CH705035A2 - Verfahren zum Auftragen von Lot auf ein Substrat und Verfahren für die Montage von Halbleiterchips. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auftragen von Lot auf ein Substrat und ein Verfahren für die Montage eines Halbleiterchips auf dem aufgetragenen Lot. Das Substrat (1) wird auf eine Temperatur erhitzt, die oberhalb der Schmelztemperatur des Lots liegt, und eine Lotportion (3) aufgebracht. Anschliessend wird ein Stift (5) in die Lotportion (3) eingetaucht und abgesenkt, bis er die Lotportion (3) berührt und auf das Substrat (1) drückt. Der Stift (5) wird mit Ultraschall beaufschlagt derart, dass im Stift (5) Ultraschallwellen erzeugt werden, die senkrecht oder schräg zur Oberfläche (2) des Substrats (1) gerichtet sind, und dann entlang einer vorbestimmten Bahn bewegt, um das Lot zu verteilen. Die Behandlung mit Ultraschall verbessert lokal die Benetzbarkeit des Substrats (1). Die Temperatur des Stifts (5) ist vorzugsweise tiefer als die Schmelztemperatur des Lots.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft einerseits ein Verfahren zum Auftragen von Lot auf ein Substrat und andererseits ein Verfahren für die Montage von Halbleiterchips auf dem aufgetragenen Lot.

[0002] Lötverfahren dieser Art werden typischerweise - jedoch nicht ausschliesslich - bei der Montage von Halbleiterchips auf einem metallischen Substrat, einem sogenannten Leadframe, angewendet. Hauptsächlich Leistungshalbleiter werden in der Regel mit dem Substrat, das üblicherweise aus Kupfer besteht, mittels Weichlötung verbunden, um über die Lötverbindung eine im Vergleich zur Montage mittels Klebstoff wirksamere Ableitung der beim Betrieb entstehenden Verlustwärme aus dem Halbleiterchip zu gewährleisten. Allerdings werden, vor allem bei gesteigerter Leistungsdichte, hohe Anforderungen an die Homogenität der Lötverbindung gestellt, d.h. es werden definierte Dicke, gleichmässige Verteilung und einwandfreie Benetzung der Lotschicht Uber die ganze Chipfläche, bzw. völlige Blasenfreiheit sowie Reinheit der Lötstelle verlangt; andererseits soll aber das Lot möglichst nicht aus dem Lotspalt seitlich austreten und sich neben dem Halbleiterchip ausbreiten, was wiederum eine genaue Dosierung und Positionierung der Lotportionen erfordert.

[0003] Im Anwendungsbereich der Halbleiterchip-Montage ist ein Verfahren im praktischen Einsatz weit verbreitet, bei dem das Ende eines Lötmetall-Drahtes mit dem über die Schmelztemperatur des Lotes erhitzten Substrat in Berührung gebracht wird, um ein Stück des Drahtes abzuschmelzen. Dieses Verfahren ist aufgrund seiner Einfachheit und Flexibilität für die Massenproduktion an sich gut geeignet. Die entstehende, etwa kreisförmige Benetzungsfläche ist allerdings schlecht an die rechteckige oder quadratische Gestalt der Halbleiterchips angepasst. Aus der US 6 056 184 ist zudem ein Formstempel bekannt, mit dem die auf dem Substrat deponierte Lotportion in eine flache, der rechteckigen Gestalt der Halbleiterchips angepasste Form gebracht werden kann. Bekannt ist auch, das Ende des Lötmetall-Drahtes mit einem Schreibkopf entlang einer vorbestimmten Bahn zu bewegen, wobei das erhitzte Substrat laufend Lot abschmilzt. Auf diese Weise wird auf dem Substrat eine Lotbahn deponiert.

[0004] Aus der US 5 878 939 ist ein Verfahren bekannt, bei dem flüssiges Lot in eine zwischen einem Formstempel und dem Substrat gebildete Kavität gespritzt wird.

[0005] Diese bekannten Verfahren haben einige Nachteile. Die Form des deponierten Lotes ist entweder rund oder es muss für jede rechteckförmige Form ein spezifischer Formstempel hergestellt werden. Ein solcher Formstempel hat Seitenwände, die einen Teil des Substrates belegen. Das Lot kann somit nicht bis zum Rand der den Halbleiterchip aufnehmenden Chipinsel aufgebracht werden. Zudem muss das Substrat über die Schmelztemperatur des Lotes aufgeheizt werden und das deponierte Lot muss vom Auftragen bis zum Aufbringen des Halbleiterchips in flüssiger Form gehalten werden. Nachteilig ist auch, dass die mit dem flüssigen Lot in Berührung kommenden Teile regelmässig gereinigt werden müssen, wozu die Produktion unterbrochen werden muss.

[0006] Aus den US 4 577 398 und US 4 709 849 ist ein Verfahren bekannt, bei dem flache Formlinge aus Lötmetall, sogenannte «solder preforms», deren Abmessungen auf die Halbleiterchips abgestimmt sind, vorfabriziert werden. Die Lot-Formlinge werden dann auf das Substrat aufgelegt und von diesem aufgeschmolzen, um eine Lotschicht in den verlangten Dimensionen zu bilden. Wegen der erforderlichen Vorfabrikation der Lot-Formlinge und den zusätzlichen Montageoperationen ist diese Methode allerdings recht kostspielig und wenig flexibel.

[0007] Aus der US 2009 145 950 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, bei denen ein Lotdraht durch einen Schreibkopfeines Lotdispensers hindurchgeführt ist, wobei der Draht beim Auftragen des Lots in Kontakt mit dem erhitzten Substrat gebracht wird, so dass Lot am Drahtende schmilzt, und wobei der Schreibkopf entlang einer vorbestimmten Bahn parallel zur Oberfläche des Substrats bewegt wird. Der Lotdispenser schreibt auf diese Art eine Lotbahn auf das Substrat. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass das Substrat ohne vorgängige Reinigung nur ungenügend benetzbar ist.

[0008] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für das Auftragen von Lot auf ein Substrat zu entwickeln, das die genannten Nachteile nicht mehr aufweist.

[0009] Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1, 2 und 5. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

[0010] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Figuren sind schematisch und nicht massstäblich gezeichnet. <tb>Fig. 1-4<sep>illustrieren das erfindungsgemässe Verfahren zum Auftragen von Lot auf ein Substrat, und <tb>Fig. 5<sep>illustriert ein besonderes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens.

[0011] In der Praxis müssen Halbleiterchips auf ein Substrat gelötet werden, deren Kantenabmessungen vom Submillimeterbereich bis zum Zentimeterbereich reichen. Das erfindungsgemässe Verfahren wird daher auf der Grösse der Halbleiterchips und der von der Anwendung geforderten Verbindungsqualität optimal angepasste Weise umgesetzt. Das Montieren der Halbleiterchips erfolgt mittels eines als Softsolder-Diessonder bekannten Montageautomaten. Die Substrate werden dabei taktweise einer Dispensstation, wo Lot auf das Substrat aufgetragen wird, und dann einer Bondstation, wo der Halbleiterchip auf der Lotportion abgesetzt wird, zugeführt. Das Substrat wird für diese beiden Prozesse auf einer Temperatur, die oberhalb der Schmelztemperatur des Lots liegt, und in der Regel unter einer Inertgas Atmosphäre gehalten.

[0012] Die Fig. 1 bis 4 illustrieren das erfindungsgemässe Verfahren zum Auftragen von Lot auf ein Substrat 1 am Beispiel, dass anschliessend ein Halbleiterchip mittlerer bis grosser Grösse auf dem Lot platziert wird. Das Verfahren umfasst die Schritte: A) Erhitzen des Substrats 1 auf eine Temperatur, die oberhalb der Schmelztemperatur des Lots liegt. B) Aufbringen von mindestens einer Lotportion 3 auf das Substrat 1.

[0013] Dieser Schritt erfolgt auf bekannte Weise. Der Zustand nach diesem Schritt ist in den Fig. 1A(seitliche Ansicht) und 1B (Ansicht von oben) dargestellt. C) Absenken und Eintauchen eines Stifts 5 in das Lot, wobei der Durchmesser des Stifts 5 geringer ist als der mittlere Durchmesser D der Lotportion 3. Der Stift 5 wird abgesenkt, bis eine Kontaktfläche 6 des Stifts 5 das Substrat 1 berührt, und mit einer Kraft beaufschlagt, so dass der Stift 5 gegen das Substrat 1 drückt. Der Zustand nach diesem Schritt ist in der Fig. 2dargestellt.

[0014] Der Stift 5 ist an einem Kopf 4 befestigt, wobei der Kopf 4 einerseits heb- und senkbar und parallel zur Oberfläche 2 des Substrats 1 bewegbar und andererseits eingerichtet ist, den Stift 5 mit Ultraschall zu beaufschlagen und zwar derart, dass im Stift 5 Ultraschallwellen erzeugt werden, die in der Regel senkrecht zur Oberfläche 2 des Substrats 1 gerichtet sind. D) Beaufschlagen des Stifts 5 mit Ultraschall. E) Bewegen des Stifts 5 entlang einer parallel zur Oberfläche 2 des Substrats 1 verlaufenden, vorbestimmten Bahn.

[0015] Die Fig. 3 illustriert diesen Verfahrensschritt für den Fall, dass der Stift 5 nur bis auf die Höhe H2 abgesenkt wurde. Die Richtung der durch die Ultraschallwellen bewirkten Schwingungen im Stift 5 ist durch einen Pfeil 7 dargestellt. Der Ultraschall wird vom Stift 5 auf das Substrat 1 übertragen und bewirkt durch Kavitation eine Zerstörung und Entfernung von allfälligen Oxidschichten, die sich auf der Substratoberfläche 2 gebildet hatten, und verbessert dadurch die Benetzbarkeit der Fläche, die das Lot belegen soll. Während der Stift 5 entlang der vorbestimmten Bahn bewegt wird, wird einerseits die Oberfläche 2 des Substrats 1 wie erwähnt lokal gereinigt und dadurch die Benetzbarkeit der Oberfläche 2 auf der Fläche verbessert, die das Lot belegen soll, und andererseits das Lot auf diese Fläche verteilt. F) Anheben des Stifts 5 bis er von der Lotportion 3 getrennt ist.

[0016] Der Zustand nach diesem Schritt ist in den Fig. 4A (seitliche Ansicht) und 4B (Ansicht von oben) dargestellt. Die Lotportion 3 ist nun gleichmässig über die gewünschte Fläche verteilt.

[0017] Die Schritte C) und D) können vertauscht werden. Die Beaufschlagung des Stifts 5 mit Ultraschall kann vor oder nach dem Schritt F) beendet werden.

[0018] Die bei dem beschriebenen Verfahren im Stift 5 erzeugten Ultraschallwellen sind in Bezug auf die senkrecht zur Oberfläche 2 des Substrats 1 verlaufende Längsachse des Stifts 5 longitudinale Ultraschallwellen. Die Frequenz der Ultraschallwellen liegt vorzugsweise im Bereich von 40 kHz bis 200 kHz, typischerweise bei etwa 60 kHz. Die Bearbeitung des Substrats 1 mit Ultraschall verbessert die Benetzbarkeit lokal auf der Fläche, auf der das Lot gewünscht wird, und reduziert dadurch das unerwünschte Auslaufen des Lots, das im Fachjargon als «solder bleed out» bekannt ist.

[0019] Der Stift 5 ist vorzugsweise senkrecht zur Oberfläche 2 des Substrats 1 ausgerichtet, er kann aber auch schräg, d.h. unter einem vorbestimmten Winkel, zur Oberfläche 2 des Substrats 1 ausgerichtet sein. Die Ultraschallwellen sind somit hauptsächlich senkrecht oder zumindest schräg zur Oberfläche 2 des Substrats 1 gerichtet.

[0020] Es ist möglich, die Stärke und die Frequenz der Ultraschallwellen gemäss einem vorbestimmten Profil zu variieren, insbesondere können einzelne oder mehrere Ultraschallpulse (engl. Ultraschallbursts) eingesetzt werden.

[0021] Der Kopf 4 kann kardanisch und/oder federnd gelagert sein, damit allfällige Unebenheiten oder Schräglagen des Substrats 1 aufgefangen werden können. Die Kraft, mit der der Stift 5 gegen das Substrat 1 gedrückt wird, ist vergleichsweise gering, da mit zunehmender Kraft die für die Ultraschallwellen benötigte Leistung zunimmt. Die Kraft kann zum Beispiel durch eine federnde Lagerung des Stifts 5 am Kopf 4 erzeugt werden.

[0022] Nachdem die Lotportion 3 auf das Substrat 1 aufgebracht wurde, wird das Substrat 1 zur Bondstation transportiert, wo ein Halbleiterchip auf der Lotportion 3 platziert wird.

[0023] Untersuchungen des Erfinders haben gezeigt, dass es bei gewissen Loten von Vorteil ist, wenn die Temperatur des Lots während der Bearbeitung mit dem Stift 5 unterhalb seiner Schmelztemperatur liegt. Dies gilt insbesondere für Lote, die bei ihrer Schmelztemperatur eine geringe Viskosität haben, was dazu führt, dass beim Verteilen des Lots auf dem Substrat Spritzer entstehen können. Es ist deshalb von Vorteil, bei solchen Loten die Viskosität zu erhöhen. In diesem Fall wird das erfindungsgemässe Verfahren mit Vorteil gemäss einer der folgenden Varianten modifiziert:

Variante 1

[0024] Nach dem Schritt B und vor dem Schritt C: Absenken der Temperatur des Substrats 1 auf ein Niveau, das wenigstens einige Kelvin, z.B. 10 K, typischerweise mindestens 20 bis 30 K oder noch mehr, unterhalb der Schmelztemperatur, jedoch oberhalb der Solidustemperatur des Lots liegt. Nach dem Schritt E oder nach dem Schritt F kann die Temperatur des Substrats 1 wieder auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Lots erhöht werden, um dann in der Bondstation den Halbleiterchip aufzubringen.

Variante 2

[0025] Kühlen des Stifts 5 auf eine Temperatur, die wenigstens einige Grad Celsius, z.B. 10 K, typischerweise mindestens 20 bis 30 K oder noch mehr, unterhalb der Schmelztemperatur, jedoch oberhalb der Solidustemperatur des Lots liegt.

[0026] Das Kühlen des Stifts 5 bewirkt, dass der Stift 5 während der Schritte C bis E der Lotportion 3 Wärme entzieht, so dass die Temperatur der Lotportion 3 zumindest lokal in der Umgebung des Stifts 5 abnimmt und damit ihre Viskosität erhöht. Dies ist der Fall, obwohl das Substrat 1 auf einer höheren Temperatur gehalten wird, die im Bereich der Schmelztemperatur des Lots liegt.

[0027] Bei vielen Anwendungen wird der Halbleiterchip auf einem Substratplatz 8 montiert, dessen Abmessungen in etwa gleich sind wie die Abmessungen des Halbleiterchips. Das Substrat ist typischerweise ein so genanntes Leadframe. Der Substratplatz 8 ist über dünne Stege (nicht dargestellt) mit dem Rahmen des Leadframes verbunden. Es ist dann meistens so, dass die Lotportion den ganzen Substratplatz 8 bedecken muss. Um dies zu erreichen ist es vorteilhaft, den Stift 5 entlang einer Bahn 9 zu bewegen, die zumindest teilweise entlang des Randes 10 des Substratplatzes 8 führt und so festgelegt ist, dass die Kontaktfläche 6 des Stifts 5 den Rand 10 überragt und somit den Substratplatz 8 nur noch teilweise berührt. Die Fig. 5 illustriert dies. Diejenigen Teile der Bahn 9, bei denen die Kontaktfläche 6 des Stifts 5 den Rand 10 überragt, sind durch ausgezogene Pfeile, die übrigen Teile der Bahn 9 durch gestrichelte Pfeile dargestellt. Bei diesem Beispiel führt die Bahn 9 vom Zentrum der Lotportion 3 zunächst zu einer Ecke des Substratplatzes 8, dann entlang des Randes 10 des Substratplatzes 8 und dann entlang im Inneren des Substratplatzes 8 liegenden Bahnabschnitten. Die Reihenfolge der einzelnen Bahnabschnitte kann auch anders gewählt werden. Die Bahn 9 ist hier nur beispielhaft gezeigt, sie kann auch aus anderen Bahnabschnitten zusammengesetzt sein. Bei diesem Beispiel ist die Kontaktfläche 6 des Stifts 5 quadratisch, sie kann aber auch rechteckförmig oder rund sein oder eine beliebige andere Form aufweisen.

[0028] Bei der Montage von relativ grossen Halbleiterchips kam es vorteilhaft sein, mehrere Lotportionen auf das Substrat aufzutragen und dann mit dem Stift zu verteilen. In diesem Fall darf der Durchmesser des Stifts 5 auch grösser als der mittlere Durchmesser einer einzelnen Lotportion sein.

Claims (6)

1. Verfahren zum Auftragen von Lot auf ein Substrat, umfassend die Schritte: A) Erhitzen eines Substrats (1) auf eine Temperatur, die oberhalb einer Schmelztemperatur des Lots liegt, B) Aufbringen von mindestens einer Lotportion (3) auf eine Oberfläche (2) des Substrats (1), C) Absenken eines Stifts (5) in die Lotportion (3) bis der Stift (5) die Oberfläche (2) des Substrats (1) berührt, D) Beaufschlagen des Stifts (5) mit einer vorbestimmten Kraft, so dass der Stift (5) gegen das Substrat (1) drückt, E) Beaufschlagen des Stifts (5) mit Ultraschall derart, dass im Stift (5) Ultraschallwellen erzeugt werden, die senkrecht oder schräg zur Oberfläche (2) des Substrats (1) gerichtet sind, F) Bewegen des Stifts (5) entlang einer vorbestimmten Bahn (9), die parallel zur genannten Oberfläche (2) des Substrats (1) verläuft, und G) Anheben des Stifts (5), bis der Stift (5) von der Lotportion (3) getrennt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stift (5) auf eine Temperatur gekühlt wird, die wenigstens 10 K tiefer ist als die Schmelztemperatur des Lots und die oberhalb einer Solidustemperatur des Lots liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) während der Schritte C bis F auf einer Temperatur gehalten wird, die wenigstens 10 K tiefer ist als die Schmelztemperatur des Lots und die oberhalb einer Solidustemperatur des Lots liegt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Lot im Schritt B auf einen Substratplatz (8) aufgebracht wird und dass das Bewegen des Stifts (5) entlang einer vorbestimmten Bahn (9) beinhaltet, den Stift (5) zumindest teilweise entlang eines Randes (10) des Substratplatzes (8) zu bewegen, wobei eine Kontaktfläche (6) des Stifts (5) den Substratplatz (8) überragt und damit nur noch teilweise berührt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall einer einzigen Lotportion ein Durchmesser des Stifts (5) geringer ist als ein mittlerer Durchmesser der Lotportion (3),

6. Verfahren zur Montage eines Halbleiterchips auf einem Substrat, gekennzeichnet durch die Schritte: Auftragen einer Lotportion (3) auf das Substrat (1) nach einem Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 5, und Platzieren eines Halbleiterchips auf der Lotportion (3).