DE102018115976A1

DE102018115976A1 - Verfahren zum Bestücken eines Trägers mit Bauelementen, Pigment für das Bestücken eines Trägers mit einem Bauelement und Verfahren zur Herstellung eines Pigments

Info

Publication number: DE102018115976A1
Application number: DE102018115976.5A
Authority: DE
Inventors: Andreas Plössl
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2017-07-10
Filing date: 2018-07-02
Publication date: 2019-01-10
Also published as: US20190013450A1; CN109244213B; CN109244213A; JP6682577B2; US11127890B2; JP2019016794A

Abstract

Das Verfahren zum Bestücken eines Trägers umfasst einen Schritt A), in dem eine Mehrzahl von Pigmenten (100) mit jeweils einem elektronischen Bauelement (1) bereitgestellt wird. Ferner umfasst jedes Pigment ein aufschmelzbares Lötmaterial (2), das unmittelbar an eine Montageseite (10) des Bauelements angrenzt. Zumindest 63 Vol.-% jedes Pigments sind durch das Lötmaterial gebildet. Die Montageseite jedes Bauelements weist eine höhere Benetzbarkeit mit dem aufgeschmolzenen Lötmaterial auf als eine Oberseite (12) und eine Seitenfläche (11) des Bauelements. In einem Schritt B) wird ein Träger (200) mit Pigmentlandeflächen (201) bereitgestellt, wobei die Pigmentlandeflächen eine höhere Benetzbarkeit mit dem aufgeschmolzenen Lötmaterial der Pigmente aufweisen als die Bereiche lateral neben den Pigmentlandeflächen und als die Seitenflächen und als die Oberseiten der Bauelemente. In einem Schritt C) werden die Pigmente auf den Träger aufgebracht. In einem Schritt D) werden die Pigmente aufgeheizt, sodass das Lötmaterial schmilzt.

Description

Es wird ein Verfahren zum Bestücken eines Trägers mit Bauelementen angegeben. Darüber hinaus wird ein Pigment zum Bestücken eines Trägers mit einem Bauelement angegeben. Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung eines Pigments angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zum effizienten und zuverlässigen Bestücken eines Trägers mit Bauelementen anzugeben. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Pigment für ein solches Verfahren anzugeben. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Pigments anzugeben.
Diese Aufgaben werden unter anderem durch die Verfahren und Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zum Bestücken eines Trägers mit Bauelementen einen Schritt A), bei dem eine Mehrzahl von Pigmenten bereitgestellt wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst jedes Pigment ein, insbesondere genau ein elektronisches Bauelement mit einer Montageseite, zumindest einer quer zur Montageseite verlaufenden Seitenfläche und einer der Montageseite gegenüberliegenden Oberseite.
Bei dem elektronischen Bauelement handelt es sich bevorzugt um ein optoelektronisches Bauelement, wie eine LED oder einen Halbleiterchip, zum Beispiel einen LED-Chip. Der Halbleiterchip kann ein Saphirchip oder ein Flip-Chip oder ein Dünnfilmhalbleiterchip sein. Bei dem Halbleiterchip kann es sich um einen oberflächenmontierbaren Halbleiterchip handeln. Bevorzugt emittiert das optoelektronische Bauelement im bestimmungsgemäßen Betrieb Strahlung im sichtbaren Spektralbereich.
Bei der Montageseite handelt es sich insbesondere um eine Hauptseite des Bauelements. Die Montageseite umfasst bevorzugt ein oder mehrere Kontaktelemente zur elektrischen Kontaktierung des Bauelements. Die Montageseite ist die Seite des Bauelements, die nach dem Bestücken des Trägers mit dem Bauelement dem Träger zugewandt sein soll.
Die Oberseite des Bauelements verläuft insbesondere im Wesentlichen parallel zur Montageseite. Bei der Oberseite handelt es sich bevorzugt also auch um eine Hauptseite des Bauelements. Die Oberseite kann beispielsweise eine Leuchtfläche des Bauelements bilden, über die im bestimmungsgemäßen Betrieb ein großer Anteil, insbesondere zumindest 15 % oder zumindest 30 % oder zumindest 50 % oder zumindest 80 % der von dem Bauelement emittierten Strahlung, ausgekoppelt wird. Auf der Oberseite kann ein Kontaktelement zur elektrischen Kontaktierung des Bauelements angeordnet sein. Alternativ kann die Oberseite auch frei von Kontaktelementen sein.
Die Seitenfläche verbindet die Montageseite mit der Oberseite und verläuft quer zur Montageseite und zur Oberseite. Die Seitenfläche begrenzt das Bauelement in lateraler Richtung parallel zur Montageseite.
Das elektronische Bauelement umfasst beispielsweise eine Halbleiterschichtenfolge mit einer, bevorzugt mit genau einer zusammenhängenden aktiven Schicht. Über die aktive Schicht wird im bestimmungsgemäßen Betrieb zum Beispiel elektromagnetische Strahlung erzeugt. Die aktive Schicht verläuft bevorzugt im Wesentlichen parallel zur Montageseite und zur Oberseite. Die lateralen Abmessungen des Bauelements entsprechen beispielsweise im Wesentlichen den lateralen Abmessungen der aktiven Schicht. Insbesondere betragen die lateralen Abmessungen des Bauelements beispielsweise höchstens 105 % oder höchstens 110 % oder höchstens 120 % der lateralen Abmessung der aktiven Schicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst jedes Pigment ein aufschmelzbares Lötmaterial, das unmittelbar an die Montageseite des Bauelements angrenzt und an der Montageseite stoffschlüssig angelötet ist.
Das Lötmaterial auf der Montageseite des Bauelements ist bevorzugt ausgehärtet. Das heißt, die Pigmente werden in Schritt A) bevorzugt bei einer Temperatur unterhalb der Solidustemperatur, beispielsweise zumindest 20 °C oder zumindest 50 °C unterhalb der Solidustemperatur des Lötmaterials, bereitgestellt. Es ist aber auch möglich, dass die Pigmente im Schritt A) bei einer Temperatur bereitgestellt werden, bei der das Lötmaterial bereits aufgeschmolzen ist.
Das Lötmaterial ist bevorzugt einstückig ausgebildet. Bevorzugt besteht das Lötmaterial aus einem Metall oder einer Metalllegierung, insbesondere einem Eutektikum. Das Lötmaterial ist bevorzugt nicht mehrschichtig aufgebaut.
Ferner ist das Lötmaterial aufschmelzbar. Das heißt, durch Aufheizen der Pigmente auf Temperaturen oberhalb der Liquidustemperatur des Lötmaterials wird das Lötmaterial vollständig verflüssigt. Bevorzugt schmilzt das gesamte Lötmaterial in einem Temperaturbereich von höchstens 50 °C um die Solidustemperatur des Lötmaterials auf.
Ferner ist das Lötmaterial stoffschlüssig an die Montageseite angelötet. Das heißt, zur Befestigung des Lötmaterials an der Montageseite wurde das Lötmaterial bereits einmal aufgeschmolzen, hat die Montageseite, insbesondere Kontaktelemente der Montageseite, teilweise oder vollständig benetzt und wurde dann zum Beispiel wieder ausgehärtet. Insbesondere ist das Lötmaterial an der Montageseite an einen metallischen Bereich des Bauelements angelötet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden zumindest 63 Vol.-% oder zumindest 70 Vol.-% oder zumindest 75 Vol.-% oder zumindest 80 Vol.-% oder zumindest 85 Vol.-% oder zumindest 90 Vol.-% oder zumindest 95 Vol.-% jedes Pigments durch das Lötmaterial gebildet. Insbesondere besteht jedes Pigment nur aus dem Lötmaterial und dem elektronischen Bauelement.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Materialien des Lötmaterials, der Montageseite, der Seitenfläche und der Oberseite so gewählt, dass die Montageseite eine höhere oder stärkere oder bessere Benetzbarkeit mit dem aufgeschmolzenen Lötmaterial aufweist als die Oberseite und die Seitenfläche. Das heißt, die Materialien an den Außenflächen jedes Bauelements sind so gewählt, dass das Lötmaterial bevorzugt die Montageseite des Bauelements benetzt.
Eine höhere Benetzbarkeit der Montageseite kann insbesondere bedeuten, dass beim Aufschmelzen des Lötmaterials das Lötmaterial von sich aus die Montageseite benetzt und dabei die Benetzungsdichte oder der Benetzungsgrad, das heißt der Flächenanteil, der tatsächlich benetzt ist, größer ist als bei der Oberseite und den Seitenflächen. Zum Beispiel benetzt das aufgeschmolzene Lötmaterial die Oberseite und die Seitenflächen gar nicht oder höchstens 20 % oder höchstens 10 % oder höchstens 5 % der jeweiligen Flächen der Oberseite und der Seitenflächen. Die Fläche der Montageseite wird von dem aufgeschmolzenen Lötmaterial bevorzugt zu zumindest 50 % oder zumindest 70 % oder zumindest 90 % benetzt. Beim Benetzen kommt das aufgeschmolzene Lötmaterial in direkten Kontakt mit dem Bauelement. Eine höhere Benetzbarkeit kann auch bedeuten, dass der Kontaktwinkel oder Grenzwinkel zwischen dem aufgeschmolzenen Lötmaterial und der Montageseite kleiner, zum Beispiel um zumindest 20° oder um zumindest 40° oder um zumindest 60° kleiner ist, als zwischen dem aufgeschmolzenem Lötmaterial und der Oberseite und den Seitenflächen.
Insbesondere ist beispielsweise die über die gesamte Fläche der Montageseite gemittelte Grenzflächenenergie geringer, zum Beispiel zumindest 5-mal oder zumindest 10-mal oder zumindest 50-mal oder zumindest 100-mal geringer als die über die übrigen Flächen des Bauelements gemittelten Grenzflächenenergien. Unter der Grenzflächenenergie wird vorliegend die Energie verstanden, die umgesetzt werden muss, um die Grenzfläche zwischen dem aufgeschmolzenen Lötmaterial und einem daran grenzenden Material um 1 m² unter isothermen Bedingungen zu vergrößern.
Beispielsweise sind die Materialien so gewählt, dass das aufgeschmolzene Lötmaterial das Material der Montageseite mit einem Grenzwinkel von höchstens 90° oder höchstens 60° oder höchstens 30° benetzt. Die Materialien der Seitenflächen und der Oberseite werden durch das aufgeschmolzene Lötmaterial beispielsweise mit einem Kontaktwinkel von mindestens 50° oder mindestens 80° oder mindestens 90° oder mindestens 120° benetzt. Die angegebenen Winkel beziehen sich insbesondere auf den Fall, dass jeweils nur ein Tropfen des flüssigen Lötmaterials auf eine wesentlich größere Fläche aufgebracht wird.
Bevorzugt ist auch die Oberflächenenergie des aufgeschmolzenen Lötmaterials größer, zum Beispiel zumindest 5-mal oder zumindest 10-mal oder zumindest 50-mal oder zumindest 100-mal größer als die Grenzflächenenergie zwischen dem aufgeschmolzenen Lötmaterial und der Montageseite. Unter der Oberflächenenergie wird vorliegend die Grenzflächenenergie an einer Grenzfläche zu einem gasförmigen Medium, wie Luft, verstanden.
Um die gute Benetzbarkeit der Montageseite zu erreichen, kann diese teilweise, zum Beispiel zu zumindest 50 % oder zu zumindest 60 % oder zu zumindest 70 % oder zu zumindest 80 %, oder vollständig aus Metall gebildet sein. Die Oberseite und/oder die Seitenflächen sind zum Beispiel zu höchstens 30 % oder höchstens 10 % oder höchstens 5 % aus Metall gebildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren einen Schritt B), in dem ein Träger mit Pigmentlandeflächen bereitgestellt wird. Bei dem Träger handelt es sich bevorzugt um einen elektrischen Anschlussträger für die elektronischen Bauelemente. Der Anschlussträger dient im bestimmungsgemäßen Betrieb dann beispielsweise zur elektrischen Kontaktierung und Bestromung der Bauelemente. Dazu umfasst der Träger beispielsweise metallische Anschlussflächen.
Bei den Pigmentlandeflächen handelt es sich insbesondere um Bereiche auf einer Anschlussseite des Trägers, die zum Einfangen der Bauelemente eingerichtet sind. Beispielsweise ist jede Pigmentlandefläche dazu eingerichtet, ein einziges Bauelement aufzunehmen und einzufangen. Die Pigmentlandeflächen können beispielsweise durch elektrische Anschlusselemente des Trägers gebildet sein. Insbesondere handelt es sich bei den Pigmentlandeflächen um zusammenhängende, bevorzugt einfach zusammenhängende, metallische Flächen, die vor dem Aufbringen der Bauelemente auf der Anschlussseite des Trägers freiliegen.
Die laterale Ausdehnung einer Pigmentlandefläche entlang der Anschlussseite des Trägers beträgt beispielsweise zumindest 50 % oder zumindest 100 % oder zumindest 150 % der lateralen Ausdehnung der Bauelemente. Alternativ oder zusätzlich beträgt die laterale Ausdehnung der Pigmentlandeflächen höchstens 300 % oder höchstens 200 % oder höchstens 150 % der lateralen Ausdehnung der Bauelemente.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Materialien des Trägers so gewählt, dass die Pigmentlandeflächen eine höhere oder stärkere oder bessere Benetzbarkeit mit dem aufgeschmolzenen Lötmaterial der Pigmente aufweisen als die Bereiche lateral neben den Pigmentlandeflächen. Ferner weisen die Pigmentlandeflächen eine höhere Benetzbarkeit mit dem aufgeschmolzenen Lötmaterial auf als die Seitenflächen und als die Oberseiten der Bauelemente.
Das heißt, die Materialien an der Außenseite des Trägers sind so gewählt, dass das aufgeschmolzene Lötmaterial bevorzugt die Pigmentlandeflächen des Trägers benetzt. Insbesondere werden die Pigmentlandeflächen zu zumindest 50 % oder zumindest 70 % oder zumindest 90 % von dem aufgeschmolzenen Lötmaterial benetzt. Die Bereich des Trägers außerhalb der Pigmentlandeflächen werden von dem aufgeschmolzenen Lötmaterial zum Beispiel gar nicht oder flächenmäßig zu höchstens 20 % oder zu höchstens 10 % oder zu höchstens 5 % benetzt. Insbesondere ist der Kontaktwinkel oder Grenzwinkel zwischen dem aufgeschmolzenen Lötmaterial und den Pigmentlandeflächen kleiner, zum Beispiel um zumindest 20° oder um zumindest 40° oder um zumindest 60° kleiner ist, als zwischen dem aufgeschmolzenem Lötmaterial und Bereiche lateral neben den Pigmentlandeflächen.
Insbesondere ist beispielsweise die über die gesamte Fläche der Pigmentlandefläche gemittelte Grenzflächenenergie geringer, zum Beispiel zumindest 5-mal oder zumindest 10-mal oder zumindest 50-mal oder zumindest 100-mal geringer, als die über die Flächen zwischen den Pigmentlandflächen liegenden Bereiche gemittelte Grenzflächenenergie. Bevorzugt ist auch die über die Pigmentlandeflächen gemittelte Grenzflächenenergie geringer, zum Beispiel zumindest 5-mal oder zumindest 10-mal oder zumindest 50-mal oder zumindest 100-mal geringer, als die über die Seitenflächen und Oberseiten der Bauelemente gemittelte Grenzflächenenergie und als die Oberflächenenergie des aufgeschmolzenen Lötmaterials.
Um die gute Benetzbarkeit der Pigmentlandefläche zu gewährleisten, können die Pigmentlandeflächen insbesondere metallisch ausgebildet sein. Die Bereiche des Trägers lateral neben den Pigmentlandeflächen sind beispielsweise aus einem elektrisch isolierenden Material. Zum Beispiel sind diese Bereiche mit einer Antibenetzungsschicht überzogen, beispielsweise aus organischem Material, wie ein Lötstopplack, oder anorganischem Material, wie Siliziumoxid, um eine Benetzung dieser Bereiche mit dem aufgeschmolzenen Lötmaterial zu reduzieren oder zu verhindern.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden in einem Schritt C) die Pigmente auf den Träger aufgebracht. Zum Aufbringen der Pigmente auf den Träger kann beispielsweise ein Druckverfahren oder ein Setzverfahren oder Solder-Ball-Jetting verwendet werden. Insbesondere werden die Pigmente auf die Seite des Trägers aufgebracht, auf der die Pigmentlandeflächen angeordnet sind. Insbesondere sind auf jede Pigmentlandefläche genau ein Pigment oder mehrere Pigmente aufgebracht. Bevorzugt stehen nach dem Aufbringen keine zwei Pigmente in direktem Kontakt miteinander.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren einen Schritt D), in dem die Pigmente aufgeheizt werden, sodass das Lötmaterial, bevorzugt das gesamte Lötmaterial, jedes Pigments schmilzt. Die Minimierung der Oberflächenenergie und Grenzflächenenergie führt dann dazu, dass das geschmolzene Lötmaterial jedes Pigments eine Pigmentlandefläche benetzt und dadurch das Bauelement des entsprechenden Pigments auf der Pigmentlandefläche mit der Montageseite dem Träger zugewandt positioniert wird.
Die Pigmente werden bevorzugt auf Temperaturen oberhalb der Liquidustemperatur des Lötmaterials aufgeheizt, sodass das Lötmaterial vollständig schmilzt.
Das Aufschmelzen des Lötmaterials kann auch bereits vor dem Aufbringen der Pigmente auf den Träger erfolgen.
Insbesondere wird im Schritt D) das automatische Ausrichten und Positionieren der Bauelemente auf dem Träger mit Hilfe des flüssigen Lötmaterials ausgenützt. Dadurch, dass die Benetzbarkeit der Montageseite und der Pigmentlandeflächen mit dem geschmolzenen Lötmaterial höher ist als die Benetzbarkeit in den übrigen Bereichen des Trägers oder des Bauelements, versucht das aufgeschmolzene Lötmaterial zur Minimierung der Oberflächen- und Grenzflächenenergie möglichst die Pigmentlandeflächen und die Montageseite zu benetzen und einander gegenüberliegend auszurichten. Dies führt auch dazu, dass sich das geschmolzene Lötmaterial bevorzugt zwischen der Montageseite und der Pigmentlandefläche anordnet. Zum Beispiel sind dann zumindest 75 Vol.-% oder zumindest 85 Vol.-% oder zumindest 93 Vol.-% oder zumindest 96 Vol.-% des ursprünglich vorhandenen Lötmaterials zwischen der Montageseite und der Pigmentlandefläche anordnet. Als Konsequenz ist dann also im Allgemeinen bei jedem Bauelement die Montageseite dem Träger zugewandt. Die Oberseite jedes Bauelements ist im Allgemeinen dem Träger abgewandt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden die Schritte A) bis D) nacheinander in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt. Es ist aber auch möglich, dass das Lötmaterial vor dem Aufbringen der Pigmente auf den Träger zum Schmelzen gebracht wird.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zum Bestücken eines Trägers mit Bauelementen einen Schritt A), in dem eine Mehrzahl von Pigmenten bereitgestellt wird. Jedes Pigment umfasst ein elektronisches Bauelement mit einer Montageseite, zumindest einer quer zur Montageseite verlaufenden Seitenfläche und einer der Montageseite gegenüberliegenden Oberseite. Ferner umfasst jedes Pigment ein aufschmelzbares Lötmaterial, das unmittelbar an die Montageseite des Bauelements angrenzt und an der Montageseite stoffschlüssig angelötet ist. Dabei sind zumindest 63 Vol.-% jedes Pigments durch das Lötmaterial gebildet. Die Materialien des Lötmaterials, der Montageseite, der Seitenfläche und der Oberseite sind bei jedem Bauelement so gewählt, dass die Montageseite eine höhere Benetzbarkeit mit dem aufgeschmolzenen Lötmaterial aufweist als die Oberseite und die Seitenfläche. In einem Schritt B) des Verfahrens wird ein Träger mit Pigmentlandeflächen bereitgestellt, wobei die Materialien des Trägers so gewählt sind, dass die Pigmentlandeflächen eine höhere Benetzbarkeit mit dem aufgeschmolzenen Lötmaterial der Pigmente aufweisen als die Bereiche lateral neben den Pigmentlandeflächen und als die Seitenflächen und als die Oberseiten der Bauelemente. In einem Schritt C) werden die Pigmente auf den Träger aufgebracht. In einem Schritt D) werden die Pigmente aufgeheizt, sodass das Lötmaterial jedes Pigments schmilzt, wobei durch die Minimierung der Oberflächenenergie und Grenzflächenenergie das geschmolzene Lötmaterial jedes Pigments eine Pigmentlandefläche benetzt und das Bauelement des entsprechenden Pigments auf der Pigmentlandefläche mit der Montageseite dem Träger zugewandt positioniert wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt insbesondere die Idee zugrunde, eine große Anzahl von kleinen Bauelementen, wie Lumineszenzdioden (LEDs), gezielt zu platzieren. Dazu wird das automatische Platzieren und Ausrichten von Bauelementen auf einem Träger mit Hilfe einer Flüssigkeit ausgenutzt.
Insbesondere werden hier Bauelemente verwendet, die anfänglich von einem leicht schmelzbaren Material umhüllt sind, um ein druckbares Element (Pigment) zu erzeugen. Beim Drucken wird das Material aufgeschmolzen, das geschmolzene Material zentriert das Bauelement auf der Pigmentlandefläche, richtet es in einer vorbestimmten Orientierung aus und fixiert es auf dem Träger beim Erstarren.
Die vorliegende Erfindung beruht unter anderem auf der Erkenntnis, dass durch die gezielte Einstellung der Benetzbarkeiten von bestimmten Bereichen des Bauelements und des Trägers die Orientierung der Bauelemente nach dem automatischen Platzieren und Ausrichten vorbestimmt werden kann. So kann erreicht werden, dass die Bauelemente immer oder fast immer mit der gleichen Seite, nämlich der Montageseite, dem Träger zugewandt positioniert werden. Die Oberseite der Bauelemente, welche beispielsweise eine Leuchtfläche der Bauelemente bildet, ist dann stets von dem Träger abgewandt.
Das hier beschriebene Verfahren bietet außerdem den Vorteil, dass die Bauelemente sehr schnell gesetzt werden können. Auf konventionelles Greifen und Setzen der Chips kann verzichtet werden. Deshalb brauchen die Bauelemente auch keine Mindestgröße von zumindest 90 µm oder zumindest 100 µm oder zumindest 150 µm Kantenlänge einzuhalten. Insbesondere sehr viel kleinere Bauelemente können durch das hier angegebene Verfahren verarbeitet und gezielt gesetzt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Pigmente im Schritt A) so gewählt, dass das Lötmaterial jedes Pigments das Bauelement vollständig umgibt. Das heißt, jedes Bauelement ist an allen Außenflächen von dem Lötmaterial bedeckt. Beispielsweise steht das Lötmaterial an allen Außenflächen des Bauelements mit dem Bauelement in direktem Kontakt. Das Lötmaterial umgibt das Bauelement dann bevorzugt formschlüssig und vollständig. Das Lötmaterial bildet also eine vollständige, einstückig ausgebildete Umhüllung des Bauelements.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist im Schritt A) eine Randfläche jedes Pigments durch das Lötmaterial gebildet, insbesondere vollständig durch das Lötmaterial gebildet. Anders ausgedrückt ist eine Grenzfläche des Pigments, die das Pigment in alle Richtungen begrenzt, durch das Lötmaterial gebildet. Insbesondere ist zwischen dem Bauelement und der Grenz- oder Rand- oder Außenfläche des Pigments nur Lötmaterial angeordnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist jedes Pigment im Wesentlichen kugelförmig. Im Wesentlichen kugelförmig heißt, dass die Randfläche im Rahmen der Herstellungstoleranz eine Kugeloberfläche bildet, wobei herstellungsbedingte Abweichungen von einer mathematisch perfekten Form auftreten können. Beispielsweise können im Wesentlichen kugelförmige Pigmente eine zur elliptischen Form tendierende Verkrümmung aufweisen. Im Wesentlichen kugelförmige Pigmente können besonders leicht, beispielsweise mittels Solder-Ball-Jetting, verarbeitet und auf den Träger aufgebracht werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform bildet im Schritt A) bei jedem Pigment das Lötmaterial eine Kugel auf der Montageseite. Insbesondere bedeckt das Lötmaterial nur beziehungsweise überwiegend die Montageseite. Die Oberseite und die Seitenflächen können frei von dem Lötmaterial sein. Zum Beispiel sind zumindest 90 % oder zumindest 95 % oder zumindest 99 % des Lötmaterials im Schritt A) auf der Montageseite des Bauelements angeordnet.
Dass das Lötmaterial eine Kugel auf der Montageseite bildet, bedeutet, dass das Lötmaterial im Wesentlichen eine Vollkugel auf der Montageseite bildet. Insbesondere im Übergang zwischen dem Lötmaterial und der Montageseite weicht die Form des Lötmaterials von einer Kugelform ab. Auch elliptische Verkrümmungen, bedingt beispielsweise durch Herstellungstoleranzen, können auftreten. Auch mit einer solchen Form können die Pigmente noch besonders leicht auf den Träger aufgebracht werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Bauelemente der Pigmente LEDs. Beispielsweise emittieren die LEDs im bestimmungsgemäßen Betrieb überwiegend rotes oder grünes oder blaues oder weißes Licht oder UV-Strahlung oder IR-Strahlung. Insbesondere umfasst jedes Pigment genau eine LED.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Lötmaterial ein Metall, wie zum Beispiel Gallium, Indium, Wismut, Silber, Kupfer, Gold, Zink, Blei oder Zinn, oder eine Metalllegierung aus diesen Metallen, wie Galinstan (GaInSn), GaIn, BiIn, SnAgCu, SnCu, AuSn, InSn, AgIn, SnZn, AgSn, AuBi, AgBi.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird als Lötmaterial ein Metall oder eine Metalllegierung verwendet, bei dem oder bei der der Liquiduspunkt oder Soliduspunkt bei zumindest 60 °C oder zumindest 100 °C oder zumindest 120 °C liegt. Alternativ oder zusätzlich liegt der Liquiduspunkt oder Soliduspunkt bei höchstens 450 °C oder höchstens 300 °C oder höchstens 260 °C.
Beispielsweise weist das Lötmaterial eine Oberflächenenergie von zumindest 150 mJ/m² oder zumindest 200 mJ/m² oder zumindest 300 mJ/m² oder zumindest 500 mJ/m² auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Bauelemente der Pigmente jeweils einen Durchmesser oder eine laterale Ausdehnung entlang der Montageseite von höchstens 100 µm oder höchstens 50 µm oder höchstens 20 µm oder höchstens 10 µm auf. Insbesondere für kleine Bauelemente ist das hier beschriebene Verfahren vorteilhaft, da solch kleine Bauelemente nur schwer gegriffen und gesetzt werden können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform bilden die Oberseiten der Bauelemente jeweils Lichtauskoppelflächen der Bauelemente. Beispielsweise werden über die Oberseite jedes Bauelements im bestimmungsgemäßen Betrieb zumindest 15 % oder zumindest 30 % oder zumindest 50 % oder zumindest 80 % oder zumindest 90 % oder zumindest 95 % der insgesamt von dem Bauelement emittierten elektromagnetischen Strahlung ausgekoppelt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind im Schritt A) die Pigmente in eine Flüssigkeit eingebracht. Bei der Flüssigkeit kann es sich beispielsweise um Wasser oder Öl oder Silikonöl oder Ethylenglykol handeln. Insbesondere bildet die Flüssigkeit zusammen mit den Pigmenten eine Tinte. Die Tinte wird im Schritt C) auf den Träger aufgebracht. Innerhalb der Flüssigkeit sind die Pigmente bevorzugt fei beweglich und insbesondere untereinander nicht dauerhaft miteinander verbunden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird im Schritt C) die Flüssigkeit mit den Pigmenten über einen Tintenstrahldrucker aufgebracht. Mit Hilfe des Tintenstrahldruckers kann genau bestimmt werden, auf welchem Bereich des Trägers Bauelemente aufgesetzt werden. Insbesondere kann mit Hilfe des Tintenstrahldruckers die Flüssigkeit mit den Pigmenten nur im Bereich der Pigmentlandeflächen aufgedruckt werden, was die Effizienz der Bestückung des Trägers erhöht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden die Pigmente im Schritt C) über Solder-Ball-Jetting aufgebracht. Beim Solder-Ball-Jetting werden die Pigmente mit Hilfe einer Düse gezielt auf bestimmte Bereiche des Trägers aufgeschossen. Solder-Ball-Jetting oder Solder-Sphere-Jetting ist beispielsweise in dem Papier „Wafer level solder bumping and flip chip assembly with solder balls down to 30 µm“ von Thomas Oppert et al. offenbart, dessen Inhalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird vor dem Schritt C) ein Stempel mit einer Mehrzahl von Pigmenten bestückt. Beispielsweise weist ein solcher Stempel mehrere Ausnehmungen auf, in die Pigmente mit Hilfe von Unterdruck gesaugt werden können und durch den Unterdruck innerhalb der Ausnehmungen gehalten werden können. Im Schritt C) können die Pigmente dann mittels des Stempels an vorbestimmte Positionen auf dem Träger platziert werden. Dieses sogenannte Wafer Level Solder Sphere Transfer (WLSFT) ist ebenfalls in dem eben genannten Papier beschrieben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist jedes Pigment ein erstes, zur elektrischen Kontaktierung des Bauelements dienendes Kontaktelement an der Montageseite und ein zweites, zur elektrischen Kontaktierung des Bauelements dienendes Kontaktelement an der Oberseite auf. Nach dem Anordnen der Bauelemente auf den Pigmentlandeflächen ist beispielsweise das erste Kontaktelement über das Lötmaterial elektrisch leitend mit dem Träger verbunden. In diesem Fall bildet die Pigmentlandefläche insbesondere ein elektrisches Anschlusselement für das Bauelement. Das zweite Kontaktelement kann dann beispielsweise über einen zusätzlichen Kontaktdraht oder eine Leiterbahn elektrisch kontaktiert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind bei jedem Pigment ein erstes, zur elektrischen Kontaktierung des Bauelements dienendes Kontaktelement und ein zweites, zur elektrischen Kontaktierung des Bauelements dienendes Kontaktelement an der Montageseite angeordnet. In diesem Fall handelt es sich bei dem Bauelement insbesondere um ein oberflächenmontierbares Bauelement, bei dem alle zur Kontaktierung des Bauelements notwendigen Kontaktelemente an der Montageseite angeordnet sind. Beide Kontaktelemente können beispielsweise über das Lötmaterial mit entsprechenden Anschlusselementen an dem Träger elektrisch leitend verbunden werden.
Darüber hinaus wird ein Pigment für das Bestücken eines Trägers mit einem Bauelement angegeben. Das Pigment eignet sich insbesondere als Pigment für das hier beschriebene Verfahren zum Bestücken eines Trägers. Alle im Zusammenhang mit dem Pigment offenbarten Merkmale sind daher auch für das Verfahren zum Bestücken eines Trägers offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Pigment für das Bestücken eines Trägers ein elektronisches Bauelement mit einer Montageseite, zumindest einer quer zur Montageseite verlaufenden Seitenfläche und einer der Montageseite gegenüberliegenden Oberseite.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Pigment ein aufschmelzbares Lötmaterial, das unmittelbar an die Montageseite des Bauelements angrenzt und an der Montageseite stoffschlüssig angelötet ist. Das aufschmelzbare Lötmaterial ist bevorzugt bei Raumtemperatur, besonders bevorzugt bei Temperaturen unterhalb von 100 °C ausgehärtet. Das aufschmelzbare Lötmaterial kann aber auch schon bei Raumtemperatur flüssig sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Lötmaterial ausschließlich mit dem Bauelement über eine stoffschlüssige Lötverbindung verbunden. Außer mit dem Bauelement ist das Lötmaterial also mit keinem weiteren elektronischen Bauteil über eine stoffschlüssige Lötverbindung verbunden. Insbesondere ist das Bauelement nicht elektrisch angeschlossen. Bevorzugt ist also bei dem Pigment das Lötmaterial nur mit dem Bauelement dauerhaft mechanisch verbunden. Das Lötmaterial ist an keine weiteren Komponenten, insbesondere an keinen elektrischen Anschlussträger oder Träger, angelötet. Jeder weiterer mechanischer Kontakt des Lötmaterials zu einem Element außer dem Bauelement ist beispielsweise zerstörungsfrei wieder lösbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind mindestens 63 Vol.-% des Pigments durch das Lötmaterial gebildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Materialien des Lötmaterials, der Montageseite, der Seitenfläche und der Oberseite so gewählt, dass die Montageseite eine höhere Benetzbarkeit mit dem aufgeschmolzenen Lötmaterial aufweist als die Oberseite und die Seitenflächen des Bauelements.
Bevorzugt ist das Pigment im Wesentlichen kugelförmig und hat einen Durchmesser von höchstens 500 µm oder höchstens 300 µm oder höchstens 100 µm oder höchstens 50 µm. Das Pigment oder die Randfläche des Pigments steht insbesondere in keiner nicht-lösbaren Verbindung zu einer anderen Komponente.
Darüber hinaus wird ein Pigmentgemisch angegeben. Das Pigmentgemisch umfasst insbesondere eine Mehrzahl der hier beschriebenen Pigmente. Jedes im Zusammenhang mit dem Pigmentgemisch offenbarte Merkmal ist daher auch für das Pigment offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Pigmentgemisch eine Mehrzahl von Pigmenten, die in dem Pigmentgemisch frei beweglich sind. Beispielsweise umfasst das Pigmentgemisch eine Flüssigkeit, in die die Pigmente eingebracht sind. Jedes Pigment kann sich dann bevorzugt unabhängig von den anderen Pigmenten innerhalb der Flüssigkeit bewegen.
Alternativ kann das Pigmentgemisch aber auch ausschließlich aus den Pigmenten bestehen. Zwischen den Pigmenten befindet sich dann beispielsweise nur Gas oder Luft, aber insbesondere keine Flüssigkeit. Die Pigmente können untereinander in direktem Kontakt stehen, sind miteinander aber nicht verlötet. Insbesondere ist der Kontakt zwischen den Pigmenten also nicht dauerhafter Natur, sondern beispielsweise durch Schütteln des Pigmentgemisches lösbar. Durch Schütteln des Pigmentgemischs können beispielsweise die Pigmente innerhalb des Pigmentgemisches neu verteilt werden.
Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung eines Pigments angegeben. Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung eines hier beschriebenen Pigments. Alle im Zusammenhang mit dem Pigment offenbarten Merkmale sind daher auch für das Verfahren offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Herstellung eines Pigments einen Schritt A), bei dem ein elektronisches Bauelement mit einer Montageseite, zumindest einer quer zur Montageseite verlaufenden Seitenfläche und einer der Montageseite gegenüberliegenden Oberseite bereitgestellt wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Herstellung eines Pigments einen Schritt B), bei dem ein aufschmelzbares Lötmaterial auf die Montageseite und auf die Oberseite aufgebracht wird. Das Lötmaterial kann beispielsweise aufgedampft oder aufgesputtert werden oder elektrochemisch (galvanisch) aufgebracht werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Materialien des Lötmaterials, der Montageseite, der Seitenfläche und der Oberseite so gewählt, dass die Montageseite eine höhere oder bessere oder stärkere Benetzbarkeit mit dem aufgeschmolzenen Lötmaterial aufweist als die Oberseite und die Seitenfläche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Volumen des auf die Montageseite und Oberseite aufgebrachten Lötmaterials zumindest 1,7-mal größer oder zumindest zweimal größer oder zumindest dreimal größer oder zumindest viermal größer oder zumindest fünfmal größer oder zumindest sechsmal größer oder zumindest zehnmal größer als das Volumen des Bauelements.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird in einem Schritt C) das Lötmaterial aufgeschmolzen, sodass zumindest die Montageseite von dem flüssigen Lötmaterial benetzt wird und die Montageseite mit dem Lötmaterial eine stoffschlüssige Lötverbindung eingeht. Insbesondere zieht sich dabei das flüssige Lötmaterial zusammen und umformt die Montageseite oder das Bauelement.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird in einem Schritt D) das Lötmaterial ausgehärtet. Durch das Aushärten des Lötmaterials entsteht ein solides Pigment, dessen Grenzfläche oder Randfläche bei bestimmungsgemäßen mechanischen Belastungen nicht verformt wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden die Schritte A) bis D) nacheinander in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt.
Nachfolgend wird ein hier beschriebenes Verfahren zum Bestücken eines Trägers mit Bauelementen, ein hier beschriebenes Pigment für das Bestücken eines Trägers mit einem Bauelement und ein hier beschriebenes Verfahren zur Herstellung eines Pigments unter Bezugnahme auf Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:

1, 2A und 2B ein Ausführungsbeispiel eines Pigmentgemisches sowie Ausführungsbeispiele von Pigmenten in Seitenansicht,
3A bis 4C verschiedene Positionen in Ausführungsbeispielen des Verfahrens zur Bestückung des Trägers mit Bauelementen, und
5A bis 5H verschiedene Positionen eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens zur Herstellung eines Pigments.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Pigmentgemisches 1000 gezeigt. Das Pigmentgemisch 1000 umfasst eine Mehrzahl von Pigmenten 100, die in einem Behälter angeordnet sind. Die Pigmente 100 stehen untereinander in Kontakt, sind mechanisch aber nicht dauerhaft miteinander verbunden. Durch Rütteln des Behälters beispielsweise werden die Pigmente 100 neu durchmischt. Jedes Pigment 100 weist insbesondere eine harte Außen- oder Randfläche auf, sodass der Kontakt zu den anderen Pigmenten 100 keine Verformung der Außenflächen mit sich bringt.
Anders als in 1 dargestellt können die Pigmente 100 auch in eine Flüssigkeit eingebracht sein und beispielsweise innerhalb der Flüssigkeit schwimmen oder schweben.
Außerdem ist in 1 die Vergrößerung eines Pigments 100 dargestellt. Das Pigment 100 umfasst ein oberflächenmontierbares optoelektronisches Bauelement 1. Bei dem Bauelement 1 handelt es sich insbesondere um eine LED beziehungsweise um einen LED-Chip. Der LED-Chip umfasst beispielsweise eine AlGaInN-Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Schicht in Form eines pn-Übergangs oder einer Quantentopfstruktur.
Das Bauelement 1 umfasst ferner eine Montageseite 10, Seitenflächen 11 und eine Oberseite 12. Die Montageseite 10 und die Oberseite 12 bilden im Wesentlichen parallele Hauptseiten des Bauelements 1. Die Seitenflächen 11 verbinden die Oberseite 12 mit der Montageseite 10. Die Montageseite 10 umfasst zwei Kontaktelemente 13, 14 zur elektrischen Kontaktierung des Bauelements 1.
Das Bauelement 1 hat zum Beispiel eine Kantenlänge in lateraler Richtung, das heißt parallel zu Montageseite 10, von 3 µm und eine Dicke von 1 µm.
Ferner umfasst das Pigment 100 ein aufschmelzbares, bevorzugt ausgehärtetes Lötmaterial 2. Bei dem Lötmaterial 2 handelt es sich beispielsweise um Sn. Das Lötmaterial 2 umgibt das Bauelement 1 vollständig und formschlüssig. Das heißt, das Bauelement 1 ist vollständig in dem Lötmaterial 2 eingeschlossen. Das Bauelement 1 ist also an allen Seiten von dem Lötmaterial 2 bedeckt.
Das Pigment 100 hat vorliegend eine Kugelform. Eine Außenfläche oder Randfläche 101 des Pigments 100 ist vorliegend vollständig durch das Lötmaterial 2 gebildet. Außer dem Lötmaterial 2 und dem Bauelement 1 umfasst das Pigment 100 keine weiteren Komponenten oder weiteren Materialien.
Der Durchmesser der Kugel beträgt zirka 4,4 µm, sodass zirka 80 Vol.-% des Pigments 100 durch das Lötmaterial 2 gebildet sind.
Bei dem Pigment 100 sind die Materialien der Montageseite 10 der Seitenflächen 11, der Oberseite 12 und des Lötmaterials 2 so gewählt, dass die Montageseite 10 eine höhere Benetzbarkeit mit dem aufgeschmolzenen Lötmaterial 2 aufweist als die übrigen Seiten, also insbesondere als die Seitenflächen 11 und die Oberseite 12 des Bauelements 1. Vorliegend ist insbesondere dadurch, dass die Montageseite 10 überwiegend durch die metallischen Kontaktelemente 13, 14 gebildet ist, eine hohe Benetzbarkeit der Montageseite 10 mit dem aufgeschmolzenen Lötmaterial 2 gegeben.
In der 2A ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Pigments 100 in Seitenansicht dargestellt. Anders als in der 1 umgibt hier das Lötmaterial 2 nicht das gesamte Bauelement 1, sondern bildet eine Kugel auf der Montageseite 10. Insbesondere sind die Kontaktelemente 13, 14 auf der Montageseite 10 von dem Lötmaterial 2 bedeckt. Vorliegend sind beispielsweise zumindest 90 Vol.-% des Lötmaterials 2 auf der Montageseite 10 angeordnet.
Im Ausführungsbeispiel der 2B ist ein Pigment 100 dargestellt, bei dem nur ein erstes Kontaktelement 13 an der Montageseite 10 angeordnet ist. Vorliegend bildet das erste Kontaktelement 13 beispielsweise zumindest 80 % der Montageseite 10 des Bauelements 1. Über das erste Kontaktelement 13 werden beispielsweise im bestimmungsgemäßen Betrieb des Bauelements 1 Löcher oder Elektronen in das Bauelement 1 injiziert. Auf der Oberseite 12 ist ein zweites Kontaktelement 14 angeordnet, das einen Gegenkontakt zu dem ersten Kontaktelement 13 bildet. Über das zweite Kontaktelement 14 werden beispielsweise im bestimmungsgemäßen Betrieb Elektronen oder Löcher in das Bauelement 1 injiziert.
Das Lötmaterial 2 bildet vorliegend wieder eine Kugel, die auf der Montageseite 10 angeordnet ist. Dadurch, dass die Montageseite 10 überwiegend durch das metallische erste Kontaktelement 13 gebildet ist, weist die Montageseite 10 eine besonders hohe Benetzbarkeit mit dem Lötmaterial 2 auf. Da die Seitenflächen 11 und die Oberseite 12 beispielsweise nur zu einem geringeren oder gar keinem Anteil durch metallisches Material gebildet sind, ist die Benetzbarkeit der Seitenflächen 11 und der Oberseite 12 mit dem verflüssigten Lötmaterial 2 geringer.
Die Anordnung nur eines ersten Kontaktelements 13 auf der Montageseite 10 und eines zweiten Kontaktelements 14 auf der Oberseite 12 kann auch realisiert sein, wenn das Bauelement 1, wie in dem Ausführungsbeispiel der 1 dargestellt, vollständig von dem Lötmaterial umgeben ist.
In der 3A ist eine erste Position in dem Verfahren zur Bestückung eines Trägers mit Bauelementen dargestellt. Dabei ist zu erkennen, dass ein Träger 200 mit lateral beabstandeten Pigmentlandeflächen 201 bereitgestellt ist. Bei dem Träger 200 handelt es sich beispielsweise um eine elektrischen Anschlussträger 200 für die Bauelemente 1. Die Pigmentlandeflächen 201 sind beispielsweise an einer Anschlussseite des Trägers 200 zusammenhängende, freiliegende, metallische Flächen, die zur elektrischen Kontaktierung der Bauelemente 1 eingerichtet sind. Die laterale Ausdehnung der Pigmentlandeflächen 201 entlang der Anschlussseite beträgt zirka 4,5 µm. Die Bereiche lateral neben und zwischen den Pigmentlandeflächen 201 sind beispielsweise aus einem elektrisch isolierenden Material, wie Kunststoff gebildet.
Die Materialien der Pigmentlandeflächen 201 und der übrigen Bereiche des Trägers 200 sind vorliegend so gewählt, dass die Pigmentlandeflächen 201 eine höhere Benetzbarkeit mit dem flüssigen Lötmaterial 2 der Pigmente 100 aufweisen als die übrigen Bereiche lateral um die Pigmentlandeflächen 201 herum. Ferner weisen die Pigmentlandeflächen 201 eine bessere Benetzbarkeit mit dem Lötmaterial 2 auf, als die Seitenflächen 11 und die Oberseite 12 der Bauelemente 1 der Pigmente 100.
In der 3A ist zu erkennen, wie auf jeder Pigmentlandefläche 201 ein Pigment 100 aufgebracht ist. In der Position der 3A sind die Bauelemente 1 aber noch nicht dauerhaft mit dem Anschlussträger 200 verbunden. Die Pigmente 100 sind beispielsweise nur auf den Träger 200 aufgelegt.
In der 3B ist eine zweite Position in dem Verfahren dargestellt. In dieser Position sind die Bauelemente 1 mechanisch dauerhaft mit dem Anschlussträger 200 über das Lötmaterial 2 verbunden. Insbesondere sind die Bauelemente 1 auf die Pigmentlandeflächen 201 mittels des Lötmaterials 2 aufgelötet. Die Oberseiten 12, die insbesondere als Leuchtflächen dienen, weisen alle vom Träger 200 weg. Die Montageseiten 10 sind jeweils dem Träger 200 zugewandt.
Um die Anordnung der 3B zu erhalten, wurden die Pigmente 100 aus der 3A erhitzt, bis sich das Lötmaterial 2 der Pigmente 100 verflüssigt hat. Dadurch, dass die Benetzbarkeit der Montageseite 10 der Bauelemente 1 und der Pigmentlandeflächen 201 höher ist als die Benetzbarkeit der übrigen Bereiche der Bauelemente 1 und des Trägers 200, wurden die Bauelemente 1 automatisch so ausgerichtet, dass die Montageseite 10 den Pigmentlandeflächen 201 gegenüberliegen und durch das flüssige Lötmaterial 2 miteinander verbunden wurden. Dies passierte automatisch durch die Minimierung der Oberflächen- und Grenzflächenenergie des verflüssigten Lötmaterials 2.
In der 3B ist die Position dargestellt, nachdem das verflüssigte Lötmaterial 2 wieder ausgehärtet wurde. Über das Lötmaterial 2 ist eine elektrische Lötverbindung zwischen den ersten Kontaktelementen 13 und den Pigmentlandeflächen 201 hergestellt.
In der 4A ist eine Position in einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens dargestellt, in der anders als bei der 3A die Pigmente 100 zusammen mit einer Flüssigkeit 300, wie Wasser oder Öl oder Silikonöl auf den Träger 200 aufgebracht sind. Die Flüssigkeit 300 zusammen mit den Pigmenten 100 bildet beispielsweise eine Tinte. Die Tinte kann über einen Tintenstrahldrucker oder Aerosol-Jetting auf den Träger 200 gezielt im Bereich der Pigmentlandeflächen 201 aufgebracht sein.
Nach oder vor dem Aufschmelzen des Lötmaterials 2 der einzelnen Pigmente 100 kann die Flüssigkeit 300, beispielsweise durch Verdampfen, entfernt werden. Nachdem das Lötmaterial 2 aufgeschmolzen wurde, richten sich die Bauelemente 1 automatisch in der richtigen Orientierung auf den Pigmentlandeflächen 201 aus. Nach dem Aushärten des Lötmaterials 2 wird die in der 3B dargestellte Vorrichtung erhalten.
In der 4B ist eine Position in einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens gezeigt, bei dem zur Aufbringung der Pigmente 100 auf den Träger 200 ein Stempel 400 verwendet wird. Der Stempel 400 weist beispielsweise Ausnehmungen auf, in die die Pigmente 100 hineinpassen. Durch Unterdruck können die Pigmente 100 innerhalb der Ausnehmungen gehalten werden, solange der Stempel 400 über dem Träger 200 ausgerichtet wird. Nach dem Ausrichten des Stempels 400 wird der Unterdruck zum Beispiel abgeschalten und die Pigmente 100 auf den vorgesehenen Pigmentlandeflächen 201 platziert. Anschließend wird wieder das Lötmaterial 2 der Pigmente 100 aufgeschmolzen, was aufgrund der Minimierung der Grenzflächen- und Oberflächenenergie des aufgeschmolzenen Lötmaterials 2 zur automatischen und korrekten Ausrichtung der Bauelemente 1 auf dem Träger 200 führt.
In der 4C ist eine Position in einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens gezeigt, bei dem die Pigmente 100 über sogenanntes Solder-Ball-Jetting auf den Träger 200 aufgebracht werden. Für das Solder-Ball-Jetting wird eine Düse 500 verwendet. Die Öffnung der Düse 500 ist etwas kleiner als der Durchmesser der Pigmente 100. Durch Erhitzen der Öffnung der Düse 500 mit Hilfe von Heizelementen 501 wird das Lötmaterial 2 kurzzeitig angeschmolzen. Ein Gasstrom führt dann dazu, dass die Pigmente 100 durch die Öffnung der Düse 500 durchgequetscht und auf dem Träger 200 beziehungsweise auf den vorgesehenen Pigmentlandeflächen 201 platziert werden. Nach dem Platzieren der Pigmente 100 werden diese wieder durch Aufschmelzen des Lötmaterials 2 automatisch und korrekt auf dem Träger 200 ausgerichtet.
Insbesondere können bei den Verfahren der 4B und 4C auch kugelförmige Pigmente wie in 1 dargestellt verwendet werden.
In der 5A ist eine erste Position eines Verfahrens zur Herstellung eines Pigments 100 gezeigt. Dazu ist ein Aufwachssubstrat 30, beispielsweise ein Saphirsubstrat 30, bereitgestellt. Auf dem Aufwachssubstrat 30 ist eine Halbleiterschichtenfolge 31, 32, 33, die beispielsweise auf AlInGaN basiert, aufgewachsen. Die Halbleiterschicht 31 ist beispielsweise eine n-leitende Schicht, die Halbleiterschicht 33 eine p-leitende Schicht. Die Schicht 32 ist eine aktive Schicht, über die im bestimmungsgemäßen Betrieb elektromagnetische Strahlung erzeugt wird. Auf einer dem Aufwachssubstrat 30 gegenüberliegenden Seite der Halbleiterschichtenfolge 31, 32, 33 ist eine Oberseite 12 ausgebildet. Anders als in 5A dargestellt, kann an der Oberseite 12 ein Kontaktelement zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge 31, 32, 33 angeordnet sein.
Die laterale Ausdehnung der Halbleiterschichtenfolge 31, 32, 33 entlang der Haupterstreckungsrichtung der aktiven Schicht 32 beträgt zum Beispiel 3 µm. Die Dicke der Halbleiterschichtenfolge 31, 32, 33 beträgt zum Beispiel 1 µm.
In einer zweiten Position des Verfahrens, die in der 5B dargestellt ist, ist auf die Oberseite 12 eine 2 µm dicke Schicht aus dem Lötmaterial 2, zum Beispiel aus Sn, aufgebracht. Das Lötmaterial 2 kann beispielsweise aufgedampft oder aufgesputtert sein.
In einer dritten Position des Verfahrens, die in 5C dargestellt ist, ist der Aufbau aus dem Aufwachssubstrat 30, der Halbleiterschichtenfolge 31, 32, 33 und der Schicht aus dem Lötmaterial 2 auf einen Hilfsträger aufgebracht, sodass das Aufwachssubstrat 30 auf einer dem Hilfsträger abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge 31, 32, 33 freiliegt.
In der in 5D dargestellten Position des Verfahrens ist das Aufwachssubstrat 30 von der Halbleiterschichtenfolge 31, 32, 33 beispielsweise über einen Laser-Lift-Off Prozess abgelöst.
In der 5E ist eine Position in dem Verfahren gezeigt, bei dem nach dem Ablösen des Aufwachssubstrats 30 die n-Halbleiterschicht 31 mit einem ersten Kontaktelement 13 und einem zweiten Kontaktelement 14 bestückt wurde, wodurch eine Montageseite 10 entstanden ist. Die Kontaktelemente 13, 14 dienen im bestimmungsgemäßen Betrieb zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge 31, 32, 33. Durch Aufbringen der Kontaktelemente 13, 14 ist ein optoelektronisches Bauelement 1 in Form eines LED-Chips fertiggestellt. Die Montageseite 10 und die Oberseite 12 sind über Seitenflächen 11 des Bauelements 1 miteinander verbunden.
Im oben beschriebenen Falle, in dem bereits an der Oberseite 12 ein Kontaktelement angeordnet wurde, wird an der Montageseite 10 beispielsweise nur ein Kontaktelement angebracht.
In der Position der 5F ist dann auf die Montageseite 10 eine weitere, 2 µm dicke Schicht aus dem Lötmaterial 2, beispielsweise wieder über Sputtern oder Aufdampfen, aufgebracht.
In der in 5G gezeigten Position des Verfahrens ist der Hilfsträger wieder abgelöst. Die Montageseite 10 und die Oberseite 12 des Bauelements 1 sind vollständig von Schichten aus dem Lötmaterial 2 überdeckt.
In der 5H ist eine Position des Verfahrens gezeigt, die auf die Position der 5G folgt. Durch Aufheizen des Lötmaterials 2 über die Liquidustemperatur haben sich das Lötmaterial 2 von der Montageseite 10 und von der Oberseite 12 vereinigt und das Bauelement 1 vollständig überzogen, wodurch nach dem erneuten Aushärten des Lötmaterials ein im Wesentlichen kugelförmiges Pigment 100 entstanden ist. Die Rand- oder Außenfläche des Pigments 100 ist vollständig durch erstarrtes Lötmaterial 2 gebildet.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2017 115 410.8 , deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn diese Merkmale oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: elektronisches Bauelement
2: Lötmaterial
10: Montageseite
11: Seitenfläche
12: Oberseite
13: erstes Kontaktelement
14: zweites Kontaktelement
30: Aufwachssubstrat
31: Halbleiterschicht
32: aktive Schicht
33: Halbleiterschicht
100: Pigment
101: Randfläche
200: Träger
201: Pigmentlandefläche
300: Flüssigkeit
400: Stempel
500: Düse
501: Heizelement
1000: Pigmentgemisch

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102017115410 [0112]

Claims

Verfahren zum Bestücken eines Trägers (200) mit Bauelementen (1), umfassend die Schritte: A) Bereitstellen einer Mehrzahl von Pigmenten (100), wobei jedes Pigment (100) umfasst - ein elektronisches Bauelement (1) mit einer Montageseite (10), zumindest einer quer zur Montageseite (10) verlaufenden Seitenfläche (11) und einer der Montageseite (10) gegenüberliegenden Oberseite (12), - ein aufschmelzbares Lötmaterial (2), das unmittelbar an die Montageseite (10) des Bauelements (1) angrenzt und an der Montageseite (10) stoffschlüssig angelötet ist, wobei - zumindest 63 Vol.-% jedes Pigments (100) durch das Lötmaterial (2) gebildet ist, - die Materialien des Lötmaterials (2), der Montageseite (10), der Seitenfläche (11) und der Oberseite (12) so gewählt sind, dass die Montageseite (10) eine höhere Benetzbarkeit mit dem aufgeschmolzenen Lötmaterial (2) aufweist als die Oberseite (12) und die Seitenflächen (11) ; B) Bereitstellen eines Trägers (200) mit Pigmentlandeflächen (201), wobei - die Materialien des Trägers (200) so gewählt sind, dass die Pigmentlandeflächen (201) eine höhere Benetzbarkeit mit dem aufgeschmolzenen Lötmaterial (2) der Pigmente (100) aufweisen als die Bereiche lateral neben den Pigmentlandeflächen (201), als die Seitenflächen (11) und als die Oberseiten (12) der Bauelemente (1), C) Aufbringen der Pigmente (100) auf den Träger (200); D) Aufheizen der Pigmente (100), sodass das Lötmaterial (2) jedes Pigments (100) schmilzt, wobei - durch die Minimierung der Oberflächenenergie und Grenzflächenenergie das geschmolzene Lötmaterial (2) jedes Pigments (100) eine Pigmentlandefläche (201) benetzt und das Bauelement (1) des entsprechenden Pigments (100) auf der Pigmentlandefläche (201) mit der Montageseite (10) dem Träger (200) zugewandt positioniert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei im Schritt A) bei jedem Pigment (100) das Lötmaterial (2) das Bauelement (1) vollständig umgibt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei im Schritt A) eine Randfläche (101) jedes Pigments (100) durch das Lötmaterial (2) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei jedes Pigment (100) im Wesentlichen kugelförmig ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei im Schritt A) bei jedem Pigment (100) das Lötmaterial (2) eine Kugel auf der Montageseite (10) bildet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bauelemente (1) der Pigmente (100) LEDs sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Lötmaterial (2) ein Metall oder eine Metalllegierung ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bauelemente (1) der Pigmente (100) jeweils einen Durchmesser von höchstens 100 µm haben.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberseiten (12) der Bauelemente (1) jeweils Lichtauskoppelflächen der Bauelemente (1) bilden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - im Schritt A) die Pigmente (100) in eine Flüssigkeit (300) eingebracht sind, - im Schritt C) die Flüssigkeit (300) mit den Pigmenten auf den Träger (200) aufgebracht wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei im Schritt C) die Flüssigkeit (300) mit den Pigmenten (100) über einen Tintenstrahldrucker oder Aerosol-Jetting auf den Träger (200) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Pigmente (100) über Solder-Ball-Jetting aufgebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei - vor dem Schritt C) ein Stempel (400) mit einer Mehrzahl von Pigmenten (100) bestückt wird, - im Schritt C) die Pigmente (100) mittels des Stempels (400) an vorbestimmten Positionen auf dem Träger (200) platziert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei jedem Pigment (100) ein erstes, zur elektrischen Kontaktierung des Bauelements (1) dienendes Kontaktelement (13) an der Montageseite (10) und ein zweites, zur elektrischen Kontaktierung des Bauelements (1) dienendes Kontaktelement (14) an der Oberseite (12) angeordnet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei bei jedem Pigment (100) ein erstes, zur elektrischen Kontaktierung des Bauelements (1) dienendes Kontaktelement (13) und ein zweites, zur elektrischen Kontaktierung des Bauelements (1) dienendes Kontaktelement (14) an der Montageseite (10) angeordnet sind.
Pigment (100) für das Bestücken eines Trägers (200) mit einem Bauelement (1), umfassend: - ein elektronisches Bauelement (1) mit einer Montageseite (10), zumindest einer quer zur Montageseite (10) verlaufenden Seitenfläche (11) und einer der Montageseite (10) gegenüberliegenden Oberseite (12), - ein aufschmelzbares Lötmaterial (2), das unmittelbar an die Montageseite (10) des Bauelements (1) angrenzt und an der Montageseite (10) stoffschlüssig angelötet ist, - das Lötmaterial (2) ausschließlich mit dem Bauelement (1) über eine stoffschlüssige Lötverbindung verbunden ist, - zumindest 63 Vol.-% des Pigments (100) durch das Lötmaterial (2) gebildet sind, - die Materialien des Lötmaterials (2), der Montageseite (10), der Seitenfläche (11) und der Oberseite (12) so gewählt sind, dass die Montageseite (10) eine höhere Benetzbarkeit mit dem aufgeschmolzenen Lötmaterial (2) aufweist als die Oberseite (12) und die Seitenflächen (11).
Pigmentgemisch (1000) mit einer Mehrzahl von Pigmenten (100) gemäß Anspruch 16, wobei die Pigmente (100) in dem Pigmentgemisch (100) frei beweglich sind.
Verfahren zur Herstellung eines Pigments (100), umfassend die Schritte: A) Bereitstellen eines elektronischen Bauelements (1) mit einer Montageseite (10), zumindest einer quer zur Montageseite (10) verlaufenden Seitenfläche (11) und einer der Montageseite (10) gegenüberliegenden Oberseite (12); B) Aufbringen eines aufschmelzbaren Lotmaterials (2) auf die Montageseite (10) und auf die Oberseite (12), wobei - die Materialien des Lötmaterials (2), der Montageseite (10), der Seitenfläche (11) und der Oberseite (12) so gewählt sind, dass die Montageseite (10) eine höhere Benetzbarkeit mit dem aufgeschmolzenen Lötmaterial (2) aufweist als die Oberseite (12) und die Seitenflächen (11), - das Volumen des aufgebrachten Lötmaterials (2) zumindest 1,7-mal größer als das Volumen des Bauelements (1) ist; C) Aufschmelzen des Lötmaterials (2), sodass zumindest die Montageseite (10) von dem flüssigen Lötmaterial (2) benetzt wird und die Montageseite (10) mit dem Lötmaterial (2) eine stoffschlüssige Lötverbindung eingeht; D) Aushärten des Lötmaterials (2).