Characterisation of nickel-based metallisations for the soldering of microchips

Abstract

Lead is one of the most import materials for solders. Since it is classified as a hazardous substance, the use is heavily restricted. Only for safety relevant applications lead solders are still in use but must be substituted soon. One of such safety relevant applications are power modules e.g. used for the power control of trains. In these devices various microchips are soldered onto a circuit board and connected via wire bonding. Therefore, a specific metallisation is applied on the front- and back-side of these microchips consisting of various metal layers with different properties and functions. The combination of lead-free solders and the state-of-the-art metal stack shows an unsuitable reliability. Hence, a substitution must be found. For the soldering of microchips, commonly a metallisation of a nickel-vanadium alloy is used. Nickel shows good characteristics for the soldering process and the addition of vanadium is needed to change the magnetic properties of nickel. Since vanadium in combination with tin, which is the most used material for lead-free solders, produces unwanted and flawed compounds, it had been substituted with silicon. The alloying of silicon can change the physical and chemical properties of the nickel metallisation. Therefore, it was investigated, how silicon and vanadium influence various parameters, which are important for the soldering of microchips. Metallisations on microchips cause mechanical stress, which influence the shape of these and the solderability. With a mechanical profilometer the bow of microchips with a Ni(V) and Ni(Si) metallisation were measured, which represents the stress of the whole multi-layer metal stack, and XRD stress analysis was performed to investigate the stress level inside the nickel layers. It could be observed, that silicon as alloy material will increase the stress in the metallisation. This can be counteracted with the addition of nitrogen to reduce the stress to a value, that the Ni(Si) metal stack can be used as solder metallisation. For the elemental investigation of the multi-layer metal stacks ToF-SIMS was used. There the diffusion properties of the various materials in the metallisations were investigated. A special attention was given to the diffusion of aluminium to the sample surface, which can influence the appearance and the solder properties. The experiments concluded that silicon shows worse properties in comparison to vanadium, but again nitrogen in the nickel layer can improve the usage as solder metallisation. For the investigation of nitrogen with ToF-SIMS a new method was developed, which allows an enhancement of the nitrogen detection by flooding the sample surface with methane. This provides a signal enhancement of a magnitude and higher.

Blei ist eines der wichtigsten Materialien für den Einsatz als Lot. Da Blei jedoch als gefährliche Substanz eingestuft ist, ist die Verwendung stark eingeschränkt. Nur noch für sicherheitsrelevante Anwendungen sind Bleilote im Gebrauch, müssen aber in naher Zukunft auch ersetzt werden. Eine noch erlaubte Anwendung ist in der Hochleistungselektronik. Für diesen Einsatz werden Halbleiter Mikrochips auf der Vorder- und Rückseite mit mehreren Lagen verschiedener Metalle beschichtet um diese auf Leiterbahnen löten zu können. Als Hauptschicht für das Löten von Mikrochips wurde herkömmlicherweise eine Schicht aus einer Nickel-Vanadium Legierung verwendet. Dabei zeigt Nickel hervorragende Eigenschaften für den Lötvorgang und Vanadium wurde verwendet, um die magnetischen Eigenschaften von Nickel zu beeinflussen. Das enthaltene Vanadium reagiert jedoch mit Zinn, was in bleifreien Loten hauptsächlich verwendet wird, und bildet Verbindungen, die die Haltbarkeit von Lotstellen drastisch reduzieren kann. Deshalb wurde die Nickel-Vanadium Legierung durch eine Nickel-Silizium Legierung ersetzt. Da aber ein neuer Legierungspartner die physikalischen und chemischen Eigenschaften einer Metallisierung ändern kann, wurde in dieser Arbeit untersucht, wie sich die neue Verbindung auf verschiede Parameter auswirkt, die entscheidend für die Lötbarkeit sind. Metallisierungen auf Mikrochips verursachen Spannungen, welche die Form und damit die Lötbarkeit beeinflussen können. Mit einem mechanischen Profilometer wurden Mehrschicht-Systeme untersucht, um die Spannungen der gesamten Schicht zu bestimmen, und mittels XRD wurden die Spannungen der Ni(V) bzw. Ni(Si) Schichten untersucht. Es konnte dabei festgestellt werden, dass Silizium als Legierungspartner eine größere Krümmung des Mikrochips verursacht, was die Lötbarkeit dieser Schicht verschlechtert. Diese Eigenschaft kann aber durch die Zugabe von Stickstoff in die Schicht verbessert werden. Für die Elementaranalyse der Mehrschichtmetallisierungen wurde ToF-SIMS verwendet. Damit konnte die Diffusion der verschiedenen Schichtmaterialien untersucht werden. Speziell wurde dabei auf Aluminium geachtet, da eine Diffusion zur Oberfläche beobachtet wurde, die das Aussehen und den Einsatz als Lotbeschichtung beeinflusst. Es konnte festgestellt werden, dass Silizium abermals schlechtere Diffusionseigenschaften zeigt, aber durch die Zugabe von Stickstoff die Eigenschaften wieder drastisch verbessert werden können. Des Weiteren wurde für die Untersuchung von Stickstoff mit ToF-SIMS eine neue Methode entwickelt, welche durch das Aufblasen von Methan auf die Probenoberfläche die Detektion von Stickstoff verbessert. Dadurch ist eine Signalverbesserung um eine Größenordnung möglich. Möglichkeiten für weitere Erhöhungen wurden ebenfalls untersucht.