DE102014108842A1

DE102014108842A1 - Vorrichtung zum Auftragen und Verteilen von flussmittelfreiem Lot auf ein Substrat

Info

Publication number: DE102014108842A1
Application number: DE102014108842.5A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Berchtold; Charles Galea; Christoffer Stroemberg
Original assignee: Besi Switzerland AG
Current assignee: Besi Switzerland AG
Priority date: 2013-07-08
Filing date: 2014-06-24
Publication date: 2015-01-08
Also published as: CH708335B1; US9889516B2; MX341260B; TWI626109B; KR20150006343A; FR3008015B1; JP6358428B2; CH708278A1; JP2015016505A; CN104275564A; SG10201402540YA; CH708335A2; TW201503985A; MX2014008335A; US20150008249A1; HK1201230A1; KR102231320B1; MY179517A; FR3008015A1; CN104275564B

Abstract

Eine Vorrichtung (1) zum Auftragen und Verteilen von flussmittelfreiem Lot auf einem Substrat (2) umfasst ein längliches Werkzeug (7), eine Werkzeughalterung (9), einen Ultraschallgeber (10), ein Drahtführungsrohr (11), sowie fakultativ, einen Kühlkörper (14) und ein Gehäuse (15). Das Werkzeug (7) ist an der Werkzeughalterung (9) befestigbar und weist eine Längsbohrung auf, die in eine Öffnung an der Spitze (8) des Werkzeugs (7) mündet. Das Drahtführungsrohr (11) verläuft entlang einer zentralen Längsachse durch den Ultraschallgeber (10) und die Werkzeughalterung (9), ragt in die Längsbohrung des Werkzeugs (7) hinein und reicht bis zu einer Stelle oberhalb der Spitze (8) des Werkzeugs (7). Das Drahtführungsrohr (11) berührt das Werkzeug (7) nicht. Der Ultraschallgeber (10) ist an der Werkzeughalterung (9) befestigt. Zwischen einer Innenwand des Gehäuses (15) und dem Ultraschallgeber (10) ist mit Vorteil eine aktiv kühlbare Kühlkammer (20) gebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Auftragen und Verteilen von flussmittelfreiem Lot auf einem Substrat.
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.
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 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.
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.
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.
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.
Aus US 2009-145950 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.
Aus US 2012-0298730 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.
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.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine genau dosierte Lotportion in einwandfreier Qualität auf ein Substrat aufzubringen.
Eine erfindungsgemässe Vorrichtung zum Auftragen und Verteilen von flussmittelfreiem Lot auf einem Substrat umfasst ein längliches Werkzeug mit einer Spitze mit einer Öffnung und mit einer Längsbohrung, die in die Öffnung an der Spitze des Werkzeugs mündet, eine Werkzeughalterung mit einer Längsbohrung, einen Ultraschallgeber mit einer Längsbohrung, der an der Werkzeughalterung befestigt ist, und ein Drahtführungsrohr. Das Werkzeug ist derart an der Werkzeughalterung befestigbar und der Ultraschallgeber derart an der Werkzeughalterung befestigt, dass ihre Längsbohrungen miteinander fluchten. Das Drahtführungsrohr verläuft durch die Längsbohrungen des Ultraschallgebers und der Werkzeughalterung, ragt in die Längsbohrung des Werkzeugs hinein, reicht bis zu einer Stelle oberhalb der Spitze des Werkzeugs und berührt das Werkzeug nicht.
Die Werkzeughalterung weist mit Vorteil einen Fortsatz auf, in dem das Drahtführungsrohr gelagert ist.
Der Fortsatz ist bevorzugt in einem Schwingungsknoten der von dem Ultraschallgeber erzeugten Ultraschallwellen angeordnet.
Die Vorrichtung kann weiter ein Gehäuse umfassen, wobei zwischen einer Innenwand des Gehäuses und dem Ultraschallgeber eine Kühlkammer gebildet ist, die aktiv kühlbar ist.
Die Vorrichtung kann weiter einen Kühlkörper umfassen, der am Drahtführungsrohr befestigt ist.
Die Vorrichtung kann an einem Schreibkopf montiert werden, der in drei Raumrichtungen bewegbar ist. Eine Heiz- und Kühlvorrichtung, durch die der untere Teil des Werkzeugs hindurchragt, kann dazu verwendet werden, die Temperatur der Spitze des Werkzeugs innerhalb eines vorbestimmten Temperaturfensters zu halten.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Figuren sind nicht massstäblich gezeichnet.
1 zeigt eine erfindungsgemässe Vorrichtung zum Auftragen und Verteilen von Lot auf einem Substrat, und
2 zeigt einen Schreibkopf mit einer solchen Vorrichtung.
Die 1 zeigt eine erfindungsgemässe Vorrichtung 1 zum Auftragen und Verteilen von flussmittelfreiem Lot auf einem Substrat 2. Die Substrate 2 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 – wie in der 2 gezeigt – an einem Schreibkopf 5 befestigt, der von nicht dargestellten Antrieben in zwei planar zur Ebene der Substrate 2 verlaufenden Richtungen x und y bewegbar und in einer senkrecht zur Ebene der Substrate 2 verlaufenden Richtung z heb- und senkbar ist. Der Schreibkopf 5 wird während und/oder nach der Abgabe des Lots entlang einer vorbestimmten Bahn bewegt, um das Lot als Lotportion 6 auf dem Substrat 2 zu verteilen. Die Vorrichtung 1 umfasst ein längliches Werkzeug 7 mit einer Spitze 8, die mit einer Öffnung versehen ist, eine Werkzeughalterung 9, einen Ultraschallgeber 10 und ein Drahtführungsrohr 11. Die Spitze 8 des Werkzeugs 7 kann integraler Bestandteil des Werkzeugs 7 oder ein separates, am Werkzeug 7 befestigtes Teil sein, das lösbar und damit austauschbar ist. Das Lot wird in Form eines Lotdrahts 12 zugeführt. Der Lotdraht ist üblicherweise auf eine Drahtspule aufgewickelt und wird von einer Drahtzuführungsvorrichtung 13 dem Drahtführungsrohr 11 zugeführt. Die Vorrichtung 1 umfasst weiter fakultativ einen Kühlkörper 14 und ein Gehäuse 15. Der untere Teil des Werkzeugs 7 ragt durch eine Heiz- und Kühlvorrichtung 16 hindurch, die dazu dient, die Temperatur der Spitze 8 des Werkzeugs 7 innerhalb eines vorbestimmten Temperaturfensters zu halten. Die Drahtzuführungsvorrichtung 13 und die Heiz- und Kühlvorrichtung 16 sind vorzugsweise am Schreibkopf 5 befestigt, können aber auch an der Basis 18 der Vorrichtung 1 befestigt werden.
Das Werkzeug 7 hat eine Längsbohrung, die in die Öffnung an der Spitze 8 des Werkzeugs 7 mündet. Das Werkzeug 7 ist an der Werkzeughalterung 9 befestigt, mit Vorteil lösbar und somit austauschbar. Der Ultraschallgeber 10 ist an der Werkzeughalterung 9 befestigt, und zwar auf der dem Werkzeug 7 gegenüberliegenden Seite. Die Werkzeughalterung 9 ist gleichzeitig als Schwingkörper ausgebildet und überträgt die vom Ultraschallgeber 10 erzeugten Ultraschallwellen auf das Werkzeug 7.
Die Werkzeughalterung 9 und der Ultraschallgeber 10 haben eine Bohrung, die hier als Längsbohrungen bezeichnet werden, weil sie entlang einer zentralen Längsachse der Vorrichtung angeordnet sind. Die Längsbohrungen des Werkzeugs 7, der Werkzeughalterung 9 und des Ultraschallgebers 10 verlaufen entlang der zentralen Längsachse, d.h. sie fluchten miteinander, und das Drahtführungsrohr 11 verläuft entlang der zentralen Längsachse durch die Längsbohrungen des Ultraschallgebers 10, der Werkzeughalterung 9 und des Werkzeugs 7 und ragt in die Längsbohrung des Werkzeugs 7 hinein bis zu einer Stelle oberhalb der Spitze 8 des Werkzeugs 7, ohne das Werkzeug 7 zu berühren. Die vom Ultraschallgeber 10 erzeugten Ultraschallwellen sind entlang der zentralen Längsachse verlaufende, longitudinale Wellen.
Die Werkzeughalterung 9 ist vorzugsweise mit einem Flansch 17 ausgebildet, der in einem Schwingungsknoten der Ultraschallwellen angeordnet ist, und über den Flansch 17 an einer Basis 18 der Vorrichtung 1 befestigt. Die Basis 18 ist für die Befestigung am Schreibkopf 5 (2) ausgebildet.
Die Temperatur des Drahtführungsrohrs 11 muss unterhalb der Schmelztemperatur des Lots liegen, damit der durch das Drahtführungsrohr 11 geführte Lotdraht nicht schmilzt und ausreichend steif bleibt, so dass präzise definierte Lotportionen an das Substrat 2 abgegeben werden können. Um diese Aufgabe zu erfüllen, ist das Drahtführungsrohr 11 im Grundsatz, d.h. direkt oder indirekt, an der Basis 18 derart befestigt, dass es den Ultraschallgeber 10 und das Werkzeug 7 nicht berührt, und vorzugsweise auch die Werkzeughalterung 9 nicht berührt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Drahtführungsrohr 11 am Kühlkörper 14 befestigt, der Kühlkörper 14 am Gehäuse 15 und das Gehäuse 15 an der Basis 18. Um die Stabilität der Lage des Drahtführungsrohrs 11 zu erhöhen, kann die Längsbohrung der Werkzeughalterung 9 mit einem beispielsweise ringförmigen Fortsatz 19 ausgebildet und das Drahtführungsrohr 11 in diesem Fortsatz 19 radial gelagert sein. Der Fortsatz 19 befindet sich mit Vorteil in einem Schwingungsknoten der von dem Ultraschallgeber 10 erzeugten Ultraschallwellen, um zu vermeiden, dass Ultraschallenergie an das Drahtführungsrohr 11 übertragen wird, die dort in Wärme umgewandelt würde. Die Lagerung des Drahtführungsrohrs 11 im Fortsatz 19 hat vorzugsweise ein wenig Spiel, damit die Kontaktfläche, wo sich das Drahtführungsrohr 11 und der Fortsatz 19 berühren, möglichst gering ist, um die Übertragung von Wärme wie auch von Ultraschallenergie zu minimieren.
Weitere Möglichkeiten, um die Temperatur des Drahtführungsrohrs 11 unterhalb der Schmelztemperatur des Lotdrahts zu halten sind:

– die Verwendung eines Kühlkörpers 14, der im Bereich der Drahtzuführung am Drahtführungsrohr 11 befestigt ist. Der Kühlkörper 14 dient dazu, das Drahtführungsrohr 11 zu kühlen und auf seiner ganzen Länge auf einer Temperatur zu halten, die unterhalb der Schmelztemperatur des Lotdrahts 12 liegt. Der Kühlkörper 14 und das Drahtführungsrohr 11 sind deshalb auf thermisch gut leitende Weise miteinander verbunden. Der Kühlkörper 14 kann aktiv gekühlt werden, beispielsweise durch Zuführen eines Kühlgases oder mittels Peltierelementen, die Wärme vom Kühlkörper 14 zur Umgebung pumpen, oder durch andere Mittel.
– die Verwendung eines Gehäuses 15, das so ausgebildet ist, dass zwischen der Innenwand des Gehäuses 15 und dem Ultraschallgeber 10 eine Kühlkammer 20 gebildet ist, die aktiv gekühlt wird, beispielsweise durch Zuführen eines Kühlgases oder mit anderen Mitteln wie beispielsweise Peltierelementen. Das Gehäuse 15 ist an der Basis befestigt. Das Kühlgas wird vorzugsweise von einer Kühlvorrichtung bereitgestellt und in einem geschlossenen Kreislauf zur Kühlkammer 20 zu- und abgeführt. Das Gehäuse 15 ist dazu mit einem Einlass und einem Auslass ausgerüstet. Die Kühlung der Kühlkammer 20 ist so ausgelegt, dass die Temperatur in der Kühlkammer 20 ausreichend tief ist, um das einwandfreie Arbeiten der Piezoelemente des Ultraschallgebers 10 zu gewährleisten. Das Drahtführungsrohr 11 verläuft teilweise durch die Kühlkammer 20 und wird somit ebenfalls gekühlt.
– Die Werkzeughalterung 9 kann mit Kühlrippen ausgebildet sein, um die Kühlung des Drahtführungsrohrs 11 und des Ultraschallgebers 10 zu unterstützen.

Das Drahtführungsrohr 11 besteht aus einem flussmittelfreies Lot schlecht benetzbaren Material. Ein besonders gut geeignetes Material für das Drahtführungsrohr 11 ist keramisches Material, aber auch rostfreier Stahl ist dazu geeignet. Das Werkzeug 7 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 8 des Werkzeugs 7 hat eine die Öffnung umgebende Arbeitsfläche, die dem Substrat 2 gegenüberliegt und aus einem gut mit flussmittelfreiem Lot benetzbaren Material besteht oder mit einem solchen Material beschichtet ist. Bei gewissen Prozessen berührt die Arbeitsfläche das Substrat 2 beim Auftragen und/oder Verteilen des Lots, bei anderen Prozessen nicht. 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 7 kann, abgesehen von der Arbeitsfläche, zumindest im Bereich der Spitze 8 mit einem flussmittelfreies Lot schlecht benetzbaren Material wie beispielsweise Chrom beschichtet sein.
Die Abgabe von Lot an das Substrat erfolgt, indem der Lotdraht 12 um eine vorbestimmte Länge L₁ vorgeschoben wird, so dass er das Substrat 2 berührt und seine Spitze schmilzt, und dann um eine vorbestimmte kürzere Länge L₂ zurückgezogen wird. Die Differenz der Längen ergibt die abgegebene Lotmenge.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6056184 [0003]
US 5878939 [0004]
US 4577398 [0006]
US 4709849 [0006]
US 2009-145950 [0007]
US 2012-0298730 [0008]

Claims

Vorrichtung (1) zum Auftragen und Verteilen von flussmittelfreiem Lot auf einem Substrat (2), umfassend ein längliches Werkzeug (7) mit einer Spitze (8) mit einer Öffnung und mit einer Längsbohrung, die in die Öffnung an der Spitze (8) des Werkzeugs (7) mündet, eine Werkzeughalterung (9) mit einer Längsbohrung, einen Ultraschallgeber (10) mit einer Längsbohrung, der an der Werkzeughalterung (9) befestigt ist, und ein Drahtführungsrohr (11), wobei das Werkzeug (7) derart an der Werkzeughalterung (9) befestigbar und der Ultraschallgeber (10) derart an der Werkzeughalterung (9) befestigt ist, dass ihre Längsbohrungen miteinander fluchten, und wobei das Drahtführungsrohr (11) durch die Längsbohrungen des Ultraschallgebers (10) und der Werkzeughalterung (9) verläuft, in die Längsbohrung des Werkzeugs (7) hineinragt, bis zu einer Stelle oberhalb der Spitze (8) des Werkzeugs (7) reicht und das Werkzeug (7) nicht berührt.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeughalterung (9) einen Fortsatz (19) aufweist, in dem das Drahtführungsrohr (11) gelagert ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Fortsatz (19) in einem Schwingungsknoten der von dem Ultraschallgeber (10) erzeugten Ultraschallwellen angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter umfassend ein Gehäuse (15), wobei zwischen einer Innenwand des Gehäuses (15) und dem Ultraschallgeber (10) eine Kühlkammer (20) gebildet ist, die aktiv kühlbar ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiter umfassend einen Kühlkörper (14), der am Drahtführungsrohr (11) befestigt ist.
Schreibkopf (5), der in drei Raumrichtungen bewegbar ist, mit einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und einer Heiz- und Kühlvorrichtung (16), durch die der untere Teil des Werkzeugs (7) hindurchragt, wobei die Heiz- und Kühlvorrichtung (16) dazu dient, die Temperatur der Spitze (8) des Werkzeugs (7) innerhalb eines vorbestimmten Temperaturfensters zu halten.