DE19630134A1 - Fügeverfahren für Elektronik- und Elektrotechnik-Baugruppen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verlöten von zusammengesetzten, elektroni­ schen Bauelementen oder Hybridbauelementen und/oder zum Einhausen solcher Bauelemente oder Hybridbauelemente mit Gehäusen in einer Kammer.

Die Entwicklung, vor allem in der Leistungselektronik, erfordert immer mehr, daß phy­ sikalisch sehr unterschiedliche Werkstoffe, oftmals in Sandwich-Bauweise, miteinander verbunden werden müssen. Ebenso ist es häufig notwendig, Baugruppen der Elektro­ nik und der Elektrotechnik einzuhausen. Derartige Verbindungen werden in der Regel mittels Lötverfahren hergestellt. Hierzu sind beispielsweise aus der EP-B-0 453 559 verschiedene Verfahren bekannt.

Um ein gutes Lötergebnis zu erhalten, wird häufig vor dem eigentlichen Lötvorgang Flußmittel auf die zu verbindenden Elemente aufgebracht. Dadurch kann eine die Lö­ tung beeinträchtigende Metalloxidschicht auf den Elementen entfernt werden. Nachtei­ lig an der Verwendung von Flußmitteln ist die nach dem Lötprozeß notwendige Reini­ gung der Elemente von chemischen Rückständen. Neben den Kosten für einen sol­ chen Reinigungsvorgang hat insbesondere die umweltschädigende Wirkung der dabei verwendeten Fluorchlorkohlenwasserstoffe dazu geführt, flußmittelfreie Verfahren zu entwickeln. Bei der Verwendung von Flußmitteln besteht darüberhinaus die Gefahr, daß Flußmittelreste in Spalten und Ecken oder im Inneren von aufgebrachten Gehäu­ sen zurückbleiben und zu Korrosion führen. Für vor dem Fügeprozeß genau ausge­ messene und eingestellte Bauelemente besteht zudem das Risiko, daß sich durch Flußmitteldämpfe die Bauteildaten verändern oder daß die Bauteile selbst zerstört werden.

Es wurde daher vorgeschlagen, den Lötprozeß in einer Schutzgasatmosphäre unter weitgehendem Ausschluß von Sauerstoff durchzuführen. Diese Verfahren sind zwar geeignet, eine Neubildung von Metalloxidschichten zu verhindern, können jedoch be­ reits vorhandene Oxidschichten kaum entfernen.

Ferner wurden Lötverfahren im Vakuum entwickelt. Hierbei werden die zu verbinden­ den Elemente zusammen mit einem Lotdepot in ein Vakuum gebracht. Nach dem Auf­ heizen treten in dem dann flüssigen Lot vorhandene Gase aus, so daß das zwischen die Elemente fließende Lot im wesentlichen oxidfrei ist. Verunreinigungen, insbeson­ dere Oxidschichten, die sich auf den zu verlötenden Elementen befinden, vermag auch dieses Verfahren nicht zu entfernen.

Aus der DE-A 42 25 378 ist ein Verfahren zum Verlöten von mit elektronischen Bauele­ menten bestückten Leiterplatten bekannt, wobei der Lötvorgang und gegebenenfalls vor-, zwischen- oder nachgeschaltete Schritte in einem Niederdruckplasma durchge­ führt werden. Durch die Verlötung unter Niederdruck in einer Plasmaatmosphäre wer­ den ohne den Einsatz von Flußmitteln qualitativ hochwertige Lötungen erzielt. Den be­ sonderen Problemen beim Verlöten oder Einhausen von zusammengesetzten, elek­ tronischen Bauelementen, wie z. B. der geringen thermischen Belastbarkeit der unter­ schiedlichen, zu verbindenden Elemente, insbesondere der Bauelemente, und der nö­ tigen Fixierung der Bauelemente während des Lötvorganges, wird bei diesem Verfah­ ren nicht Rechnung getragen.

Eine ausreichende Beseitigung von Verunreinigungen ist mit den bekannten Verfahren bisher nicht möglich. Dies führt aber beispielsweise dazu, daß die zu verlötenden Ele­ mente nur schlecht benetzt werden und daß elektrische Kontakte oftmals mangelhaft sind. Werden die Verfahren außerdem bei hohen Temperaturen durchgeführt, so kön­ nen die Bauelemente durch die starke Temperaturbelastung gefährdet oder zerstört werden.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem zu­ sammengesetzte, elektronische Bauelemente oder Hybridbauelemente verlötet und/oder eingehaust werden können, welches die Nachteile der bekannten Verfahren vermeidet. Insbesondere soll ein Fügeverfahren bereitgestellt werden, womit die Bau­ elemente mit Hilfe des flußmittelfreien Lötens bei nur geringer Temperaturbelastung verbunden werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Bauelemente und ge­ gebenenfalls die Gehäuse in vorbestimmter Lage zu Baugruppen zusammengesetzt und fixiert werden, die Kammer nach Einbringen der Baugruppen zunächst evakuiert wird, anschließend ein Prozeßgas oder ein Prozeßgasgemisch bis zu einem Druck von mindestens 0,1 mbar und höchstens 10 mbar in die Kammer eingeleitet wird, die Kammer aufgeheizt wird, und während des Aufheizens das Prozeßgas oder das Pro­ zeßgasgemisch aktiviert wird, so daß sich ein Niederdruckplasma ausbildet, und daß, nachdem das Lot verflüssigt ist, das Aufheizen und die Niederdruckplasmaausbildung beendet werden und die Bauelemente und die Gehäuse durch Erhöhung des Druckes in der Kammer so fixiert werden, daß sich die Lage der Bauelemente und Gehäuse zueinander während des Abkühlens nicht ändert.

Vorzugsweise wird das Niederdruckplasma in der Kammer durch eine hochfrequente Wechselspannung erzeugt. Hierzu sind Frequenzen im Bereich von 40 kHz bis 2,53 MHz besonders geeignet. Durch zwei in der Kammer angebrachte Elektroden, an die die Wechselspannung angelegt wird, kann in der Kammer das gewünschte Wechsel­ feld erzeugt werden. Die Hochfrequenz kann auch über eine Antenne in die Kammer eingespeist werden, wobei z. B. die Kammerwand oder auch die Halterung, auf der die zu bearbeitenden Elemente aufgebracht sind, als Gegenelektrode dienen.

Von Vorteil werden beim Einhausen von elektronischen Bauelementen, d. h. beim Montieren eines Gehäuses über den Bauelementen, das Gehäuse, die Bauelemente und eine geeignete Menge Lot so angeordnet, daß das Innere des Gehäuses, nach­ dem das Lot verflüssigt ist, gasdicht gegen die Kammer isoliert ist. Bei der sich an­ schließenden Druckerhöhung bleibt somit im Gehäuse ein Unterdruck bestehen. Da­ durch wird das Gehäuse während des Abkühlprozesses fixiert und ein Verrutschen vermieden, wodurch sich die Haltbarkeit, Poren- und Fehlerfreiheit der Lötung erhöht.

Zweckmäßigerweise wird das Niederdruckplasma bei einem Druck zwischen 0,5 und 1 mbar erzeugt.

Von Vorteil ist es, die Temperatur in der Kammer nur geringfügig über den Schmelz­ punkt des verwendeten Lotes zu erhöhen. Eine Temperaturerhöhung von 10 K über den Schmelzpunkt hat sich als zweckmäßig erwiesen. Damit wird zum einen ein aus­ reichender Fluß des Lotes gewährleistet, zum anderen die temperaturseitige Belastung der Bauelemente gering gehalten.

Teilweise entstehen bei der Plasmabehandlung Gase, z. B. Fluorradikale oder Fluor­ verbindungen, die negative Auswirkungen auf die Bauelemente bzw. deren Verhalten und deren Lebensdauer erwarten lassen, insbesondere wenn derartige Gase in einem Gehäuse eingeschlossen werden. Zweckmäßigerweise werden daher, nachdem die Ausbildung des Niederdruckplasmas beendet ist, das Prozeßgas und die während der Plasmaeinwirkzeit entstandenen weiteren Gase aus der Kammer entfernt, bevor der Druck in der Kammer wieder erhöht wird.

Als zweckmäßig hat sich die Verwendung von Argon und/oder Wasserstoff als Pro­ zeßgas bzw. Prozeßgasgemisch erwiesen. Es hat sich ferner als vorteilhaft herausge­ stellt, ein sowohl oxidierend als auch reduzierend wirkendes Prozeßgas oder Prozeß­ gasgemisch zu verwenden, wie es beispielsweise in der DE-A 42 28 551 beschrieben ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren dauert in der Regel zwischen 3 und 15 Minuten. Von Vorteil wird das Verfahren in einem Durchlaufprozeß in einer Kammer mit zwei Schleusen durchgeführt. Hierdurch kann eine weitere Steigerung des Durchsatzes an zu fügenden Elementen erreicht werden.

Von besonderem Vorteil ist die Möglichkeit mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gleichzeitig unterschiedlichste Materialien in verschiedenen Ebenen flußmittelfrei zu löten. So können während eines Lötvorganges auf einem Träger Lotverbindungen zwi­ schen Leiterbahnen hergestellt werden, verschiedene Bauelemente auf diesen Träger gelötet werden und gleichzeitig über den Bauelementen Gehäuse montiert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist gegenüber den bekannten Verfahren weitere zahlreiche Vorteile auf. So ist das Verfahren sehr gut steuerbar und besitzt eine hohe Prozeßsicherheit, die in einer entsprechend geringen Fehlerquote resultiert. Das Ver­ fahren ist mit relativ geringem Anlagenaufwand durchführbar. Der Durchsatz einer derartigen Anlage ist durch die unkomplizierte Vormontage der zu verbindenden Ele­ mente, die nur wenig Vorbereitungsaufwand bedeutet, und das einfache und schnelle Fügeverfahren hoch. Aufgrund des geringen Gas- und Energieverbrauchs, sowie des Verzichts auf Flußmittel besitzt das Verfahren eine hohe Umweltverträglichkeit.

Im folgenden Ausführungsbeispiel wird anhand der schematischen Zeichnung das er­ findungsgemäße Verfahren beispielhaft näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die zu verbindenden Elemente, z. B. ein Keramikträger 2 mit Leiterbahnen 3, aufge­ bondeten Bauelementen 4 und einem gestanzten oder galvanisch bzw. mit Siebdruck aufgebrachten Lotring 5 sowie übergestülptem Gehäuse 6, werden auf Paletten 1 in der erforderlichen Anordnung zu Baugruppen aufgebaut und durch einen Rahmen 7 horizontal fixiert, ohne daß zusätzliche Druckkräfte z. B. in vertikaler Richtung aufge­ bracht werden müssen. Eine oder mehrere Paletten 1 ergeben die Beschickung für einen einzigen Plasma- und Lotprozeß, wobei mehrere 1000 vormontierte Baugruppen in einer Charge gefügt werden können. Der Prozeß selbst findet in einem Reaktor 8 statt, der eine Tür 9, eine Heizeinrichtung 20, sowie geeignete Durchführungen 10 für die Prozeß- 11 und Spülgase 12, für die Heizleistung 13, für die Hochfrequenz 14, für die Temperatur- 15 und Druckmessung 16, und für die Gasanalyse 17 aufweist.

Bei geschlossenem Reaktor 1 wird zunächst über Leitung 18 und Vakuumpumpe 19 das Innere des Reaktors 1 auf 10^-2 mbar evakuiert und anschließend das Prozeßgas über die Durchführung 11 dosiert eingelassen. In der Regel beginnt dann das Aufhei­ zen der Baugruppen mittels der Heizeinrichtung 20. Die Heizleistung ist so zu dosie­ ren, daß die erzielte Temperaturerhöhung nicht zur Zerstörung der Bauelemente 2, 3, 4, 6 führt. Ein Aufheizen, so rasch wie möglich, ist jedoch im Interesse des Optimie­ rens der Prozeßzeiten wünschenswert. Parallel zur Heizung 20 wird über die einge­ bauten Antennen (Elektroden) 21 ein Hochfrequenzfeld in den Reaktor eingespeist, wodurch das Prozeßgasgemisch aktiviert wird und sich ein Niederdruckplasma 22 ausbildet. Der Arbeitsdruck beträgt 0,5 bis 1 mbar. Für ein Sn Ag 4 - Lot 5 mit einem Schmelzpunkt von 293°C erfolgt die Lötung bei 305 bis 310°C. Bei geringerer Tem­ peratur ist der Schmelzfluß des Lotes 5 nicht gewährleistet, ab Temperaturen von 320°C sind die Bauteile 2, 3, 4, 6 dagegen durch die thermische Belastung, welche bei­ spielsweise zu Temperaturrissen führen kann, gefährdet. Während des Fügens zen­ triert sich der Gehäusedeckel 6 selbst optimal. Er schwimmt in dieser Prozeßphase auf dem gereinigten und schmelzflüssigen Lötzinn 5. Nach dem Erreichen der Fügetempe­ ratur wird die Heizleistung 20 abgeschaltet und der Reaktor 1 mit einem Inertgas, H₂, Ar oder N_2, gespült bzw. aufgepuffert. Dadurch erfolgt der zweite Teil des Fügeprozes­ ses, in dem das Lötzinn noch flüssig ist, unter äußerem Druck, ohne daß sich der Un­ terdruck im Gehäuse 6 ändert. Dieser Vorgang erhöht die Haltbarkeit, Poren- und Fehlerfreiheit der Lötung. Die Abkühlungsgeschwindigkeit wird nicht von den Fügepa­ rametern bestimmt, sondern durch die Materialeigenschaften. Auch hier wird zur Op­ timierung der Prozeßzeiten so schnell wie möglich abgekühlt, ohne daß die Bauteile 2, 3, 4, 6 Schaden erleiden.

Vorteilhaft ist es, als Prozeßgas ein oxidierend und reduzierend wirkendes Gas zu verwenden. Sollten die dabei entstehenden Fluorradikale und Fluorverbindungen ne­ gative Auswirkungen auf das Verhalten und die Lebensdauer der Baugruppe erwarten lassen, so läßt sich die Technologie vorteilhaft dergestalt abwandeln, daß zwar der im Niederdruckplasma durchgeführte Reinigungsprozeß mit diesem Prozeßgasgemisch wie üblich bei einem Unterdruck von 0,8 mbar stattfindet. Der Reaktor 1 wird jedoch anschließend unter Inertgaszugabe auf einen Druck von etwa 10^-2 mbar weiter evaku­ iert. In diesem Zustand oder anschließend bei erhöhtem Druck in Inertgasatmosphäre erfolgt das eigentliche Verlöten der Baugruppe.

Claims (7)

1. Verfahren zum Verlöten von zusammengesetzten, elektronischen Bauelementen oder Hybridbauelementen und/oder zum Einhausen solcher Bauelemente oder Hybridbauelemente mit Gehäusen in einer Kammer, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauelemente und gegebenenfalls die Gehäuse in vorbestimmter Lage zu Baugruppen zusammengesetzt und fixiert werden, die Kammer nach Einbringen der Baugruppen zunächst evakuiert wird, anschließend ein Prozeßgas oder ein Prozeßgasgemisch bis zu einem Druck von mindestens 0,1 mbar und höchstens 10 mbar in die Kammer eingeleitet wird, die Kammer aufgeheizt wird, und wäh­ rend des Aufheizens das Prozeßgas oder das Prozeßgasgemisch aktiviert wird, so daß sich ein Niederdruckplasma ausbildet, und daß, nachdem das Lot verflüssigt ist, das Aufheizen und die Niederdruckplasmaausbildung beendet werden und die Bauelemente und die Gehäuse durch Erhöhung des Druckes in der Kammer so fixiert werden, daß sich die Lage der Bauelemente und Gehäuse zueinander wäh­ rend des Abkühlens nicht ändert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Prozeßgas durch eine hochfrequente Wechselspannung aktiviert wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in der Kammer nach Einleiten des Prozeßgases oder Prozeßgasgemisches zwischen 0,5 und 1 mbar beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur in der Kammer höchstens 10 K über dem Schmelzpunkt des Lotes liegt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bevor der Druck in der Kammer erhöht wird, das Prozeßgas oder Prozeßgasgemisch aus der Kammer entfernt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein sowohl oxidierend als auch reduzierend wirkendes Prozeßgasgemisch verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Argon und/oder Wasserstoff als Prozeßgas oder Bestandteil des Prozeßgasgemisches verwendet wird.