Gold-Zinn-Eutektikum-Lötmetall

Eutektisches Gold-Zinn-Lot (AuSn20, d. h. 80 Gew.-% Gold und 20 Gew.-% Zinn) wird in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, die eine hohe Zuverlässigkeit und eine Lötstelle mit hohem Schmelzpunkt erfordern. Dazu gehören die Chip-Befestigung und sogar die Deckelbefestigung bei hermetisch versiegelten Keramikgehäusen. Bei der Verwendung als Lötlegierung zur Chip-Befestigung für LED- oder HF-GaN-Bauelemente stellt die Hohlraumbildung ein kritisches Problem dar. Die Chips müssen in diesen Anwendungen sehr hohe Ströme leiten können (bei sehr hohen Stromdichten aufgrund der geringen Chipfläche), doch um eine maximale Lebensdauer und einen maximalen Wirkungsgrad der Bauelemente zu gewährleisten, müssen sie auf einer möglichst niedrigen Temperatur gehalten werden. Dies ist nur möglich, wenn die Wärmeenergie an der Chipoberfläche effizient abgeführt werden kann (Minimierung von Tj), was bedeutet, dass die Wärmeübertragung zwischen dem Chip und dem Leadframe (oder Submount) maximiert werden muss. Es gibt drei bekannte Möglichkeiten, dies zu erreichen:

1. Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit ( K) des Chip-Befestigungsmaterials
2. Die Dicke der Bondnaht (BLT) zwischen Chip und Leiterrahmen verringern
3. Häufiges Wasserlassen minimieren

Beachten Sie, dass häufig ein Kompromiss zwischen 2 und 3 besteht, da die Minimierung des BLT zu einer Zunahme von Hohlräumen führen kann; daher wird aus praktischen Gründen meist ein Mindestwert von etwa 10 Mikrometern (0,4 mil) verwendet. Ein kleinerer BLT hat zudem den oft vernachlässigten Effekt, dass der Beitrag der goldmetallisierten Lötflächen sowohl auf dem Chip als auch auf dem Submount nicht unerheblich wird, wodurch die Legierung vom idealen Eutektikum abweicht. Die Details des Gold-Zinn-Phasendiagramms (wie unten dargestellt) veranschaulichen die Haupteffekte auf den Liquidus (und möglicherweise sogar den Solidus) der Legierung bei sich änderndem Goldgehalt. Mit steigendem Liquidus nimmt auch die Neigung der Legierung zu, Hohlräume „einzufrieren“; das heißt, anstatt dass sich Hohlräume mit abnehmendem Innendruck verkleinern und ihre natürliche Mindestgröße erreichen können, während das Lot am Eutektikpunkt erstarrt, bleiben sie in größerer Ausdehnung in der erstarrenden Legierung eingeschlossen.

Die naheliegendste Möglichkeit, das Gewichtsverhältnis von Zinn (Sn) zu Gold (Au) bei 1:4 zu halten, besteht darin, entweder die Goldmenge auf den Metallisierungen zu minimieren oder den Zinngehalt des verwendeten Lötzinns so anzupassen, dass im fertigen Lötverbund das Eutektikum erreicht wird.

Eine Möglichkeit, dies zu betrachten, ist das Verhältnis des gesamten Goldanteils in den Metallisierungen zur Dicke des Lötzinns. Handelt es sich bei dem Lötzinn um eine Vorform mit einem Flächenverhältnis von 1:1 zu den zu verbindenden Oberflächen, entspricht dies der Dicke der Vorform (siehe unten). Dies ist das „Goldschichtverhältnis“.

Mit diesem Ansatz kann das Goldschichtverhältnis als Orientierungshilfe dienen, um die beste „außereutektische“ Gold-Zinn-Legierung zu ermitteln und so die Hohlraumbildung in eutektischen Gold-Zinn-Lötstellen zu minimieren. Dabei werden die Dichten der Legierung und des Metalls als Grundlage für die Erstellung eines einfachen Modells zur Lötstellenbildung herangezogen, wie unten dargestellt.

Wenn Sie beispielsweise eine 0,2 Mikrometer (200 nm) dicke Goldschicht auf Nickel/Wolfram als Chipmetallisierung und eine 0,4 mm (400 nm) dicke Goldschicht auf Nickel als Substratmetallisierung sowie eine 15 Mikrometer dicke Gold/Zinn-Vorform haben, beträgt das Goldverhältnis 0,04. Dies würde darauf hindeuten, dass eine Vorform mit der Zusammensetzung Au79Sn21 im nicht-eutektischen Bereich die beste Wahl wäre, um Hohlraumbildung zu minimieren.

Diese Legierungen, die in der Regel in 1,0-prozentigen Abstufungen erhältlich sind (AuSn21, AuSn22), werden in Form von Vorformlingen, Draht, Kugeln und Lötpaste angeboten und sind aufgrund ihres geringeren Goldgehalts natürlich etwas kostengünstiger als die Standardlegierungen vom Typ AuSn20.

Bitte teilen Sie uns mit, wie wir Sie bei Ihren Lötanforderungen unterstützen können!

Zum Wohl!

Andy