Höhere Temperaturen führen zu erhöhter thermischer Ermüdung, an den Lötverbindungen ist sogar Delamination zu beobachten. Die nächste Option für Hersteller von Hochfrequenz- und Leistungshalbleitern, in deren Chips diese höheren Temperaturen vorkommen, ist entweder die eutektische Legierung AuGe12 (Indalloy 183) oder AuSi3.2 (Indalloy 184). Im Laufe der Jahre haben viele Anwender AuGe12 ausprobiert, und das Feedback zeigt, dass diese Legierung eine schlechte Lötbarkeit aufweist, die sich in Form von großen Voids in der Lötverbindung verdeutlicht.
Einsatz von AuGe12
Wird AuGe12 der Luft ausgesetzt, bildet es eine Schicht aus Germanium-Oxid (GeO2). Wie bei allen Metalloxiden ist die Bildung der Schichtdicke des Oxidfilms abhängig vom Sauerstoffpartialdruck, der Temperatur sowie der einwirkenden Zeit. Ge weist eine starke Enthalpie in der Bildung des Oxids auf sowie bei der Entstehung von Gas, ist allerdings nicht wirksam in der Reduktion des Oxids bei niedrigeren Temperaturen. Dadurch ist es viel schwieriger mit AuGe12 zu arbeiten als mit dem häufiger eingesetzten AuSn20, dieses bildet überwiegend das leicht zu reduzierende Zinnmonoxid (SnO) auf der Oberfläche.
In den Experimenten wurden AuGe12-Preforms auf verschiedene Oberflächen gelötet, das Voiding mittels Röntgeninspektion erfasst und gemessen. Ziel war es, drei verschieden vorbereitete Oberflächen der Preforms zu untersuchen, wobei eine Standard-Preform zur Kontrolle eingesetzt wurde. Die drei Versionen waren:
- Standard-Preform AuGe12 (Kontrolle)
- AuGe12-Oxidreduktion (Halbleiter-Qualität oder SG)
- 1–2 μm Vergoldung auf AuGe12 (beschichtet)
Alle Preforms hatten die Dimension 0,66-in x 1,0-in x 0,002-in. Die Muster wurden hergestellt, indem die Preforms zwischen die lötfähigen Oberflächen von identischen Substraten gelegt wurde.
Im ersten Experiment wurden NiAu-beschichtete Keramik-Versuchsträger (1,0-in x 1,3-in) mit einer Goldauflage von 0,00005-in (50 Mikroinch) eingesetzt.
Das Material wurde in einem kleinen Haubenofen mit Formiergas (15 % H2/85 % N2, bezogen auf das Volumen) aufgeschmolzen und unter einen Überdruck von etwa 5 psig gehalten. Das verwendete Temperaturprofil basierte auf der gemessenen Temperatur des induktiv beheizten Ofenunterbaus, hier ergab sich eine Spitzentemperatur von 400 °C und eine Zeit oberhalb des Lot-Liquidus von etwa 1 Minute.
Die Prüfmuster wurden im Formiergas auf unter 200 °C abgekühlt und dann nach Öffnung des Ofen der normalen Atmosphäre ausgesetzt.
Bilanz des Gold-Nickel-Experiments
Die gelöteten Verbindungen hatten größere Abmessungen, was in der Regel das Voiding begünstigt. Diese Preforms in Halbleiterqualität wiesen ein Voiding von 14 % auf, das war 47 % weniger als bei einer Standard-Preform. Außerdem waren die Voids deutlich kleiner und weiter über die gesamte Verbindung verteilt, wodurch die Wahrscheinlichkeit der Bildung von Hot-Spots verringert wurde. Die Preform mit Au-Plattierung schmolz im Reflowprozess nur an den Rändern geringfügig auf. Gold mit einem Schmelzpunkt von 1.064 °C scheint eher als feste Barriere zu wirken, anstatt das Aufschmelzen der Preform zu unterstützen.
In der zweiten Testserie wurde sauerstofffreies Kupfer mit hoher Wärmeleitfähigkeit (OFHC) als Testsubstrat eingesetzt. Die Teststreifen maßen 0,250-in x 0,25-in x 0,016-in. Die plattierten Preforms sind bei diesem Test dann tatsächlich aufgeschmolzen, wahrscheinlich weil die Kupfer-Teststreifen höhere Wärmeleitfähigkeit aufweisen und weniger thermisch träge sind als die keramikbeschichteten NiAu-Testcoupons, wodurch die Lötstellen schneller eine höhere Spitzentemperatur erreichen können. Auch hier übertraf die Preform in Halbleiterqualität die anderen Test-Preforms. Eines der überraschenden Ergebnisse war, dass die Au-plattierten Preforms keine besseren Ergebnisse erbrachten. Dies erklärt sich dadurch, dass die Goldbeschichtung das Germaniumoxid unter der Oberfläche nicht reduziert, sondern lediglich maskiert. Die Bedeutung dieses Tests liegt darin, dass viele Anwender von AuGe12-Preforms typischerweise die Kontaktflächen plattieren, um die Benetzung zu verbessern und Void-Bildung zu reduzieren. Das Löten auf Cu stattdessen hilft, diesen teuren Schritt einzusparen.
Testreihe mit Kupferstreifen
Die Testreihe verwendet mehrere Muster von quadratischen NiAu-beschichteten OFHC-Kupfercoupons mit der Abmessung 0,250-in, um die Wiederholbarkeit der Voiding-Ergebnisse für die Standard- und Halbleiter-Preforms zu ermitteln. Bei den sechs Teststreifen handelte es sich um die gleichen NiAu-beschichteten Coupons, wobei bei jeweils drei Streifen die Preforms in Halbleiterqualität sowie in Standard-Ausführung eingesetzt wurden. Aufgrund der schlechten Ergebnissen mit Au-plattierten Streifen in den vorangegangenen beiden Tests schien dieser Prüfprozess nicht vielversprechend und wurde daher in der dritten Testreihe nicht fortgesetzt. Alle sechs Coupons wurden nacheinander unter denselben Bedingungen im Ofen gelötet, um die Prozess-Konsistenz zu gewährleisten. Eine der Standard-Preforms versagte beim Reflowlöten und wurde ignoriert.
Die quantitative Analyse der Röntgenergebnisse zeigt reproduzierbare Resultate mit weniger Voiding bei den SG-Preforms in Halbleiterqualität. Dies verdeutlicht die hohe Prozesseffizienz bei Verwendung dieser Preforms. Deutlich wird das sowohl in der Reduzierung des gesamten Voidings als auch bei den minimierten Prozentzahlen der größten Einzel-Voids.
Oberflächen-Analyse (SEM/EDX)
Die SEM-Analyse mehrerer Aufnahmen der Oberflächen zeigte, dass auf der Oberfläche der Halbleiter-Preforms eine geringere Konzentration von Ge vorhanden war. Die Verbindungsflächen mit Gold sind frei von den meisten Oxidationsprodukten, wodurch Benetzbarkeit und Kontaktfähigkeit verbessert werden.
Auf das 1.500-fache vergrößerte Material-Aufnahmen ermöglichen einen näheren Vergleich der zwei Oberflächen der beiden Preform-Typen. Das Material stammte aus der gleichen Charge des Originalmaterials, unterschiedlich war die Oberflächenbehandlung.
Die AuGe12-Legierung zeigt unter dem Mikroskop eine heterogene Oberfläche, die Trennung der einzelnen Elemente ist erkennbar. Gold ist ein Edelmetall und beständig gegen Oxidation. Auf der Oberfläche der Standard-Preform ist das GeO2 entlang der Oberfläche verstreut. Auf dem Muster in Halbleiterqualität zeigen Vertiefungen in der Legierungsoberfläche, wo konzentrierte Bereiche von GeO2 vorhanden sind. Die EDX-Inspektion (Energiedispersive Röntgenanalyse) bestätigt eine hohe Konzentration von Gold.
Die Preforms in Halbleiterqualität zeigten in allen drei Tests signifikant geringeres Voiding. Wichtig für den Einsatz von AuGe12 ist die Betriebstemperatur des Halbeiter-Dies, um Eigenerwärmung zu begrenzen und eine gute Wärmeübertragung an der Verbindungsfläche zu ermöglichen.
