CH708278A1 - Vorrichtung zum Auftragen und Verteilen von Lot auf einem Substrat. - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung (1) zum Auftragen und Verteilen von Lot auf einem Substrat (2) umfasst ein längliches Werkzeug (5), eine Werkzeughalterung (6), einen Ultraschallgeber (7), einen Kühlkörper (8), ein Drahtführungsrohr (9) und ein Gehäuse (10). Das Werkzeug (5) ist an der Werkzeughalterung (6) befestigbar und weist eine Längsbohrung auf, die in eine Öffnung an der Spitze (13) des Werkzeugs (5) mündet. Das Drahtführungsrohr (9) verläuft entlang einer zentralen Längsachse durch den Kühlkörper (8), den Ultraschallgeber (7) und die Werkzeughalterung (6), ragt in die Längsbohrung des Werkzeugs (5) hinein und reicht bis zu einer Stelle oberhalb der Spitze (13) des Werkzeugs (5). Das Drahtführungsrohr (9) berührt das Werkzeug (5) nicht. Der Ultraschallgeber (7) ist an der Werkzeughalterung (6) befestigt. Zwischen einer Innenwand des Gehäuses (10) und dem Ultraschallgeber (7) ist eine aktiv kühlbare Kühlkammer (15) gebildet.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Auftragen und Verteilen von flussmittelfreiem Lot auf einem Substrat.

[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 über 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 US 6056 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 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 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 US 2009-145 950 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, bei denen ein Lotdraht durch einen Schreibkopf eines 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] Aus US 2012-0 298 730 ist ein Verfahren zum Auftragen und Verteilen von Lot bekannt, bei dem in einem ersten Schritt eine Lotportion auf das Substrat aufgebracht und in einem zweiten Schritt die Lotportion mittels eines mit Ultraschall beaufschlagbaren Stifts auf dem Substrat verteilt wird.

[0009] Das Auftragen und Verteilen von flussmittelfreiem Lot auf einem Substrat wird durch verschiedene Faktoren wie Verunreinigungen und Oxidschichten auf der Oberfläche des Substrats, chemische Prozesse zwischen den Werkzeugen, die zum Auftragen bzw. Verteilen benutzt werden, und dem Lot beeinflusst und macht das Auftragen und Verteilen zu einer schwierigen Aufgabe.

[0010] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine genau dosierte Lotportion in einwandfreier Qualität auf ein Substrat aufzubringen.

[0011] Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

[0012] Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Figur ist nicht massstäblich gezeichnet. <tb>Fig. 1<SEP>zeigt eine erfindungsgemässe Vorrichtung zum Auftragen und Verteilen von Lot auf einem Substrat.

[0013] Die Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemässe Vorrichtung 1 zum Auftragen und Verteilen von Lot auf einem Substrat 2. Die Substrate werden in einer vorgegebenen Transportrichtung durch einen Ofen 3 transportiert, in dem in der Regel eine Schutzgasatmosphäre herrscht. Das Schutzgas 4 ist beispielsweise H2N2. Die Vorrichtung 1 ist an einem nicht dargestellten Schreibkopf befestigt, der von ebenfalls nicht dargestellten Antrieben in zwei planar zur Ebene der Substrate 2 verlaufenden Richtungen bewegbar und in einer senkrecht zur Ebene der Substrate 2 verlaufenden Richtung heb- und senkbar ist. Die Vorrichtung 1 umfasst ein längliches Werkzeug 5, eine Werkzeughalterung 6, einen Ultraschallgeber 7, einen Kühlkörper 8, ein Drahtführungsrohr 9 und ein Gehäuse 10. Das Lot wird in Form eines Lotdrahts 11 zugeführt. Der Lotdraht ist üblicherweise auf eine Drahtspule aufgewickelt und wird von einer Drahtzuführungsvorrichtung 12 dem Drahtführungsrohr 9 zugeführt. Das Werkzeug 5 hat eine Längsbohrung, die in eine Öffnung an der Spitze 13 des Werkzeugs 5 mündet. Mit Vorteil ist das Werkzeug 5 austauschbar an der Werkzeughalterung 6 und/oder die Spitze 13 austauschbar am Werkzeug 5 befestigt. Das Drahtführungsrohr 9 verläuft entlang einer zentralen Längsachse der Vorrichtung durch den Kühlkörper 8, den Ultraschallgeber 7, die Werkzeughalterung 6 und das Werkzeug 5. Das Drahtführungsrohr 9 ist am Kühlkörper 8 befestigt und ragt in die Längsbohrung des Werkzeugs 5 hinein bis zu einer Stelle oberhalb der Spitze des Werkzeugs 5, ohne das Werkzeug 5 zu berühren. Der Ultraschallgeber 7 ist an der Werkzeughalterung 6 befestigt. Die Werkzeughalterung 6 ist gleichzeitig als Schwingkörper ausgebildet und überträgt die vom Ultraschallgeber 7 erzeugten Ultraschall wellen auf das Werkzeug 5. Das Gehäuse 10 ist ebenfalls an der Werkzeughalterung 6 befestigt, vorzugsweise an einem Flansch 14, der in einem Schwingungsknoten der Ultraschallwellen angeordnet ist. Zwischen der Innenwand des Gehäuses 10 und dem Ultraschallgeber 7 ist eine Kühlkammer 15 gebildet, die aktiv gekühlt wird, beispielsweise durch Zuführen eines Kühlgases oder mit anderen Mitteln wie beispielsweise Peltierelementen. Das Kühlgas wird vorzugsweise von einer Kühlvorrichtung bereitgestellt und in einem geschlossenen Kreislauf zur Kühlkammer 15 zu- und abgeführt. Die Kühlung der Kühlkammer 15 ist so ausgelegt, dass die Temperatur in der Kühlkammer 15 ausreichend tief ist, um das einwandfreie Arbeiten der Piezoelemente des Ultraschallgebers 7 zu gewährleisten. Der Kühlkörper 8 dient dazu, das Drahtführungsrohr 9 zu kühlen und auf seiner ganzen Länge auf einer Temperatur zu halten, die unterhalb der Schmelztemperatur des Lotdrahts 11 liegt. Der Kühlkörper 8 und das Drahtführungsrohr 9 sind deshalb auf thermisch gut leitende Weise miteinander verbunden. Der Kühlkörper 8 wird vorzugsweise aktiv gekühlt, beispielsweise ebenfalls durch Zuführen eines Kühlgases oder mittels Peltierelementen, die Wärme vom Kühlkörper 8 zur Umgebung pumpen. Der untere Teil des Werkzeugs 5 ragt durch eine Heiz- und Kühlvorrichtung 16 hindurch, die dazu dient, die Temperatur der Spitze 13 des Werkzeugs 5 innerhalb eines vorbestimmten Temperaturfensters zu halten. Die Drahtzuführungsvorrichtung 12 und die Heiz- und Kühlvorrichtung 16 sind vorzugsweise am Schreibkopf befestigt.

[0014] Das Drahtführungsrohr 9 besteht aus einem flussmittelfreies Lot schlecht benetzbaren Material. Ein besonders gut geeignetes Material für das Drahtführungsrohr 9 ist keramisches Material, aber auch rostfreier Stahl ist dazu geeignet. Um die Lage des Drahtführungsrohrs 9 innerhalb der Vorrichtung stabil zu halten, ist die Werkzeughalterung 6 mit Vorteil mit einem beispielsweise ringförmigen Fortsatz 17, der auch gezahnt sein kann, ausgebildet, in dem das Drahtführungsrohr 9 axial gelagert ist. Der Fortsatz 17 befindet sich mit Vorteil in einem Schwingungsknoten der Ultraschallwellen. Die Werkzeughalterung 6 kann mit Kühlrippen ausgebildet sein, um die Kühlung des Drahtführungsrohrs 9 und des Ultraschallgebers 7 zu unterstützen. Die Spitze 13 des Werkzeugs 5 kann integraler Bestandteil des Werkzeugs 5 oder ein separates, am Werkzeug 5 befestigtes Teil sein.

[0015] Das Werkzeug 5 besteht aus einem Material, das Ultraschall gut leitet, wie beispielsweise rostfreiem Stahl oder Titan, das in reiner Form oder mit meist geringfügigen Legierungszusätzen von Aluminium, Vanadium, Mangan, Molybdän, Palladium, Kupfer, Zirkonium und/oder Zinn verwendet werden kann. Die Spitze 13 des Werkzeugs 5 hat eine die Öffnung umgebende Arbeitsfläche, die aus einem gut mit flussmittelfreiem Lot benetzbaren Material besteht oder einem solchen Material beschichtet ist. Materialien, die flussmittelfreies Lot vergleichsweise gut benetzen, sind Kupfer und Kupferlegierungen, z.B. Bronze, Messing, etc., oder auch mehrheitlich silberhaltige Legierungen, d.h. eine Legierung aus Silber und geringfügigen Legierungzusätzen wie beispielsweise Sterlingsilber, oder auch Gold mit geringfügigen Legierungzusätzen. Messing gibt es in verschiedenen Varianten, typische Vertreter sind CuZn37 oder CuZn38Pb2. Die Aussenseite des länglichen Werkzeugs 5 kann, abgesehen von der Arbeitsfläche, zumindest im Bereich der Spitze 13 mit einem flussmittelfreies Lot schlecht benetzbaren Material wie beispielsweise Chrom beschichtet sein.

Claims (3)

1. Vorrichtung (1) zum Auftragen und Verteilen von Lot auf einem Substrat (2), umfassend ein längliches Werkzeug (5), eine Werkzeughalterung (6), einen Ultraschallgeber (7), einen Kühlkörper (8), ein Drahtführungsrohr (9) und ein Gehäuse (10), wobei das Werkzeug (5) an der Werkzeughalterung (6) befestigbar ist und eine Längsbohrung aufweist, die in eine Öffnung an der Spitze (13) des Werkzeugs (5) mündet, wobei das Drahtführungsrohr (9) entlang einer zentralen Längsachse durch den Kühlkörper (8), den Ultraschallgeber (7) und die Werkzeughalterung (6) verläuft, in die Längsbohrung des Werkzeugs (5) hineinragt und bis zu einer Stelle oberhalb der Spitze (13) des Werkzeugs (5) reicht und das Werkzeug (5) nicht berührt, wobei der Ultraschallgeber (7) an der Werkzeughalterung (6) befestigt ist, und wobei zwischen einer Innenwand des Gehäuses (10) und dem Ultraschallgeber (7) eine aktiv kühlbare Kühlkammer (15) gebildet ist.

2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeughalterung (6) einen Fortsatz (17) aufweist, in dem das Drahtführungsrohr (9) axial gelagert ist.

3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Fortsatz (17) in einem Schwingungsknoten der Ultraschallwellen angeordnet ist.