: horizontale Begrenzungsfläche
6: Haftfläche
7: Oberseite
8: elektrische Kontaktfläche
9: Unterschneidung
10: Lötstoppmaske
11: Umfassungsfläche
12: Spalt
13: Lötkugel
14: Bond-Pad
15: Passivierungsschicht
16: Unterseite

Claims

Substrat zur Herstellung einer Lötverbindung mit einem zweiten Substrat oder einem Chip, wobei das Substrat ein auf der Substratoberfläche angeordnetes Lötpad mit einer Oberseite, einer der Oberseite gegenüberliegenden Unterseite, an der das Lötpad mit dem Substrat verbunden ist, und zwischen den Flächen der Oberseite und der Unterseite liegende Begrenzungsflächen aufweist, wobei die Oberseite als elektrische Kontaktfläche ausgebildet ist, welche mit einer Lötkugel des zweiten Substrats oder des Chips verlötbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Lötpad (3) zusätzlich zu der elektrischen Kontaktfläche (8) lötfähige Haftflächen (6) aufweist.
Substrat zur Herstellung einer Lötverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lötpad (3) zwischen der Oberseite (7) und der Unterseite (16) sowie parallel zur Oberseite (7) eine Querschnittsfläche aufweist, die kleiner ist als die Fläche der Oberseite (7).
Substrat zur Herstellung einer Lötverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche der Unterseite (7) kleiner ist als die Fläche der Oberseite (7).
Substrat zur Herstellung einer Lötverbindung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftflächen (6) als strukturierte, seitliche Begrenzungsflächen (4, 5) des Lötpads (3) ausgebildet sind.
Substrat zur Herstellung einer Lötverbindung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturie rung der Begrenzungsflächen (4, 5) des Lötpads (3) als eine Unterschneidung (9) des Lötpads (3) ausgebildet ist.
Substrat zur Herstellung einer Lötverbindung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung der Begrenzungsflächen (4, 5) eine im Wesentlichen pilzartige Form des Lötpad (3) bilden.
Substrat zur Herstellung einer Lötverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) eine Lötstoppmaske (10) aufweist und die Lötstoppmaske (10) derart strukturiert ist, dass zwischen den Haftflächen (6) und den diese umgebenden Umfassungsflächen (11) der Öffnung des Lötstopplacks ein Spalt (12) vorhanden ist.
Substrat zur Herstellung einer Lötverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftflächen (6) elektrisch leitfähig ausgebildet sind.