DE1817480A1 - Verfahren zum selektiven Aufbringen von Loetmetallen oder dergleichen auf ein Substrat fuer mikrominiaturisierte Schaltkreise - Google Patents

Description

Amt!.Aktenzeichen:

Ne uanmeldung

Aktenz.d. Anmelder in: Docket E¹I 967 057

Verfahren zum selektiven Aufbringen von Lötmetallen oder dergleichen auf ein Substrat für mikrominiaturisierte Schaltkreise

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum selektiven Aufbringen von Lötmetallen oder anderen Verbindungsstoffen auf in gedruckter Technik hergestellte Leiterzüge, die sich auf einem Substrat oder einem anderen Träger befinden und. zur Herstellung von Schaltkreisen für elektronische Geräte dienen.

In der Technik der gedruckten Schaltungen ist es bekannt, die Leiterzüge auf dem Träger mit einem Lötmetall, wie z.B. Lötzinn, zu überziehen, um die auf den Träger aufzubringenden Bauteile mit ddn Leitungszügen verbinden zu können. Das Aufbringen der Lötmittel kann einmal auf konventionelle Art mit dem Lötwerkzeug geschehen, in dem das Lötmetall unmittelbar an die Stelle gebracht wird, an der eineVerbindung zwischen Leiterzug und einem Bauteil stattfinden soll und zum anderen ist es auch bekannt, daß Lötmittel mit Hilfe eines sogenannten Schwallbades das Leitungsmuster in seiner Gesamtheit zu be-

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Jedoch ist es oft erforderlich, auch im Schwallbad-Lötverfahren das Lötmetall nur an bestimmte Stellen des Leitungsmusters zu bringen, da es an anderen Stellen, wie z.B. Aufnahmelöchern für einzusteckende Teile nicht vorhanden sein dauf. In solch einem Falle müßte das Lötmetall von diesen Stellen durch Ausbohren, Abziehen oder Ätzen nachträglich entfernt werden.Diese nachträgliche Entfernung ist jedoch technisch sehr schvierig und hat außerden noch dän Nachteil, daß dabei die darunter liegenden Leitungsmuster zerstört werden können. Außerdem hat es sich herausgestellt, daß bedingt durch die hohe Temperatur des Schwall-Löt-Bades von. über 500° C Erosionseffekte an verschiedenen Stellen eines Leitungsmusters auftreten, die dazu führen, daß eine später herzustellende Verbindung nicht elektrisch einwandfrei ist.

Um das Lötmaterial nur an bestimmten Stellen selektiv aufzubringen, wurde auch schon vorgeschlagen, Masken auf das Leitungsmuster aufzubringen, die Ausschnitte aufweisen,an denen aas Lötmetall deponiert werden soll. Dadurch, daß die Lötbadtemperatur' über 500° C beträgt und Masken deshalb aus einem sehr hitzebeständigen Material, wie Silicon-Harzen bestehen müssen und außerdem diese Masken mit der Trägerplatte genauestens ab-. schließen müssen, um ein Kriechen des Lötmetalls zwischen der Maske und dem Träger zu verhindern, treten dabei solche Problerne auf, die dieses Verfahren für die meisten Zwecke unbrauchbar machen. So z.B. werden bei der Entfernung der Masken zum

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größten Teil Leiterzüge aber auch Stellen, die das aufgebrachte Lötmetall aufgenommen haben, beschädigt.

Man hat auch schon vorgeschlagen, die Stellen der gedruckten Leiterzüge chemisch zu behandeln, die nicht mit Lötmetall überzogen v/erden sollen. So z.B. kann eine Oxydation dieser Stellen vorgenommen werden, so daß das Lötmittel an diesen Stellen nicht sehr haftet und nachträglich ohne weiteres abgezogen werden kann. Bei dieser M³thode stellte sich jedoch das Problem, daß auch eine spätere Lötverbindung an dieeen Stellen nicht hergestellt ^^ werden kann. Zu diesem Zwecke muß nämlich vor dyir. Lotvorgang die vorher aufgebrachte Oxydationsschicht wieder chemisch entfernt werden. Dieses Entfernen der Oxydationsschicht ist äußerst schwierig und langwierig, so daß auch dieses Verfahren in der , Praxis kein:.· Anwendung findet.

Erfindung li'-ct deshalb di<^j «ufgabe zugrunde, sin Verfahren zum selektiven aufbrxn, en von Lötmetali auf Leitungsmuster oder dergleichen zu schaffen, das sieh auch für das Schwallbad eignet und das ohne Zerstörung von Teilen des Leitungsmusters angewendet werden kann.

Die erfindungsgemässe Lösung der Aufgabe besteht darin, daß zur Abdeckung der Stellen der Oberfläche des Leitungsmusters ein kristallines Sauerstoff enthaltendes keramisches !«!aterial verwenddt wird, iass nach dem .-Abdecken di= oberfläche r.it dem Lötmetall in V. rar.iun^ jebraoht wird und dai danach die Keramische Schicht mechanisch wieder entfernt wird.

Eine ',fitere, «sehr vorteilhafte L'isur^, besteht d&rin, a-A.^; -^ __ .,. 009812/U63

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colloidale Lösung aus einer kristallinen Sauerstoff enthaltenden;f keramischen Masse in einem flüssigen Schutzmittel auf die nicht zu lötenden Stellen des Substrats gebracht wird, daß der ge- ' ■· samte Schaltungsbaustein danach erhitzt wird, wodurch durch · Verdampfen das flüssige Schutzmittel entfernt wird und daß danach die Oberfläche mit geschmolzenem Lötmittel versehen wird, wonach die Schicht aus leramischem Material mechanisch entfernt wird. _t

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch die annähernd gleichen Ausdehnungskoeffizienten des Trägermaterials und des Materials der aufgebrachten Maskekeine Risse bei der zum Löten erforderlichen sehr hohen Erhitzung entstehen können, so daß sich dieses Verfahren besonders für eine Schwallbad-oder Tauchlötung eignet.

Die Erfindung wird nun anhand von in den Zeichnungen dargestellen Ausführungsbeispielen näher erklärt. Es zeigen:

Fig.1 ein Substrat mit aufgedruckten Leiterzügen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt wurden;

Fig.2 einen Schnitt durch das Substrat der Fig.1 entlang der Linie 2-2 und

die dieselbe Ansicht wie Fig.2 während verschiedener

3-5 Stufen bei der Durchführung des erfindungsgemäBen Verfahrens.

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Das in den Flg.1 und 2 gezeigte Keramik-Substrat 10 trägt ver-SQhiedene Elektroden oder Leitungsmuster 11. Die Leitungsmuster können auf bekannte Art und Weise hergestellt werden und z.B. - aus einer Silber-Palladium-Verbindung bestehen. Alle die auf dem Substrat 10 aufgebrachten Leitungselemente 11 sind nun mit einem Lötmittel zu überziehen, ausgenommen die Stellen 12,die außerhalb der Linien 13 und 13'liegen.

Außerhalb dieser Linien 13 und 13' wird auf das Substrat eine ^ Verbindung gebracht, die drei Gewichtsteile Siliciumdioxyd ent- ^ hält, wobei die Teilohengröße bis 0,02 ^V sein kann, das in 97 Teilen einer Lösung disperglert ist. Diese Lösung enthält 11,5 Gewichts^ polygener Äthyl-Zellulose, die ein mittleres Molekulargewicht hat und 88,5$ eines Terpineol-LSsungsmittels. Das Aufbringen dieser Schicht erfolgt durch das Siebdruck-Ver- ₍ fahren oder durch Schablonen, die öffnungen für das entsprechende Muster aufweisen, auf das Substrat. Die aufgebrachte Schicht hat eine Dicke bis zu 25 IV ,

Das beschichtete Substrat wird dann erhitzt, um die flüssigen Lösungsmittel zu entfernen. Die Dauer des Erhitzungszyklus beträgt ca. 20 Minuten, wobei das Substrat auf eine Temperatur bis zu 500° C gebracht wird. Während dieser Erhitzungsperiode wird das Lösungsmittel in der Verbindung entfernt. Das Substrat wird daraufhin einer Temperatur von 500° - 700° in einer Zeitdauer bis zu 15 Minuten ausgesetzt. Während dieser Periode -'wird die polymere Äthyl-Zellulose zersetzt und als gasförmiges Verbrennungsprodukt entfernt. Zurück bleibt eine sehr adherente

Schicht 14 von colloidalem SilioiumdiojEyd, wie es in Flg.3 zu PI 967 O₅T 00981 2/U63

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sehen ist.

Danach wird auf das Substrat 10 ein entsprechendes Flußmittel aufgebracht. Das Substrat wird dann bei einer Temperatur von 325° C in einem Lötbad mit einem bestimmten flüssigen Lötmittel für ca. 10 Sekunden zusammengebracht. Wird das Substrat aus dem Bad entnommen, dann ist eine Lötmittelschicht I5 auf den LeIv..: tungsmustern 11 vorhanden, aber nicht auf der vorher aufgebrachten Keramikschicht, wie äs in Fig.4 dargestellt ist.

Das Substrat wird nach diesem Vorgang in ein Trichloräthylen-Bad eingetaucht. Die Eintauehzeit beträgt ca. I5-90 Minuten und das Bad ist dabei noch einer Schwingung von 20-40 KHz: ausgesetzt. Dadurch wird der Teilüberzug 14 restlos entfernt, so daß sich die Struktur, die in Fig.5 zu sehen ist, ergibt. Aus Fig.5 ist ganz deutlich τα ersehen, daß das Leitungsmuster 11 an allen Stellen mit einer Löfemetallschicht I5 überzogen ist, ausgenommen die Stellen 12, die vorher abgedeckt waren.

In einem anderen Beispiel für das erfindungsgemaße Verfahren wird unter denselben Bedingungen anstatt des oolpidalen Siliciumdioxyds ein colloidaies Aluminiumoxyd, das eine Korngröße von 0,05 Αμ aufweist, verwendet. Die Resultate, die riit diesem colloidalen Aluminiumoxyd erreicht werden, sind genauso wie bei dem bereits oben beschriebenen Beispiel.

Es können selbstverstänlich auch andere colbidale Sauerstoff enthaltende keramische Werkstoffe anstatt von Aluminiumoxyd und: Silioiumdioxyd verwendet werden. Derartige keramische Werkst Qf fe_t PI 9-67-057 0098 12/1463

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die einen Schmelzpunkt über 1000° haben,sind vornehmlich Titändioxyd, Chrom-Trioxyd, Indium-Trioxyd und Barium-Oxyd.

Durch Verwendung von keramiscten Werkstoffen mit einem derartig

*. hohen Schmelzpunkt wird erreicht, daß der keramische Werkstoff während des Erwärmungsprozesses keinerlei Schäden nimmt und somit ein einwandfreies nachträgliches selektives Aufbringen von Lötzinn auf Leitungsmuster ermöglicht. Es können auch Sauer stoff enthaltende keramische Werkstoffeverwendet werden, die einen Schmelzpunkt in dem Bereich von 600 - 900° haben, wenn beim Erwärmungszyklus der entsprechende Temperaturbereich für das bestimmte keramisehe Material sorgfältig berücksichtigt wird· Die Partikel des verwendeten keramischen Materials.sollten einen Durchmesser in der Größenordnung von 0,01 - 1 a/* haben. Die Partikelgrösse ermöglicht eine Schicht von sehr gleichmäßiger Dicke. Außerdem haben die keramischen Schichten eine sehr gute Adhäsion zum Substrat.

Das Mittel, in dem das colloidale keramisehe Material gelöst ist, kann bei dem Erwärmungszyklus von 500° C bis 1000° C beseitigt werden. Das Lösungsmittel entweicht dabei als gas förmiges Verbrennungsprodukt. Die Lösung enthält dabei einen harzigen Binder und ein Lösungsmittel für den Binder. Mögliche Binder enthalten z.B. ÄthylzeHuIose, Methylzellulose, synthetische Harze wie Polystyrene und Poly-Alpha-Methylstyrene und Poly-Methylmethacrylate. Als Lösungsmittel sind enthalten höher siedende Paraffine, Cycloparaffine, aromatische Hydrocarbonate, ein oder mehrere Mono- und DUalkyl-Ester und DLiethylen Glycol oder ihre Derivaten, wie z.B. ixiäth; ; :~ ·?;;,ο-1.

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Eine entsprechende Dispersion enthält von 1 - 15 Gewichts$ colloidales Sauerstoff enthaltendes Keramikmaterial und von ι 85 - 99$ eines entsprechenden Lösungsmittels. Die besten Resultate wurden mit einem Anteil von Keramikmaterial von 3-5$ erzielt. Die Lösung hierfür enthält von 75-90$ Lösungsmittel und 10-25$ eines harzhaltigen Binders.

Bei der Anwendung der ^rfindungsgemäßen Lötoperation wird sichergestellt, daß nur die Teile einer Leitungsmusterstruktur mit einer lotfähigen Schicht überzogen werden, die überzogen werden sollen und daß von den anderen Stellen das Überflüssige Material entfernt wird, ohne daß eine Beschädigung oder Beeinträchtigung der Struktur des Substrates oder der Leitungszüge eintritt. Besonders geeignet ist zur Beseitigung der überflüssigen Schihht die Anwendung eines Ultraschallverfahrens, Dazu wird das Substrat in einen bekannten Ultraschalltank eingetaucht, der entweder Wasser oder Trichloräthylen enthält und einer mechanischen Schwingung von 20-40$ Khz ausgesetzt ist.

Obwohl das vorliegende erfindungsgemäße Verfahren anhand des Aufbringens eines Lötmittels auf keramische Substanzen mit Hilfe des Tauchlötverfahrens beschrieben worden ist, ist es selbstverständlich auch möglich, dieses Verfahrennauch bei Schwallbad-Lötungen oder anderen Metallverbindungsverfahren, die mit einem lösbaren metallischen Lötmetall arbeiten, zu verwenden.

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Claims (2)

FI 967 057 16. Dezember I968 ru-sk Patentansprüche

1. . Verfahren zum selektiven Aufbringen von Lötmetallen oder anderen Verbindungsstoffen auf in gedruckter Technik hergestellte Leiterzüge, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abdeckung der Stellen der Oberfläche des Leitungsmusters ein kristallines Sauerstoff enthaltendes keramisches φ Material verwendet wird, dass nach dem Abdecken die Oberfläche mit dem Lötmetall in Verbindung gebracht wird und daß danach die keramische Schicht mechanisch wieder entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine colloidale Lösung aus einer kristallinen Sauerstoff enthaltenden keramischen Masse in einem flüssigen Schutzmittel auf die nicht zu lötenden Stellen des Substrats

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gebracht wird, daß der gesamte Schaltungsbaustein danach ^w erhitzt wird, wodurch durch Verdampfen das flüssige Schutzmittel entfernt wird und daß danach die Oberfläche mit geschmolzenem Lötmittel versehen wird, wonach die Schicht aus keramischem Material mechanisch entfernt wird.

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