DE19809722A1 - Reflow-Lötverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von elektronischen Bauelementen oder Baugruppen mit einem Substrat mittels Reflow-Löten, wobei auf dem Substrat galvanisch Lotdepots aufgebracht werden, das Substrat mit den Bauelementen oder Baugruppen bestückt wird und die Bauelemente oder Baugruppen anschließend mit dem Substrat verlötet werden.

Es sind zahlreiche Fügeverfahren zum Verbinden von Bauelementen und Baugruppen mit Substraten und Grundmaterialien, wie Platten aus Kunststoff, Keramik oder Metall, bekannt. Diese reichen von Klebe-, Quetsch-, Schraub-, Schweiß- und Bondverfahren über das Wellenlöten bis hin zum Reflow-Löten. Bei letzterem wird die Verbindung zwischen den Bauelementen und dem Substrat mittels eines Lötvorgangs realisiert, bei dem an dem Verbindungspunkt ein Lotpreform, Lotpaste oder verstärkte Lotpunkte aufgebracht und diese anschließend unter Flußmitteleinwirkung wieder aufgeschmolzen werden.

Das Reflow-Löten setzt sich in letzter Zeit in der Massenfertigung von Leiterplatten, unter anderem in der sog. Flip-Chip-Technik und in der Hybridtechnik immer mehr durch. Das Lotpreform wird hierbei entweder aus dem Lotbad mittels verstärkter Maske, als Tropfen aus dem Schmelzfluß mittels einer Dosierpipette oder galvanisch aufgebracht. Technisch und wirtschaftlich günstiger erscheint die Galvanikmethode.

Die Galvaniktechnologie ist bspw. in dem Fachbuch "Die galvanische Abscheidung von Zinn und Zinnlegierungen" von Manfred Jordan, erschienen im Lenze-Verlag, Saulgau 1993, beschrieben. Die Substrate werden hierbei z. B. zunächst mit einer Maske abgedeckt und anschließend in ein Säurebad gegeben, in dem sich an den gewünschten Stellen Lot in Form von sog. Lotpads abscheidet. Zur Entfernung von Säureresten müssen die Pads anschließend Nachbehandlungsschritten, wie Waschen, Spülen und Trocknen, unterzogen werden. Die galvanisch abgeschiedenen Lotpads sind nicht ganz zylindrisch und neigen zu Flüssigkeits- und Gaseinschlüssen sowie zu porösen, abplatzenden Rändern und führen so nur in Ausnahmefällen zu hochwertigen Lötverbindungen. Aus diesem Grund werden die Pads vor der Weiterverarbeitung in einem Wachs- oder ähnlichen Flüssigkeitsbad bei einer Temperatur von 200-350°C im Tauchverfahren nochmals eingeschmolzen. Nach diesem sog. Umschmelzen erhält man gleichmäßig geformte Lotkugeln mit mehr oder weniger blanker Oberfläche, die nach einem Waschvorgang in einer Presse oder Walze noch eingeebnet werden müssen. Dies ist zum Zwecke der Positionierung der Bauteile und der optimalen Ausbildung der sich anschließenden Lötverbindung notwendig.

Nach diesen Arbeitsgängen werden Flußmittel und/oder Kleber, z. B. im Siebdruck, auf die Substrate aufgebracht. Danach können die Substrate mit den Bauelementen oder Baugruppen bestückt werden. Schließlich wird im eigentlichen Reflow-Prozeß das Lot nochmals aufgeschmolzen, um eine elektrisch leitende Verbindung, z. B. zwischen Chip und Leiterbahn, herzustellen.

Diese vorzugsweise in der modernen Flip-Chip-Technik angewandte Technologie hat neben dem großen Aufwand und der Vielzahl von Prozeßschritten den Nachteil, daß in jedem Fall Flußmittel für eine qualitativ hochwertige Lötung notwendig ist. Flußmittel haben jedoch den Nachteil, daß sie bei hochwertigen, empfindlichen Chips und Sensoren zu einer geringeren Lebensdauer und zu einer erhöhten Korrosionsanfälligkeit der auf den Substraten aufgebrachten Leiterbahnen führen können.

In der DE-42 25 378 wird daher ein Lötverfahren beschrieben, mit dem auf den Einsatz von Flußmitteln verzichtet werden kann. Hierzu werden der Lötvorgang und gegebenenfalls vorhandene vor-, zwischen- oder nachgeschaltete Schritte unter Niederdruck und unter Plasmawirkung einer speziellen Prozeßgasatmosphäre durchgeführt. Mit der Durchführung aller wesentlichen Verfahrensschritte einer Verlötung unter Niederdruck und in einer Plasmaatmosphäre können qualitativ hochwertige Lötungen unter Verzicht auf Flußmittel hergestellt werden. Die übrigen, oben beschriebenen zahlreichen Prozeßschritte sind jedoch auch bei diesem Verfahren notwendig.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß weniger Prozeßschritte notwendig sind und auf den Einsatz von Flußmitteln verzichtet werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Substrat ohne vorheriges Umschmelzen der Lotdepots bestückt, in einem Plasmaofen aufgeheizt, in einem Niederdruckplasma behandelt und ohne Flußmittel verlötet wird.

Es hat sich gezeigt daß sich galvanisch aufgebrachte Lotpads auch ohne Umschmelzen und ohne den Einsatz von Flußmitteln zum Herstellen von qualitativ hochwertigen Lotverbindungen eignen. Erfindungsgemäß sind hierzu folgende technologische Schritte erforderlich:

Zunächst werden auf die Substrate in bekannter Weise Lotdepots mittels der Galvanotechnik aufgebracht. Daran anschließend erfolgen die üblichen Nachbehandlungsschritte, wie Waschen, Spülen und Trocknen der Substrate. Im Gegensatz zum Stand der Technik werden die Substrate dann jedoch direkt, d. h. ohne zwischengeschaltetes Umschmelzen der Lotpads, mit den elektronischen Bauelementen, Baugruppen oder Funktionsgruppen bestückt, wobei die Bauteile vorzugsweise mit Klebern fixiert werden. Die so bestückten Substrate oder Grundmaterialien werden in einem Plasmaofen zielgerichtet aufgeheizt, im Niederdruckplasma unter Zugabe spezieller Prozeßgase bzw. Prozeßgasgemische behandelt, verlötet sowie durch entsprechende Kühlvorrichtungen gezielt abgekühlt. Als Ergebnis erhält man eine absolut saubere, nicht von Löt- und Flußmittelresten verschmutzte Lötung mit hoher Festigkeit, mit hohem Korrosionswiderstand sowie hoher Durchschlagfestigkeit. Im Vergleich zur herkömmlichen, eingangs beschriebenen Galvanotechnologie werden drei wesentliche Prozeßschritte, das Umschmelzen der Lotpads, das Einebnen sowie der Einsatz von Flußmitteln, eingespart.

Vorzugsweise werden auf die Substrate Lotdepots mit einer Höhe von mehr als 10 µm, besonders bevorzugt mit einer Höhe zwischen 15 und 50 µm galvanisch aufgebracht. Dadurch wird sichergestellt, daß die aufgebrachte Lotmasse so groß ist, daß im geschmolzenen Zustand eine den Qualitätsanforderungen genügende Verbindung bzw. eine vollständig geschlossene Schicht der erforderlichen Dicke entsteht. Ferner ist es für einen einwandfreien Lötvorgang günstig, wenn das Oberflächenverhältnis von unverzinnten Lotpads und galvanisch aufgebrachten Materialzylinder 1 zu 3 und mehr beträgt.

Während des Erwärmungs- und des Aufschmelzvorganges muß darauf geachtet werden, daß sich in den Lotpads keine Risse bilden und daß auf den Lotpads keine Oxidschicht entsteht. Bereits vorhandene Oxidhäute sowie andersartige Beläge sollten entfernt oder zumindest aufgerissen werden. Bei den bekannten Verfahren wird dies durch die Zugabe von Flußmitteln, gemäß der Erfindung durch die Behandlung im Niederdruckplasma erreicht. Diese Plasmabehandlung erfolgt vorzugsweise in einem Vakuumbereich zwischen 0,02 und 15 mbar. Als besonders günstig hat sich der Druckbereich zwischen 0,1 und 1 mbar erwiesen.

Je nach Art und Intensität der Verunreinigung ist das Prozeßgas entsprechend auszuwählen. Bewährt haben sich Behandlungsatmosphären, die Wasserstoff und/oder Sauerstoff und/oder fluorhaltige Gase, wie z. B. CF₄ oder SF₆, enthalten.

Bei oxidisch/organischen Belägen hat sich ein sowohl oxidierend als auch reduzierend wirkendes Gasgemisch als vorteilhaft erwiesen. Bei rein oxidischer Belegung zeigen Wasserstoff oder ein Wasserstoff-Argon-Gemisch besonders gute Erfolge. Auch eine Edelgasatmosphäre, vorzugsweise aus Argon, oder ein ein Edelgas enthaltendes Prozeßgasgemisch können günstig sein.

Der Aufheiz-, Löt- und Abkühlprozeß lassen sich unter Normaldruck, Überdruck oder den verschiedensten Unterdruckstufen bis hin zum Hochvakuum durchführen. Dadurch kann der Wärmeübergang besser gesteuert, die Restgasmenge in geschlossenen Gehäusen und Schutzkappen nicht nur von der Art, sondern auch von der Molekülanzahl genauestens eingestellt werden. Zudem können die Festigkeit, Dichtheit und die Plazierungsgenauigkeit verbessert werden. Der eigentliche Lötvorgang erfolgt jedoch von Vorteil unter direkter Plasmaeinwirkung im Niederdruckplasma.

Es hat sich aber auch als günstig erwiesen, den Kammerdruck unmittelbar vor dem Erreichen des Schmelzpunktes des Lotes auf Normaldruck bzw. leichten Überdruck, bevorzugt zwischen 950 und 2000 mbar, zu erhöhen. Dadurch läßt sich verhindern, daß in den Lotpads vorhandene Hohlräume ein Zerspritzen der Lotpads verursachen.

Andererseits kann es, je nach Aufgabenstellung, auch vorteilhaft sein, die eigentliche Lötung unter höherem Vakuum zwischen 0,001 und 0,015 mbar durchzuführen. Dies hat zur Folge, daß die Lötung absolut porenfrei ist und im Inneren von Gehäusen der Vakuumzustand konserviert wird, so daß nach vollendeter Lötung die Dichtheit und Festigkeit der Gehäuse durch den Außendruck erhöht wird.

Es hat sich auch gezeigt, daß die Aufheizgeschwindigkeit der bestückten Substrate von großer Wichtigkeit ist. Von Vorteil wird daher das Substrat mit einer Geschwindigkeit von weniger als 50 K/min aufgeheizt. Werden die Substrate und damit die galvanisch abgeschiedenen Lotpads schneller aufgeheizt, dann kann es zu Mikroexplosionen kommen. Dabei geraten gasförmige bzw. flüssige Einschlüsse in den Lotpads unter Druck und sprengen die zunächst teigigen Lotpads auseinander, wodurch es zu schädlichen Rißbildungen in den Lotpads kommt.

Es gibt Materialien, die beim Aufheizen und Löten stark zum Ausscheiden von Monomeren oder anderen organischen, teilweise aber auch anorganischen Substanzen neigen. Diese Substanzen können mit Bestandteilen des Prozeßgases, meist hochaktivierten Radikalen, chemische Verbindungen eingehen und in der Anlage oder auf den Bauteilen schwer zu entfernende Niederschläge bilden. Diese Erscheinung kann zum einen optisch unerwünscht sein, zum anderen können auch nachfolgende Prozeßschritte, z. B. Bonden, stark behindert werden. Aus diesem Grund hat es sich als positiv erwiesen, wenn z. B. die Aufheiz- und die Abkühlphase in einem inerten oder reduzierenden Gas, wie z. B. H₂, erfolgt. Der eigentliche Lötprozeß wird dagegen mit einem für die Lötung optimalen Gasgemisch, z. B. CO₂, NO₂ oder CF₄, durchgeführt. Ungewollte Beläge werden dadurch minimiert.

Galvanisch abgeschiedene Schichten sind gekennzeichnet durch eine spezielle Struktur, die unter anderem einen veränderten Aufschmelzmechanismus nach sich zieht. Es hat sich deshalb als vorteilhaft erwiesen, den Lötvorgang bei einer Temperatur von mehr als 10 K, vorzugsweise von mehr als 30 K über dem Schmelzpunkt des Lotes durchzuführen. Auf diese Weise wird dem langsameren, zeitlich verzögerten und zu höheren Temperaturen verschobenen Aufschmelzen galvanisch abgeschiedenen Lotes Rechnung getragen.

Während des Lötvorganges sollte das bestückte Substrat von Vorteil mehr als 60 s, vorzugsweise mehr als 100 s auf der Löttemperatur gehalten werden. Auf diese Weise kommt es zur Ausbildung einer einheitlichen Schmelze im Lotbereich und die Benetzung der miteinander zu verlötenden Teile wird optimiert.

Beim Abkühlvorgang kann es schließlich von Vorteil sein, den Druck auf 1,2 bis 5 bar zu erhöhen, da so der Wärmeübertrag von dem verlöteten Substrat auf die Gasatmosphäre erhöht wird und das Substrat schneller abkühlt. Neigen dagegen die auf dem Substrat befindlichen Bauteile zum Ausdampfen von unerwünschten Substanzen, so ist es vorteilhaft, auch den Abkühlvorgang unter Plasmaeinwirkung, insbesondere in einer Wasserstoffatmosphäre, durchzuführen.

Die Erfindung weist wesentliche Vorteile gegenüber den herkömmlichen Lötverfahren auf. Durch die zielgerichtete Abfolge der verschiedensten Gase, Inert- und Prozeßgase, während des Aufheizens, Lötens und Abkühlens der Bauelemente bzw. Substrate werden definierte Atmosphären mit Verunreinigungen im ppm-Bereich garantiert. Dadurch sind Nebeneffekte, wie Teiloxidation, Adsorption von ungewollten Molekülen und deren Bruchstücken auf den Bauteiloberflächen unmöglich. Schädliche Gaseinschlüsse, z. B. in hermetisch abgeschlossenen Gehäusen, werden vermieden. Durch die exakte Steuerungsmöglichkeit der Atmosphäre und der Prozeßparameter ist es möglich, die Gefahr, durch Flüssigkeitseinschlüsse aus dem Galvanikbad heraus Platzer bzw. Miniexplosionen unter Lotkugelbildung zu erzeugen, auf ein Minimum zu reduzieren bzw. ganz zu vermeiden. Eine reduzierende Plasmaatmosphäre baut die Oxidhäute auf den Lotpads deutlich ab. Damit wird einem normalen Ausdampfen keine druckerhöhende Haut entgegengesetzt, die explosionsartig überwunden werden muß. Darüber hinaus lassen sich die Temperatur- und die Druckkurve so steuern, daß die Erweichung des Lotes so erfolgt, daß die eingeschlossene Flüssigkeit langsam austreten kann. Als Ergebnis erhält man eine saubere, von Lot- und Flußmittelresten freie Lötung hoher Qualität.

In dem folgenden Ausführungsbeispiel werden die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Teilaspekte der Erfindung näher erläutert.

Auf eine Keramikplatte werden Lotdepots aus Sn63Pb mit einem Durchmesser von 0,36 mm und einer Höhe von 35 µm in herkömmlicher Weise galvanisch aufgebracht. Der Abstand der Lotdepots untereinander beträgt etwa 0,8 mm.

Nach dem galvanischen Abscheiden werden die Leiterplatten mit geringen Mengen eines Klebers bedruckt, wobei auf den Einsatz von Flußmittel verzichtet wird. Der Kleber wird an den Stellen aufgebracht, an denen später die Bauteile plaziert werden sollen und dient zur Fixierung der Bauteile während des Lötvorganges. Die Lotdepots selbst werden nicht mit Kleber versehen.

Anschließend werden die Leiterplatten nach der Flip-Chip-Technik mit den Bauteilen bestückt und in einen Plasma-Vakuum-Ofen eingebracht, in dem die eigentliche Verlötung nach folgenden Verfahrensschritten erfolgt: Zunächst werden die bestückten Leiterplatten in dem Ofen bei einem Druck von 0,5 mbar in einer Wasserstoffatmosphäre unter Plasmaeinwirkung aufgeheizt, bis die Temperatur des Lotes etwa 15 K unterhalb des Schmelzpunktes des Lotes liegt. In dieser reduzierenden Atmosphäre wird die Bildung ungewollter Beläge auf den Bauteilen wirkungsvoll verhindert.

Der eigentliche Lötvorgang wird dann unter Plasmaeinwirkung durchgeführt. Hierzu wird die Wasserstoffatmosphäre in dem Ofen gegen eine H₂, O₂ und CF₄ enthaltende Gasatmosphäre mit einem Druck von 0,8 mbar ausgetauscht und in dem Ofen ein Plasma gezündet. In dieser Plasmaatmosphäre werden die Lotdepots auf die Löttemperatur gebracht, die 30 K über dem Schmelzpunkt des Lotes liegt. Der gesamte Aufheizprozeß in der H₂-Atmosphäre und der Nachheizprozeß zum Erreichen der Löttemperatur benötigen etwa 180 Sekunden.

Nach Erreichen der Löttemperatur werden die Leiterplatten mit den Bauteilen 120 Sekunden in dem Plasma belassen und dabei verlötet. Der sich anschließende Abkühlvorgang wird wieder in einer Wasserstoffatmosphäre bei einem Druck von 0,2 mbar im Niederdruckplasma durchgeführt. Nach weiteren 120 Sekunden ist der gesamte Lötprozeß abgeschlossen.

Durch diese erfindungsgemäße Gas- und Druckfolge in dem Plasma-Vakuum-Ofen wird die Bildung von Ablagerungen und ungewollten chemischen Umwandlungen auf der Leiterplatte und auf den Lötstellen verhindert.

Claims (17)

1. Verfahren zum Verbinden von elektronischen Bauelementen oder Baugruppen mit einem Substrat mittels Reflow-Löten, wobei auf dem Substrat galvanisch Lotdepots aufgebracht werden, das Substrat mit den Bauelementen oder Baugruppen bestückt wird und die Bauelemente oder Baugruppen anschließend mit dem Substrat verlötet werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ohne vorheriges Umschmelzen der Lotdepots bestückt, in einem Plasmaofen aufgeheizt, in einem Niederdruckplasma behandelt und ohne Flußmittel verlötet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Lotdepots mit einer Höhe von mehr als 10 µm, vorzugsweise mit einer Höhe zwischen 15 und 50 µm galvanisch aufgebracht werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung im Niederdruckplasma bei einem Druck zwischen 0,02 und 15 mbar, vorzugsweise zwischen 0,1 und 1 mbar, erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung im Niederdruckplasma in einer Wasserstoff, Sauerstoff und/oder fluorhaltige Gase enthaltenden Atmosphäre erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung im Niederdruckplasma in einer oxidierend und/oder reduzierend wirkenden Atmosphäre erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufheizen im Niederdruckplasma erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Lötvorgang im Niederdruckplasma erfolgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Substrate nach dem Verlöten im Niederdruckplasma abgekühlt werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das bestückte Substrat in dem Plasmaofen unterschiedlichen Verfahrensschritten ausgesetzt wird, wobei die einzelnen Verfahrensschritte in unterschiedlichen Atmosphären durchgeführt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufheizen der Substrate in einer überwiegend Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre, das Verlöten in einer H₂, O₂ und CF₄ enthaltenden Atmosphäre und das Abkühlen der Substrate in einer überwiegend Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre erfolgt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das bestückte Substrat in dem Plasmaofen unterschiedlichen Verfahrensschritten ausgesetzt wird, wobei die einzelnen Verfahrensschritte bei unterschiedlichen Drücken durchgeführt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufheizen der Substrate bei einem Druck zwischen 0,6 und 1,0 mbar, das Verlöten bei einem Druck zwischen 10^-2 und 1 mbar und das Abkühlen der Substrate bei einem Druck zwischen 1,2 und 5 bar erfolgt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Lötvorgang bei einem Druck zwischen 10^-2 und 1,5.10^-1 mbar erfolgt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Lötvorgang bei einem Überdruck zwischen 1,2 und 5 bar erfolgt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das bestückte Substrat mit einer Geschwindigkeit von weniger als 50 K pro Minute aufgeheizt wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Lötvorgang bei einer Temperatur von mehr als 10 K, vorzugsweise von mehr als 30 K über dem Schmelzpunkt des Lotes erfolgt.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das bestückte Substrat mehr als 60 s, vorzugsweise mehr als 100 s auf der Löttemperatur gehalten wird.