DE1665648C - Verfahren zur gegenseitigen elektri sehen Verbindung von Schaltungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft oin Vorfahren zur gegenseitigen elektrischen Verbindung von Schaltungen.

Dn clic Verbindungen /.wischen zwei unterschiedlichen Niveaus innerhalb der Mikroschaltung!)!! mögliche Slörungspunkto der Anordnung darstellen, .sucht man diese zu verbessern. Die Verbindungen innerhalb des ersten Niveaus, die normalerweise innerhalb der Verpackung der Mikroschaltung selbst auftreten, werden gewöhnlich nicht vom Benutzer ausgeführt. Die Verbindungen im zweiten Niveau sind die Anschlüsse außerhalb der Verpackung der Mikroschaltung, die durch eine Harllötung. Widcrslandsschweißung, Elcktronenstrahlschweißiing, Laserschwcißimg, Thermokompression und eine Bindung mit Hilfe von Ultraschall vorgenommen werden können.

Es ist bekannt, eine Verbindung zwischen den aktiven Teilen einer aus einem Stück bestehenden Schaltung, z, B. zwischen den Plättchen und den auf einem anderen Körper aufgebrachten Leitern da- ao durch herzustellen, daß ein Golddraht mit seinem einen Ende an dem Anschluß des aktiven Gerätes und mit .seinem anderen Ende an dem Leiter oder Endabschnitt befestigt wird. Diese spezielle Verbindimgsart ist im Hinblick auf das Altern und Vibrationen nicht zuverlässig, da die Golddrähle brechen oder elektrisch kurzgeschlossen werden können, wenn sie sich lösen. Ein wesentlicher Nachteil dieses bekannten Verfahrens besteht darin, daß ein beträchtlicher Raum benötigt wird, wenn der Golddraht zur Herstellung der gewünschten Verbindung festgemacht wird. In den modernen digitalen Rechenautomaten ist die Konzentration tier Schaltungen beispielsweise ein Erfordernis, das bei Anwendung der bekannten Verfahren nicht erreicht werden kann. Fernerhin sind die niedrigen Herstellungskosten und eine große Zuverlässigkeit unbedingte Notwendigkeiten.

Aus der Zeilschrift »Electronics«, Bd. 36 (18. Oktober 1%.?), S. 82, ist bekannt, Verbindungen zwisehen aktiven Geräten, z. B. Halbleilcrplältchen, und .Schaltungen her/iislellen, die auf einem gesonderten, unabhängigen Körper angeordnet sind. In diesem Verfahren wird die Rückseile des Halbleilerplätlchens mit den I.eilungen des anderen Körpers durch Löten oder unter Anwendung von Ultraschall verbunden; diese leitungen werden von dünnen Filmen gebildet.

Bislang ist jedoch die Zahl der zwischen den HaIbleilerplälldien und den Leitungen bzw. Anschlüssen 5" der vom isolierenden Körper getragenen Schaltungen her/iislellenden Verbindungen beschränkt. Man erreiclil mehr als drei Verbindungsslellen nur mit begrenzten) I·. 1 folg. Wenn man drei solcher Stellen voraiiN.selzl, kann eine geometrische Ebene durch sie hindiirchgdegl werden; falls mehr als drei Verbindungsstellen vorzusehen sind, verhindert die Unregelmäßigkeit der Oberfläche der Unterlage diese Festlegung einer einzigen Ebene, in der /. B. vier VerhindungsslHlen liegen sollen. Dieses Verfahren bietet wegen dieser Beschränkung auf drei Verbindungsslelii-n mil dem Halbleilerplällchcn geringe Anwendung Miioglidikcitcn.

Der Erliiuliiiig liegl die Aufgabt; zugrunde, eine nie< lianisdi fesic, einwandfreie, elektrische Verbindung zwisdien der aus dein llalblcilerblock bestehenden Sihalluiig und den Leitungen der llnlerlage gleichzeitig an mehr als drei Verbindungsstellen auf kleinstem, zur Verfügung stehendem Raum herbeizuführen, ■

Diese Aufgabe wird erflndungsgemüli dadurch gelöst, daß Ansatzstücke aus. Gold an die leitenden Anschlullteile des Holblellerbloekcs gebunden und dann in einem an den Verbindungsbercichen der Unterlage angebrachten, flüssigen Lot aufgelöst werden.

Aus der deutschen Patentschrift 1004256 ist ein Verfahren zur Tauchlölung elektrischer Leitungen, insbesondere bei gedruckten Schallungen, bekannt, bei dem die ganze, fertige, zusammengebaute Anordnung mit den gedruckten Leitungen und den den Schaltelementen zugehörigen Zuführungsdrählcn, die an den verschiedenen Punkten der Platte durch iill'iningen in dieser Platte hindurchrcichen, mit der gedruckten Seite nach unten in ein Bad eines geschmolzenen Lötmittels eingetaucht und nach kurzer Zeil /um Abkühlen und Verfestigen der Lötstellen herausgehoben wird.

Dieses bekannte Verfahren ist nur in den Fällen anwendbar, wenn die auf der gedruckten Schaltungsplatte anzubringenden Schaltelemente mindestens zwei Zuführungsdrähte aufweisen, die senkrecht aus der Umfangslläche des Elementes herausragen oder entsprechend gebogen werden können und deren Länge so bemessen ist, daß sie noch durch die einzutauchende Platte mit der gedruckten Schaltung hindurchgehen. Die leitenden Anschlußteile der aus einem Halbleiterblock oder -plättchen bestehenden Schaltungen sind dagegen Metallstreifen, die auf dem Halbleiterkörper aufgedampft oder an ihm angeschmolzen sind und deren Gestalt gar keine Einführung in Löcher einer Schalungsplatte zuläßt. Aus diesem Grunde ist das bekannte Tauchlötverfahren hier unbrauchbar.

Um die Verbindung zwischen der Schaltung und der das Lot tragenden Unterlage oder den Verbindungsbereichen einer gedruckten Schalungsplatte zu bewirken, sind diese Teile der Schalungsplatte oder Unterlage vorzugsweise aus Kupfer hergestellt. Die Ansatzstücke können an den mit Lötzinn versehenen Verbindiingsbereichen der Unterlage oder der gedruckten Schallungsplatte einen Kontakt herstellen. Die Ansatzstücke aus Gold lösen sich im erhitzten Lot auf, bis sie alle in Berührung mil den Verbindungsbereichen verlötet werden. Infolgedessen stellt sich die Schaltung auf eine bestimmte Höhe und eine vorgegebene Orientierung ein, wobei die zahlreichen Ansatzstücke in den Verbindungsbereichen angelölet sind. Außer der Anwendung von Wärme und Druck kann auch ein Bindiingsverfahren mit Hilfe des Ultraschalls Anwendung finden.

Das erfindungsgemäßc Verfahren, mit dem elektrische Verbindungen zwischen elektrischen Schaltungsteilen bzw. aus einem Stück bestehenden Schaltungen hergestellt werden, ist zuverlässig und einfach durchzuführen. In diesem Verfahren werden die Ansatzstücke an den Anschlüssen von aus einem Stück bestehenden Schaltungselemente!) oder -geräten befestigt, wobei sie mit den überzogenen Verbindiingsbereichen an den dünne Filme tragenden oder gedruckten Schaltungskörpern in Berührung kommen und im Oberzug aufgelöst werden; dabei werden zur Herstellung der elektrischen Verbindungen sämtliche Ansatzstücke ;m ihren passenden Verbindungsbereichen festgemacht.

Ausführungsbdspiele der Erfindung sind in der

Zeichnung durgestellt und werden im folgenden nUher beschrieben. Es zeigt

I¹' i g, 1 eine Itlnguntreuo Ansicht einer aus einem Stück bestehenden Schaltung,

F1 g, 2 einen Halter zur Ausbildung von Ansatz-Stücken auf den Anschlußteilen einer solchen Schaltung,

F i g. 3 die Montage der Ansatzstücke auf den Anschlüssen der Schaltung,

Fig, 4 eine Verbindung der aus einem Stück bcstehenden Schaltung mit einer einen dünnen Film tragenden Unterlage oder mit dem Verbindungsbereich einer gedruckten Schaltungsplatte und

F i g. 5 eine aus einem Stück bestehende Schaltung, die mit mehreren Leitern einer gedruckten Schaltung aus dünnen Filmen in Verbindung steh*.

In den Fig, 1 und 2 ist perspektivisch bzw. als Endansicht eine aus einem Stück bestehende Schaltung 10 zu sehen, dip z.B.-nach einem Halbleitcrbcarbeitungsverfahren ausgebildet ist. Die verschiedeneu Diffusions- und/oder epitaxialen Schichten (nicht gezeigt) sind in der Unterlage eingebettet, so daß nur Anschlußteile 12 zu sehen sind. Diese Teile 12 und Leiter 13« sind in üblicher Weise, z. B. durch Vakuumaufdampfung, aus einem Material hergestellt, das in der Wlirme gegen einen anderen Körper gepreßt oder mit Hilfe von Ultraschall an diesen gebunden werden kann. Andere Verfahren, z. B. das Schweißen, können ebenfalls einwandfrei sein. Die Anschlüsse und Leiter bestehen in üblicher Weise aus Gold, Silber, Aluminium oder einem anderen leitfühigen Material.

Mit Hilfe eines Vakuumhalter 14 (F i g. 2), dessen Schenkel 16 vorspringen und erhitzt werden können, wird eine solche Kraft ausgeübt, daß Kugeln oder andere Formstücke 13 aus Gold oder einem anderen Material heiß auf die Anschlußteile 12 gepreßt werden. Um die Kugeln über den Vakuumhalter erwärmen zu können, kann eine beliebige Anordnung Anwendung finden. An Stelle des erhitzten Vakuumhalters kann auch eine mit Ultraschall arbeitende Bindevorrichtung vorgesehen sein. Die Kugeln werden mit Hilfe eines Vakuums, das von einer Quelle (nicht gezeigt} durch Schlitze 20 durchtritt, zum Teil in Vertiefungen 18 festgehalten. Die Anschlußteile der Schaltung 10 sind dabei auf die Goldkugeln derart ausgerichtet, daß bei einer Abwärtsbewegung des Vakuumhalter und der fortgesetzten Ausübung des Druckes die Kugeln entsprechend der geometrischen Gestalt der Vertiefungen 18 deformiert werden und silIi langgestreckte vorspringende Ansatzstücke 22 bilden, wobei eine Bindung durch Wärme und Druck gemäß F i g. 4 entsteht. Diese Bindung führt zu einer sicheren mechanischen und elektrischen Vcibindung zwischen den Ansatzstücken aus Gold und den Anschlußteilen 12 des Halbleiters 10.

Diese elektrischen Verbindungen siiu' nicht nur zwischen einem Halbleiterbauelement unu einem Gerat mit dünnen Filmen brauchbar, sondern können auch bei anderen Kombinationen, z. B. zwischen einer aus einem Stück bestehenden Schaltung in Form eines Halbleiterblockes und einer gedruckten Schalungsplatte, die durch ein Lichtätz-oder ein Abschirimingsverl'ahrcn mit Seide hergestellt ist, zwischen gedruckten Schallungsplattcn oder zwischen Unterlagen mit dünnen Filmen angewendet werden.

DicAnschlußleilc 12 sowie die Verbindungsbereiche 24 einer dünne Filme tragenden Unterlage 26 bzw. .·ίηι·Ν UL'drucklen Schallungskörpers 26 sind vorzugsweise uns Kupfer hergestellt, du Kupfer ein uusgezcicunctcr Leiter ist, vom Lot gut benetzt wird und keinen Schaden erleidet, wenn es z. B. mit einem Lot aus Blei und Zinn oder Silber und Kupfer in Bo-

rührung kommt. Langgestreckte Leüer 27 können aus einem beliebigen elektrisch leitenden Material, z. B. Kupfer, Silber, Aluminium oder Gold bestehen. Die Unterlage 26 wird dann in das flüssige Lot aus Blei und Zinn, reinem Blei, reinem Zinn oder »us Silber

ίο und Kupfer getaucht. Wie man herausgefunden hat, ist eine eutektische Mischung der Legierung aus Blei und Zinn vorzuziehen, die sich durch den niedrigsten Schmelzpunkt im Vergleich mit Mischungen in anderen Anteilen auszeichnet. Biet und Zinn selbst

haben einen höheren Schmelzpunkt, als ihn die eutektische Mischung aufweist. Der Vorteil einer möglichst niedrigen Schmelztemperatur besteht darin, daß die Möglichkeit für Schäden an dem gedruckten oder dünne Filme tragenden Schaltungskörper

ao weitgehend verringert wird, wenn eine Tauchlötung stattfindet. Bei diesem Vorgang bildet das Lot Tröpfchen oder Erhebungen 28, die an den kupfernen Anschlußteilcn und an den Leitern der Unterlage haften. Ein besonders vorteilhaftes Ergebnis der Tauchlötung

as besteht darin, daß der Film oder die Schicht des Lotes, die an den Leitern oder an den Verbindungsbereichen haftet, die elektrische Leitfähigkeit verbessert.

Nach der Bindung mit HiUe von Wärme und Druck wird das Halbleiterbauelement 10 umgedreht.

so daß die Ansatzslücke 22 aus Gold mit dem geschmolzenen Gebilde aus dem Blei-Zinn-Lot am Verbindungsbercich des dünnen Films csder der gedruckten Schaltung in Berührung kommen können. Der Unterlage wird so viel Wärme zugeführt, daß die Ge-

bilde aus dem Lot ihre Schmelztemperatur überschreiten, die annulierend 183° C beträgt. Diese eutektische Temperatur ist somit nur ein Bruchteil der Schmelztemperatur des Goldes von etwa 1063" C. Wenn die goldenen Ansatzstücke 22 in das Gebilde 28 aus dem Blei-Zinn-Lot eindringen, löst sich etwas Gold in diesem Lot auf. Bei der eutektische!! Temperatur löst das Lot nur einen Teil seines Eigcngewich-

, tes an Gold auf. Wenn die Temperatur dieses Lotes jedoch größer als die eutektische Temperatur ist, löst es einen größeren Anteil seines Eigengewichtes an Gold. Wenn das Lot das Gold ausgelöst hat, stellen sich die Unterlagen selbsttätig auf eine Höhe und in eine Richtung ein, in der die erzeugten Bindungen an die Zwischenstücke 24 der gedruckten oder dünne Filme tragenden Schaltung anstoßen und mit diesem verlötet sind.

Anstatt die Unterlage im voraus zu erhitzen, damit die Gebilde aus dem Lot schmelzen, kann das gesamte Verfahren dadurch in einem einzigen Schritt zusammengefaßt werden, daß die Ansatzstücke aus Gold im Lötmittel unmittelbar nach dem Tauchlöten aufgelöst werden. Auf diese Weise wird der Vorteil, daß sich das Lot im flüssigen Zustand befindet, ausgenutzt, um gewisse Probleme einer vorausgehenden

Erwärmung auszuschalten.

Fernerhin ist das Tauchlöten lediglich ein brauchbares Verfahren, die Leiter und Zwischenstücke /u überziehen. Die Vakuuinaufdampfung und aiuleie Verfahren können ebenso sehne!! durchgefühlt werden.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur gegenseitigen Verbindung einer aus einem Halbleiterblock bestehenden und

zahlreiche leitende Anschlußteile aufweisenden Schaltung mit leitenden Verbindungsbercichen einer isolierenden Unterlage durch Löten, d a durch gekennzeichnet, daß Ansatzstücke (22) aus Gold an die leitenden Anschlußteile (12) des Halbleiterblockes (10) gebunden und dann in einem an den Verbindungsbereichen (24) der Unterlage (26) angebrachten, flüssigen Lot (K) aufgelöst werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- ίο kennzeichnet, daß die Ansatzstücke (22) aus Gold dadurch an die Anschlußteile (12) gebunden werden, daß mit Hilfe eines erhitzten Vakuumhalters (14) Goldkügelchen (13) gegen die leitenden Anschlußteile (12) gepreßt und dabei unter der Mitwirkung der Wärmd verformt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lot (28) an den Verbindungsbereichen (24) der Unterlage (26) durch Eintauchen angebracht wird, wobei Tröpfchen ao oder Erhebungen (28) zumindest auf diesen Bereichen (24) entstehen, und daß die Ansatzstücke (22) mit diesen Tröpfchen oder Erhebungen (28) in Berührung gebracht werden und sich ihr Material, nämlich Gold, in ihnen (28) auflöst.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Lot eine eutektische Blei-Zinn-Legicrung ist.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Lot eine eutektische Silber-Kupfer-Legierung ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bindung der Ansatzstücke (22) aus Gold mit Hilfe von Ultraschall bewirkt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage (26) mit dünnen Filmen versehen ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unte;iage (26) zu einer gedruckten Schaltung gehört.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen