DE1233448C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Befestigen von elektrischen Bauelementen auf einer Traegerplatte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befestigen von elektrischen Mikro-Bauelementen, insbesondere Festkörperelementen, auf einer Isolierstoff-Trägerplatte, auf der das Schaltungsmuster als gedruckte Schaltung aufgebracht ist, wobei die Leiterflächen der Trägerplatte mit metallischem Lot beschichtet sind und auf eine über dem Schmelzpunkt des Lotes liegende Temperatur erwärmt werden.

Maschinen zur Verarbeitung von Informationen, die unter der Bezeichnung Datenverarbeitungsanlagen bekannt sind, benötigen eine große Anzahl von einzelnen Schaltungen, die zweckmäßig als austauschbare Schaltungseinheiten hergestellt werden. Durch Aufstecken oder Einschieben werden diese Einheiten miteinander und mit dem übrigen Teil der Maschine verbunden. Im Verlauf der Weiterentwicklung der Datenverarbeitungstechnik und der damit verbundenen Steigerung der Leistung und der Möglichkeiten sowie der Speicherfähigkeit solcher Anlagen wurden im wesentlichen zwei Wege für die Ausbildung der einzelnen Schaltungseinheiten beschritten, und zwar einerseits die Unterbringung aller Elemente einer Einheit auf einem einzigen Teil und ihre direkte Verbindung untereinander, allgemein als integrierte Schaltung bezeichnet, und andererseits die Miniaturisierung der einzelnen Elemente und ihre Befestigung auf einer gedruckten Schaltung.

Während den integrierten Schaltungen hinsichtlich der Massenfertigung und der Wirtschaftlichkeit noch gewisse Grenzen gesetzt sind, haben sich die sogenannten Mikrominiaturschaltungen bereits als wirtschaftlich bewährt, und ihre Herstellung in großem Umfang ist an sich als gelöst anzusehen. Schwierigkeiten bestehen allerdings noch in der Art und Weise des Aufbringens der einzelnen Bauelemente auf die gedruckte Schaltung; denn die Aufgabe, auf Unterlagen von geringsten Abmessungen, z.B. Platten von 12 X 12 mm Grundfläche und 1,5 mm Dicke eine große Anzahl von Elementen, die weniger als 1 mm³ Rauminhalt beanspruchen, zu befestigen, ist noch

ίο verhältnismäßig neu und noch nicht befriedigend gelöst.

Die Verbindung zwischen dem Trägerplättchen und den Elementen eines Moduls gibt zahlreiche Probleme auf. So ist für eine einwandfreie elektrische Verbindung der Teile bei geringstem Übergangswiderstand ein thermischer Prozeß notwendig, und außerdem muß die Verbindung gegen mechanische Beanspruchungen, wie Stöße und Vibrationen, unempfindlich sein. Die elektrischen Eigenschaften der Verbindung müssen außerdem auch bei extremen Temperaturen und Witterungsverhältnissen unverändert bleiben, insbesondere bei sehr starker Feuchtigkeit, mit der beim Betrieb von Datenverarbeitungsanlagen gerechnet werden muß. Weitere Anforderungen an die genannten Verbindungen sind eine absolute Sicherheit gegen Kurzschlüsse zwischen den Leitern und Halbleiterkörpern und keinerlei schädliche Wirkungen des Verbindungsvorganges oder sonstige Beeinflussungen auf das Germanium und das SiIizium der Halbleiterelemente. In Anbetracht der außerordentlich großen Stückzahl, in welcher derartige Schaltungseinheiten benötigt werden, bedarf es eines wirtschaftlich vertretbaren Herstellverfahrens, bei dessen Anwendung alle vorgenannten Anforderangen ohne Einschränkung erfüllt werden.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, bei der Kontaktierung von auf einer Isolierstoffplatte aufgebrachten gedruckten Schaltung die Leitungszüge vor dem Auflegen der Bauelemente mit Lötmaterial zu versehen und zur Herstellung der elektrischen Verbindungen zwischen den Bauelementen und den Leitungszügen die bestückte Isolierstoffplatte zu erwärmen.

Die Erfindung findet Anwendung bei Isolierstoff-Trägerplatten, auf denen das Schaltungsmuster als gedruckte Schaltung aufgebracht ist, und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterflächen der Trägerplatte vor dem Auflegen der Bauelemente mit einem als Klebemittel wirksamen Flußmittel beschichtet werden und daß zum Befestigen der Bauelemente die Trägerplatte und die Bauelemente unter einer derart bemessenen Kraft aufeinandergelegt werden, daß die Kontakte der Bauelemente Einprägungen in den Kontaktpunkten des Schaltungsmusters bewirken.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens verbessert die positionsgenaue Verlötung der Bauelemente auf den Leiterflächen, wenn anschließend die gesamte Anordnung auf die zum Schmelzen des Lotes erforderliche Temperatur erwärmt wird.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Kontakte der Bauelemente kugelförmig ausgebildet.

Zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung dient gemäß einer bevorzugten Ausbildungsform eine Vorrichtung, bei der zur Aufnahme der Trägerplatte und der Bauelemente zwei in der waagerechten Ebene angeordnete, mittels Scharnieren aufeinanderklappbare Klappen angeordnet sind,

die Öffnungen bzw. Stifte zur Festlegung und Ausrichtung der einzelnen Teile aufweisen, wobei zum Festhalten der Trägerplatte während des Umklappens eine Feder angeordnet ist. Mit Hilfe dieser Vorrichtung kann eine Schaltungseinheit in einem Arbeitsgang zusammengebaut werden, wobei für ein Einhalten des gegenseitigen Abstandes der einzelnen Elemente vollständige Gewähr gegeben ist. Welche Anforderungen an die Genauigkeit beim Aufbringen der Elemente gestellt werden, ergibt sich daraus, daß ίο die Größe der Lötstellen beispielsweise etwa 0,13 mm im Durchmesser und ihr Abstand von Kontaktpunkt zu Kontaktpunkt etwa 0,38 mm beträgt.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen in einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine schaubildliche, teilweise geschnittene Ansicht eines auf einer Trägerplatte zu befestigenden Kleinstbauelementes,

Fig. 2 die Darstellung einer Trägerplatte vor dem Befestigen der Bauelemente,

F i g. 3 eine vergrößerte Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Trägerplatte, auf den ein Bauelement aufzubringen ist,

F i g. 4 die schaubildliche Darstellung einer Aus- '25 rieht- und Aufspanneinrichtung, mittels der die Einstellung der Bauelemente gemäß F i g. 1 relativ zu der Trägerplatte gemäß F i g. 2 vor dem Verbindungsvorgang durchgeführt wird,

Fig. 5 einen Schnitt durch ein auf den leitenden Streifen der Trägerplatte gemäß Fig.2.aufliegendes Bauelement und

Fig. 6 einen Schnitt durch ein mit den leitenden Streifen der Trägerplatte verbundenes Bauelement.

Die Schaltungselemente 20, im folgenden als EIemente bezeichnet, sind in Glas hermetisch abgedichtet und mit Aufbaukontakten 22 versehen, die außer der Verbindung der Elemente 20 mit dem Trägerplättchen auch den Zweck haben, den Abstand zwischen beiden zu bestimmen. Ein Element 20, wie es in F i g. 1 gezeigt ist, hat beispielsweise eine Abmessung von 0,63 X 0,63 mm. Die Aufbaukontakte 22 sind vorzugsweise kugelförmig und werden, wie später beschrieben wird, mit dem Trägerplättchen verschmolzen. Sie bestehen aus einer Metallegierung, beispielsweise aus einer Gold-Antimon-Legierung, die im Handel in Kugelform lieferbar ist, oder aus Blei und Zinn od. ä. Die Kugeln sind in Öffnungen 24 in der das Element 20 abdeckenden Glasschicht 26 eingelegt, nachdem zuvor ein Metallfilm 30 in die Öffnungen eingebracht worden ist. Dieser Film 30 hat eine gute Adhäsion zur Glasschicht und zu darunterliegenden Metallstreifen, die durch Öffnungen 38 und 40 in einem isolierenden Teil 42 Verbindungen zu den Anschlußelektroden 34 und 36 herstellen. Nach dem Einlegen der Kugelkontakte 22, in die Öffnungen 24 wird das Element kurzzeitig erhitzt, um die Kugeln 22 und den Film 30 zu verbinden und damit eine gute elektrische und mechanische Verbindung zwischen den Kugeln und den Anschlußelektroden herzustellen. Die Form dieser Anordnung ist so gewählt, daß, bevor die Einheit fest mit den Stromkreisen verbunden wird, eine elektrische Prüfung stattfinden kann.

Die Elemente 20 werden auf einem Trägerplatte chen 50 gemäß F i g. 2 befestigt, dessen Abmessungen beispielsweise 11,4 X 11,4 mm sind. Das Trägerplättchen 50 muß ein guter Wärmeleiter und unempfindlich gegen hohe Temperaturen sein. Ein geeigneter Werkstoff besteht zu 95 °/o aus Tonerde und ist gepreßt öder in anderer Weise in die erforderliche geometrische Form geformt. Das Plättchen 50 hat eingepreßte Kontaktstifte 52 für die elektrische und mechanische Verbindung mit der Maschine.

Der erste Schritt zur Herstellung einer Schaltungseinheit ist das Aufbringen der gedruckten Schaltung als leitfähiges metallisches Muster 58 auf dem Trägerplättchen 50 (Fig. 3), z.B. durch Siebdruck oder ein anderes Druckverfahren. Dabei wird bekanntlich ein Sieb mit dem Muster der Schaltung über das Plättchen gelegt, eine metallische Paste auf den Schirm aufgetragen und mittels einer Rolle so gegen den Schirm gepreßt, daß durch das Sieb hindurch auf der Unterlage das Muster entsteht. Sodann wird der Schirm abgenommen und die Unterlage mit der metallischen Paste erhitzt.

Zur Aufnahme der Elemente sind gemäß F i g. 3 Kontaktpunkte 59 in das Muster eingeschlossen, und zwar für jedes Element mindestens drei Kontaktpunkte von sehr engem Abstand voneinander. Das Kontaktpunktmuster ist auch mit den Kontaktstiften 52 zum Anschluß an die Maschine verbunden.

Nach dem Aufbringen der gedruckten Schaltung wird die Fläche gereinigt, indem das Plättchen in einen Behälter mit Schmelzmittelentferner, z. B. Methylacetat, gelegt und anschließend der Behälter für etwa 3 Minuten in einen Ultraschalltank gestellt. wird. Darauf kommen die Plättchen für annähernd 5 Minuten in die kochende Flüssigkeit eines Dampfentfetters und dann einzeln in Verzinnungsgestelle.

Der nächste Verfahrensschritt ist das Verzinnen für eine gute elektrische Verbindung zwischen den Kontaktpunkten und den leitenden Zonen. Außerdem wird dadurch der Reihenwiderstand der Kontaktstellen verringert und Lötmaterial für die Verbindung der Elemente mit dem Schaltungsmuster verfügbar. Dabei ist eine gleichmäßige Lötmitteldicke über den leitenden Flächen sehr wichtig, und deshalb muß das Schaltungsmuster auch im Hinblick darauf entsprechend gestaltet sein. Das Verzinnen wird durch Löttauchen bewirkt oder auch mittels Wellenoder Rollenlötung; dabei wird das Plättchen mit der Vorderseite nach unten in das Bad getaucht. Wegen der glasartigen Oberfläche des Plättchens kann das Lötmittel 57 nicht an ihm selbst anhaften, sondern nur an den Leitern 58 der Schaltung (F i g. 3). Die so beschichteten metallischen Leiter werden hierauf gekühlt; das Lötmaterial hat eine niedrigere eutektische Temperatur als die vorher beschriebenen Kugelkontakte 22. Diese niedrigere Temperatur des Lötmaterials ermöglicht eine Rückflußverbindung zwischen dem Element und der leitenden Fläche auf dem Plättchen, ohne daß ein vollständiges Schmelzen des Kugelkontaktes eintritt.

Nach dem Kühlen wird das Plättchen erneut (F i g. 1) durch 5minütiges Entfetten gereinigt, getrocknet und in einen Rahmen zur Verzinnungsprüfung eingesetzt. Sodann wird ein Flußmittel aufgebracht, das als klebrige Fläche wirksam ist und die Befestigung der Kugelkontakte erleichtert. Zu bevorzugen ist ein korrosionsfreies Flußmittel, z.B. eine wasserhelle Harzflüssigkeit, welche in dünner Schicht auf die Kontaktstellen 59 (Fig.3) aufgetragen wird.

Inzwischen werden die Elemente 20 für die Trägerplättchen hergestellt, ihre kugelförmigen Anschlüsse sind auf einer ihrer Flächen vereinigt. Diese

Kugelkontakte sind, wie schon erwähnt, beispielsweise aus einer Gold-Antinion-Legierung im Verhältnis 75 : 25 und mit den Elementen verschmolzen. Diese beschriebene Gold-Antimon-Legierung hat eine eutektische Temperatur von 360° C. Um das Schmelzen der Kugelkontakte zu vermeiden, hat das die Leiter 58 auf dem Plättchen bedeckende Lötmittel 57 eine eutektische Temperatur, die um mindestens 50° C niedriger liegt, also z. B. eine Lötverbindung von 90% Blei und 10% Zinn mit einem Schmelzpunkt im Bereich von 305° C. Die eutektische Temperaturdifferenz zwischen dem Kugelkontakt 22 und dem Lötmetall 57 erlaubt einen Lötmittelrückfluß zwischen dem Plättchenleiter 58 und dem Element 20 vor dem Schmelzen der Kugelkontakte 22. Durch die Kugelform ergibt sich auch zwangläufig ein bestimmter Abstand zwischen dem Element und dem Plättchen zur Verhinderung von Kurzschluß oder anderen elektrischen und mechanischen Fehlern.

Vor der Verbindung zwischen Elementen und Plättchen ist zunächst die richtige Lage zwischen den Teilen zu überprüfen. Eine solche Einstellvorrichtung 200 für eine große Anzahl von Schaltungselementen der beschriebenen Größe auf einem Trägerplättchen von 11,4 X 11,4 mm bei einer Abstandsteilung von 0,13 mm zwischen den einzelnen Kontaktstellen ist in F i g. 4 gezeigt. An einem drehbaren Ständer 202 sind zwei Klappen 204 und 206 mittels Scharnieren gelagert. Die Klappe 204 hat rechteckige Öffnungen 208 für die Elemente 20. Die Klappe 206 enthält drei Stifte 207 zur Festlegung der Lage des Plättchens 50 und eine Aussparung 210 für die Stifte 52. Eine Feder 209 drückt das Plättchen 50 gegen die drei Stifte 207. Zunächst liegen die beiden Klappen horizontal einander gegenüber. Die Klappe 206 ist so angeordnet, daß bei ihrem Kippen und Auflegen auf die Klappe 204 das Plättchen 50 an die eingelegten Elemente so angedrückt wird, daß die Verbindungsstellen im Leitungsmuster des Plättchens 50 mit den Verbindungspunkten der in der Klappe 204 eingestellten Elemente genau übereinstimmen.

Für den Einstellvorgang werden die Elemente 20 bei geöffneten Klappen 204, 206 in die Öffnungen 208 (Fig.4) eingelegt und entsprechend das Plättchen 50 gegen die Einstellstifte 207 um die Aussparung 210 angelegt. Beim folgenden Schwenken der Klappe 206 über die Klappe 204 haften die Elemente infolge des aufgebrachten Flußmittels und des Gewichtes der Klappe und des Plättchens an ihrer Unterlage, wobei das Flußmittel wie ein Klebemittel, wirkt. Nach dem Schwenken der Klappe 206 werden beide Klappen 204 und 206 um 180° in die gegenüberliegende Stellung zurückgeschwenkt, so daß nun die die Elemente tragende Klappe 204 auf der Plättchenklappe 206 aufliegt. Dann wird die Klappe 204 5 ohne die Elemente in ihre Ausgangsstellung zurückgeschwenkt, und die genaue Übertragung der Elemente in ihre Position auf dem Plättchen ist beendet. Vor der Rückführung der Klappe 204 in ihre Ausgangslage werden die Klappen so gegeneinandergepreßt, daß die Kugelkontakte 22 Einprägungen 132 (F i g. 5) im Lötmetall bewirken, die eine Kaltschweißstelle zwischen den Metallen erzeugen, wodurch die Elemente gegen das Abgleiten vom Kontaktmetall während der darauffolgenden Bearbeitungsvorgänge festgehalten werden.

Sodann werden die Gold-Antimon-Kontakte, und die Zinn-Blei-Flächen durch Einlegen des Plättchens in einen Brennofen erhitzt, und zwar hat der Ofen eine Temperatur beträchtlich über den Schmelztemperaturen der beschriebenen Metallegierungen. Es hat sich gezeigt, daß für Metallverbindungen der beschriebenen Art, also für eine aus 75 % Gold und 25 % Antimon bestehende Legierung für die Kugelkontakte und einem aus 90 % Blei und 10 % Zinn bestehenden Lötmittel auf den Plättchenleitern und einer Ofentemperatur von 700° C annähernd 25 Sekunden erforderlich sind, um das Plättchen auf 320° C zu bringen. Diese Temperatur ist kleiner als die Schmelztemperatur der Kugelkontakte, aber größer als die Schmelztemperatur von 305° C des Lötmetalls. Bei dieser Erhitzungsdauer von 25 Sekunden schmilzt also das die Anschlußstellen bedeckende Lötmetall ohne nennenswerten Einfluß auf die Kugelkontakte. Anschließend wird abgekühlt, wobei durch Steuerung des Gebläses ein vollständiges Verschmelzen der Kugeln 22 mit dem Lötmittel 57 verhindert wird. Gemäß Fig. 6 befinden sich rund um die Kugeln Lötkehlungen 142 und bewirken das Verschmelzen des Elementes mit den Leitern 58. Die Kugeln behalten ihre Grundform bei und sichern den Abstand zwischen Elementen und Plättchen, wodurch, wie erwähnt, Kurzschlüsse und andere elektrische oder mechanische Fehler verhindert sind. Der

. Widerstand der Verbindungsstellen liegt unterhalt) von Viooo Ohm.

Nun schließt sich ein Reinigungs- und Prüfvorgang an, indem die fertigen Einheiten zuerst für 5 Minuten in einen Alpha-Flux-Entferner getaucht und hierauf für 10 Minuten im Dampf des Flux-Entferners entfettet werden. Nach einem Ultraschallwaschvorgang in Isopropylalkohol folgt eine Prüfung der elektrischen und mechanischen Verbindungen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Befestigen von elektrischen Mikro-Bauelementen, insbesondere Festkörperelementen, auf einer Isolierstoff-Trägerplatte, auf der das Schaltungsmuster als gedruckte Schaltung aufgebracht ist, wobei die Leiterflächen der Trägerplatte mit metallischem Lot beschichtet sind und auf eine über dem Schmelzpunkt des Lotes liegende Temperatur erwärmt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterflächen (58) der Trägerplatte (50) vor dem Auflegen der Bauelemente (20) mit einem als Klebemittel wirksamen Flußmittel beschichtet werden und daß zum Befestigen der Bauelemente (20) die Trägerplatte (50) und die Bauelemente (20) unter einer derart bemessenen Kraft aufeinandergelegt werden, daß die Kontakte (22) der Bauelemente (20) Einprägungen in den Kontaktpunkten des Schaltungsmusters bewirken.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakte (22) der Bauelemente (20) kugelförmig ausgebildet sind.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme der Trägerplatte (50) und der Bauelemente (20) zwei in der waagerechten Ebene angeordnete, mittels Scharnieren aufeinanderklappbare Klappen (204, 206) angeordnet sind, die Öffnungen (208) bzw. Stifte (207) zur Festlegung und Ausrichtung der einzelnen Teile aufweisen, wobei zum Festhalten der Trägerplatte (50) während des Umklappens eine Feder (209) angeordnet ist.