Ein
Verfahren und eine elektrische Schaltung dieser Art sind aus der
US 6,536,653 B2 bekannt. Dabei
wird ein erstes Substrat, das eine Anzahl von Kontaktflächen und
Durchtrittsöffnungen
aufweist, derart angeordnet, dass sich die Durchtrittsöffnungen jeweils
senkrecht über
einem elektrisch leitenden Anschlusspad auf einem zweiten Substrat
befinden. Auf der dem zweiten Substrat abgewandten Seite des ersten
Substrats werden Lotkügelchen
oder Lotpastendepots im Bereich der Kontaktflächen angeordnet und ein Reflow-Lötprozess
durchgeführt.
Dabei wird die gesamte Anordnung aus erstem und zweitem Substrat
mindestens auf die Schmelztemperatur des Lotes erhitzt und alle
Lotkügelchen
beziehungsweise Lotpastendepots gleichzeitig aufgeschmolzen. Das geschmolzene
Lot fließt
in die Durchtrittsöffnungen des
ersten Substrats und bildet eine Lötverbindung zwischen den Kontaktflächen des
ersten Substrats und den Anschlusspads des zweiten Substrats aus.
Die
WO 00/13232 offenbart eine Verbindung zwischen einem ersten Substrat
und einem zweiten Substrat, wobei das erste Substrat konisch ausgeformte
Durchtrittsöffnungen
aufweist. Die kleinere Öffnung
der Durchtrittsöffnung
auf der einen Seite des ersten Substrats ist dabei durch eine elektrisch leitende
Auffangschicht verschlossen. In der Durchtrittsöffnung wird durch galvanische
Abscheidung oder einen Reflow-Lötprozess
ein Kontakthöcker
aus einem ersten Lotmaterial direkt auf der Auffangschicht gebildet,
die bei der galvanischen Abscheidung die Abscheidefläche für das erste
Lotmaterial bildet und beim Reflow-Löten
ein Herausfließen
des ersten Lotmaterials aus der Durchtrittsöffnung verhindert. Ein elektrisch
leitendes Lotkügelchen
aus einem zweiten Lotmaterial wird anschließend mit dem Kontakthöcker verbunden,
wobei das zweite Lotmaterial einen niedrigeren Schmelzpunkt und
eine niedrigere Scherfestigkeit aufweist als das erste Lotmaterial.
Die
EP 0 639 043 A1 offenbart
ein Verfahren zur Herstellung von durchkontaktierten Leiterplatten mit
sehr kleinen beziehungsweise ohne Lötaugen. Dabei wird eine Leiterplatte
mit Durchtrittsöffnungen mit
Kupfer beschichtet und an den Lochwänden der Durchtrittsöffnungen
eine ätzbeständige Schicht
abgeschieden.
Die
EP 1 111 974 A2 offenbart
ein Verfahren zur Herstellung einer Lötverbindung zwischen einem Bauelement
und einer Platine. Das Bauelement weist ein elektrisch leitendes
Anschlusselement auf, das durch eine durchgehende Öffnung in
der Platine gesteckt wird. Die Öffnung
in der Platine ist von einer elektrisch leitenden, auf der Platine
angeordneten Kontaktfläche
umgeben. Ein schmelzflüssiges
Lot wird in den Ringspalt zwischen Anschlusselement und Wandung
der Öffnung,
etwa durch ein Wellenlötverfahren,
eingegeben und eine Lötverbindung
zwischen dem Anschlusselement und der Kontaktfläche ausgebildet. Dabei ist
im Bereich der Platine partiell ein Lötstoplack erforderlich, der
die Benetzbarkeit der Platine lokal vermindert, so dass an diesen
Stellen kein Lot abgeschieden werden kann.
Die
EP 1 283 664 A2 offenbart
einen Flachleiter und ein Verfahren zur Herstellung einer Lötverbindung
zwischen einem schichtförmigen
Kontaktbereich auf dem Flachleiter und einem schichtförmigen Kontaktbereich
auf einem Bauteil, wobei die schichtförmigen Kontaktbereiche jeweils
mit einer Leiterbahn verbunden sind. Der Flachleiter weist dabei
einen aufgebogenen Randbereich auf, der die Benetzung mit Lot verbessert
und Ungenauigkeiten bei der Positionierung des Lotes sowie ein Verlaufen
des Lotes verhindern soll. Der aufgebogene Randbereich wird dabei
unter anderem durch einen um eine Öffnung verlaufenden Kragen
gebildet, wobei durch den Kragen die Dicke des Lotes erhöht werden
kann und eine große
Kontaktfläche
für das
Lot bereitgestellt wird, so dass die Scherfestigkeit der Lotverbindung verbessert
wird. Das Lot kann dabei flüssig
oder fest auf die Kontaktbereiche gebracht werden, wobei unter anderem
eine Erhitzung mittels Lötkolben,
Heißstempel
oder Laser offenbart ist.
Die
WO 99/26753 beschreibt ein Verfahren zur thermischen Verbindung
von Anschlussflächen, die
sich auf der Oberfläche
von zwei separaten Substraten befinden. Dabei wird mindestens ein
Substrat verwendet, das transparent ist. Die Anschlussflächen der
Substrate werden von der Rückseite
des transparenten Substrat aus mit Laserenergie beaufschlagt und
thermisch verbunden.
Die
JP 2002124545 A offenbart
ein Verfahren zur Herstellung eines Bandes, das Öffnungen und darüber angeordnete
Landepads für
Lotkügelchen
aufweist. Ein Zinn-Lot
wird galvanisch auf den Landpads innerhalb der Öffnungen abgeschieden und dadurch
die Zuverlässigkeit
einer Verbindung zwischen einem im Bereich der Öffnung anzubringenden Lotkügelchen
und dem jeweiligen Landepad verbessert.
Die
JP 2001203435 A beschreibt
eine Verbindung zwischen einem Ball-Grid-Array, kurz BGA, das mit
Lotkügelchen
und elektronischen Komponenten bestückt ist, und einer Leiterplatte.
Dabei befinden sich die elektronischen Komponenten zwischen dem
BGA und der Leiterplatte neben den Lotkügelchen beziehungsweise neben
den in einem Reflow-Lötverfahren
ausgebildeten Lötverbindung
zwischen BGA und Leiterplatte.
Die
JP 2002359460 A offenbart
ein Verfahren zur Verbindung eines elektronischen Bauteils mit einer
Leiterplatte. Dabei wird auf eine elektrisch leitende Kontaktfläche ein
Lotkügelchen
aufgesetzt und mit einem Flussmittel versehen. Anschließend wird das
Bauteil aufgesetzt, die Anordnung erwärmt und das Lotkügelchen
aufgeschmolzen, wobei das Bauteil gegen die Leiterplatte gedrückt wird.
Die
JP 2002158311 A beschreibt
ein BGA, dessen Anschlusspads zum Anschluss von Lotkügelchen
von einer Öffnung
unterbrochen werden, die sich exzentrisch zum Anschlusspad am Rand
des Anschlusspads befindet.
Die
US 6,199,273 B1 offenbart
eine BGA-Anschlussstruktur, bei welcher über einer Durchkontaktierungsöffnung ein
Lotkügelchen
angelötet
wird. Damit das Lot beim Umschmelzen beziehungsweise Anlöten am Kontakt
nicht in die Öffnung
fließt,
wird die Öffnung
entweder an einer Seite verschlossen oder ein Gegendruck in der Öffnung erzeugt,
der das Lot in seiner Position hält.
Die
JP 2003110231 A beschreibt
eine Leiterplatte mit einem Anschlusspad zur Aufnahme eines geschmolzenen
Lotes, das eine Oberflächenrauhigkeit
im Bereich von 0,1 bis 1 μm
aufweist.
Herstellungsprozesse
für elektronische
Baugruppen werden neben den funktionalen Anforderungen und der fortschreitenden
Miniaturisierung wesentlich auch von der Wirtschaftlichkeit des
Produktionsverfahrens geprägt.
Die vor mehr als drei Jahrzehnten eingeführte Leiterplatte stellt bis
heute einen kostengünstigen
Träger
für die
Montage sowohl einfacher als auch komplexer elektronischer Baugruppen
bereit. Die vorherrschende Montagetechnik für Bauelemente auf Leiterplatten
war bis vor einigen Jahren die Durchsteckmontage (Through-Hole Technology – THT).
Bei dieser werden Bauelemente mit elektrischen Anschlusskontakten
in Form von Draht oder beinchenartigen Gebilden verwendet, die in Bohrungen
in der Leiterplatte gesteckt werden. Die stoffschlüssige mechanische
und elektrische Verbindung wird anschließend durch Weichlöten erzeugt. Hierzu
wird die gesamte Leiterplatte, das sogenannte Board, nach der Bestückung über eine
Wellenlötanlage
gefahren. Bedingt durch die fortschreitende Miniaturisierung elektronischer
Baugruppen wurde die THT-Technik jedoch in den letzten Jahren immer mehr
durch die Oberflächenmontagetechnik
(Surface Mount Technology – SMT)
abgelöst.
Hier werden die Bauelemente, die als elektrische Anschlusskontakte flache
Kontaktstrukturen aufweisen, flach mit den Kontaktstrukturen auf
die Oberfläche
der Leiterplatte gelegt und befestigt. Bereits bei der Erzeugung
des Leiterbildes auf der Leiterplatte werden an den vorgesehenen
Kontaktierungsstellen zur Aufnahme der Kontaktstrukturen spezielle
Anschlussflächen
(Pads) vorgesehen.
Die
Kontaktstrukturen eines für
SMT-Montage geeigneten, sogenannten SMD-Bauelements (Surface Mounted Device – SMD) werden
beispielsweise durch metallisierte Flächen beziehungsweise Metallschichten,
durch Anschlusskappen bei passiven Bauelementen, durch kurze Anschlussbeinchen, die
beispielsweise bei QFPs (Quad Flat Pack – QFP) auf der Oberfläche der
Leiterplatte aufliegen oder durch Lotkügelchen, die sogenannten Solder
Balls oder Lotbumps, bei Area-Array Bauelementen gebildet. Als Verbindungsmedium
zwischen der Kontaktstruktur und dem Pad dient eine Weichlotlegierung, die
in Form von Lotpaste durch vorzugsweise Schablonendruck oder selektives
Aufbringen von Lotpastendepots, durch sogenanntes Dispensen, vor
dem Bestücken
der Leiterplatte auf die Leiterplatte aufgebracht wird. Anschließend werden
die SMD-Bauelemente, üblicherweise automatisch
in einem sogenannten pick-and-place-Verfahren, auf der Leiterplatte
angeordnet.
Der
elektrische und mechanische Kontakt wird im Reflowofen durch Umschmelzen
des Lots hergestellt. Die Vorteile der Oberflächenmontage liegen im Wesentlichen
in der Möglichkeit
der Verwendung kleinerer Bauelementgrößen, der zweiseitigen Bestückung der
Leiterplatte und damit der Erhöhung der
Integrationsdichte. Durch die höhere
Packungsdichte und den Entfall der drahtförmigen Anschlussstrukturen
bei den Bauelementen werden zusätzlich die
Signallaufzeiten verringert und die Eigenschaften von Hochfrequenz-Schaltungen
verbessert. Ein höherer
Automatisierungsgrad bei der SMT- gegenüber der THT-Technik im Bestückprozess
führt zu
einem Kosteneinsparpotenzial von bis zu 30 Prozent. Bestimmte Bauelemente,
wie beispielsweise Anschlussstecker, werden nach wie vor in THT-Technik ausgeführt. Deshalb
finden sich in der Praxis auch häufig
Baugruppen mit Mischformen zwischen THT- und SMT-Technik.
Immer
höhere
Anforderungen an moderne elektronische Baugruppen, bei gleichzeitiger
Miniaturisierung der Bauelemente und Anschlussstrukturen, sowie
die Erhöhung
der Integrationsdichte erfordern auch neue Lösungen bei der Aufbau- und
Verbindungstechnik. Zusätzlich
sollen Bauräume
statt mit bisherigen planen Leiterplattenstrukturen durch thermoplastische
räumliche
Schaltungsträger,
wie sie in der 3D-MID Technologie (Molded Interconnect Device – MID) angewandt
werden, oder durch flexible Schaltungsträger wie Folienschaltungsträger (Flexible
Printed Circuit – FPC)
räumlich
besser genutzt werden. Auch eine Verbindung von mechanischen mit
elektrischen und elektronischen Funktionselementen, wie sie in mechatronischen
Anwendungen umgesetzt werden, erhöht die Integrationsdichte und steigert
die „Vor-Ort-Intelligenz" dezentraler Einheiten.
Diesen positiven Eigenschaften der neuen Substratmaterialien in
der 3D-MID Technik und in der Folientechnik stehen jedoch verschiedene
Probleme gegenüber.
Stand
der Technik ist die Übertragung
der aus der starren Leiterplatte bekannten Oberflächenmontage
auf die Herstellung von Baugruppen auf flexiblen Folienschaltungsträgern oder
auf MID-Schaltungsträgern.
Dabei stellt die hohe Temperaturbelastung beim Reflowlöten, verschärft durch
das Verbot bleihaltiger Legierungen ab dem Jahr 2006, für viele thermoplastische
Schaltungsträger
die größte Problematik
dar. Neben den neuen Materialien im Schaltungsträgerbereich stellt die weiter
fortschreitende Miniaturisierung und die Erschließung der
dritten Dimension für
räumliche
Baugruppen eine neue Herausforderung für die Aufbau- und Verbindungstechnik
und damit die Verfahren zur Kontaktierung in beengten Bereichen
oder in Bereichen mit geringen Kontaktabständen (Fine-Pitch-Bereich) dar.
Feinste Anschlussstrukturen erfordern eine Verbindungstechnik mit
Kontaktstellen im Durchmesserbereich von 100 μm–300 μm und kleiner.
Bis
zu 60 Prozent der Herstellungsfehler von SMT montierten Baugruppen
lassen sich auf den Prozessschritt Lotpastenauftrag zurückführen. Weitere
Herstellungsfehler wie der Tombstone-Effekt (Sich-Aufrichten der
Bauteile) oder ungenügende Lötverbindungen
treten beim Reflow-Löten
auf. Je feiner die Anschlussstrukturen, desto größer ist die Fehlerneigung (Versatz,
Auslöseverhalten,
Konstanz der Lotdepots usw.).
Zur
Realisierung künftiger
Anforderungen an dezentrale hochintegrierte Einheiten mit mechatronischer
Ausrichtung (Sensorik, MEMS (Micro-Electrical-Mechanical-Systems), etc.) ist
der kombinierte Einsatz von starren sowie flexiblen Schaltungsträgern und
MID-Schaltungsträgern
wünschenswert.
Sowohl
bei MIDs als auch bei FCPs ist es für eine Verarbeitung mittels
eines Reflow-Lötverfahrens notwendig,
ausschließlich
temperaturstabile Substratwerkstoffe, wie hochtemperaturbeständige technische
Kunststoffe, beispielsweise Polyimid (PI) oder Flüssigkristallpolymere
(Liquid Crystal Polymer – LCP),
zu verwenden. Diese Materialien widerstehen den Temperaturen im
Reflowofen und behalten ihre äußere Form.
Der gesetzliche Zwang zur Verarbeitung bleifreier Lotwerkstoffe,
deren Verarbeitungstemperaturen im Reflow-Lötprozess deutlich höher liegen
als die der bisherigen üblichen
bleihaltigen Lotlegierungen, führt
zu einer weiteren Einschränkung
im Hinblick auf die verwendbaren Substratmaterialien. Beim Reflow-Lötverfahren wird zum Umschmelzen
des Lots immer die gesamte Baugruppe, das heißt Leiterplatte inklusive Bauteile,
mindestens auf Temperaturen im Schmelzbereich des Lotes bis zu etwa
250°C erhitzt,
wo die meisten thermoplastischen Substrate an ihre Grenzen stoßen und
zu Formänderungen
durch Verwölben
oder Verziehen neigen. Dies kann für Anwendungen mit groben Strukturen
teilweise noch toleriert werden, jedoch für Applikationen im Fine-Pitch
Bereich, mit Strukturbreiten zwischen 100 μm und 200 μm, bei Pitch-Abständen von
250 μm bis
500 μm,
führt dies
gerade bei Area-Array Bauelementen zu hohen Ausfallraten. Vor dem
Hintergrund weiter fortschreitender Miniaturisierung, sowohl auf
der Bauelement- als auch auf der Baugruppenseite und der Verwendung
alternativer Schaltungsträger
zur optimierten Bauraumnutzung (Folienschaltungsträger und
MIDs), ergeben sich auch neue Anforderungen an die Verbindungstechnik im
Fine-Pitch-Bereich.
Gerade
bei kleinen Losgrößen und
einer großen
Typenvarianz bieten bisherige dreigeteilte Herstellungsverfahren,
die folgende, auf unterschiedlichen Maschinen laufende Prozessschritte – Auftrag des
Verbindungsmediums, Bestücken
der Bauelemente und Reflow-Löten – umfassen,
nicht die nötige Flexibilität. Beispielsweise
ist beim Lotpastenauftrag mit Schablonendruck für jedes Layout eine eigene Schablone
erforderlich, die bei einer Umstellung der Linie auf eine andere
Baugruppe gewechselt werden muss. Zusätzlich werden die Fehlerraten
bei kleineren Bauteilen und immer feineren Anschlussstrukturen deutlich
größer. Durch
die Volumenreduktion beim Umschmelzen der Paste – der Metallgehalt entspricht
nur circa 50 Volumenprozent der Paste – stößt man beim Layout der Schablonendurchbrüche an Grenzen,
wenn hohe Packungsdichten der Anschlussstrukturen die notwendigen
Flächen
für das erforderliche
Pastenvolumen nicht mehr zulassen.
Bei
spritzgegossenen Schaltungsträgern fehlt
derzeit im Gegensatz zu Folienschaltungsträgern die Multilayerfähigkeit.
Ein sinnvoller Einsatz von Area-Array Packages wie BGAs, Chip-Size-Packages
(CSP) oder Flip-Chips ist wegen der Entflechtungsproblematik bisher
nicht möglich.
Bisherige
Verfahren, wie beispielsweise Bügellöten, setzen
zum einen die vorherige separate Aufbringung des Verbindungsmediums
voraus und sind für
komplexere feine Strukturen nicht mehr geeignet.
Das
generelle Problem der Area-Array Anschlussstrukturen sind die flächig angeordneten
Verbindungsstellen, die durch das Bauteil selbst verdeckt werden
(siehe 1). Hier besteht
nur in den Randzonen der äußeren Reihen
die Möglichkeit
einer optischen Überprüfung. Ansonsten
sind die innenliegenden Anschlüsse
nicht oder nur unter großem
Aufwand auf ihre Funktion zu prüfen.
Es
ist nun Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung
einer feinen Lötverbindung
zwischen mindestens zwei, voneinander unabhängigen Substraten bereitzustellen,
die in einem einzigen Arbeitsschritt hergestellt wird, so dass eine
Zwischenlagerung oder ein Transport von Zwischenprodukten entfällt. Weiterhin
ist es Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Schaltung bereitzustellen, die
Lötverbindungen
und ein Material aufweist, das einem Reflow-Lötprozess für das eingesetzte Lotmaterial
nicht standhalten würde.
Die
Aufgabe wird für
das Verfahren dadurch gelöst,
dass
- a) das Lotmaterial geschmolzen und als
Lotmaterialtropfen direkt in die mindestens eine Durchtrittsöffnung appliziert
wird, oder
- b) das Lotmaterial in Form eines Lotmaterialdepots in festem
Aggregatzustand in oder auf der mindestens einen Durchtrittsöffnung platziert
wird und ein punktueller Energieeintrag in das Lotmaterialdepot
erfolgt, wodurch das Lotmaterialdepot erschmolzen wird, wobei
sowohl
in Fall a) als auch in Fall b) eine Erwärmung der mindestens zwei Substrate
lediglich lokal im Bereich der mindestens einen Durchtrittsöffnung erfolgt.
Das
erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
eine stoffschlüssige
elektrische Verbindung feinster, elektrisch leitfähiger Strukturen.
Das erfindungsgemäße Verfahren
ist zur Herstellung feinster Lötverbindungen
und damit zur Kontaktierung feinster Anschlussstrukturen an Substraten,
vorzugsweise flexiblen Schaltungsträgern, geeignet. Selektiv erzeugte
Lötverbindungen
im Fine-Pitch-Bereich
sind nun möglich.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der
Möglichkeit, feinste
Anschlussstrukturen von Substraten, vorzugsweise flexiblen Substraten
wie Folienschaltungsträgern,
so mit anderen Substraten, vorzugsweise Bauelementen, zu verlöten, dass
dies unter Vermeidung von Zwischenschritten in einem Arbeitsgang
möglich
wird. Eine löttechnisch
hergestellte Verbindung weist gegenüber einer mit Leitklebern erzeugten
die Vorteile einer höheren
Leitfähigkeit
und Zuverlässigkeit
auf. Dabei wird die thermische Belastung der Verbindungspartner
beziehungsweise Substrate beim Umschmelzen des Verbindungsmediums Lot
minimiert.
Durch
die selektive Temperatureinbringung je Lötverbindung wird die gesamte
Baugruppe thermisch wesentlich weniger belastet als beim Reflow-Löten. Darüber hinaus
bietet das erfindungsgemäße Verfahren
die Möglichkeit,
den bisher üblichen Herstellungsprozess,
der im Wesentlichen die drei, auf unterschiedlichen Maschinen laufenden
Prozessschritte – Auftrag
des Verbindungsmediums, Bestücken
der Bauelemente und Reflow-Löten – aufweist, in
eine Anlage zu integrieren. So kann beispielsweise bei der Bestückung einer
Leiterplatte mit einem Bauteil das Herstellungsverfahren bestehend
aus einem Lotpastenauftrag auf die Leiterplatte, dem Transport der
so vorbereiteten Leiterplatte zum Bestückungsautomaten, dem Setzen
des Bauteils auf die Lotpads, dem Transport dieser Baugruppe zum
Reflow-Ofen und
dem Löten
deutlich verkürzt
werden. Das erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
in diesem Fall die unmittelbare Zuführung des Bauteils direkt zur Leiterplatte
bei unmittelbar nachfolgender Ausbildung der Lötverbindung. Die gebildete
Lötstelle
kühlt sehr
schnell ab, so dass nach der Ausbildung der Lötverbindung lediglich noch
ein Substrat beziehungsweise die Leiterplatte von Greifersystemen
der Anlage gehalten werden muss, während das damit verlötete weitere
Substrat beziehungsweise das Bauteil bereits fest an der Leiterplatte
fixiert ist.
Gleichzeitig
bleibt die Zugänglichkeit
der einzelnen Lötverbindungen
im Gegensatz zu üblichen Verfahren
der Feinstkontaktierung (beispielsweise bei Area-Area-Bauelemente) erhalten.
Im Gegensatz zu der bestehenden SMT-Verbindungstechnik bei Area-Array-Bauelementen,
deren bisher verdeckte Anschlussstrukturen schwer zu prüfen waren,
kann nun also jede einzelne Verbindungsstelle kostengünstig optisch
und elektrisch überprüft werden. Nachdem
das erfindungsgemäße Verfahren
unter anderem mit Durchkontaktierungen im Bereich der Durchtrittsöffnungen
arbeiten kann, zeichnet es sich dadurch aus, dass Area-Array Anschlussstrukturen auf
einem Substrat im Bereich der Durchtrittsöffnungen geprüft werden
können.
Somit wurde im Fine-Pitch-Bereich eine Möglichkeit geschaffen, eine ansonsten
verdeckte Verbindungsstelle von Außen bearbeiten und prüfen zu können. Diese
Zugänglichkeit
erlaubt es auch, die Herstellung der Verbindung (Positionierung
der Verbindungspartner und des Lotmaterials sowie den Umschmelzprozess)
selektiv in einem Arbeitsgang zu realisieren. Somit kann der bisher
dreigeteilte, oben beschriebene Herstellungsprozess beim Reflow-Löten für elektronische
Schaltungen in einem Prozessschritt realisiert werden.
Untersuchungen
zu Qualität
und Zuverlässigkeit
der gebildeten Lötverbindung
haben ergeben, dass die Geometrie der gebildeten Lötstelle,
beispielsweise bei der Verbindung von Area-Array-Bauelementen mit
flexiblen Schaltungsträgern, gegenüber der
bisherigen SMT-Montage (UBM – Ball – PAD) mit
anschließendem
Reflow-Umschmelzen weitere Vorteile aufweist, da zu der Stoffschlüssigkeit
der bisherigen Verbindungstechnik in der Durchtrittsöffnung noch
ein Formschluss hinzukommt, der die Lötverbindung stabilisiert.
Die
Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens
beruhen unter anderem auf der Möglichkeit,
die Bearbeitung einer innenliegenden Verbindungsstelle, das heißt die Ausbildung
einer Lötverbindung,
die rings von weiteren Lötverbindungen
umgeben ist, von Außen
vorzunehmen.
Weiterhin
lassen sich durch das erfindungsgemäße Verfahren mehrlagige Aufbauten
(Stacks) realisieren, da die nach Bildung der Lötverbindung noch frei liegende
Seite der Durchtrittsöffnung
beziehungsweise das dort sichtbare Lotmaterial wieder als elektrisch
leitender Kontaktbereich für
die Kontaktierung weiterer Substrate, unter Verwendung des gleichen
Verfahrens, dienen kann.
Das
bereitgestellte Verfahren unter Verwendung von Lotmaterial in vorgeformter,
fester Form (Lotkügelchen
bzw. Solder Balls) oder in Form eines flüssigen Lottropfens ermöglicht es,
Herstellungsprozesse für
elektronische Schaltungen zu verkürzen und deren Flexibilität deutlich
zu steigern. Dies kommt beispielsweise einem Herstellungsprozess
folienbasierter Baugruppen von Rolle zu Rolle wesentlich entgegen
und bietet die Grundlage für
eine deutliche Steigerung der Flexibilität bei der Produktion elektronischer
Baugruppen auf alternativen Schaltungsträgern. Die sequentielle Herstellung
der einzelnen gleichartigen Verbindungsstellen kann bei Umstellung
der herzustellenden Baugruppe auf einen Werkzeugwechsel (z.B. Schablone
des Lotpastendruckers) verzichten. Es genügt, einzig über die Software die neuen
Daten der Bestück-
und Lötpositionen
einzuspeichern. Weiterhin bietet das sequentielle selektive Löten der
einzelnen Verbindungsstellen den großen Vorteil, dass mit einem
beispielsweise laserbasierten Umschmelzvorgang nur eine lokale, äußerst kurzzeitige
(im Bereich von Millisekunden) Temperatureinwirkung auf die Substrate
stattfindet. Dies stellt einen bedeutenden Vorteil gegenüber herkömmlichen
Reflow-Lötverfahren
dar, bei denen die gesamte Baugruppe einer erheblichen Temperaturbelastung,
die die Schmelztemperatur der verwendeten Lotlegierung übersteigen
muss, ausgesetzt ist.
Die
mindestens eine Durchtrittsöffnung
wird als Kanal zum Transport des Verbindungsmediums beziehungsweise
flüssigen
Lotmaterials verwendet, wobei die Kapillarwirkung der Durchtrittsöffnung genutzt
wird. Zusammen mit der Applizierung und Umschmelzung kleinster Lotmengen
eröffnet
sich hierdurch die bereits oben genannte Möglichkeit, feinste Kontaktierungen
so zu realisieren, dass jede Lötverbindung
selektiv von Außen
bearbeitet und überprüft werden
kann. Das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
mögliche
Umschmelzen bereits vorgeformter Lotkörper oder der direkte Eintrag
flüssigen
Lotes bietet einen Volumenvorteil von 50 Prozent gegenüber dem üblicherweise
erfolgenden Einsatz von Lotpasten. Sofern genügend Lot zur Verfügung steht,
bildet sich auf der offenliegenden Seite der Durchtrittsöffnung im
Durchmesser eine pilzförmige
Lotkuppe aus. Die benötigte
Lotmenge richtet sich nach dem Volumen der Durchtrittsöffnung und
dem Spalt zwischen der Durchtrittsöffnung und dem elektrisch leitenden
Kontaktbereich des benachbarten Substrats.
Auf
die Verwendung von Lötstoplack
kann bei der Ausbildung einer Lötverbindung
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
verzichtet werden.
Es
hat sich bewährt,
wenn die mindestens eine Durchtrittsöffnung mit einer Tiefe von ≤ 2 mm gewählt wird.
Vorzugsweise beträgt
die Tiefe der mindestens einen Durchtrittsöffnung allerdings ≤ 1 mm. Derartig
dimensionierte Durchtrittsöffnungen
ermöglichen
den Transport des flüssigen
Lotmaterials zum Kontaktbereich des benachbarten Substrats, ohne dass
das Lotmaterial erstarrt, bevor der Kontaktbereich erreicht und
eine elektrische Verbindung zwischen den mindestens zwei Kontaktbereichen
der benachbarten Substrate gebildet ist. Die Durchtrittsöffnung ist
dabei vorzugsweise zylindrisch ausgebildet.
Weiterhin
ist es von Vorteil, wenn für
die mindestens eine Durchtrittsöffnung
ein Durchmesser von ≤ 2
mm gewählt
wird. Vorzugsweise beträgt
der Durchmesser der mindestens einen Durchtrittsöffnung allerdings ≤ 500 μm, so dass
besonders feine Lötverbindungen
hergestellt und eine hohe Anzahl von Lötverbindungen je Flächeneinheit
erzeugt werden kann.
Insbesondere
hat es sich bewährt,
wenn mindestens zwei Lötverbindungen
gebildet werden und die mindestens zwei Lötverbindungen gleichzeitig
oder nacheinander gebildet werden. So wird eine feste Fixierung
der benachbarten Teile zueinander erzeugt. Besonders bevorzugt ist
es dabei, wenn mindestens drei Lötverbindungen
gebildet werden, wobei in einem ersten Schritt gleichzeitig eine
erste Anzahl n ≥ 1
an Lötverbindungen
gebildet wird und nachfolgend in mindestens einem weiteren Schritt gleichzeitig
eine zweite Anzahl m ≥ 1
an Lötverbindungen
gebildet wird. Die gleichzeitige Ausbildung von mehreren Lötverbindungen
führt bei
einer größeren Anzahl
von zu bildenden Lötverbindungen
zu einer deutlichen Zeitersparnis und damit zu einer kürzeren Verweilzeit
der Teile in der Anlage.
Es
hat sich bewährt,
wenn zuerst das zumindest eine erste Substrat der mindestens zwei
Substrate der lokalen Erwärmung
ausgesetzt wird. Dies ist dann der Fall, wenn das flüssige Lotmaterial
zuerst an den elektrisch leitenden Kontaktbereich des ersten, ebenen
Substrats gelangt. Dies ermöglicht
eine optimale Ausnutzung der Kapillarkräfte und einen schnellen Transport
des flüssigen
Lotmaterials durch die Durchtrittsöffnung hindurch in Richtung
des elektrisch leitenden Kontaktbereichs des benachbarten Substrats.
Im
Fall a) des erfindungsgemäßen Verfahrens
hat es sich bewährt,
wenn der Lotmaterialtropfen mittels einer Kapillare appliziert wird,
die in Verbindung mit einer Lotmaterialschmelze steht. Die Kapillare
ermöglicht
so eine gezielte Dosierung des flüssigen Lotes bei schneller
Abfolge einer Lottropfenabgabe. Die Applikation des Lotmaterialtropfens
erfolgt dabei vorzugsweise in Richtung der Schwerkraft.
Im
Fall a) des erfindungsgemäßen Verfahrens
hat es sich weiterhin bewährt,
wenn der Lotmaterialtropfen mittels eines Piezokristalls appliziert wird.
Die positionsgenaue Platzierung eines sehr keinen Lotmaterialtropfens
ist auf diese Weise in einfacher Art und Weise erzielbar. Nachdem
der Lotmaterialtropfen durch den Piezokristall eine Beschleunigung
erfährt,
kann die Applikation des Lotmaterialtropfens in jeglicher Richtung,
also auch entgegen der Schwerkraft, erfolgen.
Weiterhin
ist es im Fall a) vorteilhaft, wenn der Lotmaterialtropfen mittels
einer Kapillare appliziert wird, in die ein Lotmaterialkügelchen
beziehungsweise ein Lotmaterialformteil in festem Aggregatzustand
eingespeist wird. Das erleichtert die Dosierung der Lotmaterialmenge
und deren Bevorratung. Es hat sich bewährt, wenn das Lotmaterialkügelchen
mittels Laserstrahlung in der Kapillare, beim Austritt aus der Kapillare
oder nach dem Austritt aus der Kapillare geschmolzen wird. Das Lotformteil
kann aber auch durch einen Heißstempel
oder ähnliches punktuell
mit Energie beaufschlagt werden. Durch den Laserstrahl wird innerhalb
weniger Millisekunden die Lotmaterialkugel umgeschmolzen. Zum Einsatz kommt
hier beispielsweise ein laserbasiertes Gerät, das bisher vornehmlich zum
Aufbringen von Lotbumps, als Kontaktstellen für Area-Array Bauelemente, eingesetzt
wird (Solder Ball Bumper). Dazu sind beispielsweise bereits am Markt
erhältliche
Anlagen der Firma Pactech in der Lage.
Für das erfindungsgemäße Verfahren
wird vorzugsweise eine Anlage, die bisher auf Waver-Ebene zur Erzeugung
der kugelförmigen
Anschlussstrukturen von Area-Array Bauelementen diente (Solder Ball
Bumping; Laser Solder Jetting), zur Verlötung feinster Kontaktbereiche
genutzt. Die Applikation des Lotmaterials erfolgt dabei vorzugsweise
in Richtung der Schwerkraft. Entscheidend ist dabei der Aufbau der
Verbindungsstelle selbst (siehe 2). Die
Verwendung einer Durchtrittsöffnung, vorzugsweise
mit einer Durchkontaktierung, als Kanal zum Transport des Verbindungsmediums
beziehungsweise flüssigen
Lotmaterials an den innenliegenden Kontaktbereich (Pad) der beiden
Verbindungspartner beziehungsweise Substrate einerseits und die
gleichzeitige Nutzung des Kontaktbereichs des Verbindungspartners
mit Durchtrittsöffnung,
eröffnet
mit der Applizierung und Umschmelzung kleinster Lotmengen die Möglichkeit,
feinste Kontaktierungen beziehungsweise Lötverbindungen zu realisieren.
Resultierend aus dieser Verbindungsgeometrie eröffnen sich ebenfalls neue Möglichkeiten
für die Herstellung
elektronischer Baugruppen, beispielsweise unter Verwendung von Folienschaltungsträgern.
Vorzugsweise
wird für
den Lotmaterialtropfen im Fall a) ein Durchmesser kleiner oder gleich
einem Durchmesser der mindestens einen Durchtrittsöffnung im
zumindest einen ersten Substrat gewählt. Dadurch tritt der Lotmaterialtropfen
in die Durchtrittsöffnung
ein und wird durch diese in die richtige Bahn gelenkt. Selbstverständlich ist
es aber auch praktikabel, den Durchmesser des Lotmaterialtropfens
größer als
den Durchmesser der Durchtrittsöffnung
zu wählen.
Für den Fall
b) des erfindungsgemäßen Verfahrens
hat es sich bewährt,
wenn das Lotmaterialdepot als Lotmaterialkügelchen oder in Form einer
Lotmaterialpaste bereitgestellt wird. Das Lotmaterialkügelchen
stellt jedoch ein vorgeformtes Lotdepot dar, das im Hinblick auf
eine Lotpaste einen Volumenvorteil von ca. 50% aufweist.
Das
bereitgestellte Lotmaterialvolumen kann durch Variation des Durchmessers
des verwendeten Lotmaterialkügelchens
beziehungsweise Lotformteils eingestellt werden. Eine definierte,
mengenmäßige Einbringung
des Verbindungsmediums Lot, ohne den Zwischenschritt über die
Paste, und ein flussmittelfreies Umschmelzen an der Verbindungsstelle
kann zur deutlichen Verbesserung der Verbindungsqualität beitragen
(siehe 6).
Es
hat sich als günstig
erwiesen, wenn für das
Lotmaterialkügelchen
ein Durchmesser kleiner oder gleich einem Durchmesser der mindestens
einen Durchtrittsöffnung
gewählt
wird. Nachdem eine automatische Platzierung des Lotmaterialkügelchens im
Hinblick auf eine schnelle Herstellungsgeschwindigkeit der Lötverbindung üblich ist,
bildet die Durchtrittsöffnung
für ein
derartiges Lotmaterialkügelchen einen
ausreichend großen
Aufnahmeraum und verhindert dessen Wegrollen nach dem Aufsetzen
auf das Substrat.
Besonders
bevorzugt ist es für
das erfindungsgemäße Verfahren,
wenn ein bleifreies Lotmaterial eingesetzt wird. Nachdem der Energieeintrag
in die Baugruppe lediglich punktuell erfolgt, können auch höherschmelzende Lote wie die
bleifreien Lote problemlos eingesetzt werden, auch wenn die Baugruppe
temperaturempfindliche Teile aus Kunststoff oder niedrigerschmelzende
Verbindungen aufweist.
Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist demnach vorzugsweise gerade dann einsetzbar, wenn mindestens
ein Substrat der mindestens zwei Substrate neben dem zur Ausbildung
der Lötverbindung eingesetzten
Lotmaterial ein Material umfasst, das beim Erwärmen auf Temperaturen im Bereich
der Schmelztemperatur des Lotmaterials in seinen physikalischen
und/oder chemischen Eigenschaften dauerhaft verändert wird.
Insbesondere
können
die Substrate Materialien aufweisen, deren äußere Form nach dem Erwärmen des
Materials auf Temperaturen im Bereich der Schmelztemperatur des
Lotmaterials um mehr als 1% von deren äußeren Form vor dem Erwärmen abweicht.
Als
Material für
mindestens ein Substrat wird dabei vorzugsweise ein Kunststoff,
insbesondere Polyimid (PI), Polyethylen (PE), Polyethylen-Naphthenat
(PEN) oder Polyethylenterepthalat (PET) ausgewählt. Insbesondere PE, PEN und
PET sind bei Temperaturen im Schmelzbereich bleifreier Lote nicht
formstabil und würden
sich in einem herkömmlichen
Reflow-Lötprozess
wellen oder verziehen.
Der
Einsatz kostengünstiger,
thermisch weniger stabiler Foliensubstrate aus PE, PEN oder PET, die
für den
Reflowprozess also untauglich sind, wird durch die nur kurzzeitige
lokale Temperatureinbringung des erfindungsgemäßen Verfahrens für die Herstellung
zuverlässiger
elektronischer Baugruppen ermöglicht.
Dies wird neue Anwendungsfelder für kostengünstige Elektronikmodule mit
erhöhter Vor-Ort-Intelligenz erschließen.
Besonders
geeignet ist das erfindungsgemäße Verfahren
zur Verarbeitung von dünnen,
flexiblen Substraten oder alternativ von gedünnten starren Substraten. Diese
sind oft temperaturempfindlich, so dass insbesondere eine Ausbildung
von mehreren Lötverbindungen
zwischen dem flexiblen Substrat und einem benachbarten Substrat über ein
Reflow-Lötverfahren
ausscheidet. Flexible Substrate werden meist durch Foliensubstrate
(FPCs) bereitgestellt.
Zur
Herstellung der Lötverbindung
werden auf dem Foliensubstrat beispielsweise Durchkontaktierungen
im Bereich der Durchtrittsöffnungen
an den gewünschten
Positionen vorgesehen. Dies ist ein in der Leiterplattenherstellung
eingeführtes
Verfahren. In eine zweiseitig mit Kupfer, vorzugsweise kleberlos, kaschierte
Folie werden zunächst
die Durchtrittsöffnungen
eingebracht. Anschließend
wird ätztechnisch das
Leiterbild, sowie Kreisringstrukturen für die Durchkontaktierungen
auf der Ober- und Unterseite des Substrates erzeugt. An der Substratwandung
der Durchtrittsöffnung
wird galvanisch eine Kupferschicht aufgebracht, wobei annähernd die
gleiche Schichtstärke
auch auf dem Leiterbild und den Kreisringstrukturen aufwächst. Nach
Auftrag einer Lötstoppmaske
oder dem Auflaminieren einer Abdeckfolie zumindest im Bereich der
Leiterbahnen erfolgt die galvanische Oberflächenveredelung (beispielsweise chemisch
Zinn oder chemisch Nickel/Gold). Die Lötstopmaske beziehungsweise
Folienabdeckung schützt
die Leiterbahnen vor einer Beschichtung während der galvanischen Oberflächenveredelung, die
beispielsweise im Falle einer Beschichtung mit chemisch Nickel/Gold
zu einer Versprödung
der Leiterbahnen durch das Nickel führen würde. Für den Lötprozess gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird eine Lötstopmaske
oder Abdeckfolie auf den Leiterbahnen jedoch nicht benötigt, da
das Lotmaterial lokal und in geringer Menge eingesetzt wird, so dass
eine Benetzung von Leiterbahnen mit Lot ohnehin nur in gewünschten
Bereichen erfolgt. Dann wird das flexible Substrat beziehungsweise
der flexible Schaltungsträger
an mindestens einer Stelle stoffschlüssig, unter Verwendung des
Lotmaterials, mit einem anderen, ebenfalls flexiblen Schaltungsträger, einem
anderen starren Schaltungsträger
(Duroplast oder Thermoplast) oder direkt mit einem Bauelement (vorzugsweise
ein SMD-Bauteil) verbunden. Der elektrisch leitende Kontaktbereich
auf dem anderen Verbindungspartner wird durch ein vorzugsweise kreisförmiges Pad
realisiert. Die elektrisch leitenden Kontaktbereiche, also das Pad
und die Durchkontaktierung, der beiden Substrate werden aufeinander beziehungsweise
benachbart zueinander positioniert (siehe 2). Über die
noch offene Seite der Durchtrittsöffnung wird dann entweder ein
vorgeformtes Lotteil (z.B. ein Solder Ball) positioniert und mittels
eines Lasers umgeschmolzen oder direkt ein schmelzflüssiger Lottropfen
eingebracht. Durch die Kapillarwirkung füllt das flüssige Lotmaterial die Durchtrittsöffnung und
verbindet sich mit dem Pad.
Die
Anwendungsmöglichkeit
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Erzeugung nicht lösbarer, feinster
Lötverbindungen,
bei dem mindestens ein Verbindungspartner ein gedünntes starres
oder ein flexibles, folienbasiertes Substrat darstellt, ist sehr vielfältig. Dabei
sind einfache Kontaktierungen feinster Leiterbahnen zwischen starren
und flexiblen Verdrahtungsträgern,
mit der Möglichkeit
aus der planaren Leiterplatte heraus über einen flexiblen Schaltungsträger die
dritte Dimension zu erschließen,
realisierbar.
Weiterhin
ist die Entflechtungsproblematik von MID-Baugruppen über einen
zwischen Area-Array-Bauelement und MID-Baugruppe kontaktierten, lokalen
Flexleiter lösbar.
Dabei findet zunächst
die Kontaktierung der Bauelement- oder Baugruppen-Anschlüsse mit
dem Flexleiter statt, der die Entflechtungsstruktur enthält. Anschließend werden
die entflochtenen Kontaktstellen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
wiederum mit entsprechenden Pads auf dem MID-Bauteil verbunden.
Auf
flexiblen Schaltungsträgern,
bei denen bisher verdeckt angeordnete Anschlussstrukturen (beispielsweise
bei Area-Array Bauelementen) einer optischen oder elektrischen Prüfung unterzogen
werden sollen, sind unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
die offenliegenden Seiten der einzelnen Durchtrittsöffnungen
beziehungsweise der dort sichtbare elektrische Kontaktbereich (siehe 7)
automatisiert elektrisch überprüfbar (In-circuit-Tester).
Vorzugsweise
wird mindestens ein zweites Substrat verwendet, das von einem elektronischen, mikromechanischen,
optischen oder einem aus diesen Arten kombinierten Bauteil gebildet
ist. Diese Art Bauteile sind oft sehr temperaturempfindlich und wurde
daher meist in Wellenlötanlagen
verlötet,
die einen linien- beziehungsweise streifenförmigen Temperatureintrag verursachen.
Das erfindungsgemäße Verfahren
mit punktuellem Energieeintrag bietet hier einen sichereren Schutz
der Bauteile vor Überhitzung.
Besonders
hat sich der Einsatz von Bauteilen bewährt, die aus der Gruppe der
SMD-Bauteile, der
MEM-Bauteile (Micro-Electrical-Mechanical – MEM), der MOEM-Bauteile (Micro-Optical-Electrical-Mechanical – MOEM),
der QFP-Bauteile oder der Area-Array-Bauteile wie ein BGA, CSP oder Flip-Chip
gewählt
wird.
Die
Montage von Area-Array Bauelementen kann auf zwei Arten erfolgen.
Die erste Möglichkeit wird
in beispielsweise 3 dargestellt. Hier erfolgt die
Verbindung direkt zwischen der Under-Bump-Metallisierung (UBM) des
Bauelementes und der darüber
positionierten Durchkontaktierung eines Folienschaltungsträgers. Das
Bauelement sitzt somit sehr dicht auf dem Substrat. Eine zusätzlich nach
der Kontaktierung aufgebrachte Kleber- oder Vergussmasse kann die
mechanische und thermische Beständigkeit der
Anschlussstrukturen des Bauelementes deutlich verbessern.
Für Anwendungen,
bei denen ein höherer Stand-off,
also ein größerer Abstand
zwischen der Unterseite des Bauelementes und des Substrats erforderlich
ist, besteht die Möglichkeit,
das Bauelement vor Ausbildung der Lötverbindung zu „bebumpen" beziehungsweise
mit Lotkügelchen
zu versehen, wie dies im klassischen Reflowprozess vorgenommen wird.
In 4 ist dargestellt, wie eine solche Lötverbindung
erfolgt. Auf der noch offenen Seite der Durchtrittsöffnung wird
ein Lotmaterialdepot positioniert, das nach dem Umschmelzen, vorzugsweise mittels
Laser, die Verbindung zum Lotkügelchen
herstellt. Durch die Wahl unterschiedlicher Lotlegierungen lässt sich
Einfluss auf die Ausbildung der Verbindungsgeometrie nehmen. Beispielsweise
ist es denkbar, das Lotkügelchen
auf der Under-Bump-Metallisierung
aus höherschmelzendem
Material zu wählen.
Der Lotmaterial zur Ausbildung der Lötverbindung besteht beispielsweise
aus einer niedrigerschmelzenden Lotlegierung und wird mit entsprechend
geringerer Energie zur Herstellung der Verbindung umgeschmolzen.
Dabei findet beim höherschmelzenden
Lotkügelchen
selbst kein komplettes Aufschmelzen mehr statt. Durch das höherschmelzende,
formstabile Lotkügelchen
auf der Anschlussfläche
des Bauelementes ist ein definierter Abstand zwischen Bauelementunterseite
und Foliensubstrat sichergestellt. Ein anschließend aufgebrachter Underfill, üblicherweise
eine Kleber- oder Vergussmasse, zwischen Bauelement und Substrat
trägt zur
weiteren Steigerung der Zuverlässigkeit
der Verbindungsstellen bei.
Insbesondere
ist es bevorzugt, wenn mindestens ein Substrat verwendet wird, das
als MID ausgebildet ist. Vorteilhafterweise bietet es sich an, flexible
Substrate mit einem aus einer MID gebildeten Substrat zu kontaktieren
und damit die Multilayerfähigkeit
der flexiblen Substrate mit der mechanischen Funktionalität spritzgegossener
Schaltungsträger
zu kombinieren.
Es
hat sich bewährt,
wenn ein erster Kontaktbereich der mindestens zwei elektrisch leitenden Kontaktbereiche
durch eine Metallschicht gebildet wird und ein zweiter Kontaktbereich
der mindestens zwei elektrisch leitenden Kontaktbereiche aus der Gruppe
der Metallbeinchen, Lotbumps oder Metallschichten gewählt wird.
Besonders
in dem Fall, dass ein Bauteil mindestens vier elektrisch leitende
Kontaktbereiche in Form von Lotbumps aufweist, wobei die Lotbumps mit
einem Schmelzbereich gewählt
werden, der in einem gleichen oder tieferen Temperaturbereich liegt als
der Schmelzbereich des Lotmaterials der Lötverbindung, und wobei mindestens
drei der mindestens vier Lotbumps während der Ausbildung der Lötverbindung
zwischen einem oder gleichzeitig mehreren der übrigen Lotbumps und jeweils
einem elektrisch leitenden Kontaktbereich des zumindest einen ersten Substrats
als Abstandshalter zwischen dem Bauteil und dem zumindest einen
ersten Substrat fungieren, hat sich das erfindungsgemäße Verfahren
als äußert effektiv erwiesen.
Die nicht aufgeschmolzenen Lotbumps halten den Abstand des Bauteils
zum benachbarten Substrat während
der Ausbildung angrenzender Lötverbindungen
konstant, so dass der vor Ausbildung der Lötverbindungen über die
Lotbumps eingestellte Abstand beziehungsweise der Stand-off des Bauteils
gegenüber
dem benachbarten Substrat gehalten werden kann. Dies ist bei einem
herkömmlichen
Reflow-Lötverfahren
nicht möglich,
da hier alle Lotbumps gleichzeitig erschmelzen. Beim Reflow-Lötverfahren
wäre der
Stand-off lediglich dann zu gewährleisten,
wenn als Lotmaterial ein niedrigerschmelzendes Lot eingesetzt werden
würde als
für die
Lotbumps am Bauteil, so dass diese beim Reflow-Löten nicht aufschmelzen. Unterschiedliche
Lotmaterialien an einer Baugruppe sind jedoch im Hinblick auf ein
effektives Recycling der Metalle, bei denen es sich zunehmend um
Edelmetalle handelt, unerwünscht.
Das erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
somit den Einsatz eines einzigen Lotmaterials für die Lotbumps und die Lötverbindung
bei gleichzeitiger Beibehaltung des Abstands zwischen Bauteil und
benachbartem Substrat beim Verlöten.
Beim
Einsatz eines flexiblen Substrats ist es besonders bevorzugt, das
als ein erstes, ebenes Substrat dient, dieses in Form eines langgestreckten Bandes
auszubilden und das flexible Substrat von Rolle zu Rolle zu transportieren,
wobei das mindestens eine weitere Substrat der mindestens zwei Substrate über eine
Zuführ- und Positioniereinrichtung auf
einer Seite des flexiblen Substrats platziert wird. Der Platzbedarf
einer derartigen Anlage ist gering und die Taktzahl hoch. Der bisher
dreigeteilte, beim Reflow-Löten übliche Herstellungsprozess
kann nun in einem Arbeitsgang im Rolle zu Rolle-Verfahren erfolgen
(siehe 8).
Vorzugsweise
durch Verwendung eines Revolverkopfes können die weiteren Substrate
einem Zuführsystem
entnommen und gleichzeitig auf der einen Seite des flexiblen Substrats
beziehungsweise Folienschaltungsträgers positioniert werden. Eine Appliziervorrichtung
beziehungsweise ein Bondkopf (oder mehrere Bondköpfe), der sich auf der anderen Seite
der Folie befindet, fährt
die verschiedenen Durchtrittsöffnungen
ab und führt
die einzelnen Lotdepots zu. Die Temperatureinbringung ist lokal
begrenzt und der Kontaktierungsvorgang sofort abgeschlossen. Nach
Abfahren der einzelnen Lötstellen wird
die Folie zur nächsten
Position vorgezogen und ein neues Substrat damit verbunden beziehungsweise
darauf montiert. Das Umrüsten
des hier dargestellten Verbindungsprozesses auf eine andere Baugruppe
reduziert sich letztlich auf das Wechseln der Folie mit dem neuen
Schaltungsbild, den dazu notwendigen weiteren Substraten im Zuführsystem
und den Softwaredaten für
die erforderlichen Bestück- und
Lötpositionen.
Für die
Feinpositionierung ist ein Kamerasystem mit einem Softwareabgleich
von der Position des weiteren Substrats auf einer Pipette mit dem
Muster der Durchtrittsöffnungen
denkbar.
Des
Weiteren besteht durch die freie Zugänglichkeit der einen Seite
der Durchtrittsöffnungen die
Möglichkeit,
weitere Lagen von Folienschaltungen an diesen Stellen unter Verwendung
des gleichen Prinzips zusätzlich
zu kontaktieren (Grundlage für
den Aufbau eines Multi-Chip-Moduls).
Die
Verbindung von Elektronikkomponenten mit flexiblen Verdrahtungsträgern von
Rolle zu Rolle wird in verschiedenen Forschungseinrichtungen vorangetrieben.
Die Möglichkeit,
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
auf die drei aufeinanderfolgenden, oben beschriebenen Hauptprozessschritte
des Reflow-Lötens
zu verzichten und im Augenblick der Positionierung des Bauelementes
die einzelnen Kontaktstellen zu verlöten (siehe 4),
reduziert die bisherigen Probleme bei der Rolle zu Rolle Fertigung erheblich.
Bestehende Solderjet-Anlagen arbeiten mit Geschwindigkeiten von
bis zu 20 Balls pro Sekunde. Eine Erhöhung der Verarbeitungsgeschwindigkeit der
Folie könnte
durch mehrere hintereinander angeordnete Bestück-/Bondkopf-Kombinationen
realisiert werden.
In
diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn das mindestens eine
weitere Substrat durch ein Bauteil gebildet ist und in Fall a) der
Lotmaterialtropfen von der dem Bauteil abgewandten Seite des flexiblen
Substrats in die Durchtrittsöffnungen
appliziert wird, und in Fall b) der punktuelle Energieeintrag in das
Lotmaterialdepot von der dem Bauteil abgewandten Seite des flexiblen
Substrats aus erfolgt.
Die
mindestens eine Durchtrittsöffnung
ist auf der dem Bauteil abgewandten Seite des flexiblen Substrats
gut zugänglich
und es können
mehrere gleichartige Vorrichtungen nebeneinander zur gleichzeitigen
Ausbildung mehrerer Lötverbindungen
in der Anlage vorgesehen werden.
Besonders
bevorzugt ist es, das Lotmaterial unter Inertatmosphäre ohne
Flussmittelzugabe zu erschmelzen. Flussmittel sind oft aggressiv
gegenüber Kunststoffen
und können
diese beschädigen.
Weiterhin können
optische Komponenten wie Mikrospiegel oder Mikrolinsen durch Flussmittel
angeätzt
und somit getrübt
werden.
Die
Aufgabe wird für
die elektrische Schaltung dadurch gelöst, dass mindestens ein Substrat der
mindestens zwei Substrate neben dem zur Ausbildung der Lötverbindung
eingesetzten Lotmaterial ein Material umfasst, das im Schmelztemperaturbereich
des Lotmaterials seine physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften
dauerhaft verändert.
Eine derartige intakte Schaltung ist über einen Reflow-Lötprozess
nicht erzielbar, da die Temperatur zum Schmelzen des Lotmaterials
eine Zerstörung
oder Beeinträchtigung
des Materials beziehungsweise eine unzulässige Formveränderung
des Materials zur Folge hätte.
Besonders
hat es sich bewährt,
wenn die mindestens eine Durchtrittsöffnung eine Tiefe von ≤ 2 mm und
vorzugsweise einen Durchmesser von ≤ 2 mm aufweist. Die Vorteile
einer derartigen Ausgestaltung wurden bereits zum erfindungsgemäßen Verfahren
diskutiert.
Weiterhin
hat es sich im Hinblick auf die Umweltverträglichkeit der Schaltung als
wünschenswert erwiesen,
wenn das Lotmaterial bleifrei ist.
Im
Hinblick auf den Preis und das Gewicht der Schaltung ist es bevorzugt,
wenn das Material, das im Schmelztemperaturbereich des Lotmaterials seine
physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften dauerhaft verändert, aus
einem Kunststoff, insbesondere aus PI, PE, PEN oder PET gebildet
ist.
Es
hat sich als Vorteil erwiesen, wenn ein erster, elektrisch leitender
Kontaktbereich der mindestens zwei elektrisch leitenden Kontaktbereiche durch
eine Metallschicht gebildet ist und ein zweiter, elektrisch leitender
Kontaktbereich der mindestens zwei elektrisch leitenden Kontaktbereiche
aus einem Metallbeinchen, einem Lotbump oder einer Metallschicht
gebildet ist. Dabei wird die Ausbildung der zweiten elektrisch leitenden
Kontaktbereiche als Lotbumps favorisiert, da diese insbesondere
die gleiche Zusammensetzung aufweisen können wie das Lotmaterial der
Lötverbindung.
Dies kommt einem effektiven Recycling des Lotmaterials entgegen.
Es
ist bevorzugt, wenn eine die mindestens eine Durchtrittsöffnung umgebende
Substratwandung mit einer Metallschicht versehen ist, die einen elektrisch
leitenden Kontaktbereich der mindestens zwei elektrisch leitenden
Kontaktbereiche bildet und wobei die Zusammensetzung der Metallschicht
unterschiedlich zu der des Lotmaterials ist. Die Metallschicht verbessert
die Benetzbarkeit der Substratwandung und damit die Haftung des
Lotmaterials an der Substratwandung.
Dabei
hat es sich insbesondere bewährt, wenn
die Metallschicht an die mindestens eine Durchtrittsöffnung angrenzende
Oberflächenbereiche
des jeweiligen Substrats bedeckt, die sich auf einer Oberseite und/oder
einer Unterseite des jeweiligen Substrats befinden. Die Metallschicht
bildet vorzugsweise eine Durchkontaktierung, so dass die Lötverbindung
in einfacher Weise durch elektrischen Anschluss der Durchkontaktierung
an ein Messgerät
im Bereich der Ober- oder Unterseite des jeweiligen Substrats überprüft werden
kann.
Es
ist bevorzugt, wenn mindestens ein Substrat der mindestens zwei
Substrate flexibel ist. Allerdings kann alternativ auch ein gedünntes starres Substrat
verwendet werden. Flexible Substrate, auch Foliensubstrate (FCPs)
genannt, ermöglichen
in einfacher Weise den Anschluss der elektrischen Schaltung an Elemente
in allen Raumebenen.
Mindestens
ein zweites Substrat der mindestens zwei Substrate ist vorzugsweise
durch ein elektronisches, mikromechanisches, optisches oder aus diesen
Arten kombiniertes Bauteil gebildet, wobei das Bauteil unter anderem
durch ein SMD-Bauteil, ein
MEM-Bauteil, ein MOEM-Bauteil, ein QFP-Bauteil oder ein Area-Array-Bauteil wie ein BGA,
CSP oder Flip-Chip gebildet sein kann.
Es
hat sich bewährt,
wenn das Bauteil elektrisch leitende Kontaktbereiche in Form von
Lotbumps aufweist, wobei die Lotbumps einen Schmelzbereich aufweisen,
der in einem gleichen oder tieferen Temperaturbereich liegt als
der Schmelzbereich des Lotmaterials der Lötverbindung. Die Lotbumps sind
demnach aus dem Material gebildet, das im Schmelztemperaturbereich
des Lotmaterials seine physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften dauerhaft
verändert.
Es
ist von Vorteil, wenn das zumindest eine erste Substrat eine Anzahl
an ersten Durchtrittsöffnungen
aufweist, die mindestens der Anzahl der elektrisch leitenden Kontaktbereiche
des Bauteils entspricht, wobei durch die ersten Durchtrittsöffnungen
hindurch das zumindest eine erste Substrat mittels ersten Lötverbindungen
mit dem Bauteil elektrisch und mechanisch verbunden ist, wobei das
zumindest eine erste Substrat mit mindestens einer Anzahl an Leiterbahnschichten
zur Entflechtung der elektrisch leitenden Kontaktbereiche des Bauteils versehen
ist, die der Anzahl der elektrisch leitenden Kontaktbereiche des
Bauteils entspricht, und wobei die Leiterbahnschichten jeweils mit
einer ersten Lötverbindung
elektrisch leitend verbunden sind. Dabei können die Leiterbahnschichten
des zumindest einen ersten Substrats sich auf gleicher Ebene oder
auf mindestens zwei unterschiedlichen Ebenen des zumindest einen
ersten Substrats befinden.
Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn jede Leiterbahnschicht an ihrem der jeweiligen
ersten Lötverbindung
abgewandten Ende an eine weitere Durchtrittsöffnung im ersten Substrat angrenzt.
Das zumindest eine erste Substrat kann dann über zweite Lötverbindungen
durch die weiteren Durchtrittsöffnungen
mit einem dritten Substrat verbunden sein, wobei eine elektrische
Verbindung zwischen den jeweiligen Leiterbahnschichten und elektrisch
leitenden Kontaktbereichen auf dem dritten Substrat ausgebildet ist.
Eine derartige Schaltung bietet die Möglichkeit, eine Entflechtung
von Anschlussstrukturen durchzuführen
und mehr Raum für
einen Anschluss an weitere Substrate wie das dritte Substrat zu
gewinnen.
Es
hat sich bewährt,
wenn mindestens ein Substrat der mindestens zwei Substrate als MID
ausgebildet ist. Insbesondere hat es sich dabei bewährt, wenn
mindestens ein flexibles Substrat die mindestens eine Durchtrittsöffnung aufweist
und das Lotmaterial durch die mindestens eine Durchtrittsöffnung hindurch
das flexible Substrat mit der MID elektrisch und mechanisch verbindet.