DE10213577B3 - Verfahren zum simultanen Laserstrahllöten - Google Patents

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Abstract

Zum Herstellen von Lötverbindungen zwischen den Kontakten (K) von Bauelementen (BE) und den zugeordneten Anschlüssen eines Trägers (T1) wird ein ablenkbarer Laserstrahl (LS) rasch nacheinander und in mehreren Durchgängen (D1) auf alle Lötstellen eines Bauelements (BE) gerichtet, bis das Lot bei sämtlichen Lötstellen gleichzeitig aufgeschmolzen ist. Die Zufuhr der Energie erfolgt in einem Timesharing-Vorgang, wodurch ohne die Gefahr von thermischen Schädigungen eine höhere Energie zugeführt und die Bearbeitungszeit verkürzt werden kann.

Description

  • Verfahren zum simultanen Laserstrahllöten
  • Die Flipchip-Kontaktierung ist eine Halbleitermontagemethode, bei der die Kontakte auf dem Halbleiterbauelement direkt mit den zugeordneten Anschlüssen eines Trägers, wie z.B. einer Leiterplatte, verbunden werden. Um das zu ermöglichen, sind die Kontakte auf dem Halbleiterbauelement üblicherweise mit schmelzfähigen oder zumindest mit Lot benetzbaren Höckern versehen. Derartige Höcker können aber auch auf den Anschlüssen des Trägers gebildet werden, wobei das Halbleiterbauelement dann nur ebene, mit Lot benetzbare Kontakte benötigt. In beiden Fällen können nach dem Positionieren des Halbleiterbauelements auf dem Einbauplatz des Trägers sämtliche Lötverbindungen, beispielsweise bei einem Durchlauf durch einen Ofen, in einem Umschmelzprozess gleichzeitig hergestellt werden. Bei diesem Verbindungsprozess entsteht jedoch eine erhebliche thermomechanische Stressbelastung beider Verbindungspartner.
  • Neben der Flipchip-Kontaktierung wird für die Montage von Halbleiterbauelementen und beliebigen anderen Bauelementen auf einem Träger insbesondere auch die Oberflächen-Montage angesetzt, bei welcher die SMDs (Surface Mounted Devices) auf Leiterplatten oder Keramiksubstrate aufgelötet werden. Beim Verbinden der Kontakte der SMDs mit den zugeordneten Anschlüssen eines Trägers durch Löten ergeben sich dabei ähnliche Probleme wie bei der Flipchip-Kontaktierung.
  • Beim Single-Point-Laserstrahllöten wird das Lot an den Lötstellen der Bauelemente mit Hilfe eines Laserstrahls sequentiell aufgeschmolzen. Vorteilhaft ist dabei, dass die für den Lötvorgang erforderliche Energiemenge lokal begrenzt und exakt steuerbar eingebracht werden kann. Andererseits kann die sequentielle Bearbeitung der einzelnen Lötstellen nicht wirtschaftlich durchgeführt werden, da sie zu viel Zeit in An spruch nimmt. Dieser insbesondere bei der Montage von hochpoligen Bauelementen gravierende Nachteil kann durch das simultane Laserstrahllöten vermieden werden. Dabei werden durch eine geeignete Strahlformung alle Kontakte eines Bauelements gleichzeitig gelötet. Vorteile dieses Verfahrens gegenüber dem Single-Point-Laserlöten sind die Produktivitätssteigerung, die Ausnutzung der durch die Oberflächenspannung des Lotes bewirkten Selbstzentrierung und geringere Eigenspannungen der Lötverbindungen. Bei dem in der DE-Z productronic 4/5-1998, Seiten 24 bis 28 vorgestellten Konzept für das simultane Laserstrahllöten erfolgt die Strahlformung durch die Erzeugung einer Lichtlinie, die zum Löten quer über die Kontakte eines Bauelementes positioniert wird. Ein Linienfokus kann zum einen dadurch erzeugt werden, dass die Laserstrahlung mit einem Polygon- oder Scannerspiegel mit hoher Geschwindigkeit abgelenkt und so im zeitlichen Mittel eine Lichtlinie erzeugt wird. Zum anderen kann die Laserstrahlung auch durch Zylinderlinsen zu einem Linienfokus geformt werden. Bei der Montage von Bauelementen mit zwei bzw. vier Kontaktreihen müssen jedoch zwei bzw. vier Lichtlinien gleichzeitig erzeugt werden, was nur mit einem erheblichen Aufbau realisiert werden kann. Außerdem werden beim simultanen Laserstrahllöten mit Hilfe von Lichtlinien auch die Bereiche zwischen den Kontakten der Bauelemente bestrahlt und somit einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt.
  • Bei einem aus der DE-A-44 46 289 bekannten Konzept für das simultane Laserstrahllöten ist zur Übertragung der Laserstrahlung eine Lichtleiteinrichtung mit mindestens einer Lichtleitfaser vorgesehen. Der Endquerschnitt dieser Lichtleiteinrichtung überdeckt dabei den gesamten Bereich der Lötstellen eines Bauelements. Die Lichtleiteinrichtung kann aber auch mehrere Lichtleitfasern umfassen, die derart angeordnet sind, dass nur die Lötstellen mit Laserstrahlung beaufschlagt werden. Die Lötstellen können sowohl durch das zu montierende Bauelement hindurch als auch durch den Träger hindurch mit Laserstrahlung beaufschlagt werden, wobei der letztere Fall aber auf die Verwendung von dünnen flexiblen Verdrahtungen als Träger beschränkt ist.
  • Aus der WO 91/14529 wie auch aus der US 4 979 290 ist jeweils ein Verfahren zur Herstellung von Lötverbindungen zwischen den Kontakten von Bauelementen und den zugeordneten Anschlüssen eines Trägers bekannt, wobei an einer Mehrzahl von Lötpunkten zwischen Kontakten und Anschlüssen vorgesehenes Lot durch einen schnell bewegten Laserstrahl in einem Arbeitsgang gleichzeitig aufgeschmolzen wird.
  • Aus der DE 19850595 A1 ist es ferner bekannt, einen Laserstrahl auf die den Lötstellen abgewandte Seite eines gehäusefreien Halbleiterchips zu richten und so durch das Bauelement hindurch das Lot an den Lötstellen aufzuschmelzen.
  • Aus der DE 44 46 289 A1 ist es darüber hinaus auch bekannt, Lötstellen durch eine Platine hindurch mit einer Laserstrahlung zu beaufschlagen und so das Lot aufzuschmelzen.
    •
  • Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren zum simultanen Laserstrahllöten zu schaffen, das bei geringem Aufwand wirtschaftlich durchgeführt werden kann, bei einer nur geringen thermischen Belastung der Verbindungspartner und der Trägermaterialien qualitativ hochwertige Lötverbindungen gewährleistet und bei allen Arten von Trägern anwendbar ist.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass mit einem einzigen in zwei ebenen Richtungen ablenkbaren Laserstrahl das Lot bei sämtlichen Lötstellen eines Bauelements gleichzeitig aufgeschmolzen werden kann, wobei der schnell umlaufende Laserfleck nur auf die Lötstellen gerichtet wird. Da der Laserstrahl in mehreren Durchgängen bzw. Umläufen auf sämtliche Lötstellen eines Bauelements gerichtet wird, erfolgt die Zufuhr der Energie zu den einzelnen Lötstellen in einem Timesharing-Vorgang, wobei jeweils eine genau dosierbare Energiemenge in die einzelnen Lötstellen eingepumpt wird.
  • Diese Energie kann sich dann bis zum Eintreffen des nächsten Energiepulses beim nächsten Durchlauf bzw. Umlauf über den Anschluss eines Trägers und die davon wegführenden Leiterbahnen verteilen, ohne die Gefahr von Verbrennungen zu verursachen. Erfindungsgemäß wird dabei der Laserstrahl sprungweise von Lötstelle zu Lötstelle geführt, wobei die Bewegungsgeschwindigkeit des Laserstrahls im Bereich der Lötstellen deutlich niedriger ist als im Bereich zwischen den Lötstellen.
  • Durch die wiederholte, zeitlich begrenzte und genau dosierte Zufuhr der Energie zu den Lötstellen kann eine höhere Energie zugeführt und die Bearbeitungszeit verkürzt werden. Es wird somit eine schnelle Lötung ermöglicht, die einigermaßen synchron mit dem Bestückvorgang erfolgt. Das gleichzeitige Aufschmelzen des Lotes bei sämtlichen Lötstellen eines Bauelements bewirkt außerdem einen Beitrag zur Selbstzentrierung dieses Bauelements.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei allen Arten von Trägern, insbesondere auch bei Leadframes angesetzt werden. Neben der Flipchip-Kontaktierung kann das erfindungsgemäße Ver fahren auch für die Oberflächenmontage von SMDs eingesetzt werden, wobei hier insbesondere auch hochpolige SMD-Typen auf einen Träger montiert werden können. Da beim Lötvorgang nur eine sehr geringe thermische Belastung des Trägermaterials auftritt, können kostengünstige Materialien ausgewählt werden.
  • Der im Anspruch 1 verwendete Begriff "Durchgang" soll im Sinne der vorliegenden Erfindung nicht nur einen geschlossenen Umlauf bedeuten, bei welchem der Laserstrahl nacheinander auf benachbarte Lötstellen gerichtet wird. Unter dem Begriff "Durchgang" sollen auch andere Bewegungsabläufe, wie z.B. achterförmige Bahnen, verstanden werden, sofern der Laserstrahl bei den einzelnen Durchgängen gleich oft auf sämtliche Lötstellen eines Bauelements gerichtet wird.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gehen aus den Unteransprüchen 2 bis 8 hervor.
  • Die Ausgestaltung nach Anspruch 2 ermöglicht eine noch raschere Montage der Bauelemente, da für die Durchgänge des Laserstrahls unter optimaler Ausnutzung der Zeit jeweils der kürzeste Weg verwendet wird.
  • Die Ausgestaltung nach Anspruch 3 ermöglicht eine weitere Reduzierung der Montagezeit durch die gleichzeitige Montage von zwei oder mehreren Bauelementen Gemäß Anspruch 4 kann der Laserstrahl durch die Bauelemente hindurch auf die Lötstellen gerichtet werden. Hierdurch ergibt sich eine besonders einfache Führung des Laserstrahls. Sofern die Wellenlänge der Laserstrahlung im Infrarotbereich liegt, tritt selbst bei Halbleiterbauelementen keine Schädigung auf.
  • Gemäß Anspruch 5 kann der Laserstrahl durch den Träger hindurch auf die Lötstellen gerichtet werden, sofern als Träger eine flexible Schaltung verwendet wird. Auch hier können das Basismaterial der flexiblen Schaltung und die Wellenlänge der Laserstrahlung so aufeinander abgestimmt werden, dass keine Schädigung des Basismaterials auftritt.
  • Die Verwendung eines Diodenlasers gemäß Anspruch 6 ist insbesondere für eine Beaufschlagung der Lötstellen durch die Bauelemente hindurch geeignet.
  • Die Verwendung eines Nd:YAG-Lasers gemäß Anspruch 7 ist für eine Beaufschlagung der Lötstellen durch die Bauelemente hindurch oder durch einen als flexible Schaltung ausgebildeten Träger hindurch geeignet.
  • Die Weiterbildung nach Anspruch 8 ermöglicht durch die Verwendung von Galvanometern für den Antrieb der Ablenkspiegel eine besonders rasche Ablenkung des Laserstrahls.
    •
  • Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
  • Es zeigen
  • 1 eine Anordnung zum simultanen Laserstrahllöten,
  • 2 das Prinzip der Herstellung von Flipchip-Lötverbindungen durch simultanes Laserstrahllöten mit einer Führung des Laserstrahls durch das Bauelement hindurch,
  • 3 die Anordnung gemäß 2 nach der Fertigstellung der Flipchip-Lötverbindungen,
  • 4 das Prinzip der Herstellung von Flipchip-Lötverbindungen durch simultanes Laserstrahllöten mit einer Führung des Laserstrahls durch eine als Träger verwendete flexible Schaltung hindurch und
  • 5 das Prinzip der gleichzeitigen Montage von zwei Bauelementen durch simultanes Laserstrahllöten.
  • 1 zeigt in stark vereinfachter schematischer Darstellung eine Anordnung zur Montage eines Bauelementes BE auf einen Träger T1 durch simultanes Laserstrahllöten. Die dargestellte Anordnung umfasst einen Laser LA, welcher einen Laserstrahl LS erzeugt, in dessen Strahlengang aufeinanderfolgend ein erster drehbarer Ablenkspiegel ASX, ein zweiter drehbarer Ablenkspiegel ASY und ein Objektiv O angeordnet sind, welches den Laserstrahl LS auf die gestrichelt dargestellten Kontakte K an der Unterseite des Bauelements BE fokussiert. Die Lage des Bauelements BE und des Trägers T1 ist in Bezug auf ein ebenes kartesisches x-, y-Koordinatensystem festgelegt. Dementsprechend hat der erste Ablenkspiegel ASX die Aufgabe, den Laserstrahl LS in der x-Richtung abzulenken, während der zweite Ablenkspiegel ASY die Aufgabe hat, den Laserstrahl LS in der y-Richtung abzulenken. Die Drehung der Ablenkspiegel ASX und ASY zur Ablenkung des Laserstrahls LS in x-Richtung und in y-Richtung erfolgt über Galvanometer GX und GY, die in 1 jedoch nur durch entsprechende Doppelpfeile angedeutet sind. Die Steuerung der Ablenkspiegel RSX und ASY entsprechend der jeweils gewünschten Bewegungsbahn des Laserstrahls LS erfolgt durch ein Steuergerät SG. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Laserstrahl LS in einem vielfältigen Durchlauf entgegen dem Uhrzeigersinn über die Kontakte K des Bauelements BE geführt. Diese Bewegungsbahn mit dem wiederholten Umlauf bzw. Durchgang des Laserstrahls LS ist in 1 durch eine Linie D1 angedeutet. Der durch das Bauelement BE hindurchgeführte und auf einen Kontakt K gerichtete Laserstrahl LS soll an dieser Stelle eine Lötverbindung bewirken, zu deren näheren Erläuterung zusätzlich auf die 2 verwiesen wird. Der stark vereinfacht dargestellte Schnitt gemäß 2 zeigt, dass das Bauelement BE mittels Flipchip-Kontaktierung auf den als Leiterplatte ausgebildeten Träger T1 montiert werden soll, wobei die Kontakte K des Bauelements BE und die zugeordneten Anschlüsse A des Trägers T1 mit Hilfe eines Lotes L verbunden werden. Es ist zu erkennen, dass das Lot L in Form von Lothöckern bzw. Lotkuppen auf die einzelnen Anschlüsse A des Trägers T1 aufgebracht ist. Jede der für eine Flipchip-Kontaktierung erforderlichen Lötstellen umfasst also einen Kontakt K, den zugeordneten Anschluss A und das in Form einer Kuppe auf den Anschluss A aufgebrachte Lot L. Die Kontakte K können dabei zusätzlich noch mit einer dünnen Lotschicht bedeckt sein. Ferner ist es auch möglich, die für den Lötvorgang benötigte Lotmenge in Form einer Lotpaste zwischen die Kontakte K und die zugeordneten Anschlüsse A einzubringen.
  • Der gemäß 2 durch das Bauelement BE hindurch auf eine Lötstelle gerichtete Laserstrahl LS bewirkt eine Erwärmung, die aber zunächst noch nicht zu einem Aufschmelzen des Lotes L führen soll. Da beim simultanen Laserstrahllöten das Lot L bei sämtlichen Lötstellen gleichzeitig aufgeschmolzen werden soll, wird der Laserstrahl LS rasch nacheinander und in mehreren Durchgängen D1 (vgl. 1) auf alle Lötstellen des Bauelements BE gerichtet, bis das Lot L bei sämtlichen Lötstellen gleichzeitig aufgeschmolzen ist. Nach dem Abschalten des Laserstrahls LS erkaltet dann das Lot L und nimmt bei den fertigen Lötverbindungen der Flipchip-Kontaktierung die aus 3 ersichtliche Form an. Es ist zu erkennen, dass das Lot L nun gegenüber der in 2 dargestellten Kuppenform eine mehr ballige Form angenommen hat.
  • Bei dem in 1 dargestellten Laser LA handelt es sich um einen Nd:YAG-Laser, der bei Wellenlängen von 1060 nm oder ca. 1300 nm betrieben wird. Bei diesen Wellenlängen werden auch als Halbleiterbauelemente ausgebildete Bauelemente BE beim Durchtritt des Laserstrahls LS nicht geschädigt. Der Einsatz eines robusten und preiswerten Diodenlasers mit einer Wellenlänge von ca. 800 nm ist ebenfalls sehr vorteilhaft.
  • Das Steuergerät SG, welches die Führung des Laserstrahls LS in einem vielfältigen Durchlauf D1 über sämtliche Lötstellen bewirkt führt den Laserstrahl LS sprungweise von Lötstelle zu Lötstelle, wobei der Laserstrahl LS bei dem vielfältigen Durchlauf D1 nicht anhält, zwischen den einzelnen Lötstellen aber mit sehr hoher Geschwindigkeit bewegt wird. Auch bei dieser Vorgehensweise wird eine thermische Schädigung des Materials zwischen den einzelnen Lötstellen vermieden.
  • Gemäß 4 kann bei der Flipchip-Kontaktierung von Bauelementen BE auf einen als flexible Schaltung ausgebildeten Träger T2 der Laserstrahl LS durch den Träger T2 hindurch auf die einzelnen Lötstellen gerichtet werden. Im Übrigen wird auch hier das simultane Laserstrahllöten wie bei dem anhand der 1 bis 3 beschriebenen Ausführungsbeispiel vorgenommen. Als Laser LA (vgl. 1) wird hier jedoch ein Nd:YAG-Laser bevorzugt.
  • 5 zeigt eine Draufsicht auf zwei Bauelemente BE, welche auf dem bereits anhand der 1 bis 3 geschilderten Träger T1 angeordnet sind. Die einzelnen Lötstellen der beiden Bauelemente BE sind in der gezeigten Draufsicht durch die gestrichelt dargestellten Kontakte K auf den Unterseiten der Bauelemente BE erkennbar.
  • Für die Flipchip-Kontaktierung der beiden Bauelemente BE wird wieder die in 1 dargestellte Anordnung verwendet. Der Laserstrahl LS (vgl. 1 und 2) wird hier jedoch in mehreren Durchgängen über die Lötstellen beider Bauelemente BE geführt, bis das Lot L (vgl. 2) bei sämtlichen Lötstellen dieser beiden Bauelemente BE gleichzeitig aufgeschmolzen ist. Die entsprechende Bewegungsbahn des Laserstrahls LS ist in 5 durch eine Linie D2 angedeutet.
  • Neben der in 5 dargestellten gleichzeitigen Kontaktierung von zwei Bauelementen können sogar noch mehr Bauelemente gleichzeitig kontaktiert werden. Voraussetzung ist jedoch, dass sich die Bauelemente im Arbeitsbereich der Ablenkspiegel ASX und ASY (vgl. 1) befinden, da nur dann das Lot sämtlicher Lötstellen gleichzeitig aufgeschmolzen werden kann. In Versuchen ist es bereits gelungen, drei hochpolige Bauelemente gleichzeitig auf eine Leiterplatte zu montieren.

Claims (8)

  1. Verfahren zum Herstellen von Lötverbindungen zwischen den Kontakten (K) von Bauelementen (BE) und den zugeordneten Anschlüssen (A) eines Trägers (T1; T2), bei welchem auf die Kontakte (K) und/oder die Anschlüsse (A) aufgebrachtes Lot (L) und/oder zwischen die Kontakte (K) und die Anschlüsse (A) eingebrachtes Lot (L) mit Hilfe eines ablenkbaren Laserstrahls (LS) aufgeschmolzen wird, wobei der ablenkbare Laserstrahl (LS) rasch nacheinander und in mehreren Durchgängen (D1; D2) auf alle Lötstellen eines Bauelements (BE) gerichtet wird, bis das Lot (L) bei sämtlichen Lötstellen gleichzeitig aufgeschmolzen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (L5) sprungweise von Lötstelle zu Lötstelle geführt wird, wobei die Bewegungsgeschwindigkeit des Laserstrahls (LS) im Bereich der Lötstellen deutlich niedriger ist als im Bereich zwischen den Lötstellen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (LS) bei jedem Durchgang (D1) jeweils von einer Lötstelle zur in Bewegungsrichtung nächsten benachbarten Lötstelle geführt wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (LS) in mehreren Durchgängen (D2) über die Lötstellen von zwei oder mehreren Bauelementen (BE) zugeführt wird, bis das Lot (L) bei sämtlichen Lötstellen dieser Bauelemente (BE) gleichzeitig aufgeschmolzen ist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (L5) durch die Bauelemente (BE) hindurch auf die Lötstellen gerichtet wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (LS) durch einen als flexible Schaltung ausgebildeten Träger (T2) hindurch auf die Lötstellen gerichtet wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (L5) mit Hilfe eines Diodenlasers erzeugt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (LS) mit Hilfe eines Nd:YAG-Lasers erzeugt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (LS) mit Hilfe von zwei, jeweils durch Galvanometer (GX, GY) angetriebenen Ablenkspiegel (ASX, ASY) abgelenkt wird.
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