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Mikroverbindung für auf eine mikroelektronische Schaltkarte aufzubringende
Mikroschaltungselemente und Verfahren zu ihrer Herstellung Die Erfindung bezieht
sich auf eine Mikroverbindung für Mikroschaltungselemente mit einem einen lötbaren
überzug aufweisenden Leitermuster, das auf einer mikroelektronischen Schaltkarte
aufgebracht ist.
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Mikroelektronische Schaltungen sind Zusammenstellungen mikrominiaturisierter
Schaltungselemente, d. h. aktive und passive Elemente, die auf einer Unterlage befestigt
sind, auf der ein bestimmtes Leitermuster für die leitende Verbindung der Elemente
untereinander sorgt, um damit eine gewünschte logische Funktion zu erzielen. Kombinationen
dieser mikroelektronischen Schaltungen werden in geeigneter Weise miteinander verbunden,
um in datenverarbeitenden Systemen Daten zu verarbeiten.
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Diese mikroelektronischen Schaltungen haben eine Größe von etwa 12,5
X 12,5 mm, und sie müssen für eine rentable Fertigung einfach fabrizierbar sein.
Die einzelnen Schaltungselemente einer mikroelektronischen Schaltung sind etwa 0,6
X 0,6 mm groß. Diese Elemente müssen durch mikroskopisch kleine Anschlüsse für einen
guten mechanischen und elektrischen Zusammenhalt zwischen den Elementen und den
Anschlüssen sorgen und dafür, daß die Verbindung zwischen den Anschlüssen und der
Unterlage hohen thermischen Anforderungen und Vibrationsspannungen gewachsen ist.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, die oben erläuterten, an eine mikroelektronische
Schaltung gestellten Forderungen zu erfüllen, wobei bei dem Verbindungsprozeß ein
zwangläufiges Abstandhalten der Mikroschaltungselemente von dem auf der Schaltkarte
aufgebrachten Leitermuster erfolgen soll. Dies erreicht die Erfindung dadurch, daß
zwischen dem Leitermuster und dem mit demselben zu verbindenden Schaltungselement
mehrere aus einem schwer schmelzbaren Material mit benetzbarer Oberfläche bestehende
Anschlußelemente angeordnet sind, wobei zwischen jeweils einem derselben und dem
Schaltungselement eine Lötschicht sich befindet, die mit dem lötbaren überzug des
Leitermusters um die Anschlußelemente herum innig verbunden ist. Die erfindungsgemäße
Mikroverbindung gestattet ein sehr einfaches Herstellungsverfahren, bei dem sich
eine genaue Temperaturkontrolle erübrigt.
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Einzelheiten der Erfindung sind nachstehend an Hand eines in den Figuren
veranschaulichten, bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben. Es zeigt F i g.1
eine Draufsicht auf eine mikroelektronische Schaltung mit verschiedenen Schaltungselementen,
F i g. 2 eine Seitenansicht eines Schaltungselementes, das für die Aufnahme eines
Anschlußelementes vorbereitet ist, F i g. 3 eine Seitenansicht eines Schaltungselementes
mit einem Anschlußelement und Fig.4 eineSeitenansicht eines in einemikroelektronische
Schaltung eingefügten Schaltungselementes. Eine mikroelektronische Schaltung
10, wie sie in F i g. 1 gezeigt ist, besteht aus einer Unterlage 12 mit einem
darauf befindlichen Leitermuster und einer Vielzahl von Anschlußmitteln 16, die
über die Oberfläche der Grundplatte hinausragen. Das Leitermuster 14 hat eine Leiterbreite
von 0,2 bis 0,5 mm, und es gehören zu ihr Finger 18 (s. F i g. 4) in der Größenordnung
von 0,08 mm mit Abständen dazwischen zur Aufnahme kleinster Schaltungselemente 20
und 22, die aktiver oder passiver Natur sein können. über die Einzelheiten der Herstellung
einer mikroelektronischen Schaltung 10 wurden bereits Vorschläge gemacht,
die aber hier nicht wiedergegeben werden, da dieselben nicht zum Wesen der Erfindung
gehören.
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Passive oder aktive Schaltungselemente können durch einen Lötprozeß
an den Fingern 18 befestigt werden, wodurch eine gute elektrische und mechanische
Verbindung zwischen dem Schaltungselement 20 und dem Leitermuster 14 gewährleistet
ist. Aktive Schaltungselemente, die mit dem Leitermuster verbindbar sind, sind bekannt.
Passive Elemente können einerseits, wie bereits vorgeschlagen wurde, von der Form
eines dünnen Filmes sein, oder andererseits
auch eine Dünnfilm-Gestalt
wie die aktiven Schaltungselemente haben. Die Herstellung passiver Dünnfilm-Elemente
ist bekannt.
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Gemäß F i g. 2 ist ein flaches Schaltungselement 20, das von
der Größenordnung 0,6 X 0,6 mm und passiver oder aktiver Natur sein kann, geeignet,
metallische Puffer 24 an ausgesuchten elektrischen Stellen zu tragen. Die Puffer
24 sind geeignet, mit einem Anschlußelement verbunden zu werden, wie weiter unten
beschrieben ist. Um einen guten elektrischen und mechanischen Schluß zwischen dem
Schaltungselement und einem Anschlußelement sicherzustellen, können die Puffer aus
mehreren Metallagen, insbesondere aufgedampften, bestehen. Die äußere Schicht 26
des Puffers 24 besteht aus lötbarem Material, aus einer Legierung von 95% Blei und
5% Zinn für die Aufnahme des Anschlußgliedes. Eine innere Metallschicht
28 ist geeignet, eine gute mechanische und elektrische Verbindung zwischen
der Oberfläche des Elementes 20, das keramikartig sein kann, und der Oberfläche
des lötbaren Metalls herzustellen. In bestimmten Fällen mag es erforderlich sein,
eine dritte Metallschicht vorzusehen, um eine gute Lötverbindung zu der inneren
Schicht herzustellen. Wenn die leitenden Puffer 24 einmal angebracht sind,
kann auch das Anschlußelement angefügt werden.
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Gemäß F i g. 3 ist je ein Anschlußelement 30 mit dem Puffer 24 verbunden.
Der Anschluß mit dem Element 20 bildet durch eine herkömmliche technische
Wärmebehandlung eine ohmsche Verbindung. Das Anschlußelement ist aus benetzbarem
Material, beispielsweise Kupfer, Nickel od. ä., das eine leitende Verbindung mit
den Puffern 24 sicherstellt. Das Anschlußelement kann aus leitendem keramischem
Stoff, z. B. aus einem hoch dotierten Halbleiter, dessen Funktion der des Kupfers,
Nickels od. ä. entspricht, bestehen. Der Anschluß kann aber auch ein Isolator sein,
der mit einer Schicht von benetzbarem Metall überzogen ist. Das ausgesuchte Anschlußmaterial
soll jedoch wegen des Löt- und Verbindungsprozesses in jedem Fall temperaturunempfindlich
sein. Diese Forderung ist von großer Wichtigkeit, wie noch später dargelegt ist,
bei der Verbindung des Schaltungselementes mit einer mikroelektronischen Schaltung.
Das Anschlußelement kann irgendeine geometrische Form aufweisen, beispielsweise
eine Kugel, ein schiefes Prisma od. ä. Alle geometrischen Anschlußformen, gestreckt
oder kugelig, genügen ihren Anforderungen, wie man feststellen konnte, jedoch ist
ein Vollkugelanschluß in der Größenordnung von 0,12 bis 0,15 mm Durchmesser vorzuziehen,
da derselbe eine Punktverbindung mit den mikroelektronischen Leitern 14 sichert,
die etwa 0,2 bis 0,3 mm breit sind.
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Gemäß F i g. 4 ist ein flaches Schaltungselement, dessen Anschlüsse
in einer Ebene liegen, mit der mikroelektronischen Schaltung verbunden. Das Leitermuster
14 der mikroelektronischen Schaltung enthält einen Leiter 32, z. B. aus Silber oder
einer Gold-Platin-Legierung, der mit einer Lötschicht 34 bedeckt ist. Die Lötschicht
34 ermöglicht eine Lötverbindung zwischen dem Schaltungselement 20 und dem
Leiter 32.
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Das Dünnfilm-Schaltungselement 20 wird auf die Finger 18 aufgesetzt,
so daß die Anschlußelemente 30 die lotbedeckte Leiterschablone 14 berühren. Vor
dem Erhitzungsprozeß werden die Schaltungselemente auf ihren Plätzen gehalten. Wenn
die Schaltung mit den dazugehörigen Komponenten in den Ofen eingebracht ist, schmilzt
das Lot und steigt an den Seiten des Anschlußelementes 30 wegen seiner benetzenden
Natur auf, so wie es vom üblichen Löten her bekannt ist. Wenn die Schicht 34 aus
90% Blei und 10% Zinn besteht und das Anschlußelement 30 aus einem Ellipsoid von
0,12 bis 0,15 mm Größe und aus sauerstofffreiem hochleitfähigem Kupfer besteht,
ist die Lötverbindung bei einer Temperatur in der Größenordnung von 320° C nach
einer Zeit von 5 Minuten hergestellt. Während des Erhitzens schmilzt der Puffer
24 nicht, da das Lot eine Legierung aus 95 % Blei und 5 % Zinn verkörpert, die einen
höheren Schmelzpunkt besitzt als das aus 90% Blei und 10% Zinn bestehende Material
des Überzuges des Leitermusters 14. Das aus 95 % Blei und 5 % Zinn bestehende
Lot beginnt bei 320° C zu schmelzen und Laborerfahrung zeigt, daß die 5 Minuten
dauernde Erhitzungsperiode nicht lang genug ist für das Schmelzen des Materials
des Puffers 24. Obwohl in diesem Ausführungsbeispiel derartig unterschiedlich
zusammengesetzte Lote verwendet sind, existieren natürlich auch andere Materialkombinationen,
mit denen das gleiche Ergebnis erzielbar ist.
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Die Schaltung wird am Ende der Erhitzungsperiode aus dem Ofen genommen
und mit Luft oder anderen Medien gekühlt, um die Verbindung rund um das Anschlußelement
zu festigen. Das aus einer Kugel bestehende Anschlußelement hat einen Schmelzpunkt
von etwa 1090° C und ist während des Erhitzungs- und Kühlungsprozesses physikalisch
nicht verändert worden. Da die Form des Anschlußelementes durch den Erhitzungsprozeß
im wesentlichen unverändert bleibt, ist ein Abstand zwischen dem Schaltungselement
20 und dem Leitermuster 14 erreicht. Dies ist von besonderer Bedeutung, wenn das
Schaltungselement ein aktives Element ist, da ein Verbindungspunkt oder anderer
Teil der Schaltung kurzgeschlossen ist, wenn dieser Teil mit dem Leitermuster 14
durch ein infolge Schmelzens erfolgendes Zusammenbrechen des Anschlußelementes in
Berührung gelangt. Infolge der Temperaturunempfindlichkeit der Anschlußelemente
30 ist eine Fabrikation mit geringer oder keiner Kontrolle des Erhitzungsprozesses
möglich. Die fertige Verbindung zwischen dem Schaltungselement 20 und der
Schaltung 10 ist in elektrischer und mechanischer Hinsicht gut. Der Widerstand
solcher Verbindungen liegt etwa bei 10 Miniohm, das gerade für mikroelektronische
Schaltungen, bei denen mit niedrigen Spannungen, etwa um 3 V, gearbeitet wird, wünschenswert
ist. Als mechanische Festigkeit dieser Verbindungen wurden 300 g ermittelt (für
drei Kugeln einer Einrichtung unter Spannung), und man fand heraus, daß sie bis
zu 180 g zuverlässig tragen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und alle beschriebenen Arbeitsgänge
sind sehr geeignet für eine Massenproduktionstechnik.