[Zurück]

W. Höftberger:
"Hochtemperaturlöten im Sensorpackaging";
Betreuer/in(nen): L. Musiejovsky, J. Nicolics; Institut für Industrielle Elektronik und Materialwissenschaften, 2000.

Die ständig steigenden Anforderungen bei der Kontaktierung von Sensoren (siehe
Kapitel 1) werfen immer noch ungelöste Probleme auf und sind häufig Gegenstand von
Forschungsarbeiten. Die hier vorliegende Diplomarbeit beschäftigt sich deshalb in
besonderer Weise mit der Kontaktierung von Sensoren, die über einen Zeitraum von ca. 2
Jahren hindurch einer Umgebungstemperatur von mindestens 170 Grad C standhalten muß.

Zu diesem Zweck werden in Kapitel 2 geeignete Teflonsubstrate mit unterschiedlich
hergestellten Goldmetallisierungen (Substrate 1 bis V) und spezielle Weichlote
(Lote a bis e) ausgewählt.

Bevor jedoch mit der Herstellung und Untersuchung der Hochtemperatur-Weichlötverbindungen
begonnen werden kann, erfolgt in Kapitel 3 die Beschreibung des Benetzungsprozesses beim
Löten und die Präsentation von Aufgaben und Eigenschaften von Loten und Flußmitteln, um
in späterer Folge fundierte Aussagen über die erzielte Lötstellenqualität machen zu können.

Kapitel 4 liefert eine Beschreibung der in der Industrie verwendeten Lötverfahren
und zeigt das Laserlöten als bestes Kontaktierungsverfahren für die eingangs erwähnten
Anforderungen auf. Der besondere Vorteil des Laserlötens liegt in der flexiblen und
genau dosierbaren Wärmezufuhr d.h. in den exakt reproduzierbaren Prozeßparametern
Laserleistung, Strahleinwirkdauer und Laserstrahldurchmesser auf der Lötstelle, die es in
Kapitel 6 zu ermitteln gilt.

Zuvor werden aber in Kapitel 5 Arten von Lötfehlern, sowie Verfahren zur Inspektion von
Lötstellen vorgestellt, um später eine profunde Beschreibung der Lötstellenqualität der
hergestellten Lötverbindungen geben zu können.

Mit Kapitel 6 beginnt der praktische Teil dieser Arbeit. In diesem Abschnitt wird
zuerst der Nd:YAG-Laserarbeitsplatz mit seinen charakteristischen Größen präsentiert.
In weiterer Folge werden ab Kapitel 6.2 die für ein befriedigendes Bearbeitungsergebnis
erforderlichen Bearbeitungsparameter Brennfleckdurchmesser, Laserleistung und
Strahleinwirkdauer für alle Kombinationen von Substrat 1 bis V und Lot a bis e ermittelt.

Kapitel 7 liefert eine Zusammenstellung der gefundenen Laserparameter: Es ist zu
erkennen, daß Substratart I (0,3 mm Teflon, 40 nm Ti + 1,7 mycro m Au) eine hohe Neigung
zum Ablegieren zeigt. Diese Tendenz ist auch beim Goldlot AugOSn (Lot a) deutlich.
Verbindungen können nur durch kurzes, mehrfaches Einwirken des Laserstrahls
hergestellt werden, wobei ein ausreichendes Spreiten des Lotes und somit kleine
Benetzungswinkei kaum erzielt werden können. Das Prozeßfenster erscheint sehr klein.

Wesentlich besser sind hingegen die Substrate der Art II (0,3 mm Teflon, 40 nm Ti
5 mycro m Au) lötbar. Diese weisen im Vergleich zu Substrat I eine deutlich dickere
Goldschicht auf, welche durch gaivanisches Verstärken erhalten wurde. Das
Prozeßfenster scheint hinreichend groß, um das Lot vollständig spreiten zu lassen. Es
werden bei ausreichender Wärmeeinwirkung sehr kleine Benetzungswinkel erzielt. Aus
der Tatsache, daß der Unterschied zwischen Substratart I und II lediglich mit der
Golddicke zusammenhängt, kann man erkennen, daß die Goldschicht auch noch vom
Au80Sn-Lot ablegiert wird. Im Fall der Substratart I geschieht dies offenbar so rasch, daß
die Wärmeeinwirkung in der Folge auch noch zum Auflösen der Titanschicht ausreichen
kann. Dies zeigt aber, daß die Titanschicht entweder zu dünn ist oder zu stark mit dem
Lot interdiffundiert und deshalb als Haftvernüttler nicht optimal ist. Ob die Qualität der
Lötverbindungen auf den Substraten der Art II auch nach einer langen und hohen
Temperatureinwirkung erhalten bleibt, wie sie durch die oben genannten Einsatzbedingungen
der Sensoren zu berücksichtigen ist, kann daher ohne Untersuchung des Alterungsverhaltens
nicht vorhergesagt werden. Dieses Thema wird in späterer Folge in Kapitel 10 behandelt.

Die Substratmaterialien III (ASTEC "P3"; 0,2 mycro m Ti + 0,2 mycro m Au) und IV (ASTEC
"P5"; 0,2 mycro m Ti + 0,2 mycro m Au) sind für eine gute Lötverbindung nicht geeignet,
da nur eine geringfügige bzw. gar keine Benetzung auf diesen Substraten stattfindet bzw.
die Metallisierung auch bei geringer Wärmeeinwirkung vollständig ablegiert wird. Das
bedeutet, es existiert für keines der in Frage kommenden Lote ein Prozeßfenster, um eine
Lötverbindung herstellen zu können.

Uneingeschränkt gute Ergebnisse können hingegen mit Substraten der Art V
(1,3 mm Teflon, 70 nm NiCr + 100 nm Au) erzielt werden.

Ausgehend von der visuellen Inspektion der Lötverbindungen werden also in den
folgenden Kapiteln über die Qualitätsbeurteilung die Substrate I, III und IV
ausgeschieden, und nur mehr die Substrate II und V untersucht.

Weiters wird auch bei den Loten eine Auswahl getroffen, die sich ebenfalls auf die
Ergebnisse der Lötversuchsdurchführung in Kapitel 7 stützt: Lot b (Sn96Ag) wird schon
zu Beginn der Experimente aus Altersgründen durch Lot e (Sn96,5Ag) ersetzt. Die Lote c
(Sn97Cu) und d (Sn95,5PbCu0,7) erreichen nicht die Lötstellenqualität wie die Lote a
(Au80Sn) und e (Sn96,5Ag).

Somit fällt die Entscheidung zugunsten der Lote a und e aus, wobei unter
Berücksichtigung der Langzeitzuverlässigkeit bei den eingangs erwähnten hohen
Betriebstemperaturen dem Goldlot der Vorzug zu geben sein wird.

In Kapitel 8 werden Schliffbilder von ausgewählten Proben hergestellt. Die
anschließenden metallographischen Untersuchungen führen in allen Fällen zu den
gewünschten Ergebnissen für eine zuverlässige Lötverbindung. Lediglich bei Substrat II
können bei zu starker Wärrnezufuhr partielle Haftprobleme auftreten.

Kapitel 9 liefert Aussagen über die Zuverlässigkeit der Lötverbindungen unter dem
Einfluß hoher und tiefer Temperaturen. Die zu untersuchenden Proben (IIa, IIe, Va und
Ve) werden wechselweise in flüssigen Stickstoff (- 200 Grad C) und Fluorinert 272
(+ 200 Grad C) getaucht. Diese vergleichsweise hohen Temperaturen sind nötig, um trotz
einer geringen Anzahl von Versuchszyklen zu einem aussagekräftigen Ergebnis zu gelangen.
Eine abschließende visuelle Inspektion unter dem Mikroskop zeigt, daß alle Proben den
Versuch einwandfrei überstanden haben.

In Kapitel 10 werden ausgewählte Proben (IIa und Va) über einen Zeitraum von ca.
500 Stunden bei einer Temperatur von 220 Grad C gelagert. Die vergleichsweise hohe
Temperatur bewirkt eine beschleunigte Alterung. Durch Vergleich der Qualität der
Verbindungen vor und nach der Temperatureinwirkung können Aussagen über das
Alterungsverhalten abgeleitet werden. Bei der abschließenden visuellen Begutachtung
unter dem Mikroskop können zunächst keinerlei Veränderungen an den Proben festgestellt
werden. Es wird daher auch die mechanische Festigkeit der Proben untersucht.

Im letzten Kapitel sollen Zugversuche Aussagen über die Zuverlässigkeit der
untersuchten Lötstellen liefern. Von jeder Probe wird dabei die Scherspannung ermittelt.
Diese Spannung stellt das Maß für die Qualitätsbeurteilung, d.h. die mechanische
Festigkeit, der untersuchten Lötstellen dar.

Die mechanische Festigkeit der Lötverbindungen mit Substrat II darf bei den
lasergelöteten Proben aus Kapitel 7 und den Zyklierversuchsproben aus Kapitel 9 als
hervorragend bezeichnet werden. Die Temperaturversuchsproben aus Kapitel 10 zeigen
jedoch schwere Mängel in der mechanischen Zuverlässigkeit. Substrat II scheidet daher
in Hinblick auf Betriebssicherheit und Lebensdauer der Lötstellen für den Einsatz in
Sensoren bei hohen Temperaturen aus.

Als klarer Favorit weist Substrat V (NiCr/Au) auch nach der beschleunigten Alterung
die besten Zuverlässigkeitsdaten auf und kann deshalb gemeinsam mit Lot a
(Au80Sn) für die Kontaktierung von Sensoren, die über einen längeren Zeitraum einer
hohen Temperatur ausgesetzt werden sollen, empfohlen werden.

The developments of interconnection techniques for sensors are mainly controlled by the following requirements, all of which in some cases must be fulfilled at the same sensor:

• Frequently sensors have to withstand high temperatures or are exposed to high temperature changes.
• Contacts are exposed to chemically aggressive or corrosive atmospheres.
• Some sensors are carried simply by their lead-in wires and must have a robust packaging.
• Contacts have to withstand high current loads.
• The contact geometry and the applied metallization system must suit high-frequency requirements.
• The contacts must dissipate the sensor's power loss.

Due to the manifold of these requirements the interconnection of sensors and actuators are still an unsolved scientific task.
In this project an attachment technique for a wirelessly requested capacitive distance sensor for supervising the abrasion of wearing parts in compressors is being developed. The sensor consists of a SAW (surface acoustic wave) circuit, an antenna, a plate capacitor and a hermetically sealed casing. The SAW circuit is electrically connected and mechanically attached to the antenna and capacitor substrate by four gold plated wires (Fig. 1). A solution had to found for the following boundary conditions:
The sensor has to withstand operation temperatures up to 170°C and is exposed to corrosive gases. The lifetime of the sensor has to exceed the warranted service intervals of two years. Suiting the requirement of a low dielectric loss, Teflon was used as substrate material. From several metallization systems a NiCr/Au layer was found to yield the optimum adhesion to the substrate. Best results under various high temperature solders were obtained with the eutectic Au80Sn20 solder providing a perfect metallurgical compatibility with the chosen metallization system. Due to the high necessarily high soldering temperature (melting point of the solder: 280°C) a Nd:YAG laser was used for soldering (Fig. 2 and 3).