DE102018101439B4

DE102018101439B4 - Substratträger für einen Reflow-Ofen und Verwendung eines Substratträgers

Info

Publication number: DE102018101439B4
Application number: DE102018101439.2A
Authority: DE
Inventors: Alen Dedic; Bodo Niedziella
Original assignee: RF360 Europe GmbH
Current assignee: RF360 Europe GmbH
Priority date: 2018-01-23
Filing date: 2018-01-23
Publication date: 2020-01-09
Anticipated expiration: 2038-01-24
Also published as: DE102018101439A1

Abstract

Substratträger für einen Reflow-Ofen, umfassend:
einen viereckförmigen Rahmen, der zwei gegenüberliegende erste Teile (100, 101) und zwei zwischen den ersten Teilen verlaufende zweite Teile (102, 103) aufweist;
an dem Rahmen befestigte Auflageelemente (120), auf denen ein mit einer Lotpaste versehenes Substrat aufgelegt werden kann;
wobei die Auflageelemente (120) Abschnitte eines aus Metall gebildeten Drahtes (120) sind, der zwischen den zwei ersten Teilen (100, 101) verläuft und endseitig (121, 122) jeweils an den ersten Teilen (100, 101) unter Spannung befestigt ist,
wobei die ersten Teile (100, 101) Bohrungen (108, 109) aufweisen, durch die der Draht verläuft, wobei der Draht am jeweiligen ersten Teil des Rahmens von der Innenseite des Rahmens durch eine der Bohrungen (108) auf die Außenseite des Rahmens geführt ist, dort zu einer benachbarten der Bohrungen (109) und durch diese wieder auf die Innenseite des Rahmens geführt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Substratträger, der in einem Reflow-Ofen verwendbar ist. Er umfasst einen viereckförmigen Rahmen und Auflageelemente, auf denen ein mit Lotpaste versehenes Substrat aufgelegt werden kann. Des Weiteren betrifft die Erfindung die Verwendung eines solchen Substratträgers in einem Reflow-Ofen.
Ein Reflow-Ofen dient dazu, mit Lotpaste vorbehandelte Gegenstände gemäß eines vorgegebenen Temperaturprofils zu erhitzen und wieder abzukühlen, sodass die Lotpaste verfliesen und den gewünschten Zustand einnehmen kann. Wenn beispielsweise eine Platine mit einer elektronischen Schaltung in SMD-Technik in einem Reflow-Ofen behandelt wird, verfließt die aufgetragene Lotpaste und verbindet mechanisch und elektrisch die Bauelemente mit den Leitungen auf der Platine. Des Weiteren können auch Wafer aus Halbleitermaterialien oder andere Materialen in einem Reflow-Ofen behandelt werden. Der Wafer ist mit Lotpaste versehen, um Verbindungsbumps herzustellen. Anschließend wird der Wafer zersägt, sodass die vereinzelten Bauelemente mit Hilfe der Bumps auf einer Platine verlötet werden können.
Insbesondere bei der Herstellung von Wafern ist einerseits die Einhaltung des vorgegebenen Temperaturprofils, andererseits die gleichmäßige Erwärmung des Wafers wichtig. Dies liegt daran, dass der Wafer aufgrund seiner kristallinen oder teilkristallinen Struktur Bereiche aufweist, die bei mechanischen Spannungen leicht brechen können. Es können bereits thermische Ungleichförmigkeiten bei ungleichmäßiger Erhitzung eines Wafers über die Waferfläche gesehen ausreichen, den Wafer zerbrechen zu lassen. Die Ausbeute des Herstellungsprozesses und die Qualität der hergestellten Bauelemente können daher wesentlich beeinträchtigt werden. Insbesondere Wafer, die passive elektronische Bauelemente wie Oberflächenwellenfilter enthalten, werden auf Basis von Lithiumniobat (LiNb) oder Lithiumtantalat (LiTa) hergestellt, die aufgrund der internen teilkristallinen Strukturen besonders anfällig für thermisch verursachte Spannungen sind.
Es besteht daher das Bedürfnis, durch einen Reflow-Prozess möglichst geringe thermische Verspannungen auf dem zu behandelnden Substrat zu erzeugen. Außerdem soll der gewünschte Temperaturverlauf des Reflow-Prozesses gut eingehalten werden können.
In der JP 2006 - 319 005 A ist ein Träger für eine Flüssigkristallglasscheibe beschrieben, der aus einem rechteckigen Metallrahmen besteht, zwischen dessen Seiten Metalldrähte gespannt sind. Die Metalldrähte verlaufen jeweils parallel zueinander von einer Rahmenseite zur anderen Rahmenseite und sind zumindest an einem Ende in einen Nippel eingeschraubt, um eine geeignete mechanischen Spannung zu erzeugen. Die Drähte können aus rostfreiem Stahl bestehen. Der Substratträger kann für den Einsatz in einer Hochtemperaturprozessanlage ausgebildet sein.
In der DE 20 2009 001 817 Ul ist ein Substratträger zur Halterung einer Vielzahl von Solarzellenwafern beschrieben, der eine Rahmenstruktur aufweist, die aus rostfreiem Stahl gebildet sein kann.
In der DE 689 26 782 T2 ist ein System zur Strichcodefernerkennung für Halbleiterwaferkassetten beschrieben.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Substratträger für einen Reflow-Ofen bereitzustellen, der das zu behandelnde Substrat möglichst wenig beeinflusst.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, einen Substratträger für einen Reflow-Ofen bereitzustellen, der besonders zur Wärmebehandlung von Lithium-Waferprodukten geeignet ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden diese Aufgaben durch einen Substratträger für einen Reflow-Ofen nach den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass die Auflageelemente aus einem Draht gebildet sind, besteht einerseits hohe mechanische Festigkeit, andererseits kann der Draht entsprechend dünn ausgeführt werden, sodass die thermische Kopplung zwischen dem Wärme zu behandelnden Substrat und dem Draht gering ist. Insbesondere beeinflusst der Draht die thermische Verteilung der Wärme auf dem Substrat kaum. Eine ungleichförmige Wärmeverteilung auf dem Wafer, die etwa durch die Auflageelemente erzeugt werden könnte, wird vermieden. Stattdessen wird das Temperaturverhalten des Substrats lediglich durch die Umgebungswärme des Ofens bestimmt. Insbesondere bei Verwendung von LiNb- oder LiTa-Wafern zeigt sich, dass die Wafer nahezu nicht durch die Auflagefläche oder den Substratträger thermisch beeinflusst wird.
Die Auflageelemente können aus einem Metalldraht einstückig gebildet werden, der zwischen den gegenüberliegenden Rahmenteilen des Rahmens gespannt verläuft. Zur Einstellung der geeigneten Spannung wird an den jeweiligen Enden ein Schraubelement befestigt, mit dem der Draht gegenüber dem Rahmen abgeklemmt wird.
Der Rahmen weist jeweilige Bohrungen auf, durch die Draht vom inneren Teil des Trägers an die Außenseite des Rahmens und wieder zurückgeführt wird. Der Draht verläuft mäanderförmig. Insbesondere wird als Draht ein geflochtener Draht verwendet, der aus Edelstall bzw. V2A-Stahl bestehen kann. Der Draht wird besonders dünn ausgeführt, beispielsweise weniger als 0,3 mm (Millimeter) Durchmesser. In einer praktischen Ausführung weist der Draht einen Durchmesser von 0,27 mm auf.
Der Rahmen ist als L-förmiges Profil ausgebildet. Die L-Profile werden an den Ecken beispielsweise im Winkel von 45° angeschrägt und miteinander verschweißt. Der Rahmen ist daher stabil, hat aber relativ wenig Masse und daher wenig thermische Einwirkung. Auch der Rahmen besteht bevorzugt aus Edelstahl bzw. V2A-Stahl. Ein solcher Rahmen kann durch eine Handlingeinheit bedient und transportiert werden und ist daher gut in einen automatisierten Fertigungsablauf integrierbar.
Am metallischen Rahmen kann ein Kennelement, beispielsweise in Form einer Schraube oder eines anderen angeschraubten Teils befestigt werden, sodass ein automatisches Handlingsystem den Rahmen identifizieren kann. Dies kann dazu verwendet werden, um die auf dem Träger beförderte Waferart zu kennzeichnen.
Die Längsseiten des Rahmens, die parallel zu den im Innenraum des Rahmens gespannten Drähten verlaufen, weisen an ihren Ecken Anphasungen auf. Dadurch sind sie leichter von einem automatischen Handlingsystem greifbar und in den Reflow-Ofen selbstjustierend einführbar.
Eine Verwendung eines solchen Substratträgers in einem Reflow-Ofen ist in Patentanspruch 9 angegeben.
Insbesondere eignet sich der Substratträger zur Aufnahme eines Wafers aus LiTa oder LiNb, wobei auf dem Wafer elektronische Bauelemente, beispielsweise Oberflächenwellenfilter oder andere passive elektronische Bauelemente ausgebildet sind, beispielsweise auch Volumenresonatoren. In der Praxis hat sich gezeigt, dass die Bruchrate der Wafer bei der Behandlung im Reflow-Ofen aufgrund der höheren Gleichförmigkeit der Wärmeverteilung reduziert ist. Die Ausbeute des Herstellungsprozesses ist daher erhöht. In der Praxis hat sich gezeigt, dass die Temperaturabweichung über die Oberfläche des Wafers geringer als 3 °C ist. Außerdem ist festzustellen, dass beim Aufheizen und beim Abkühlen des Wafers der Substratrahmen kaum Einfluss auf den Wafer hat und daher die Abkühlrate entsprechend dem vom Ofen einstellten Profil verläuft und insbesondere nicht durch ein etwaiges anderes Abkühlverhalten des Substratträgers beeinflusst wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren und Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine Aufsicht auf einen Substratträger gemäß der Erfindung;
2 Ansichten der beiden gegenüberliegenden Seiten des Rahmens, durch die der Auflagedraht geführt ist, aus drei verschiedenen Blickrichtungen;
3 ein Element zum Spannen des Drahtes in zwei verschiedenen Ansichten und
4 eine Temperaturkurve, die den Verlauf von Aufheizen und Abkühlen eines Wafers auf dem Substratträger gemäß der Erfindung in einem Reflow-Ofen zeigt.

In verschiedenen Figuren dargestellte gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Darstellung ist nicht maßstabsgerecht, sondern dient dazu, das Prinzip der vorliegenden Erfindung zu erläutern.
1 zeigt eine Aufsicht auf den Substratträger gemäß dieser Erfindung. Der Substratträger umfasst einen viereckförmigen Rahmen, der aus vier Seitenteilen 100, 101, 102, 103 gebildet ist. Die vier Seitenteile sind L-förmig ausgebildet und an ihren Ecken miteinander verbunden, beispielsweise geschweißt, sodass sich die dargestellte Viereckform ergibt. Im Inneren des Rahmens befindet sich die Auflagefläche 150 für ein Substrat, beispielsweise einen LiNb- oder LiTa-Wafer. Die Auflagefläche wird durch eine Vielzahl von Drahtabschnitten 120 gebildet, die zwischen den Teilen 100, 101 des Rahmens gespannt sind. Die Drahtabschnitte 120 werden durch einen einstückigen Draht gebildet, der zwischen die Teile 100, 101 hin- und hergeführt wird und an seinen jeweiligen Enden 121, 122 an den Rahmenteilen 101 bzw. 100 festgespannt ist. Die Seitenteile 100, 101 weisen jeweilige Bohrungen 108, 109 auf, durch die der Draht an der Stelle 123 aus dem Inneren des Rahmens durch die Bohrung 108 an die Außenseite des Rahmenteils 100 geführt wird, am Abschnitt 124 zur nächstliegenden Bohrung 109 geführt wird und als Abschnitt 125 wieder in die vom Rahmen umschlossenen Innenseite geführt wird. Die Seitenteile 100, 101, 102, 103 sind vorzugsweise aus Edelstahl oder V2A-Stahl gebildet, ebenso ist der Draht 120 aus Edelstahl oder V2A-Stahl gebildet. Der Draht ist vorzugsweise ein aus Einzelteilen geflochtener dünner Draht, sodass er relativ flexibel ist. Der Durchmesser des Drahts beträgt beispielsweise 0,3 mm oder weniger, vorzugsweise 0,27 mm. Entsprechend groß sind die Bohrungen 108, 109 in den Seitenteilen des Rahmens ausgeführt, sodass der Draht hindurchgeführt werden kann aber dennoch fest sitzt.
An den Stellen 105, 106 sind die Seitenteile 100, 101 des Rahmens mit einer Bohrung versehen, sodass dort beispielsweise eine Kennung angebracht werden kann, um die Art des Rahmens oder die Art des auf dem Rahmen liegenden Wafers zu erkennen. In den Bohrungen 105, 106 kann beispielsweise eine Schraube eingeführt werden, sodass durch das Vorhandensein der Schraube oder durch eine unterschiedliche Länge der Schraube auf eine bestimmte Waferart durch eine elektronische Auswerteeinrichtung automatisiert rückgeschlossen werden kann.
Die beiden Seitenteile 102, 103 verlaufen parallel zu den gespannten Drahtabschnitten 120 und enthalten daher keine Bohrungen. An den Enden 111, 112 sind die Seitenteile 102, 103 mit Abschrägungen oder Anphasungen versehen, sodass der Rahmen besser handhabbar ist und leichter in einen Substrathalter oder den Reflow-Ofen oder eine anderen Aufnahmeeinrichtung eingeführt werden kann.
Zur Verspannung des Drahts 120 an seinen jeweiligen Enden 121, 122 dient jeweils das in 3 dargestellte Spannelement 300. Dieses umfasst einen Rundkörper mit einer Bohrung 302, durch die der geflochtene Draht geführt werden kann. In ein Schraubengewinde 301 wird eine Schraube eingedreht, um den Draht zu klemmen. In 3 ist dieses Klemmelement in zwei verschiedenen Seitenansichten dargestellt.
In 2 sind Seitenteile 100, 101 von oben nach unten gesehen in Längsseitenansicht, Draufsicht und Stirnseitenansicht dargestellt. Erkennbar sind die Bohrungen 108, 109, durch die der Draht geführt wird, sowie die Gewindebohrung 105 zur Aufnahme des maschinell identifizierbaren Kennelements, beispielsweise einer entsprechend tief eingedrehten Schraube. Das Rahmenteil besteht vorzugsweise aus einem L-förmigen Profil, wobei die beiden Abschnitte des L-Profils unterschiedlich lang sein können. Im kürzeren Teil der L-Profilabschnitte befinden sich die Bohrungen 108, 109, 105, 106. Durch das L-Profil aus Edelstahl bzw. V2A-Stahl ist einerseits eine ausreichende mechanische Festigkeit und Härte gegeben, sodass der Rahmen auch bei hoher Temperatur fest ist. Andererseits hat der Rahmen ein relativ geringes Gewicht.
In 4 sind ein über die Zeit festgestellter Temperaturverlauf 402 des Substratträgers und ein Temperaturverlauf 401 für einen auf dem Substratträger befindlichen Wafer 401 dargestellt. Die Erwärmung und Abkühlung wird wie herkömmlich in einem Reflow-Ofen erzeugt, um Lotpaste auf dem Wafer verfließen zu lassen, um beispielsweise Lötanschlüsse für ein passives elektronisches Bauelement, beispielsweise ein Oberflächenwellenfilter zu erzeugen. Erkennbar ist, dass sich die Temperaturverläufe von Substratträger und Wafer weitgehend individuell udn unabhängig voneinander entwickeln entsprechend der Umgebungstemperatur im Inneren des Ofens und der jeweiligen thermischen Konstanten von Substratträger und Wafer. Oberhalb der Linie 403 befindet sich derjenige Teil des Heizabschnitts 404, bei dem die Lotpaste verfließt.
Die Erwärmung und Abkühlung des Wafers wird im Wesentlichen nur durch die Umgebung im Reflow-Ofen beeinflusst und insbesondere kaum oder so gut wie nicht durch den Substratträger, sodass dadurch der vom Lotpastenhersteller empfohlene Temperaturverlauf auf dem Wafer gut realisiert werden kann. Andererseits ist die Temperaturverteilung auf dem Wafer sehr gleichmäßig, sodass insbesondere keine thermischen Verspannungen auf dem Wafer auftreten und wenig Bruchgefahr besteht. Dies ist besonders daher für einen LiTa- oder LiNb-Wafer vorteilhaft, da die Kristallstrukturen eines solchen Wafers relativ leicht brechen können. In der Praxis hat sich gezeigt, dass die Abweichung der Temperatur über die Oberfläche des Wafers gesehen bei weniger als 3 °C liegt. Da sich der Wafer wie in 4 dargestellt schneller abkühlt als der Substratträger, ist der Waferdurchsatz höher als bei Verwendung herkömmlicher Substratträger, die in höherem Maße den Wafer beeinflussen.

Claims

Substratträger für einen Reflow-Ofen, umfassend: einen viereckförmigen Rahmen, der zwei gegenüberliegende erste Teile (100, 101) und zwei zwischen den ersten Teilen verlaufende zweite Teile (102, 103) aufweist; an dem Rahmen befestigte Auflageelemente (120), auf denen ein mit einer Lotpaste versehenes Substrat aufgelegt werden kann; wobei die Auflageelemente (120) Abschnitte eines aus Metall gebildeten Drahtes (120) sind, der zwischen den zwei ersten Teilen (100, 101) verläuft und endseitig (121, 122) jeweils an den ersten Teilen (100, 101) unter Spannung befestigt ist, wobei die ersten Teile (100, 101) Bohrungen (108, 109) aufweisen, durch die der Draht verläuft, wobei der Draht am jeweiligen ersten Teil des Rahmens von der Innenseite des Rahmens durch eine der Bohrungen (108) auf die Außenseite des Rahmens geführt ist, dort zu einer benachbarten der Bohrungen (109) und durch diese wieder auf die Innenseite des Rahmens geführt ist.
Substratträger nach Anspruch 1, bei dem die Auflageelemente (120) aus einem Metalldraht gebildet sind, der einstückig zwischen den ersten Teilen (100, 101) verläuft.
Substratträger nach Anspruch 1, bei dem der Draht (120) ein geflochtener Draht aus Edelstahl oder V2A-Stahl ist.
Substratträger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Draht (120) einen Durchmesser von weniger als 0,30 mm, insbesondere von 0,27 mm oder weniger aufweist.
Substratträger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die ersten und zweiten Teile (100, 101, 102, 103) des Rahmens jeweils aus einem L-förmigen Profil gebildet sind.
Substratträger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die ersten und zweiten Teile (100, 101, 102, 103) des Rahmens jeweils aus Edelstahl oder V2A-Stahl gebildet sind.
Substratträger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem an mindestens einem der Teile (100, 101) des Rahmens ein Kennelement (105, 106) befestigbar ist, durch das der Substratträger gemäß eines Kriteriums automatisiert identifizierbar ist.
Substratträger nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die zweiten Teile (102, 103) des Rahmens endseitig abgeschrägt sind.
Verwendung eines Substratträgers nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in einem Reflow-Ofen zur Aufnahme eines Wafers, der aus Lithiumtantalat oder Lithiumniobat mit auf dem Wafer gefertigten elektronischen Bauelementen ausgebildet ist, auf den Auflageelementen (120).