DE19544929A1 - Verfahren und Vorrichtung zum flußmittelfreien Aufbringen eines Lötmittels auf ein Substrat oder einen Chip - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung zum flußmittelfreien Aufbringen eines Lötmittels auf ein Substrat oder einen Chip.

Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren bekannt, die das Aufbringen von Lötmitteln auf ein Substrat ermögli­ chen. Das aufzubringende Lötmittel kann in der Form von so­ genannten Lotkugeln vorliegen.

Bei einem bekannten Verfahren werden Lotkugeln unter Verwen­ dung einer Schablone auf einem Substrat angeordnet. An­ schließend erfolgt unter Verwendung von Flußmitteln ein Umschmelzen dieser Lotkugeln. Bei diesem Verfahren wird das Flußmittel vor dem Aufbringen der Lotkugeln auf das Substrat aufgebracht, um die Lotkugeln auf dem Substrat zu fixieren.

Ein weiteres bekanntes Verfahren verwendet die Siebdruck­ technik. Hierbei wird eine Lotpaste mittels der Siebdruck­ technik auf das Substrat aufgetragen. Die Lotpaste besteht aus feinen Lotkugeln und Flußmittel. Nach dem Aufdrucken der Lotpaste auf das Substrat erfolgt ein Umschmelzen in einem Ofen.

Ein Nachteil des oben beschriebenen Siebdruckverfahrens gemäß dem Stand der Technik besteht darin, daß dessen Anwendung für die Belötung im sogenannten Fine-Pitch-Bereich begrenzt ist.

Die Verwendung von Flußmittel führt zu einer erhöhten Belastung der Umwelt bei der Anwendung der oben be­ schriebenen bekannten Verfahren.

Beim Löten von Aluminium muß die oxidierte Oberfläche vor dem Löten gereinigt werden, da das Löten auf Aluminium-Oxid nicht möglich ist. Diese Reinigung durch Ätzen ist ein sehr aufwendiger Prozeßschritt.

Dieses Problem tritt insbesondere beim Kontaktieren von Chips auf, wenn die Kontaktierung nicht mittels der bekannten Bondverbindungen erfolgen soll, sondern ein Lötverbindung erwünscht ist. Herkömmliche Chips weisen sogenannte Anschlußflächen (Pads bzw. Kontaktpads) auf, die aus Aluminium bestehen. Zwar ist eine Bondverbindung durch Bonddrähte mit diesen Aluminium-Anschlußflächen möglich. Zum Herstellen einer Lötverbindung ist es jedoch erforderlich, eine Metallisierung der anfänglichen Anschlußfläche mit belötbaren Metallen, wie z. B. Gold, vorzunehmen. Eine direkte, gelötete Kontaktierung des Chips auf den Aluminium-Anschlußflächen ist aufgrund der auftretenden Oxidation, d. h. der Bildung einer Aluminium-Oxid-Schicht auf der Anschlußfläche, nicht möglich. Auch die Verwendung eines Flußmittels kann dieses Problem nicht lösen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegen­ den Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die das Aufbringen von Lötmitteln auf eine Substratoberfläche ohne Verwendung von Flußmitteln, oder das direkte Aufbringen eines Lötmittels auf die Anschlußflächen eines Chips ohne Verwendung von Flußmitteln ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1, so­ wie durch eine Vorrichtung nach Anspruch 17 und 18 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum flußmit­ telfreien Aufbringen eines Lötmittels auf ein Substrat oder einen Chip, bei dem in einem ersten Schritt ein Bereich auf einer Oberfläche des Substrats oder eine Anschlußfläche des Chips, auf dem das Lötmittel aufgebracht wird, gereinigt wird. Anschließend wird der gereinigte Bereich durch ein Schutzgas von der Umgebung isoliert, bevor das Lötmittel auf den gereinigten, isolierten Bereich aufgebracht wird.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erfolgen die Schritte des Reinigens und des Iso­ lierens des gereinigten Bereichs zeitgleich, so daß sicher­ gestellt ist, daß eine erneute Kontamination des gereinigten Bereichs schon während der Reinigung ausgeschlossen ist.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels liegt das Lötmittel in fester Form vor, z. B. in der Form von so­ genannten Lotkugeln. In diesem Fall umfaßt das Aufbringen des Lötmittels auf dem gereinigten, isolierten Bereich den Schritt des Anordnens des festen Lötmittels auf dem Bereich sowie den Schritt des Schmelzens bzw. Umschmelzens des fe­ sten Lötmittels.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zum fluidfreien Aufbringen eines Lötmittels auf ein Substrat oder einen Chip, mit einer Laserlichtquelle; einer Umlenk­ einrichtung, um den von der Laserlichtquelle erzeugten La­ serstrahl auf eine Frequenzvervielfachungseinrichtung zu richten; einer Reservoireinheit, in der das Lötmittel in fester Form enthalten ist; einer Schutzgasquelle; einer Ein­ richtung, die die Reservoireinheit und die Schutzgasquelle wirksam mit einem Bereich auf einer Oberfläche des Substrats oder einer Anschlußfläche des Chips verbindet, auf dem/der das Lötmittel aufbringbar ist; einer Steuereinheit, die be­ wirkt, daß die Umlenkeinrichtung den Laserstrahl auf die Frequenzvervielfachungseinrichtung richtet, um den ersten auf den Oberflächenbereich des Substrats oder auf die An­ schlußfläche des Chips gerichteten Laserstrahl zu erzeugen, und die Schutzgasquelle ein Schutzgas auf den Bereich der Oberfläche des Substrats oder die Anschlußfläche des Chips richtet, wobei die Steuereinheit den ersten Laserstrahl un­ terbricht, wenn der Bereich auf der Oberfläche des Substrats oder die Anschlußfläche des Chips gereinigt ist; daß die Re­ servoireinheit das feste Lötmittel freigibt; und daß die Um­ lenkeinrichtung den Laserstrahl direkt auf den Oberflächen­ bereich des Substrats oder auf die Anschlußfläche des Chips richtet, auf dem/der das feste Lötmittel angeordnet ist, um das feste Lötmittel umzuschmelzen.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zum fluidfreien Aufbringen eines Lötmittels auf ein Substrat oder einen Chip, mit einer ersten Laserlichtquelle, die einen ersten Laserstrahl mit einer ersten Wellenlänge aus­ gibt; einer zweiten Laserlichtquelle, die einen Laserstrahl mit einer zweiten Wellenlänge ausgibt; einer Reservoirein­ heit, in der das Lötmittel in fester Form enthalten ist; einer Schutzgasquelle; einer Einrichtung, die die Reservoir­ einheit und die Schutzgasquelle wirksam mit einem Bereich auf einer Oberfläche des Substrats oder einer Anschlußfläche des Chips verbindet, auf dem/der das Lötmittel aufbringbar ist; einer Steuereinheit, die bewirkt, daß die erste Laser­ lichtquelle den ersten Laserstrahl und die Schutzgasquelle ein Schutzgas auf den Oberflächenbereich des Substrats oder die Anschlußfläche des Chips richtet, wobei die Steuerein­ heit den ersten Laserstrahl unterbricht, wenn ein Bereich auf der Oberfläche des Substrats oder die Anschlußfläche des Chips gereinigt ist; daß die Reservoireinheit das feste Löt­ mittel freigibt; und daß die zweite Laserlichtquelle den zweiten Laserstrahl auf den Bereich auf der Substratoberflä­ che oder die Anschlußfläche des Chips richtet, auf dem/der das feste Lötmittel angeordnet ist, um das feste Lötmittel umzuschmelzen.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel liegt das feste Lötmittel in der Form von sogenannten Lotkugeln vor.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfin­ dung sind in den Unteransprüchen definiert.

Nachfolgend werden anhand der bei liegenden Zeichnungen be­ vorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 die erfindungsgemäße Vorrichtung vor dem Aufbringen des Lötmittels auf eine Substratoberfläche gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;

Fig. 2 die erfindungsgemäße Vorrichtung nach dem Anordnen des Lötmittels auf der Substratoberfläche gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;

Fig. 3 die erfindungsgemäße Vorrichtung vor dem Aufbringen des Lötmittels auf eine Anschlußfläche eines Chips gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; und

Fig. 4 die erfindungsgemäße Vorrichtung nach dem Anordnen des Lötmittels auf der Anschlußfläche des Chips.

Bezüglich der nachfolgenden Beschreibung der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens wird darauf hingewiesen, daß in den Zeichnungen gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind.

Bei dem nachfolgend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfah­ ren und der Vorrichtung wird die Oberfläche eines Substrats, die z. B. mit Kupfer beschichtet ist oder aus diesem besteht, mit Lotkugeln verzinnt oder mit Lothöckern versehen. Die er­ findungsgemäße Vorrichtung wird auch als µBGA-Anlage (BGA = Ball Grid Array) bezeichnet.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung 100 zum flußmittelfreien Aufbringen eines Lötmittels 102 auf ein Substrat 104. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Substrat 104 über Befestigungserhebungen (Bumps) 106 an einem Chip 108 befe­ stigt. Das Substrat 104 besteht im wesentlichen aus einer ersten Schicht 110, die beispielsweise aus einem Metall (z. B. Kupfer) besteht. Ferner weist das Substrat 104 eine zweite Schicht 112 als Isolationsschicht auf. Auf der dem Chip 108 zugewandten Oberfläche des Substrats 104 ist eine strukturierte Anschlußleitungsschicht 114 angeordnet, die bei diesem Beispiel den Chip 108 über die Bumps 106 und über die strukturierten Anschlußleitungen 114 mit einer externen Schaltung verbindet. Wie es in Fig. 1 zu sehen ist, ist das Substrat 104 ebenfalls strukturiert und weist eine Mehrzahl von Ausnehmungen 116a, 116b auf. Diese Ausnehmungen dienen bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel als Löt­ stellen, wie dies beispielhaft bei 118 dargestellt ist, wo bereits eine Lotkugel mit der Anschlußleitungsschicht 114 über die Ausnehmung 116a in Verbindung ist.

Bezüglich des oben beschriebenen Substrats und der Kombina­ tion aus Substrat 104 und Chip 108 wird darauf hingewiesen, daß die spezielle Ausgestaltung des Substrats 104 ebenso durch Ablation mittels Laser realisiert werden kann.

Nachfolgend wird nun detaillierter auf die erfindungsgemäße Vorrichtung eingegangen.

Die Vorrichtung 100 zum Oberflächenbehandeln und zum fluß­ mittelfreien Aufbringen eines Lötmittels umfaßt eine erste Laserlichtquelle 120, die einen ersten Laserstrahl 122 mit erster Wellenlänge ausgibt. Ferner ist eine zweite Laser­ lichtquelle 124 zum Ausgeben eines zweiten Laserlichtstrahls 126 vorgesehen. Unter Verwendung einer geeigneten Umlenkvor­ richtung 128, kann zwischen der ersten Laserlichtquelle 120 und der zweiten Laserlichtquelle 124 umgeschaltet werden. Die entsprechende Ansteuerung der Vorrichtung 100 erfolgt über eine Steuereinrichtung (nicht dargestellt).

Es wird darauf hingewiesen, daß die Laserlichtquellen 120, 124, die Laserstrahlen 122, 126 sowie die Umlenkeinrichtung 128 lediglich im Prinzip dargestellt sind. Solche Einrich­ tungen sind in Fachkreisen bekannt. Auf eine nähere Erläu­ terung dieser Elemente wird daher verzichtet.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 umfaßt ferner ein Re­ servoir 130 sowie eine Schutzgasquelle. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel bilden die Reservoirein­ heit 130 und die Schutzgasquelle eine Einheit. Diese beiden Elemente können jedoch selbstverständlich auch als getrennte Einheiten ausgeführt sein.

Ein Verbindungselement 132 dient im wesentlichen dazu, das Reservoir und die Schutzgasquelle wirksam mit einem Bereich auf einer Oberfläche des Substrats 104 zu verbinden.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt das Verbindungselement 132 an dem vom Substrat 104 abge­ wandten Ende eine Linse 134. Wie es in Fig. 1 zu sehen ist, weist das Verbindungselement 132 einen zusammenlaufenden Ab­ schnitt 136 auf. Dieser zusammenlaufende Abschnitt 136 ist derart ausgestaltet, daß eine Öffnung 138, die benachbart zu der Oberfläche des Substrats 104 angeordnet ist, einen klei­ neren Durchmesser aufweist als das entgegengesetzte Ende des Verbindungselements 104, an dem die Linse 134 befestigt ist. Die Linse 134 dient bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel dazu, den Laserstrahl 122, der bei dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel von der ersten Laserlichtquelle 120 herrührt, auf den Bereich 140 zu fokussieren bzw. zu rich­ ten, auf dem die Lotkugel 102 angeordnet werden soll.

Wie es in Fig. 1 zu sehen ist, ist die Schutzgasquelle und das Reservoir 130 über ein Verbindungsstück 142 mit dem Ver­ bindungselement 132 verbunden.

Wie es bereits ausgeführt wurde, erfolgt die Steuerung der Vorrichtung 100 mittels einer nicht dargestellten Steuerein­ heit. Diese Steuereinheit bewirkt, daß die erste Laserlicht­ quelle 120 den ersten Laserlichtstrahl 122 auf den Oberflä­ chenbereich 140 des Substrats 104 richtet (wie dies in Fig. 1 dargestellt ist). Bevorzugterweise erzeugt die erste La­ serlichtquelle einen Laserstrahl, der eine Wellenlänge von 226 nm hat. Dieser erste Laserstrahl weist eine kurze Puls­ länge (im Nanosekundenbereich) sowie eine hohe Energiedichte auf. Durch den ersten Laserstrahl erfolgt eine Reinigung (Ablation) der Oberfläche 110 des Substrats 104. Die Ober­ fläche des Metalls (Kupfer) wird durch das Ätzen mittels des ersten Laserstrahl 122 von Kontaminationsschichten gerei­ nigt, wodurch eine belötbare Oberfläche erzeugt wird. Der Vorteil besteht hierbei darin, daß die negative Beeinflus­ sung der Benetzungseigenschaften des Lotes durch die Konta­ minationsschichten ausgeräumt wird. Um eine erneute Kontami­ nation der gerade gereinigten Oberfläche zu vermeiden, wird der gereinigte Bereich 140 mittels eines Schutzgases von der Umgebung abgeschlossen. Bevorzugterweise handelt es sich hierbei um ein sogenanntes Inertgas. Abhängig von der zu reinigenden Oberfläche kann es erwünscht sein, den Fluß des Schutzgases bereits während der Reinigung der Oberfläche zu beginnen oder gleichzeitig die Oberfläche zu reinigen und das Schutzgas einzusetzen, wenn mit einer schnellen erneuten Kontamination der Oberfläche zu rechnen ist. Für Oberflä­ chen, bei denen eine Kontamination nur langsam wieder auf­ tritt, ist es ausreichend, den gereinigten Bereich erst nach Abschluß der Reinigung mittels des Schutzgases bzw. Inert­ gases von der Umgebung hermetisch abzuschließen.

Sobald die Reinigung des Bereichs 140, auf dem die Lotkugel 102 angeordnet werden soll, beendet ist, unterbricht die Steuereinheit den ersten Laserstrahl 122. Nach der Reinigung des Oberflächenbereichs 140 wird durch das Reservoir 130 ein festes Lötmittel, bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel handelt es sich hierbei um eine Lotkugel 102, freigegeben. Das Reservoir 130 kann beispielsweise eine Ver­ einzelungseinheit aufweisen, die dazu dient, Lotkugeln bzw. Lötmittel mit entsprechenden Abmessungen bzw. mit entspre­ chender Menge freizugeben, abhängig von dem zu lötenden Be­ reich. Diese Vereinzelungseinheit kann beispielsweise durch eine Förderschnecke oder durch eine perforierte Scheibe re­ alisiert werden.

Die Zuführung der Lotkugel 102 zu dem Bereich 140 über das Verbindungselement 132 erfolgt bei dem in Fig. 1 dargestell­ ten Ausführungsbeispiel durch den Druck des Schutzgases, das weiterhin den Bereich 140 isoliert. Es wird daran erinnert, daß gemäß dem in Fig. 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel das Reservoir 130 und die Schutzgasquelle als eine Einheit ausgeführt sind, so daß die Anordnung der Lotkugel 102 auf dem Bereich 140 mittels des Drucks des Schutzgases ohne wei­ teres durchgeführt werden kann. Bei anderen Ausführungsfor­ men der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei denen die Schutz­ gasquelle und das Reservoir getrennte Einheiten sind, kann die Anordnung der Lotkugel 102 auf dem Bereich 140 bei­ spielsweise derart erfolgen, daß die Lotkugeln 102 durch Verwendung von Ultraschall getrieben werden.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Reser­ voir 130 mit einer Vorrichtung versehen, die es ermöglicht, die in dem Reservoir enthaltenen Lotkugeln mit Ultraschall­ energie zu beaufschlagen. Der Vorteil besteht dabei darin, daß durch die Beaufschlagung der Lotkugel mit Ultraschall eine auf der Oberfläche der Lotkugel befindliche Oxidhaut bereits vor dem Verlassen des Reservoirs aufgebrochen und entfernt wird.

Die weitere Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbei­ spiels der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung erfolgt nun anhand der Fig. 2.

Nachdem die Lotkugel 102 (Fig. 1) freigegeben wurde, wird diese auf dem Bereich 140 (Fig. 1) angeordnet. Die sich er­ gebende Situation ist in Fig. 2 dargestellt, bei der die Lotkugel 102a auf dem Substrat 104 angeordnet ist. Die Steuereinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bewirkt nun, daß die zweite Laserlichtquelle 124 (Fig. 1; in Fig. 2 nicht dargestellt) den zweiten Laserlichtstrahl 126 auf den zu lö­ tenden Bereich, das heißt auf den Bereich auf dem die Lotku­ gel 102a angeordnet ist, richtet. Der zweite Laserstrahl hat bevorzugterweise eine Wellenlänge von 1064 nm und bewirkt, daß das feste Lötmittel, hier in der Form einer Lotkugel 102a, geschmolzen wird. Der zweite Laserstrahl hat eine Pulsbreite, die im Millisekundenbereich liegt. Es wird dar­ auf hingewiesen, daß auch während des Schmelzvorgangs der Lotkugel 102a der Fluß des Schutzgases beibehalten werden kann, wie dies durch die am unteren Ende des Verbindungsele­ ments 132 gezeigten Pfeile angedeutet ist. Somit ist sicher­ gestellt, daß die gereinigte Fläche des Substrats so lange von der Umgebung abgeschlossen ist, bis der Lötvorgang be­ endet ist. Dies stellt sicher, daß die Benetzungseigenschaf­ ten des Lots bzw. der Lotkugel 102a auch während des Um­ schmelzens nicht nachteilhaft beeinflußt werden, beispiels­ weise durch sich neu bildende Kontaminationsschichten.

Wie es bereits anhand der Fig. 1 beschrieben wurde, erfolgt das Umschalten zwischen den Laserstrahlen 122, 126 mittels einer Umlenkeinrichtung 128, die ebenfalls durch die Steuer­ einheit gesteuert ist.

Mit dem oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein flußmittelfreies Aufbrin­ gen und Umschmelzen von Lotkugeln 102 beispielsweise auf Kupferoberflächen 110 eines Substrats 104 möglich.

Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist an­ stelle der oben beschriebenen zwei Laserlichtquellen ledig­ lich eine Laserlichtquelle vorgesehen. Um den oben beschrie­ benen ersten Laserstrahl für die Reinigung zu erzeugen, ist bei diesem Ausführungsbeispiel zusätzlich ein Umlenkspiegel vorgesehen, der den von der Laserlichtquelle erzeugten La­ serstrahl auf eine Einrichtung, bevorzugterweise einen Kri­ stall, lenkt, der eine Verdoppelung oder Vervierfachung der Frequenz und somit eine Halbierung bzw. Viertelung der Wel­ lenlänge des Laserstrahl bewirkt. Anschließend bewirkt der Umlenkspiegel, daß der Laserstrahl direkt auf das Substrat gerichtet ist, um den zweiten Laserstrahl zum Umschmelzen der Lotkugel bereitzustellen.

Anhand der Fig. 3 und 4 wird nachfolgend ein weiteres Aus­ führungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben, bei dem ein Lötmittel 102 direkt auf die Anschlußfläche 106 eines Chips 108 aufgebracht wird. Es wird darauf hingewie­ sen, daß in den Fig. 3 und 4 dargestellten Elemente, die be­ reits anhand der Fig. 1 und 2 beschrieben wurden, mit glei­ chen Bezugszeichen versehen sind und auf eine erneute Be­ schreibung verzichtet wird.

Wie es bereits oben mit Bezug auf den Stand der Technik be­ schrieben wurde, ist das direkte Aufbringen eines Lötmittels 102 auf die Kontaktanschlußflächen 106 aufgrund der auftre­ tenden Oxidation des Aluminiums, durch das die Anschlußflä­ che gebildet ist, problematisch. Durch die vorliegende Er­ findung wird ein direktes Aufbringen von Lötmittel auf die Anschlußfläche ermöglicht. In Fig. 3 ist die Reinigung (Ab­ lation) der Anschlußfläche 106 des Chips 108 vor dem Auf­ bringen des Lötmittels 102 dargestellt. In Fig. 3 sind be­ reits zwei Anschlußflächen 106 mit einem Lötmittel 118 ver­ sehen. Wie es bereits oben anhand der Fig. 1 beschrieben wurde, erfolgt die Reinigung mittels eines ersten Laser­ strahl 122. Ein Schutzgas isoliert die Anschlußfläche von der Umgebung, um eine erneute Kontamination, d. h. eine er­ neute Oxidation, der Anschlußfläche zu verhindern.

In Fig. 4 ist die Situation dargestellt, die sich nach der Reinigung der Anschlußfläche 106 und dem Aufbringen des Löt­ mittels 102 ergibt. Ein Lötmittel 102a ist auf der Anschluß­ fläche 106 angeordnet. Wie es oben bereits beschrieben wur­ de, wird nun das Lötmittel 102a mittels des zweiten Laser­ strahls 126 umgeschmolzen.

Das in den Fig. 3 und 4 dargestellte Ausführungsbeispiel um­ faßt neben den oben beschriebenen Elementen zusätzlich eine Mehrzahl von Sensorelementen. Ein erstes Sensorelement 150 ist an dem Verbindungsstück 142 angeordnet. Mittels des Sen­ sors 150 wird erfaßt, ob sich eine Lotkugel in der perforie­ rten Scheibe oder an eine Entladeposition der Förderschnecke befindet. Ein zweites Sensorelement 152, das ebenfalls an dem Verbindungsstück angeordnet ist, dient dazu, festzustel­ len, ob die Lotkugel 102 das Reservoir 130 verlassen hat. Ein drittes, nicht dargestelltes Sensorelement erfaßt einen reflektierten Anteil des Laserlichts (schematisch durch den Pfeil 154 dargestellt). Durch den reflektierten Strahl und den zugehörigen Sensor wird während der Reinigung (Fig. 3) die Güte des gereinigten Bereichs bestimmt. Abhängig von der erfaßten Güte wird bestimmt, ob die Reinigung bereits abge­ schlossen ist oder ob sie fortgesetzt werden muß. Nach dem Abschluß der Reinigung wird der dritte Sensor verwendet, um zu bestimmen, ob das Lötmittel 102a auf der Anschlußfläche 106 angeordnet ist. Wenn dies der Fall ist, erfolgt die Um­ schmelzung mittels des zweiten Laserstrahl. Die oben be­ schriebenen Sensoren sind gemäß einem bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiel als optische Sensoren ausgebildet. Anstelle des dritten Sensorelements 154 kann ein viertes Sensorele­ ment 156 vorgesehen sein, das als Drucksensor ausgebildet ist. Dieses Sensorelement dient dazu, den Druck des einge­ leiteten Schutzgases innerhalb des Verbindungselements 132 zu erfassen. Befindet sich eine Lotkugel 102a auf der zu lö­ tenden Oberfläche, so erhöht sich der Druck in dem Verbin­ dungselement, so daß aus dieser Druckerhöhung das Vorhanden­ sein einer Lotkugel bestimmt werden kann.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das vierte Sensorelement 156 zusätzlich zu dem dritten Sensorelement 152 vorgesehen sein. In diesem Fall dient dieses Sensorele­ ment zusätzlich dazu, den Druck des Schutzgases in dem Ver­ bindungselement 142 zu steuern. Beispielsweise kann ein Un­ terdruck erzeugt werden, um eine Lotkugel, die in dem Ver­ bindungselement steckt, aus diesem zu entfernen. Ebenso kann ein Überdruck eingestellt werden, um überschüssiges Lotmate­ rial aus dem Verbindungselement zu blasen, um die Vorrich­ tung beispielsweise nach einem erfolgten Lötvorgang zu rei­ nigen.

Die oben beschriebene Auswertung der von den Sensoren er­ faßten Positionen der Lotkugel bzw. der Güte der gereinigten Fläche erfolgt mittels der Steuereinheit (nicht darge­ stellt).

Die oben beschriebenen Sensoren können selbstverständlich auch bei dem anhand der Fig. 1 und 2 beschriebenen Ausfüh­ rungsbeispiel eingesetzt werden, obwohl sie in den Fig. 1 und 2 nicht dargestellt sind.

Obwohl bei der obigen Beschreibung der bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiele der vorliegenden Erfindung auf sogenannte Lotkugeln Bezug genommen wurde, wird darauf hingewiesen, daß für diese Ausführungsbeispiele auch andere feste Lötmittel verwendbar sind.

Es wird darauf hingewiesen, daß anhand der beiliegenden Zeichnungen lediglich bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben wurde. Die wesentlichen Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens zum flußmittel­ freien Aufbringen eines Lötmittels auf ein Substrat 104 oder einen Chip 108 bestehen in der Reinigung des Bereichs 140 auf der Substratoberfläche 110 oder Chipanschlußfläche 106, in der Isolation des gereinigten Bereichs durch ein Schutz­ gas sowie im Aufbringen eines Lötmittels auf den gerei­ nigten, isolierten Bereich 140.

Es ist hierbei hervorzuheben, daß bei einigen Ausführungs­ formen des erfindungsgemäßen Verfahrens die Schritte des Reinigens und des Isolierens zeitgleich oder nur unwesent­ lich zeitlich versetzt ausgeführt werden. Dies stellt si­ cher, daß auch bereits gereinigte Bereiche von der Umgebung abgeschlossen sind, während die Reinigung noch anhält.

Wiederum gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbei­ spiel liegt das Lötmittel nicht in flüssiger Form, sondern in fester Form vor. In diesem Fall erfolgt das Aufbringen derart, daß zuerst das feste Lötmittel auf dem gereinigten Bereich 140 angeordnet wird und anschließend geschmolzen wird.

Claims (24)

1. Verfahren zum flußmittelfreien Aufbringen eines Löt­ mittels (102) auf ein Substrat (104) oder einen Chip (108), gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• a) Vorbehandeln und/oder Reinigen eines Bereichs (140) auf einer Oberfläche (110) des Substrats (104) oder einer Anschlußfläche (106) des Chips (108), auf dem das Lötmittel (102) aufgebracht wird;
• b) Isolieren des vorbehandelten und/oder gereinigten Bereichs (140) durch ein Schutzgas von der Umge­ bung; und
• c) Aufbringen des Lötmittels (102a) auf dem vorbe­ handelten und/oder gereinigten isolierten Bereich (140).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt a) und der Schritt b) zeitgleich aus­ geführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net,
daß das Lötmittel in fester Form vorliegt; und
daß der Schritt c) folgende Schritte umfaßt:

• c1) Anordnen des festen Lötmittels auf dem vorbehan­ delten und/oder gereinigten, isolierten Bereich (140); und
• c2) Schmelzen des festen Lötmittels.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Schritt a) das Ätzen einer auf der Substrat­ oberfläche (110) vorhandenen Kontaminationsschicht ein­ schließt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Schritt a) das Ätzen einer auf der Anschlußflä­ che (106) vorhandenen Oxidationsschicht oder das Frei­ ätzen des Substrates (104) bis zu einer Leiterbahn ein­ schließt.

6. verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Vorbehandeln und/oder das Reinigen der Ober­ fläche (110) oder des Substrates (104) oder der An­ schlußfläche (106) mittels eines ersten Laserstrahls (122) erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (122) eine kurze Wellenlänge, eine kurze Pulslänge und eine hohe Energiedichte hat.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge 226 nm beträgt, und die Pulslänge im Nanosekundenbereich liegt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Schutzgas ein Inertgas ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das feste Lötmittel unter Druck des Schutzgases oder durch Ultraschall aus einer Lötmittelverein­ zelungseinheit (130) auf dem gereinigten, isolierten Bereich (140) angeordnet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das feste Lötmittel durch einen zweiten Laserstrahl (126) geschmolzen wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Laserstrahl (126) eine bezogen auf den ersten Laserstrahl (122) lange Wellenlänge und lange Pulsdauer hat.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge 1064 nm beträgt, und die Pulsdauer im Millisekundenbereich liegt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Schritt c1) eine auf der Oberfläche des Lötmittels vorhandene Oxidschicht mittels Ultraschall entfernt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekenn­ zeichnet durch folgende Schritte:

• d) Erfassen eines reflektierten Anteils des ersten La­ serstrahls (122); und
• e) Bestimmen der Güte des vorbehandelten und/oder gereinigten Bereichs und/oder der Position des aufgebrachten Lötmittels aus dem reflektierten Anteil.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das feste Lötmittel in der Form von Lotkugeln (102) vorliegt.

17. Vorrichtung zum fluidfreien Aufbringen eines Lötmittels (102) auf ein Substrat (104) oder einen Chip (108), ge­ kennzeichnet durch

• - eine Laserlichtquelle;
• - eine Umlenkeinrichtung, um den von der Laserlicht­ quelle erzeugten Laserstrahl auf eine Frequenzver­ vielfachungseinrichtung zu richten;
• - eine Vereinzelungseinheit (130), in der das Löt­ mittel (102) in fester Form enthalten ist;
• - eine Schutzgasquelle;
• - eine Einrichtung (132, 136, 142), die die Reser­ voireinheit (130) und die Schutzgasquelle wirksam mit einem Bereich (140) auf einer Oberfläche (110) des Substrats (104) oder einer Anschlußfläche (106) des Chips (108) verbindet, auf dem das Lötmittel (102) aufbringbar ist;
• - eine Steuereinheit, die bewirkt,
  daß die Umlenkeinrichtung den Laserstrahl auf die Frequenzvervielfachungseinrichtung richtet, um den ersten auf den Bereich der Oberfläche des Substrats (104) oder auf die Anschlußfläche (106) des Chips gerichteten Laserstrahl (122) zu erzeugen, und die Schutzgasquelle ein Schutzgas auf den Oberflächenbereich des Sub­ strats (104) richtet, wobei die Steuereinheit den ersten Laserstrahl (122) unterbricht, wenn der Bereich (140) auf der Oberfläche des Sub­ strats oder die Anschlußfläche (106) des Chips gereinigt ist;
  daß die Reservoireinheit (130) das feste Löt­ mittel (102) freigibt; und
  daß die Umlenkeinrichtung den Laserstrahl (126) direkt auf den Oberflächenbereich des Substrats (104) oder auf die Anschlußfläche (106) des Chips richtet, auf dem/der das feste Lötmittel (102a) angeordnet ist, um das feste Lötmittel umzuschmelzen.

18. Vorrichtung zum fluidfreien Aufbringen eines Lötmittels (102) auf ein Substrat (104) oder einen Chip (108), ge­ kennzeichnet durch

• - eine erste Laserlichtquelle (120), die einen ersten Laserstrahl mit einer ersten Wellenlänge ausgibt;
• - eine zweite Laserlichtquelle (124), die einen La­ serstrahl (126) mit einer zweiten Wellenlänge aus­ gibt;
• - eine Reservoireinheit (130), in der das Lötmittel (102) in fester Form enthalten ist;
• - eine Schutzgasquelle;
• - eine Einrichtung (132, 136, 142), die die Reser­ voireinheit (130) und die Schutzgasquelle wirksam mit einem Bereich (140) auf einer Oberfläche (110) des Substrats (104) oder der Anschlußfläche (106) des Chips (108) verbindet, auf dem/der das Lötmit­ tel (102) aufbringbar ist;
• - eine Steuereinheit, die bewirkt,
  daß die erste Laserlichtquelle (120) den ersten Laserstrahl (122) und die Schutzgasquelle ein Schutzgas auf den Oberflächenbereich des Sub­ strats (104) oder die Anschlußfläche (106) des Chips (108) richtet, wobei die Steuereinheit den ersten Laserstrahl (122) unterbricht, wenn der Bereich (140) auf der Oberfläche des Sub­ strats oder die Anschlußfläche (106) des Chips vorbehandelt und/oder gereinigt ist;
  daß die Reservoireinheit (130) das feste Löt­ mittel (102) freigibt; und
  daß die zweite Laserlichtquelle (124) den zwei­ ten Laserstrahl (126) auf den Bereich auf der Oberfläche (110) des Substrats oder die An­ schlußfläche (106) des Chips (108) richtet, auf dem/der das feste Lötmittel (102a) angeordnet ist, um das feste Lötmittel umzuschmelzen.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Lötmittel aus Lotkugeln besteht.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Reservoireinheit (130) eine Vereinzelungsein­ heit umfaßt.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Vereinzelungseinheit eine Förderschnecke oder eine perforierte Scheibe umfaßt.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, gekenn­ zeichnet durch

• - eine erste Sensoreinrichtung (150), die bestimmt, ob eine Lotkugel (102) in der perforierten Scheibe oder an eine Entladeposition der Förderschnecke angeordnet ist;
• - eine zweite Sensoreinrichtung (152), die bestimmt, ob die Lotkugel (102) das Reservoir (130) verlassen hat; und
• - eine dritte Sensoreinrichtung, die einen reflektier­ ten Anteil des Laserlichts (122, 126) erfaßt, und aus dem reflektierten Strahl die Güte des gereinigten Be­ reichs und die Position des Lötmittels (102a) auf dem gereinigten Bereich bestimmt.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22 , dadurch gekennzeichnet, daß die erste, die zweite und die dritte Sensoreinrichtung (150, 152) optische Sensoren sind.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 23, gekenn­ zeichnet durch eine vierte Sensoreinrichtung (156), die den Druck in dem Verbindungselement (142) erfaßt und steuert.