DE102019218417A1

DE102019218417A1 - Verfahren zur Herstellung eines mit einem oder mehreren Lotdepots ausgestatteten Substrats

Info

Publication number: DE102019218417A1
Application number: DE102019218417.0A
Authority: DE
Inventors: Aarief Syed Khaja; Anton-Zoran MIRIC; Richard WACKER; Hans-Jürgen Richter; Nadja PELSHAW; Frederik ROTH; Yvonne Löwer
Original assignee: Heraeus Deutschland GmbH and Co KG
Current assignee: Heraeus Deutschland GmbH and Co KG
Priority date: 2019-11-28
Filing date: 2019-11-28
Publication date: 2021-06-02

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines mit einem oder mehreren Lotdepots ausgestatteten Substrats, umfassend die aufeinander folgenden Schritte:(1) Bereitstellen eines Substrats mit einer mit einem oder mehreren Lotdepots auszustattenden Metalloberfläche,(2) Maskieren nicht mit Lotdepot auszustattender Anteile der Metalloberfläche,(3) Applizieren von Lot auf den oder die unmaskierten Anteile der Metalloberfläche unter Verwendung einer Wellenlötvorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausstattung eines Substrats mit einem oder mehreren Lotdepots.
Löten zählt in der Elektronik zu einer gängigen Verbindungstechnik. Zum Beispiel werden damit standardmäßig Halbleiterchips auf Metalloberflächen von Substraten wie beispielsweise Metallkeramiksubstraten befestigt, um Baugruppen für die Leistungselektronik herzustellen.
Zur Herstellung einer Verbindung zwischen Metalloberfläche und Elektronikbauteil wird im ersten Schritt üblicherweise Lotmaterial auf die Metalloberfläche aufgetragen.
Dieses Lotmaterial kann beispielsweise in Form einer Lotvorform (solder preform) oder einer Lotpaste auf die Metalloberfläche aufgebracht werden und anschließend bis zum Schmelzen erhitzt werden. Durch das Schmelzen kann das Lot (Lotmetall) bereits eine Verbindung mit der Metalloberfläche eingehen. Dabei wird auf der Metalloberfläche nach dem Abkühlen und Erstarren des Lots ein Lotdepot aus dem betreffenden Lotmetall erzeugt. Anschließend kann ein Elektronikbauteil (z.B. ein Halbleiterchip) auf das Lotdepot aufgebracht und durch erneutes Schmelzen im Zuge des Verlötens eine Verbindung mit der Metalloberfläche des Elektronikbauteils erzeugt werden.
EP 3 284 555 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Lotdepots auf einer Metalloberfläche eines Elektroniksubstrats, wobei Lotmaterial auf die Metalloberfläche aufgebracht und darauf oberhalb ein nicht lötbares Templat aufgebracht wird, gefolgt von einem Schmelzen und Wiederabkühlen und Erstarren des Lotmaterials, woraufhin das Templat entfernt wird. Im Ergebnis wird ein mit einem ebenen Lotdepot ausgestattetes Substrat erhalten.
Die vorliegende Erfindung stellt ein neues vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines mit einem oder mehreren Lotdepots ausgestatteten Substrats bereit. Das Verfahren umfasst die aufeinander folgenden Schritte:

(1) Bereitstellen eines Substrats mit einer mit einem oder mehreren Lotdepots auszustattenden Metalloberfläche,
(2) Maskieren nicht mit Lotdepot auszustattender Anteile der Metalloberfläche,
(3) Applizieren von Lot auf den oder die unmaskierten Anteile der Metalloberfläche unter Verwendung einer Wellenlötvorrichtung.

Die Schritte (1) bis (3) des erfindungsgemäßen Verfahrens folgen nacheinander, dabei jedoch nicht zwingend unmittelbar nacheinander. Mit anderen Worten, die Schrittfolge ist zwar (1)-(2)-(3), es können jedoch Zwischenschritte vorhanden sein und es können sich im Übrigen auf Schritt (3) folgende Schritte anschließen.
In Schritt (1) wird ein Substrat mit einer mit einem oder mehreren Lotdepots auszustattenden Metalloberfläche bereitgestellt. Bevorzugt ist die mit einem oder mehreren Lotdepots auszustattende Metalloberfläche eben.
Der hierin verwendete Begriff „Substrat“ bezeichnet insbesondere Substrate, die in der Elektronik verwendet werden. Beispiele dafür umfassen Metallsubstrate wie beispielsweise Leadframes, PCBs (printed circuit boards, gedruckte Leiterplatten), Keramiksubstrate, Metallkeramiksubstrate wie beispielsweise DCB (direct copper bonded), AMB (active metal brazed), IMS (isolierte Metallsubstrate) und dergleichen.
Im Rahmen der Erfindung bevorzugt bereitgestellte Substrate sind DCB, AMB und Leadframes.
Das Substrat kann aus einem oder mehreren Metallen bestehen oder seine mit einem oder mehreren Lotdepots auszustattende Oberfläche kann als Metallkontaktfläche, beispielsweise in Form einer äußeren Metallisierungsschicht, ausgebildet sein. Das oder die Metalle des Substrats respektive das Metall der Metallkontaktfläche kann beispielsweise ausgewählt sein aus Gold, Silber, Palladium, Platin, Kupfer, Nickel und Zinn, bevorzugt aus Kupfer, Nickel und Zinn; Kupfer und Nickel sind besonders bevorzugt.
In Schritt (2) werden nicht mit Lotdepot auszustattende Anteile der Metalloberfläche maskiert.
Die Maskierung kann auf verschiedene Weise erfolgen, beispielsweise durch temporäres Anbringen einer mechanischen Abdeckung wie z.B. einer Maske, die nur den oder die mit Lotdepot auszustattenden Anteile der Metalloberfläche zugänglich belässt. Die Maske oder Schablone weist dementsprechend eine oder mehrere Öffnungen auf, welche Anzahl, Größe (Fläche), Umrissform und Position der zu erzeugenden Lotdepots definieren. Die Maske respektive deren Dicke kann auch Einfluss auf die Höhe respektive Dicke des oder der zu erzeugenden Lotdepots haben. Die Maske kann aus temperaturstabilem nicht lötbarem Material, insbesondere aus nicht lötbarem Metall (beispielsweise Titan oder Stahl oder andere geeignete Legierungen) und/oder aus Keramik oder keramischem Verbundwerkstoff bestehen. Das temporäre Anbringen kann beispielsweise durch Verwendung von Federklammern verwirklicht werden.
Ein weiteres Beispiel für eine Maskierung ist das Aufbringen einer Beschichtung, beispielsweise aus einem Lötstopplack, auf die nicht mit Lotdepot auszustattenden Anteile der Metalloberfläche. Auch so können die mit Lotdepot auszustattenden Anteile der Metalloberfläche entsprechend der gewünschten Anzahl, Größe, Umrissform und Position der zu erzeugenden Lotdepots zugänglich belassen werden.
Es können auch verschiedene Maskierungsmethoden miteinander kombiniert werden.
Vor Durchführung von Schritt (3) kann ein übliches Flussmittel auf die zugänglich belassenen und mit Lotdepot auszustattenden Anteile der Metalloberfläche aufgebracht werden und/oder es kann eine Plasmareinigung erfolgen.
In Schritt (3) wird Lot auf den oder die unmaskierten Anteile der Metalloberfläche unter Verwendung einer Wellenlötvorrichtung appliziert. Dabei werden im Zuge von Schritt (3) ein oder mehrere Lotdepots auf dem oder den unmaskierten Anteilen der Metalloberfläche ausgebildet.
Zunächst wird das maskierte Substrat mit der maskierten Metalloberfläche zur Lotwelle hin gewandt in eine Wellenlötvorrichtung eingebracht. Anders ausgedrückt, das maskierte Substrat wird zur Lotwelle einer Wellenlötvorrichtung oder Wellenlötanlage hin gewandt in ebendiese eingebracht.
Wellenlöten und diesem dienliche Wellenlötvorrichtungen sind dem Fachmann bekannt. So handelt es sich beim Wellen- oder auch Schwalllöten an sich um ein übliches Verfahren zum Löten von bestückten Leiterplatten. Das Wellenlöten gliedert sich üblicherweise in ein Vorheizen, den eigentlichen Lötvorgang und das Abkühlen.
Beim Vorheizen wird das Substrat auf eine unterhalb der Schmelztemperatur des Lotes liegende Temperatur beispielsweise im Bereich von 130°C bis 180°C aufgewärmt.
Bei der eigentlichen Applikation des Lots wird die maskierte Substratunterseite über eine Lötwelle aus geschmolzenem Lot transportiert. Dabei benetzt die Lötwelle den oder die unmaskiert belassenen Anteile der Substratunterseite bzw. ihrer nach unten weisenden Metalloberfläche. Das die unmaskierten Anteile der Substratunterseite benetzende Lot erstarrt nach dem Kontakt mit der lediglich besagte Vorheiztemperatur aufweisenden Substratunterseite unter Lotdepotbildung.
Bei dem Lot kann es sich beispielsweise um eine Lotlegierung von Elementen, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Sn, In, Cu, Ag, Bi, Sb, Cd, Au, Ge, Ni und Pb handeln. Bleifreie Legierungen sind bevorzugt. Sehr gebräuchlich sind Lote auf Zinnbasis, d.h. Zinn selber oder Lotlegierungen umfassend mindestens 80 Gew.-%, beispielsweise 85 bis 97 Gew.-% Zinn. Die Temperatur des die Lötwelle bildenden geschmolzenen Lots liegt beispielsweise im Bereich von 210°C bis 240°C.
Zweckmäßigerweise kann die eigentliche Applikation des Lots unter Inertgasatmosphäre oder in einer reduzierenden Atmosphäre erfolgen. Beispiele umfassen Stickstoff-, Argon- und Formiergasatmosphäre.
Das so an dem oder den unmaskiert belassenen Anteilen der Metalloberfläche mit dem erstarrten Lot, d.h. mit dem oder den Lotdepots in der gewünschten Anzahl, Größe, Umrissform und Position versehene Substrat wird aus der Wellenlötvorrichtung entnommen und abkühlen gelassen.
Die Dicke bzw. Höhe beispielsweise im Bereich von 50 bis 500 µm des oder der im erfindungsgemäßen Verfahren während Schritt (3) ausgebildeten Lotdepots kann beeinflusst werden beispielsweise durch Wahl der Geschwindigkeit mit der das Substrat über die Lotwelle bewegt wird, der Temperatur des geschmolzenen Lots bzw. der Lotwelle, der Vorheiztemperatur und, wie schon vorerwähnt, der Dicke der Maske im Falle einer mechanischen Maskierung.
Nach Ausbildung des oder der Lotdepots kann sich im Anschluss an Schritt (3), falls Flussmittel verwendet wurde, eine Reinigung von eventuellen Flussmittelrückständen erfolgen.
Im Anschluss an Schritt (3) kann sich auch eine Entfernung der Maskierung anschließen, zumindest dann, wenn eine mechanische Maskierung verwendet wurde. Falls gewünscht kann aber auch eine etwaige Lötstopplackbeschichtung entfernt werden. Falls es sich um eine bei der späteren Verarbeitung oder Anwendung nicht störende Maskierung handelt, kann diese gegebenenfalls auch auf der damit maskierten Metalloberfläche verbleiben.
Wie schon erwähnt, erlaubt es das erfindungsgemäße Verfahren Lotdepots entsprechend in gewünschter Anzahl, Größe, Dicke, Umrissform und Position in einem einzelnen Arbeitsschritt effizient auf die Metalloberfläche aufzubringen.
Es kann zweckmäßig sein, wenn sich ferner ein Schritt (4) anschließt, in dessen Verlauf mögliche Wölbungen und/oder Unebenheiten vom erstarrten Lot entfernt werden und/oder eine anderweitige Oberflächenbehandlung wie beispielsweise eine Aufrauhung oder Glättung und/oder eine formgebende Behandlung des erstarrten Lots stattfindet. Beispielsweise können dabei mechanische Methoden angewandt werden gegebenenfalls mit thermischer Unterstützung. Beispiele für mechanische Methoden umfassen Fräsen, Schleifen, Schmirgeln, Feilen, Polieren und/oder Prägen. Mit anderen Worten, die von der Metalloberfläche weg, d.h. nach außen weisende Oberfläche und/oder die Seitenflächen des oder der Lotdepots können so wunschgemäß modifiziert werden. So kann auch beispielsweise die Dicke des, einiger oder aller Lotdepots beispielsweise in einem Bereich von 50 bis <250 µm oder insbesondere von 50 bis 200 µm eingestellt werden.
Zweckmäßig kann auch eine Oberflächenmodifikation sein, die es beispielsweise erlaubt, Halbleiterchips sicher und ohne Verrutschen oder Verkippen auf dem oder den Lotdepots zu positionieren und zu verlöten, beispielsweise durch Erzeugen von Vertiefungen in dem oder den Lotdepots.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3284555 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines mit einem oder mehreren Lotdepots ausgestatteten Substrats, umfassend die aufeinanderfolgenden Schritte: (1) Bereitstellen eines Substrats mit einer mit einem oder mehreren Lotdepots auszustattenden Metalloberfläche, (2) Maskieren nicht mit Lotdepot auszustattender Anteile der Metalloberfläche, (3) Applizieren von Lot auf den oder die unmaskierten Anteile der Metalloberfläche unter Verwendung einer Wellenlötvorrichtung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Leadframes, PCBs, Keramiksubstraten, Metallkeramiksubstraten, DCBs, AMBs, und IMS.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Maskieren durch temporäres Anbringen einer mechanischen Abdeckung und/oder durch Aufbringen einer Beschichtung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das maskierte Substrat mit der maskierten Metalloberfläche zur Lotwelle hin gewandt in eine Wellenlötvorrichtung eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Anschluss an Schritt (3) zumindest dann, wenn eine mechanische Maskierung verwendet wurde, eine Entfernung der Maskierung anschließt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen dem Schritt (3) nachgelagerten Schritt (4), in dessen Verlauf mögliche Wölbungen und/oder Unebenheiten vom erstarrten Lot entfernt werden und/oder eine anderweitige Oberflächenbehandlung des erstarrten Lots stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei während Schritt (4) eine oder mehrere mechanische Methoden angewandt werden, gegebenenfalls mit thermischer Unterstützung.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die mechanischen Methoden ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Fräsen, Schleifen, Schmirgeln, Feilen, Polieren und Prägen.