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DE2032872B2 - Verfahren zum Herstellen weichlötfähiger Kontakte zum Einbau von Halbleiterbauelementen in Gehäuse - Google Patents

Verfahren zum Herstellen weichlötfähiger Kontakte zum Einbau von Halbleiterbauelementen in Gehäuse

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DE2032872B2
DE2032872B2 DE2032872A DE2032872A DE2032872B2 DE 2032872 B2 DE2032872 B2 DE 2032872B2 DE 2032872 A DE2032872 A DE 2032872A DE 2032872 A DE2032872 A DE 2032872A DE 2032872 B2 DE2032872 B2 DE 2032872B2
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gold
soft
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Hans Dipl.-Phys. Dr.Rer.Nat. Ullrich
Rudolf Dipl.-Phys. 8031 Gilching Woelfle
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Siemens AG
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  • Manufacturing Of Printed Wiring (AREA)
  • Wire Bonding (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen weichlötfähiger Mctallkontakie zum Einbau von Halbleiterbauelementen, insbesondere von nach der Planartechnik gefertigten Halblcilerschaltungen. in Gehäuse mit Hilfe tier Face-down-Löttechnik. bei dem die das Halbleiterbauelement enthaltende Anordnung zunächst mit der aus Aluminium bestehenden Leitbahnstruktur versehen wird, bei dem dann die gesamte Anordnung mit einer Si(),-Schicht überzogen wird, bei dem mittels der bekannten Fotoätztechnik ein Teil der Aluniiniumstrukturcn freigelegt und eine weitere aus Titan bestehende Metallschicht und darüber eine aus Gold bestehende Metallschicht ganzflächig abgeschieden wird, bei dem dann die zuletzt aufgebrachte, aus GoItI bestehende Kontaktmetallschicht nach Durchführung einer weiteren Fotolacktechnik an tkn Im das Anbringen der wcichlötliihigen Metallkontakte vorgesehenen Stellen in bekannter Weise galvanisch verstärkt wird.
Bisher mußten komplizierte Verfuhren mit nicht hinreichend erprobten Metallisierungen und Metallschichteufolgen angewendet werden. Die Kontaktierung mit dem Subtrat geschah meist durch Thermokompression oder nail-head-bonding. Kine weitere Möglichkeit bietet die beam-lead-Teclinik. wobei Instabilitäten mit in Kauf genommen werden mu.isen. F-ine bekannte Technik zur Kontaktierung von vierpoligen inteurierten Schaltuimen ist aus der Zeitschrift T. B. M. .fRes. Devolop.« Mai IWJ, Vol. 13. Nr. 3. Seiten 22fi bis 23K. bekannt. Bei dieser als Facedov η-Bonding bezeichneten Technik werden Kontakthöcker verwendet, deren metallurgischer Aufbau so beschaffen ist, daß sie während des Kontaktierens an die gedruckten Leitungszüge auf dem Substrat nur teilweise schmelzen. Diese Hocker wtuL,. in der Weise hergestellt, daß auf die zu koniaktierende. mit einer Metallisierung, bestellend aus mehreren Metallfolgen, versehene Stelle der Halbleiteranordnung in ein Blei-Zinn-Lot eine Kupferkugel mittels einer entsprechenden Metallmaske aulgebracht und in das Lot einlegiert wird.
Die vorliegende Erfindung beschreilet einen anderen Weg. MetallkontrtAte entsprechend den in bekannten Verfahren vorliegenden Höckern herzustellen und erzielt damit eine gewisse Vereinfachung und andere Verbesserungen üegenüber den bekannten Verfahren.
Aus der britischen Patentschrift 9()2 4'·>5 ist Nickel als lötfähiges Metall bekannt, und aus der deutschen Auslegcschriit I lWi7W3 ist bekannt, daß Nickel vor dem eigentlichen Lötprozeß mit einer Zinnschicht versehen werden kann.
Des weiteren ist aus der genannten deutschen Auslegeschrill I 1 «Hi 71J3 bekannt, daß Nickelkontakte durch dünne Goldschichten geg-.-:n die l-inwirkung von Sauerstoff geschützt werden können.
Bei einer Löttechnik, wie sie bei tier Face-downl.öitechnik angewendet wird, ergab sich jedoch die Schwierigkeit, betriebssichere weichlötfähigc Metallanschlüsse auf Halbleiterbauelementen und HaIbIc iterschaltungen anzubringen, die außerdem verfahrenstechnisch und technologisch einfach herstellbar sind. Werden nämlich die bei diesbezüglichen Techniken häufig verwendeten Goldbumps mit einer Schicht aus Zinn oder einer Zinnlegierung versehen, so diffundiert das Zinn in das Gold hinein und schafft einen betrk'bsunsielieren Metallanschluß, da Zinn-Gold-Gemisclie sowohl mechanisch als auch thermisch als auch elektrisch instabile Kontakte darstellen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, weichlötfähige Metallanschlüsse auf Halbleiterbauelementen und Halbleiterschaltungen anzugeben, die für eine Lottechnik wie sie bei tier Face-down-Löttechnik angewendet wird, geeignet sind.
Diese Aufgabe wird cilindungsgeimiH dadurch gelöst, daß anschließend auf dieser verstärkten GoItI-schicht eine lötfähige Schutzschitz aus Nickel auf chemischem Wege (stromlos) abgeschieden wird.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, die Instabilität verzinnter Goldbumps durch eine zwischengelagcrte Schutzschicht aus Nickel zu beheben und die Vorteile der Goldbumps und der Zinn- bzw. Zinnlegicrungsodcr Bleilot-Schichten nutzen zu können. Diese Zinn-Nickelschicht ver neidet ein F.indiffundieren des
/inns in die Goldschieht und schallt somit zu allen dicke SiO:-Schicht 3 durch Hl-Kathodenzerstäubung
anderen geforderten Eigenschaften hinzu außerdem (Sputlern) aufgebracht, so daß die in Fig. 2 darge-
heiriehssiehere Metallanschlusse. stellte Anordnung entsteht.
Dabei liegt es im Rahmen der Erfindung, als löiia- Mittels der bekannten Fotolacktechnik wird dann
higen Überzug eine Nickelschicht zu verwenden, wei- .s im Bereich der SiO,-Schicht 3 ein Fenster 4 geätzt,
ehe zunächst aus einem borhaltigen Nickelbad und wobei, wie in Fig. .1 abgebildet, die Al-Leitbahn-
dann aus einem phosphorhaltigen Nickelbad abge- struktur 2 zum Teil freigelegt wird,
schieden wird. F-"ig. 4 zeigt die ganzflächige Abscheidung von
Durch diese neue Methode werden die bis jetzt nur Titan 5 in einer Schichtstärke von 0,2 //m und von
für eine Thermokompression*-oder Ultra.iehall-Löt- i° Gold 6 in der gleichen Schichtdicke. Diese ganzflä-
teelinik hergestellten Kontaktanschlüsse durch das chige Abscheidung erfolgt durch Aufdampfen der rei-
stromlose Aufbringen eines lötfähigen Überzugs, der neu Metalle.
weder in das Trägermaterial eindiffundiert noch von Nach erfolgter Anwendung der Fotolacktechnik 7
dem verwendeten Lot beim Lötvorgang aufgelöst wird, wie in Fig. 5 abgebildet, die Herstellung der
wird, in für eine Löttechnik, z.B. Face-down-Löt- >5 Goldhöcker oder Bumps durch einfache galvanische
technik, geeignete Anschlüsse umgewandelt. Goldverstärkung vorgenommen. Die Goldbumps 8
Die sich daraus ergebenden Vorteile sind werden dabei bis zu einer Höhe von etwa 15/nnabge-
1. hohe Betriebssicherheit der so hergestellten schieden.
Bauelemente. Im Anschluß daran erfolgt ein Ablösen der Foio-
2. die tür die Flip-Chip-Kontaktiertechnik vorge- ^- lacksclitcht 7 sowie eine StrurJurätzung der ganz! Iasehenen Bauelementeanoulnunyen können chig aufgebrachten Ch)Id- und ; itanschieht mittels geebenso für die I-aee-dowii-Löttechn'\ und damit eigneter Losungsmittel, wobei die Goldbumps aK iür Hybridschaltungen verwendet .verden. Atzmaske dienen. Dabei entsteht die in F'g. fi dame-
3. sehr einfaches Herstellungsverfahren ohne zu- stellte Anordnung, weiche für eine Kontaktierung in sät/liehe Masken und komplizierte Fertigung*- 2S Flip-Chip-Technik durch Thermokompression oder teehniken, iiail-nead-bonding bereits geeignet ist.
4. geringe I lerstellkosten. L'm diesen Kontakt entsprechend der Lehre der
5. leichte Austauschbarkeit der Ijaiielemenlean- Erfindung für eine Face-down-Löttcchnik. welche gt-Ordnungen durch Weichlötmelhode. uenüber bekannten Lottechniken wesentliche bereits
h. durch die Kontakthocker (Goldbiimps) mit wei- 3" iiescliilderte Vorteile aufweist, verwendbar zu mater tolerierten Höhen wird kein absolut ehei.es chen. wird die gesamte Anordnung einem chemischen Substrat benötigt: auch müssen während des (stromlosen) Metallabscheideverfahren unterzogen. Lötvorgangs die Positionierung und die thernii- Dies ueschieht beispielsweise derart, daß die in Fin. (■> sehen Bedingungen nicht allzu streng eingehalten im Ausschnitt als Schnittbild dargestellte Anordnung werden. .15 nach vorheriger Reinigung in Aceton zunächst in ein
In einer Weilerbildung des Erfindungsgedaiikens borhaltiges Nickelbad und darauf in ein phosophor-
ist vorgesehen, zusätzlich zur Nickelschicht eine wei- haltige* Nickelbad eingebracht wird und unter Ein-
tere vveichlötfähige Schicht im Tauchverfahren aufzu- wirkung ν on Ultraschall und Wärme mit eiz-er Nickel-
bringen. Pabei hat sich eine aus Zinn, aus einer Blei- schicht 9. wie in F"ig. 7 dargestellt, überzogen wird.
Zinn-Legierung, aus Blei oder aus einer Blei-Silber- 40 Das erste Nickelbad besteht aus einer ammoniakali-
Indium-Lcgierung bestehende Schicht als besonders sehen Nickelsulfatlösung, welche Zusätze von Natri-
giinstig geeignet erwiesen. umborhydrid. Natriumborat und Ammoniumhydro-
Es liegt im Rahmen der vorliegenden Erfindung. gencitrat enthält. Das zweite Nickelbad besteht aus
die Schichtstärke der Nickelschicht auf etwa 1.5 /<m einer ammoniakalischen Nickelchloridlösung, welche
einzustellen. 45 Zusätze von Ammoniumchlorid. Natriumhypophos-
Zvveckmäßigerweise geschieht die Abscheidung der phit und Ammoniumhydrogencitrat enthält. Die Ver-
Nickelschicht unter Einwirkung von Ultraschall. nickelung dauert etwa K) Minuten, bis eine 1.5 //111
Nähere Einzelheiten der Erfindung sind aus dem dicke Nickelschicht aufgewachsen ist.
Ausführungsbeispiel, welches an Hand der Fig. I bis Da sich beider stromlosen Vernickelung das Nickel S näher beschrieben wird, zu entnehmen. Die Fig. I 5° nur auf Metallen abscheidet, bleiben alle mit SiO. (3) bis Ν zeigiMi den Fertigungsgang einer nach dem erfin- abgedeckten Stellen unvernickelt. d.h. nur die aus dungsgemäßen Verfahren mit einem weichlötfähigcn G.ild bestehenden Anschlüsse (Bumps H) werden mit Kontakt versehenen Halbleiteranordnung. Dabei einer Nickelschicht 9 überzogen,
wird der besserer. Übersicht wegen auf die Darstellung Da Nickel bei einer Löttemperatur von }^U C mader verschieden dotierten Zonen im Halbleiterkör- 55 ximal weder in Gold eindiffundiert noch im Lot (/. B. per verziehtet und nur das Anbringen der für die Zinn oder Blei für das Kontaktieren an das isolierende Kontaktierung notwendigen Metallschichten be- Substrat) wesentlich gelöst wird, wirkt es als lötfähige schrieben. Schutzschicht gegen ilen Angriff des Lotes auf das
In Fig. 1 wird von einer mil mehreren Halbleiter- Gold.
bauelementen bzw. Halbleiterschaltungen versehenen 60 Die Schichtenlolge Aluminium Titan Gold-Gold
Siliziumscheibe ausgegangen, wobei im Ausschnitt ist erprobt und wird durch die zusätzliche Vernicke-
nur ein mit einer Aluminiumleitbalinstruktur 2 verse- lung nicht verändert.
hener Bereich einer solchen .Siliziumkristallscheibe 1 Für besondere Zwecke kann die in Fig. 7 mit einer
abgebildet ist. Die Al-Leitbahnstrukturen werden Nickelschicht 9 überzogene Anordnung noch mit ei-
durch Masken aufgedimpft und in einer Schichtstärke 65 ncr zusätzlichen weichlötfähigcn Schicht. z.B. mit
von I /nil hergestellt Zinn, überzogen werden. F i g. 8 zeigt eine solche An-
Vor dem darauffolgenden Metallisierungsprozeß Ordnung, bei welcher nach dem Aufbringen der Nik-
vvird über das Leitba'insystem 1, 2 eine etw I mn kelschicht 9 eine Zinnschicht K) durch Tauchverzin-
neu aufgebracht ist. Λη Stelle μ>π /inn knnnen auch hindere /innlegieriingen oder bleihaltige I.cite \ei
wendet werden.
Die nach dem Verfahren nach der I.ehre der l-.rfin-ιΐιιημ heigestcllten I liiltileileriinoriliuingcn ^incl be- »>tens geeignet zur leiligung von integrierten Schal Hingen in I lybiidteehnik sowie /um liinhau in I)II' (Diial-lnliiie-l'lastieJ-Cieliiiiise. Die eingangs erwähnten I otdcrimgeii. die an diese Bauelemente ge stellt werden müssen, werden sehr gut erfüllt.
Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Herstellen weichlotlahiger Metallknntakte zum Einbau von ILiIhleiterhauelementen, insbesondere \on nach der Planartechnik gefertigten Halhleiterschaltungen, in Gehäuse mit Hilfe der Face-dosvn-Löttechnik, hei dem die das Halbleiterbauelement enthaltende Anordnung zunächst mit der aus Aluminium he- m stehenden Leitbahnstruktur versehen wird, hei dem dann die gesamte Anordnung mit einer SiOj-Schicht überzogen wird, hei dem mittels der bekannten Fotoätztechnik ein Teil der Aluminiumstrukiuren freigelegt und eine weitere aus Titan bestehende Metallschicht und darüber eine aus Gold bestehende Metallschicht ganzflächig abgeschieden wird, hei dem dann die zuletzt aufgebrachte, aus Gold bestehende Koniaklmetallschicht nach Durchführung einer weiteren Fotolacklcchnik an Jen für das Anbringen der weichlötfähigen Metallkontakte vorgesehenen Stellen in bekannter Weise galvanisch verstärkt wird, dadurch gekennzeichnet, dal.» anschließend nut dieser verstärkten Goldschiehl eine lotfähige Schutzschicht aus Nickel auf chemischem Wege (stromlos) abgeschieden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Nickelschicht zunächst aus einem borhaltigen Nickelbad und dann aus einem phosphorhaltigeii Nickelbad abgeschieden wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Nickelscnicht in einer Schichtstärke von etwa 1,5 ;/m:.<bgi ichieden wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidung tier Nickelschichl unter Linwirkung \on Ultraschall vorgenommen wird.
5. Verfahren nach Anspruch I bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zur Nickelschicht eine Weichlotscliichi im Tauchverfahren aufgebracht wird.
0. Verfahren nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß als Weichlot eine Zinnschicht, eine Blei-Zinn-Schicht, eine Bleischicht oder eine Blci-Silber-Iiidium-Schicht zusätzlich zur Nickelschicht aufgebracht wird.
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