DE10145348C1 - Zwischenträger für elektronische Bauelemente und Verfahren zur Lötkontaktierung eines derartigen Zwischenträgers - Google Patents

Abstract

Der Zwischenträger für elektronische Bauelemente, beispielsweise Halbleiter, bestitzt einen Trägerkörper aus Kunststoff mit einstückig angeformten Kontakthöckern (2), welche mit einer Metallschicht versehen sind, die jeweils mit mindestens einer Leiterbahn des Trägerkörpers (1) leitend verbunden ist. Die Kontakthöcker (2) besitzen jeweils eine von ihrer Spitze bis zu ihrem Fuß reichende gut benetzbare Bahn, die jeweils in einen Lotaufnahmebereich mit Saugwirkung (11) am Fuß des jeweiligen Kontakthöckers (2) führt. Auf diese Weise kann beim Löten der Kontakthöcker überschüssiges Lot abgesaugt werden, so dass Kurzschlüsse auch ohne die Verwendung eines Lötstopplacks vermieden werden. DOLLAR A So kann bei der Lötkontaktierung des Zwischenträgers das Lot großflächig auf einen Schaltungsträger aufgebracht werden, wobei es beim Reflowlöten aus den Zwischenräumen zwischen den Kontaktstellen abgesaugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zwischenträger für elektronische Bauelemente mit einem Trägerkörper aus Kunststoff, auf dessen Oberfläche jeweils Kontakthöcker einstückig angeformt sind, deren Oberfläche jeweils zumindest teilweise mit einer lötba­ ren Metallschicht versehen ist, welche mit mindestens einer Leiterbahn des Trägerkörpers leitend verbunden ist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Lötkontaktierung ei­ nes derartigen Zwischenträgers.

Ein Zwischenträger dieser Art ist beispielsweise aus der EP 0 971 405 A2 bekannt. Diese Zwischenträger, die auch als PSGA (Polymer Stud Grid Array) bezeichnet werden, dienen bei­ spielsweise für die Anschlusskontaktierung von Halbleiter- Chips auf Leiterplatten. Die Anwendung ist jedoch nicht auf Halbleiterbauelemente beschränkt, vielmehr können auch andere elektronische Bauelemente mit solchen Zwischenträgern kontak­ tiert werden. Die Zwischenträger selbst werden üblicherweise, wie in EP 0 971 405 A2 beschrieben, durch Spitzgießen herge­ stellt, wobei die Kontakthöcker mit angeformt werden, doch können diese Kontakthöcker auch mit anderen Verfahren, bei­ spielsweise durch Heißprägen von Folien, gebildet werden, wo­ bei alle Arten von Kunststoffen, Thermoplaste, Duroplaste, auch Epoxy-Harze, zum Einsatz kommen können. Die Kontakthöc­ ker auf den Zwischenträgern können sowohl zur Kontaktierung eines Halbleiter-Chips oder eines sonstigen Bauelementes auf dem Zwischenträger als auch zur Kontaktierung des Zwischen­ trägers auf einer Leiterplatte verwendet werden.

Die immer mehr fortschreitende Miniaturisierung der Lötver­ bindungen für immer höhere Packungsdichten von Bauelementen wird durch die Genauigkeit begrenzt, mit der jeweils die Lot­ paste an den einzelnen Kontaktstellen einer Leiterplatte bzw. eines Bauelementes aufgebracht werden kann. Um Kurzschlüsse zwischen den Lötstellen zu vermeiden, ist es bisher notwen­ dig, diese Anschlußstellen auf dem Anschlußsubstrat mittels Lötstopplack voneinander zu trennen. Dieser Lötstopplack kann aber nur mit einer begrenzten Genauigkeit aufgebracht werden, so dass auf diese Weise sowohl die Miniaturisierung als auch die Fertigungsausbeute begrenzt sind. Die Geometrie der Schaltkreise, der Lötstopplack und die Lotpaste müssen sehr genau aufeinander ausgerichtet sein, doch summieren sich die Toleranzen, die bei jedem dieser drei Elemente unvermeidlich sind. Insbesondere ist das Aufbringen der Lotpaste an genau definierten Stellen sehr schwierig zu handhaben. Wenn aber einmal ein Kurzschluß bei der Kontaktierung eines Bauelemen­ tes aufgetreten ist, lässt sich dieser Fehler nicht mehr be­ heben, da das Bauelement nicht mehr von dem Anschlußsubstrat getrennt werden kann.

Zur Vermeidung von Kurzschlüssen zwischen benachbarten Poly­ merhöckern wird in der WO 00/72378 A1 vorgeschlagen, die Po­ lymerhöcker an ihren Enden stufenförmig auszubilden und da­ durch eine Erhöhung zu bilden, womit ein Hochziehen des ge­ schmolzenen Lotes verhindert werden soll. Da diese Stufen bei der geringen Gesamthöhe der Polymerhöcker auch nur eine be­ grenzte Höhe aufweisen können, ist nach wie vor eine genaue Dosierung und Positionierung der Lotmengen erforderlich.

In der US 5 984 164 ist ein Formwerkzeug zur Korrektur der Form und Position von Lotkugeln bei BGA (Ball Grid Array)- Anschlüssen beschrieben.

In diesem Formwerkzeug sind Lotaufnahmebereiche für überschüssigen Lot vorgesehen.

Ziel der Erfindung ist es deshalb, einen Zwischenträger der eingangs genannten Art und ein Verfahren zur Lötkontaktierung eines solchen Zwischenträgers anzugeben, wobei die Anforde­ rungen an die Lotaufbringung weniger hoch sind als bei bishe­ rigen Verfahren und wobei trotzdem eine höhere Sicherheit der Lötverbindungen gegen Kurzschlüsse erzielt wird.

Erfindungsgemäß wird dieses Ziel mit einem Zwischenträger der eingangs genannten Art dadurch erreicht, dass die Kontakthöc­ ker eine von ihrer Spitze bis zu ihrem Fuß reichende, gut be­ netzbare, flüssiges Lot ableitende Bahn aufweisen und dass im Fußbereich der Kontakthöcker jeweils Lotaufnahmebereiche mit Saugwirkung ausgebildet sind, die jeweils gegenüber dem be­ nachbarten Kontakthöcker eine Benetzungssperre aufweisen.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Zwischenträgers erhält dieser durch entsprechende geometrische Gestaltung und Oberflächenbeschichtung der Kontakthöcker und ihrer Umge­ bungsbereiche eine zusätzliche Funktion, die eine Absaugung von überschüssigem Lot von den eigentlichen Kontaktstellen ermöglicht. Durch die gute Benetzbarkeit der Außenflächen der Kontakthöcker wird das überschüssige Lot zu den Fußbereichen dieser Kontakthöcker hin abgeleitet und abgesaugt, wo es in gezielt vorgesehenen Aufnahmebereichen gehalten wird, so dass es keine schädlichen Kurzschlußwirkungen verursachen kann. Das bedeutet, dass die Lotaufbringung viel weniger kritisch ist als bei herkömmlichen Anordnungen und Verfahren, weil das überschüssige Lot nicht mehr einen Kurzschluß zum Nachbarkon­ takt herstellen kann, sondern in ungefährliche Bereiche abge­ saugt wird. Das bedeutet auch, dass das Lot nicht mehr punkt­ förmig nur auf die Kontaktflächen bzw. Kontaktelemente mit hoher Genauigkeit aufgebracht werden muss, sondern dass es vielmehr auf wesentlich einfachere Weise flächig über alle Kontaktstellen verteilt werden kann, da beim Reflow-Löten oh­ nehin die Flächen zwischen den Kontaktstellen leer gesaugt werden. Natürlich muss die Menge des flächenmäßig aufgebrach­ ten Lotes abgestimmt werden mit der Aufnahmekapazität der Lotaufnahmebereiche an den Kontakthöckern.

Mit dem erfindungsgemäßen Zwischenträger können somit auch geringere Abstände zwischen den Kontaktstellen verwirklicht werden, so dass die Packungsdichte insgesamt erhöht werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch die gezielte Ab­ saugung des Lotes auch eine zusätzliche Selbstausrichtung der Kontakthöcker gegenüber einem Schaltungsträger stattfindet, so dass auf diese Weise auch die Genauigkeit der Anordnung von Bauelementen erhöht wird, was beispielsweise gerade für die Kontaktierung von optischen Bauelementen einen großen Vorteil darstellt.

Die erfindungsgemäß an den Kontakthöckern vorzusehenden Lot­ aufnahmebereiche können in einer vorteilhaften Ausgestaltung im Fußbereich der Kontakthöcker als Vertiefungen in der Ober­ fläche des Trägerkörpers ausgebildet sein. Dabei können sie nach Art einer ganz oder teilweise geschlossenen Ringnut den Fußbereich des Kontakthöckers mehr oder weniger weit um­ schließen. Es ist aber auch möglich, dass sich die Vertiefun­ gen jeweils asymmetrisch von dem Fußbereich eines Kontakthöc­ kers weg erstrecken. Werden so beispielsweise die Lotaufnah­ mebereiche benachbarter Kontakthöcker in entgegengesetzter Richtung angeordnet, so können die Abstände zwischen den Kon­ takthöckern besonders klein ausfallen. Besonders für Flip- Chip-Montage von Halbleiter-Bauelementen ist die Erfindung vorteilhaft anzuwenden.

In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können die Lotaufnahmebereiche auch als Kapillarkanäle in den Kontakthöckern selbst ausgebildet werden. So können etwa schlitzartige oder kreuzförmige Einschnitte in Längsrichtung der Kontakthöcker als Kapillarkanäle ausgebildet werden, die entweder selbst bereits als Lotaufnahmebereiche dienen oder über ihre Kapillarwirkung das überschüssige Lot zu einer zu­ sätzlich in der Oberfläche des Trägerkörpers angeordneten Vertiefung führen.

Die das Lot ableitenden Bahnen an den Kontakthöckern können durch eine Metallisierung mit entsprechenden gut benetzbaren Materialien gebildet werden. Die Benetzungs- bzw. Kapillar­ wirkung kann aber durch oberflächlich oder im Inneren der Kontakthöcker angebrachten Rillen bzw. Kanäle verstärkt wer­ den, wie bereits oben angedeutet. Denkbar ist beispielsweise auch eine ganz oder teilweise umlaufende Riffelung der Kon­ takthöcker an deren Außenumfang.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Lötkontaktierung eines derartigen Zwischenträgers auf einem Schaltungsträger mit auf seiner Oberseite angeordneten flachen Kontaktelementen weist folgende Schritte auf:

• - die Kontaktelemente auf der Oberseite des Schaltungsträ­ gers werden mit einer durchgehenden Lotschicht bedeckt;
• - der Zwischenträger wird auf den Schaltungsträger aufge­ setzt, derart, dass seine Kontakthöcker jeweils über zuge­ hörigen Kontaktelementen auf der Lotschicht aufliegen und
• - die Lotschicht wird durch Erwärmung verflüssigt, wobei je­ weils eine Lötverbindung zwischen einem Kontaktelement und einem Kontakthöcker gebildet wird und wobei überschüssiges Lot aus den Bereichen zwischen den Kontaktelementen über die das flüssige Lot ableitenden Bahnen der Kontakthöcker in die Lotaufnahmebereiche abgesaugt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen an­ hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Anordnung eines Zwischenträgers auf einem zur Lötkontaktierung vorbereiteten Halbleiter-Bauelement,

Fig. 2 die Anordnung von Fig. 1 während des Lötens und

Fig. 3 den Zwischenträger und das Bauelement von Fig. 1 nach dem Lötvorgang;

Fig. 4 einen Schnitt IV-IV aus Fig. 1,

Fig. 5 eine Fig. 4 entsprechende Schnittansicht einer abge­ wandelten Ausführungsform eines Zwischenträgers,

Fig. 6 bis 8 einen gegenüber Fig. 1 abgewandelten Zwi­ schenträger in den den Fig. 1 bis 3 entsprechenden Stadi­ en,

Fig. 9 einen Schnitt IX-IX aus Fig. 8 und

Fig. 10 eine perspektivische Schnittdarstellung eines Zwi­ schenträgers gemäß Fig. 1.

Der in den Fig. 1 bis 3 gezeigte Zwischenträger 1 besteht aus Kunststoffmaterial und besitzt an seiner Unterseite ein­ stückig angeformte Kontakthöcker 2 zur Kontaktierung mit flä­ chigen Kontaktelementen 3 eines Schaltungsträgers, im vorlie­ genden Beispiel eines Halbleiter-Chips 4. Es handelt sich hier also um die sogenannte Flip-Chip-Montage eines ungehäu­ sten Halbleiters. Der nur in einem Ausschnitt gezeigte Zwi­ schenträger 1 wird nach der Verbindung mit dem Halbleiter 4 beispielsweise auf einem anderen Schaltungsträger, wie einer Leiterplatte, kontaktiert. Diese Kontaktierung des Zwischen­ trägers kann mit nicht dargestellten Anschlußelementen, bei­ spielsweise herkömmlichen Anschlußelementen oder auch weite­ ren Kontakthöckern erfolgen, wobei diese weiteren Kontakthöc­ ker entweder auf der gleichen Seite neben dem Halbleiterele­ ment 4 oder auf der gegenüberliegenden Seite des Zwischenträ­ gers in nicht dargestellter Weise vorgesehen werden können.

Die genauere Gestaltung des Zwischenträgers 1 ist schematisch in einer perspektivischen Schnittdarstellung in Fig. 10 ge­ zeigt. Dabei sind die Kontakthöcker 2 jeweils mit ringförmi­ gen Vertiefungen 11 umgeben, die eine Saugwirkung für flüssi­ ges Lot entfalten, wenn dieses über die Spitzen 2a und über die gut benetzbaren Umfangsflächen 2b der Kontakthöcker auf­ grund ihrer Oberflächenspannung zum Fuß 2c der Kontakthöcker gelangt. Die Kontakthöcker sind ganz oder teilweise mit einer metallischen Beschichtung 12 versehen, die sich über die Um­ fangsfläche in die jeweilige Vertiefung 11 hinein und über den Außenrand der Vertiefung zu einer Leiterbahn 13 auf der Oberfläche des Zwischenträgers 1 erstreckt. Auf diese Weise werden die Kontakthöcker elektrisch mit den gewünschten Lei­ terbahnen des Zwischenträgers verbunden. Der Außenrand der Vertiefung 11 wirkt jeweils als Benetzungssperre bzw. Kapil­ larsperre, so dass das in der Vertiefung angesaugte Lot nicht über den Rand hinaus dringt und vor allem nicht über den iso­ lierenden Zwischenraum 14 zwischen den einzelnen Kontakthöc­ kern einen Kurzschluß herstellen kann. Die in Fig. 10 darge­ stellten Leiterbahnen 13 sind nur beispielshalber angedeutet. Die elektrischen Verbindungen können natürlich in beliebiger Weise gestaltet sein. Insbesondere können auch nicht darge­ stellte leitende Verbindungen über Randbereiche des Zwischen­ trägers oder über Bohrungen zur gegenüberliegenden Oberfläche und zu dort angeordneten Leiterbahnen bzw. Bauelementen füh­ ren.

Die vergrößerte Schnittdarstellung in Fig. 4 zeigt in Drauf­ sicht zwei benachbarte Kontakthöcker mit einem Rasterabstand d1, welche jeweils von kreisringförmigen Vertiefungen 11 um­ schlossen sind. Fig. 5 zeigt hierzu eine Abwandlung, wobei anstelle der kreisringförmigen Vertiefungen jeweils einseitig nach entgegengesetzten Richtungen ausgeweitete Vertiefungen 16 vorgesehen sind. Auf diese Weise können die Kontakthöcker 2 näher beieinander mit einem kleineren Rasterabstand d2 an­ geordnet werden.

Das Kontaktierungsverfahren lässt sich anhand der Fig. 1 bis 3 verfolgen. Bei der Darstellung gemäß Fig. 1 ist der Schaltungsträger 4 im Bereich der Anschlußelemente 3 mit ei­ ner durchgehenden Lotschicht 5 bedeckt, welche sich durchge­ hend über alle Kontaktelemente 3 erstreckt. Der Zwischenträ­ ger 1 wird danach aufgesetzt und mittels Richthöckern 6 posi­ tioniert, wobei Positionierungszapfen 7 in Positionierungslö­ cher 8 des Schaltungsträgers 4 eingreifen. Natürlich könnten Positionierungszapfen und Positionierungslöcher auch umge­ kehrt am jeweils gegenüberliegenden Teil angeordnet sein.

Gemäß Fig. 2 wird das Lot 5 verflüssigt, so dass die Spitzen 2a der Kontakthöcker 2 in die flüssige Lotschicht eintauchen. Dabei wird durch die Oberflächenleitung und Benetzung der Kontakthöcker das zwischen den einzelnen Kontaktelementen 3 überschüssige Lot zu den Füßen 2c der jeweiligen Kontakthöc­ ker hin abgesaugt und in den Vertiefungen 11 deponiert. Zwi­ schen den Kontakthöckern 2 und zwischen den Kontaktelementen 3 verbleibt also kein überschüssiges Lot, so dass auch keine Kurzschlußgefahr besteht. Beim Erstarren des Lots sind also gemäß Fig. 3 lediglich die Kontakthöcker 2 mit den Kontakt­ elementen 3 verbunden, während sich das überschüssige Lot an den Umfangsflächen der Kontakthöcker 2 und in den Vertiefun­ gen 11 befindet.

In den Fig. 6 bis 9 ist der gleiche Vorgang anhand eines abgewandelten Zwischenträgers 21 beschrieben. Dieser Zwi­ schenträger 21 besitzt Kontakthöcker 22, welche jeweils in ihrer Länge verlaufende kreuzförmige Schlitze 23 aufweisen. Im Übrigen ist der Zwischenträger 21 genauso gestaltet wie der Zwischenträger 1. Er wird auch in gleicher Weise wie die­ se auf einen Schaltungsträger 4 aufgesetzt und mit diesem verlötet. Der Vorgang vollzieht sich in gleicher Weise wie anhand der Fig. 1 bis 3 bereits beschrieben. Ein Unter­ schied besteht lediglich darin, dass das überschüssige Lot nicht über die Außenoberflächen der Kontakthöcker in zusätz­ liche Vertiefungen des Zwischenträgers gesaugt wird, sondern das dieses überschüssige Lot unmittelbar in die kreuzförmigen Schlitze 23 gesaugt wird, welche als Lotaufnahmebereiche die­ nen. Natürlich könnten auch in diesem Fall zusätzliche Ver­ tiefungen in dem Zwischenträger 21 vorgesehen werden.

Claims (12)

1. Zwischenträger für elektronische Bauelemente mit einem Trägerkörper (1; 21) aus Kunststoff, auf dessen Oberfläche jeweils Kontakthöcker (2; 22) einstückig angeformt sind, deren Oberfläche zumindest teilweise mit einer lötbaren Metallschicht versehen ist, welche mit mindestens einer Leiterbahn (12) das Trägerkörpers (1, 21) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakthöcker (2; 22) eine von ihrer Spitze (2a) bis zu ihrem Fuß (2c) reichende, gut benetzbare, flüssiges Lot (5) ableitende Bahn aufweisen und dass im Fußbereich der Kontakthöcker (2; 22) jeweils Lotaufnahmebereiche (11; 23) mit Saugwirkung ausgebildet sind, die gegenüber dem je­ weils benachbarten Kontakthöcker eine Benetzungssperre (14) aufweisen.

2. Zwischenträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lotaufnahmebereiche jeweils im Fußbereich der Kontakthöcker (2) als Vertiefungen (11) in der Oberfläche des Trägerkörpers (1) ausgebildet sind.

3. Zwischenträger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (11) die Kontakthöcker (2) in deren Fußbereich nach Art einer Ringnut ganz oder teilweise um­ geben.

4. Zwischenträger nach Anspruch 2 oder 3; dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (16) sich jeweils asymmetrisch von dem Fußbereich eines Kontakthöckers (2) weg erstrecken.

5. Zwischenträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lotaufnahmebereiche als Kapillarkanäle (23) in den Kontakthöckern (22) ausgebildet sind.

6. Zwischenträger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lot ableitenden Bahnen an den Kontakthöckern (2) durch eine gut benetzbare Metallisierung (12) der Oberflä­ che der Kontakthöcker gebildet sind.

7. Zwischenträger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lot ableitenden Bahnen durch Kapillarkanäle (23) auf der Oberfläche oder im Inneren der Kontakthöcker (22) ausgebildet sind.

8. Zwischenträger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakthöcker zumindest über ein Teil ihrer Um­ fangsfläche mit einer Riffelung versehen sind.

9. Verfahren zur Lötkontaktierung eines Zwischenträgers gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 auf einem Schaltungsträger (4) mit auf seiner Oberseite angeordneten flachen Kontaktele­ menten (3), mit folgenden Schritten:

• - die Kontaktelemente (3) auf der Oberseite des Schal­ tungsträgers (4) werden mit einer durchgehenden Lotschicht (5) bedeckt;
• - der Zwischenträger (1; 21) wird auf dem Schaltungsträger (4) derart aufgesetzt, dass seine Kontakthöcker (2; 22) jeweils über zugehörigen Kontaktelementen (3) auf der Lot­ schicht (5) aufliegen; und
• - die Lotschicht wird durch Erwärmung verflüssigt, wobei jeweils eine Lötverbindung zwischen einem Kontaktelement (3) und einem Kontakthöcker (2; 22) gebildet wird und wo­ bei überschüssiges Lot aus den Bereichen zwischen den Kon­ taktelementen (3) über die das flüssige Lot ableitenden Bahnen der Kontakthöcker (2; 22) in die Lotaufnahmebereiche (11; 23) abgesaugt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei eine Ausrichtung des Zwi­ schenträgers (1; 21) auf dem Schaltungsträger (4) durch Einführen von Positionierungszapfen (7) in Positionie­ rungslöcher (8) erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Halbleiter-Bauelement verwendet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Schaltungsträger eine Leiterplatte verwendet wird.