DE19839760A1

DE19839760A1 - Verfahren zur Verbindung von elektronischen Bauelementen mit einem Trägersubstrat sowie Verfahren zur Überprüfung einer derartigen Verbindung

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Publication number: DE19839760A1
Application number: DE19839760A
Authority: DE
Inventors: Jan Benzler; Albert-Andreas Hoebel; Gerhard Schmidt; Stefan Rupprecht; Thomas Ruzicka; Reiner Schuetz; Hongquan Jiang
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-09-01
Filing date: 1998-09-01
Publication date: 2000-03-02
Also published as: WO2000013228A1; HUP0100338A2; US6678948B1; EP1048069A1; HUP0100338A3; JP2002524854A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbindung von elektronischen Bauelementen mit einem Trägersubstrat, wobei wenigstens ein Anschlußkontakt des Bauelementes mit wenigstens einem Anschlußkontakt auf der Oberseite des Trägersubstrates elektrisch leitend verbunden wird, indem ein Löthöcker (Bump) an wenigstens einem der zu verbindenden Anschlußkontakte aufgebracht wird, das Bauelement mit dem Trägersubstrat justiert gefügt wird, und der wenigstens eine Löthöcker zur Benetzung der Kontaktflächen verlötet wird. DOLLAR A Es ist vorgesehen, daß während des Lötens der wenigstens eine Löthöcker (24) in der Kontaktierungsebene derart verformt wird, daß ein Verformungsgrad erzielt wird, der eine zweidimensionale Auswertung des Verformungsgrades mittels einer Röntgenaufnahme der Verbindungsstelle gestattet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbindung von elektronischen Bauelementen mit einem Träger substrat mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 ge nannten Merkmalen, eine Anordnung zur Verbindung von elektronischen Bauelementen mit einem Trägersubstrat mit den im Oberbegriff des Anspruchs 10 genannten Merkmalen sowie ein Verfahren zur Überprüfung einer Verbindung zwischen elektronischen Bauelementen und einem Trägersubstrat mit den im Oberbegriff des An spruchs 16 genannten Merkmalen.

Stand der Technik

Es ist bekannt, ein Trägersubstrat mit elektronischen Bauelementen in einem sogenannten Flip-Chip-Verfahren oder Ball-Grid-Array(BGA)-Verfahren zu bestücken. Hierbei werden die elektronischen Bauelemente auf der Anschlußseite mit einer Vielzahl von Löthöckern, so genannten Bumps oder Balls, versehen und anschließend mit der Anschlußseite nach unten gewandt auf ein mit von Kontaktflächen gebildeten Anschlußkontakten ver sehenes Trägersubstrat aufgesetzt, wobei ein Fügen derart erfolgt, daß die Löthöcker korrespondierenden Anschlußkontakten, sogenannten Pads, justiert zuge ordnet sind. Bei Flip-Chip-Verfahren werden üblicher weise Löthöcker mit einem Durchmesser von circa 75 bis 80 µm und bei BGA-Verfahren Löthöcker mit einem Durchmesser von circa 500 bis 700 µm verwendet. Als Trägersubstrat dient beispielsweise ein Keramiksub strat, eine Leiterplatte, ein Siliziumsubstrat oder dergleichen. Anschließend werden die Löthöcker in ei nem Reflow-Lötverfahren mit den Anschlußkontakten des Trägersubstrates verlötet, wobei die Löthöcker in ei nem Reflow-Ofen aufgeschmolzen werden und die Kon taktflächen des Trägersubstrates benetzen.

Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der WO 98/14995, der US PS 5,284,796 oder der US PS 5,246,880 bekannt. Entsprechend der Anzahl zu kontak tierender Anschlußkontakte werden hierbei gleichzei tig während des Flip-Chip-Verfahrens eine Vielzahl elektrisch leitender Verbindungen zwischen Anschluß kontakten des elektronischen Bauelementes und des Trägersubstrates hergestellt.

Aufgrund der Anordnung der während des Reflow-Lötens erzeugten Verbindungskontakte zwischen dem elektroni schen Bauelement und dem Trägersubstrat ist eine Sichtprüfung nicht möglich. Um eine Prüfung der Ver bindungskontakte vornehmen zu können, insbesondere um eine Benetzung der aufgeschmolzenen Löthöcker mit den Kontaktflächen der Anschlußkontakte des Trägersub strates prüfen zu können, ist bekannt, die aus dem elektronischen Bauelement und dem Trägersubstrat be stehende Verbundanordnung einer Röntgenstrahlung aus zusetzen und eine angefertigte Röntgenaufnahme auszu werten. Entsprechend des verwendeten Materials der Löthöcker kann hierbei eine Kontrastdarstellung auf der Röntgenaufnahme erzielt werden, die die Löthöcker und die die Löthöcker umgebenden Bereiche des Verbun des zeigen. Entsprechend der Auflösung eines verwen deten Röntgengerätes sind fehlende Lötstellen oder Brückenbildungen zwischen benachbarten Lötstellen hierdurch gut erkennbar. Jedoch ist eine nicht oder nur teilweise erfolgende Benetzung der Löthöcker mit den Kontaktflächen der Anschlußkontakte des Träger substrates, beispielsweise aufgrund von Verschmutzun gen der Anschlußkontakte, nicht möglich. Diese soge nannten "kalten Lötstellen" beeinträchtigen bezie hungsweise verhindern die Funktion der elektronischen Bauelemente, so daß deren Erkennen für eine Quali tätsüberprüfung unabdingbar ist.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, daß in einfa cher Weise eine zerstörungsfreie Überprüfung von mit tels einer Flip-Chip-Technik oder BGA-Technik herge stellter elektrisch leitender Verbindungen möglich ist. Dadurch, daß während des Lötens der wenigstens eine Löthöcker in der Kontaktierungsebene derart ver formt wird, daß ein Verformungsgrad erzielt wird, der eine Auswertung des Verformungsgrades mittels einer Röntgenaufnahme der Verbindungsstelle gestattet, kann über einen Intensitätsverlauf einer die Verbundanord nung durchdringenden Röntgenstrahlung oder einer zweidimensionalen oder einer dreidimensionalen Rönt genaufnahme der Verbindungsstelle neben dem Vorhan densein einer Lötstelle deren ordnungsgemäße Benet zung mit dem zu kontaktierenden Anschlußkontakt über prüft werden.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung, insbeson dere bei der Flip-Chip-Technik, ist vorgesehen, daß die Löthöcker während des Lötens eine Masseverteilung erfahren, so daß ihre Dicke zum Rand hin stetig ab nimmt, wobei die Masseverteilung vorzugsweise durch eine Lötstopmaske bestimmt wird, die die Anschlußkon takte des Trägersubstrates umgreift. Hierdurch wird vorteilhaft erreicht, daß bei bekannter Ausgangsgröße und somit bekannter Ausgangsmasse der Löthöcker diese eine definierte Verformung in der Kontaktierungsebene erfahren können. Entsprechend der Anordnung der Löt stopmaske ergibt sich hierdurch eine zum Rand der Löthöcker hin abnehmende Masseverteilung, so daß eine definierte Verformung der Löthöcker erfolgt. Durch die nachfolgende Röntgenbestrahlung der Verbindungs stelle werden die Röntgenstrahlen entsprechend der gegebenen Masseverteilung der Löthöcker unterschied lich von dem Material des Löthöckers absorbiert, so daß sich ein Intensitätsverlauf mit einem stetigen Übergang von einem Maximum zu einem Minimum bezie hungsweise umgekehrt der die Verbundanordnung durch dringenden Röntgenstrahlen ergibt. Dieser stetige Übergang zwischen dem Minimum und dem Maximum läßt eine Benetzung der Kontaktfläche des Anschlußkontak tes in einfacher Weise erkennen. Insbesondere, wenn die Durchmesser von Maskierungsöffnungen der Lötstop maske zu einem Durchmesser der Löthöcker in definier ten Bereichen gewählt werden, läßt sich während des Reflow-Lötens der Bauelemente auf dem Trägersubstrat eine definierte Masseverteilung des Löthöckers errei chen. Diese ergibt somit den stetigen Verlauf der Dicke des Löthöckers in der Kontaktierungsebene gese hen und somit den stetigen Übergang zwischen einem Minimum und einem Maximum der Intensität der die Ver bundanordnung passierenden Röntgenstrahlen.

Ferner ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Überprüfung einer Verbindung zwischen elektronischen Bauelementen und einem Trägersubstrat vorteilhaft möglich, in einfacher Weise eine Qualitätsbewertung von in einem Flip-Chip-Verfahren oder in BGA-Technik erhaltener Kontaktierungsstellen mit hoher Präzision zu ermöglichen. Dadurch, daß eine Beeinflussung eines Intensitätsverlaufes von die Verbundanordnung durch dringenden Röntgenstrahlen in einem Übergangsbereich von einem verlöteten Löthöcker zu dem die Löthöcker umgebenden Bereich oder eine zweidimensionale oder dreidimensionale Röntgenaufnahme der Verbindungs stelle ausgewertet wird, wobei beim Verlöten der Löt höcker diese so verformt werden, daß bei ordnungsge mäßer Benetzung der Anschlußkontakte ein stetiger Übergang des Intensitätsverlaufes oder eine sichtbare Verformung des Löthöckers in der Röntgenaufnahme meß bar ist, läßt sich anhand der erzielten Röntgenauf nahmen die fehlerfreien oder fehlerhaften Kontakt stellen erkennen.

Durch die Verformung während des Verlötens der Löt höcker erfahren diese eine Masseverteilung, mit zu ihren Rändern hin abnehmender Masse (Dicke), die ei nen stetigen Übergang der Intensität der gemessenen Röntgenstrahlen bewirken, da in der Kontaktierungs ebene auf den erhaltenen Verbundanordnungen gleich mäßig aufgebrachte Röntgenstrahlung entsprechend der Masseverteilung der Löthöcker unterschiedlich stark absorbiert beziehungsweise durchgelassen werden. Hieraus ergibt sich der Intensitätsverlauf in der Röntgenaufnahme. Bei einer nicht ordnungsgemäßen Be netzung der Löthöcker mit den Anschlußkontakten un terbleibt die gewollte Masseverteilung der Löthöcker, so daß ein entsprechender stetiger Übergang der In tensitätsverteilung der Röntgenstrahlen nicht meßbar ist. Derartige nicht oder nur unzureichend benetzte Löthöcker zeichnen sich durch einen sprunghaften Übergang der Intensitätsverteilung aus, so daß auf grund dieses sprunghaften Intensitätsverlaufes auf eine "kalte Lötstelle" geschlossen werden kann. Ins besondere bei relativ kleinen Löthöckern bei der Flip-Chip-Technik kann so eine zerstörungsfreie in präzise Auswertung erfolgen.

Bei einer eindeutigen Verformung, die insbesondere bei den relativ großen Löthöckern bei BGA-Techniken erreichbar ist, läßt sich diese Verformung in einer zweidimensionalen oder dreidimensionalen Röntgenauf nahme sichtbar und damit auswertbar machen. Aufgrund der relativ großen Masse der Löthöcker kann hier ein stetiger Übergang eines Intensitätsverlaufes nicht erkannt werden. Hier läßt sich die Verformung - mit an sich sprunghaftem Übergang der Intensität zwischen den Löthöckern und dem die Löthöcker umgebenden Be reich - die die einwandfreie Benetzung des Anschluß kontaktes hervorruft - auf der Röntgenaufnahme ein deutig erkennen.

In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Anschlußkontakt des Träger substrates von einer Lötstopmaske umgriffen wird, de ren Maskenöffnung größer ist als der Anschlußkontakt. Hierdurch wird vorteilhaft möglich, daß während des Lötens der Verbundanordnung eine Verformung des Löt höckers derart erfolgen kann, daß im wesentlichen senkrecht zu Kontaktierungsebene der Verbundanordnung verlaufende Stirnflächen des Anschlußkontaktes durch das Material des Löthöckers mitbenetzt werden können. Dadurch, daß die Lötstopmaske beabstandet zu dem An schlußkontakt angeordnet ist, kann dieser Freiraum genutzt werden, um eine Verformung des Materials des Löthöckers in diesem Freiraum zu ermöglichen, wobei gleichzeitig die Benetzung der Stirnkanten des An schlußkontaktes bei ordnungsgemäßer Benetzung er folgt.

Die ordnungsgemäße Benetzung der Stirnkanten des An schlußkontaktes läßt sich durch ein bevorzugtes Ver fahren zur Überprüfung der Verbindung zwischen dem elektronischen Bauelement und dem Trägersubstrat überprüfen. Dadurch, daß eine dreidimensionale Rönt genaufnahme der Verbundanordnung im Bereich einer Schicht angefertigt und ausgewertet wird, die in ei ner Ebene mit dem wenigstens einem Anschlußkontakt des Trägersubstrats liegt, läßt sich die ordnungsge mäße Benetzung der Stirnkanten in der Röntgenaufnahme dieser Schicht in einfacher Weise nachweisen. Da durch, daß lediglich die Schicht, in der die An schlußkontakte angeordnet sind, aus der gesamten Ver bundanordnung herausgegriffen und dargestellt wird, läßt sich das Vorhandensein von während des Lötens verformten Materials in die Ebene des Anschlußkontak tes hinein, so daß dieser die Stirnkanten benetzen kann, durch eine ringförmige Darstellung auf der Röntgenaufnahme nachweisen.

Ferner kann in bevorzugter Ausgestaltung der Erfin dung eine Benetzung der Stirnkanten des Anschlußkon taktes durch eine zweidimensionale Röntgenaufnahme der Verbundanordnung überprüft werden. Bei einer zweidimensionalen Röntgenaufnahme kann sehr vorteil haft eine Benetzung der Stirnkanten erkannt werden, indem sich in einem Intensitätsverlauf der die Ver bundanordnung durchdringenden Röntgenstrahlen ein Kennlinienverlauf nach Art eines Sattels einstellt, der in einfacher Weise ein Anzeichen für eine ord nungsgemäße Benetzung der Stirnseiten gibt.

Ferner läßt sich in bevorzugter Ausgestaltung der Er findung durch eine definierte Formgebung der An schlußkontakte die Verformung des - im wesentlichen runden - Löthöckers erreichen. Während des Lötens be netzt der Löthöcker den geformten Anschlußkontakt und nimmt dadurch im wesentlichen dessen Form an. Bevor zugte definierte Formen des Anschlußkontaktes sind vorzugsweise ovale, dreieckige oder polygonale Formen oder dergleichen.

Durch die der Formgebung des Anschlußkontaktes fol gende Benetzung läßt sich eine gezielte Verformung des Löthöckers erreichen, die in einer zweidimensio nalen Röntgenaufnahme nachweisbar ist. Entspricht die Form des Löthöckers der zuvor bekannten Form des An schlußkontaktes, kann von einer vollständigen und da mit ordnungsgemäßen Benetzung des Anschlußkontaktes ausgegangen werden. Entspricht die Form des Löt höckers auf der Röntgenaufnahme, beispielsweise der ursprünglichen Form des Löthöckers, insbesondere ei ner runden Form, kann durch die Nichtannahme der Form des Anschlußkontaktes durch den Löthöcker auf eine nicht ordnungsgemäße Benetzung des Anschlußkontaktes geschlossen werden.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung er geben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispie len anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläu tert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Ausschnitt eines Querschnittes durch ein Trägersubstrat mit einem darauf aufge setzten Flip-Chip-Bauelement vor einem Re flow-Löten;

Fig. 2 die Verbundanordnung gemäß Fig. 1 nach dem Reflow-Löten;

Fig. 3 eine Verbundanordnung nach dem Reflow-Löten nach einem weiteren Ausführungsbeispiel;

Fig. 4 eine Verbundanordnung nach dem Reflow-Löten im Stand der Technik;

Fig. 5 eine schematische Schnittansicht einer ver löteten Verbundanordnung nach einem weite ren Ausführungsbeispiel;

Fig. 6 eine schematische Ansicht einer dreidimen sionalen Röntgenaufnahme der Anordnung ge mäß Fig. 5;

Fig. 7 eine schematische Ansicht einer zweidimen sionalen Röntgenaufnahme;

Fig. 8 eine Draufsicht auf ein Anschlußbild einer Leiterplatte;

Fig. 9 verschiedene Formen von Anschlußkontakten und

Fig. 10 eine schematische zweidimensionale Röntgen aufnahme einer Verbundanordnung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines Querschnitts durch ein Trägersubstrat 10, das eine Leiterplatte, eine Keramikplatte, ein Siliziumsubstrat oder der gleichen sein kann. In dem hier gezeigten Beispiel handelt es sich um eine Leiterplatte, deren Oberseite 12 zur Bestückung mit elektrischen und/oder elektro nischen Bauelementen 14 vorgesehen ist. Auf der Ober seite 12 sind Leiterbahnen 16 aufgebracht, in der Fig. 1 und in den nachfolgenden Figuren ist jeweils nur eine Leiterbahn 16 gezeigt, wobei klar ist, daß das Trägersubstrat 10 eine Vielzahl von Leiterbahnen 16 aufweisen kann. Die Leiterbahn 16 endet in einem Anschlußkontakt 18, der eine Kontaktfläche 20 ausbil det, die zur Herstellung einer elektrischen Verbin dung zu den Bauelementen 14 dient.

Es ist vorgesehen, daß Trägersubstrat 10 mit Flip- Chip-Bauelementen und/oder SMD-Bauelementen (surface mounted device) zu bestücken, wobei das Bauelement 14 nur ausschnittsweise dargestellt ist. Eine vergleich bare Verbindungstechnik ist auch die Herstellung von Lötverbindungen von Ball Grid Arrays, wobei nachfol gend die Bezeichnung Löthöcker gleichbedeutend für Bumps, Balls oder dergleichen verwendet wird.

Am Bestückungsort des Bauelementes 14 ist die Ober seite 12 des Trägersubstrates mit einem Muster von Anschlußkontakten 18 versehen, die einem Muster von Anschlußkontakten 22 des Bauelementes 14 entsprechen. Jedem zu kontaktierenden Anschlußkontakt 22 des Bau elementes 14 ist somit ein Anschlußkontakt 18 des Trägersubstrates 10 zugeordnet, das heißt, vor dem Verbinden des Bauelementes 14 mit dem Trägersubstrat 10 an den einander zugewandten Seiten des Bauelementes 14 und des Trägersubstrates 10 sind diese gegenüber liegend angeordnet.

Die Anschlußkontakte 22 des Bauelementes 14 besitzen jeweils einen Löthöcker 24 (Bump, Ball), die aus ei nem elektrisch leitfähigen Material bestehen oder zu mindestens elektrisch leitfähiges Material enthalten. Die Löthöcker 24 werden mittels bekannter Verfahren auf die Anschlußkontakte 22 aufgebracht, so daß im Rahmen der vorliegenden Beschreibung hierauf nicht näher eingegangen werden soll. Bei Flip-Chip-Technik besitzen die Löthöcker einen Durchmesser d₂ von circa 75 bis 80 µm, bei BGA-Technik einen Durchmesser von circa 500 bis 700 µm.

Die Anschlußkontakte 18 des Trägersubstrates 10 sind von einer Lötstopmaske 26 umgeben. Die Lötstopmaske 26 besitzt entsprechend des Rasters der herzustellen den elektrisch leitenden Verbindungen zwischen dem Bauelement 14 und dem Trägersubstrat 10 entsprechende Maskierungsöffnungen 28, die von Seitenwänden 30 der Lötstopmaske 26 begrenzt werden. Die Lötstopmaske 26 ist beispielsweise von einem im Siebdruck aufgebrach ten Lötstoplack gebildet.

Die Öffnungen 28 sind vorzugsweise rund ausgebildet und besitzen einen Durchmesser d₁, der größer gewählt ist als ein Durchmesser d₂ der im wesentlichen kugel förmigen Löthöcker 24. Ein Verhältnis der Durchmesser d₂ : d₁ beträgt beispielsweise größer 1 : 1,1, insbe sondere 1 : 1,3 bis 1 : 1,4.

Jeweils unterhalb der schematischen Teilschnittan sichten ist in den Fig. 1 bis 4 in einem Diagramm ein Intensitätsverlauf 32 von die Anordnung durch dringenden Röntgenstrahlen 34 über deren räumliche Verteilung dargestellt. Hierbei ist der Intensitäts verlauf 32 im Verlauf einer Kontaktierungsebene einer Verbundanordnung 36 (Fig. 2) gezeigt, wobei die Kon taktierungsebene mit einer parallelen Ebene zur Ober seite 12 des Trägersubstrates 10 zusammenfällt. In Fig. 1 ist dieser Intensitätsverlauf 32 lediglich zur Erläuterung dargestellt, wobei klar wird, daß bei Beaufschlagen der Verbundanordnung 36 mit der Rönt genstrahlung 34 diese aufgrund der gegebenen Mate rialzusammensetzung der einzelnen Bereiche der Ver bundanordnung 36 mit unterschiedlicher Intensität durchdringen. Insbesondere im Bereich der Löthöcker 24 erfährt die Röntgenstrahlung 34 eine starke Ab sorption, so daß in der den Intensitätsverlauf 32 wiedergebenden Kennlinie 38 der Durchmesser d₂ des Löthöckers 24 durch eine sprunghafte Änderung der Intensität 32 anhand der Kennlinie 38 deutlich wird.

Anhand von Fig. 2 wird die Verbundanordnung 36 nach erfolgtem Reflow-Löten gezeigt. Hierzu wird das Bau element 14 auf das Trägersubstrat 10 aufgesetzt, wo bei die Löthöcker 24 auf die Kontaktflächen 20 auf setzen. Es versteht sich, daß alle Löthöcker 24 des Bauelementes 10 die gleiche Dimensionierung besitzen, so daß ein gleichmäßiges Aufsetzen aller Löthöcker 24 auf den jeweils ihnen zugeordneten Kontaktflächen 20 erfolgt. Anschließend wird die Verbundanordnung 36 einer Reflow-Lötstation zugeführt. In der Reflow-Löt station wird das Lot der Löthöcker 24 erhitzt und schmilzt. Hierdurch beginnt das Material der Löt höcker 24 zu fließen und benetzt die Kontaktfläche 20. Entsprechend der Größe der Öffnungen 28 der Löt stopmaske 26 fließt das Material der Löthöcker 24 bis zu den Seitenwänden 30, so daß die Kontaktfläche 20 vollkommen benetzt ist. Die Anschlußkontakte 18 be stehen hierbei aus einem gut benetzbaren Material, beispielsweise Nickel, Kupfer oder Gold. Durch die gute Benetzbarkeit der Kontaktflächen 20 nimmt das Lot die in Fig. 2 dargestellte Form an. Die Oberflä chenspannkraft des Lotes und die Gewichtskraft des Bauelementes 14 bewirken dabei, daß das Bauelement 14 zur Oberseite 12 des Trägersubstrates 10 hin bewegt wird, bis beispielsweise in den Figuren nicht darge stellte Abstandshalter dieses Aufeinanderzubewegen begrenzen.

Entsprechend der Verringerung des Abstandes zwischen dem Bauelement 14 und dem Trägersubstrat 10 erfolgt eine Umverteilung der Masse des Löthöckers 24 über dessen Dicke D. Aufgrund des Verhältnisses der Durch messer d₂ zu d₁ (Fig. 1) erfolgt ein stetiger Über gang der Dicke D des Löthöckers 24 von dessen Rand, der durch die Seitenwand 30 der Maskierungsöffnungen 28 bestimmt wird, zu dessen Zentrum im Bereich der Anschlußkontakte 22 des Bauelementes 14. Somit findet eine Verformung der Löthöcker 24 in der Kontaktie rungsebene statt, wobei der Verformungsgrad und damit die Masseverteilung des Löthöckers 24 über der Kon taktierungsebene durch das Verhältnis der Durchmesser d₂ zu d₁ bestimmbar ist.

Hierdurch wird es möglich, die Verbindung zwischen dem Bauelement 14 und dem Trägersubstrat 10 mittels einer Röntgenbestrahlung im Hinblick auf eine ord nungsgemäße Benetzung des Löthöckers 24 auf der Kon taktfläche 20 zu überprüfen. Entsprechend des wieder um dargestellten Intensitätsverlaufes 32 über der Kontaktierungsebene läßt sich anhand der Kennlinie 38 ein stetiger Übergang zwischen einem Maximum 40 und einem Minimum 42 der Intensität 32 der Röntgenstrah len 34 feststellen. Dieser kontinuierliche Übergang - in Fig. 2 mit 44 bezeichnet - entspricht hierbei der Abnahme der Dicke D des Löthöckers 24 in dessen flächenhafter Ausdehnung in der Kontaktierungsebene. Somit läßt sich bei einer zerstörungsfreien Überprü fung der fertig hergestellten Verbundanordnung 36 mittels der Röntgenstrahlen 34 in einfacher Weise feststellen, ob sämtliche Löthöcker 24 die Kontakt fläche 20 benetzen. Für den Fall einer Nichtbenetzung würden sich die, in Fig. 1 dargestellten, sprunghaf ten Übergänge im Intensitätsverlauf 32 der Röntgen strahlen 34 ergeben. Ist keiner dieser sprunghaften Übergänge vorhanden, das heißt, die Kennlinie 38 be sitzt für jeden Löthöcker 24 die stetigen Übergangs bereiche 44, kann auf eine einwandfreie elektrische Kontaktierung des Bauelementes 14 mit dem Trägersub strat 10 geschlossen werden.

Es ist selbstverständlich, daß entsprechend der An zahl der zu überprüfenden Bauelemente 24 sich in der Draufsicht gesehen - also gemäß der Darstellung in Fig. 1 und Fig. 2 von oben betrachtet - auf der ge fertigten Röntgenaufnahme für jeden der Löthöcker 24 eine flächenhafte Intensitätsverteilung der Röntgen strahlen 34 ergibt. Da die Löthöcker 24 im wesentli chen kugelförmig ausgebildet sind, ergibt sich ein radialer Verlauf der Intensitätsverteilung je Löt höcker 24, wobei die Bereiche 44 dann zwischen ent sprechenden Radien um einen Mittelpunkt der Löthöcker 24 verlaufen, der durch das Minimum 42 der Intensität 32 gekennzeichnet ist.

Gegebenenfalls kann eine Prüfung der Verbundanordnung 36 derart erfolgen, daß eine Röntgenaufnahme des noch nicht gelöteten Verbundes gemäß Fig. 1 mit einer Röntgenaufnahme des gelöteten Verbundes gemäß Fig. 2 verglichen wird, wobei der Unterschied zwischen den Sprüngen zwischen Minima und Maxima des Intensitäts verlaufes 32 und den dann stetigen Übergangsbereichen 44 zwischen dem Minima 42 und dem Maxima 40 als Beur teilungskriterium herangezogen wird. Die Auswertung der Röntgenaufnahmen kann entweder manuell oder auf geeignete Weise automatisch mittels Bildverarbeitung erfolgen.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsvariante einer bereits verlöteten Verbundanordnung 36. Hierbei wird auf die Anordnung einer Lötstopmaske verzichtet, so daß das Lot der Löthöcker 24 auf der Kontaktfläche 20 sowie der Oberfläche der die Kontaktfläche 20 aufwei senden Leiterbahn 18 zerfließen kann. Aufgrund einer guten Benetzbarkeit der Kontaktfläche 20 erfolgt ein Zerfließen des Lotes nur in Richtung der Leiterbahn 18, so daß am hier links dargestellten Abschluß 46 der Leiterbahn 18 ein Fließen des Lotes unterbleibt. Nach weiteren Ausführungsbeispielen kann die Kontakt stelle 18 auch so ausgebildet sein, daß ein gleich mäßiges Fließen des Lotes in allen Richtungen der Kontaktierungsebene erfolgen kann.

Entsprechend der wiederum dargestellten Überprüfung der erzielten Verbindung anhand des Intensitätsver laufes 32 der Röntgenstrahlen 34 wird deutlich, daß im Bereich des Fließens des Lotes ein stetiger Über gang zwischen dem Minimum 42 und dem Maximum 40 der Intensität 32 der Röntgenstrahlen 34 gegeben ist. Wird bei der Auswertung dieser stetige Übergangsbe reich 44 nicht festgestellt, sondern ist hier ein sprunghafter Übergang zwischen dem Minimum 42 und dem Maximum 40 gegeben, kann geschlußfolgert werden, daß das Lot die Kontaktfläche 20 nicht in gewünschtem Maße benetzt hat.

Um den Gegenstand der Erfindung nochmals zu verdeut lichen, ist in Fig. 4 eine Verbundanordnung 36 nach dem Stand der Technik gezeigt. Dort ist das Verhält nis zwischen einem Durchmesser d₁ der Öffnung 28 der Lötstopmaske 26 und dem Durchmesser d₂ der Löthöcker 24 nahezu gleich groß, das heißt, das Verhältnis der Durchmesser d₁ : d₂beträgt 1 : 1, so daß eine Ver formung der Löthöcker 24 in Richtung der Kontaktie rungsebene im wesentlichen unterbleibt, so daß eine hier durchgeführte zweidimensionale Röntgenuntersu chung zu dem sprunghaften Übergang zwischen dem Mini mum 42 und dem Maximum 40 des Intensitätsverlaufes 32 der Röntgenstrahlen 34 führt. Somit kann zwar auf das Vorhandensein einer elektrisch leitenden Verbindung über ein Löthöcker 24 erkannt werden, jedoch ist nicht deutlich, ob tatsächlich eine ausreichende Be netzung der Kontaktfläche 20 erfolgte.

In Fig. 5 ist eine weitere Verbundanordnung 36 in einem anderen Ausführungsbeispiel gezeigt. Gleiche Teile wie in den vorhergehenden Figuren sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert.

In der Fig. 5 sind zwei Löthöcker 24 gezeigt, von denen der links dargestellte Löthöcker nach dem Ver löten des Bauelementes 14 mit dem Trägersubstrat 10 den Anschlußkontakt ordnungsgemäß benetzt, während der rechts dargestellte Löthöcker zum Vergleich den Anschlußkontakt 18 nicht ordnungsgemäß benetzt. Die im Sinne der Erfindung während des Lötens vorgenom mene Verformung des Löthöckers 24 wird derart er reicht, daß eine Lötstopmaske 26 derart beabstandet zu dem Anschlußkontakt 18 verläuft, daß seitliche, das heißt im wesentlichen senkrecht zur Kontaktie rungsebene verlaufende Stirnflächen 50 des Anschluß kontaktes 18 von dem Löthöcker 24 mit benetzt werden. Eine Benetzung der Stirnflächen 50 des Anschlußkon taktes 18 ist ohne weiteres möglich, da einerseits das Material des Löthöckers 24 während des Lötens in einen Schmelzzustand überführt wird, so daß aufgrund der guten Benetzbarkeit des Materials des Anschluß kontaktes 18, der beispielsweise aus Gold, Aluminium, Platin oder dergleichen besteht die Stirnflächen 50 mitbenetzt werden, indem ein verbleibender Abstand zwischen der Lötstopmaske 26 und dem Anschlußkontakt 18 mit dem Lot ausgefüllt wird. Durch diese Beabstan dung der Lötstopmaske 26 zum Anschlußkontakt 18 wird eine gewollte Verformung des Löthöckers 24 während des Lötens erreicht, die, wie nachfolgend noch erläu tert wird, mittels eines Röntgenverfahrens auswertbar ist.

Im Vergleich hierzu ist der rechts dargestellte Löt höcker 24 nicht ordnungsgemäß mit dem Anschlußkontakt 18 benetzt. Der Zwischenraum zwischen der Lötstop maske 26 und dem Anschlußkontakt 18 ist nicht mit dem Material des Löthöckers 24 ausgefüllt, so daß die Stirnflächen 50 des Anschlußkontaktes 18 nicht be netzt sind. Dies kann beispielsweise infolge einer Verschmutzung des Anschlußkontaktes 18, die dessen an sich gute Benetzbarkeit beeinträchtigt, erfolgen.

Um die ordnungsgemäße Benetzung der Anschlußkontakte 18 mit den Löthöckern 24 prüfen zu können, wird mit tels einer dreidimensionalen Röntgentechnik die in Fig. 5 mit S bezeichnete Schicht der Verbundanord nung 36 untersucht und in einer in Fig. 6 schema tisch angedeuteten Röntgenaufnahme dargestellt. Mit tels der verfügbaren 3D-Röntgentechnik sind Schicht auflösungen von zirka 30 bis 100 µm realisierbar. Die Anschlußkontakte 18, die beispielsweise in Siebdruck oder anderen geeigneten Verfahren auf das Träger substrat 18 aufgebracht sind, besitzen üblicherweise eine Schichtdicke von zirka 50 µm. Somit kann mittels der 3D-Röntgentechnik die Schicht S aus der Verbund anordnung 36 heraus aufgenommen werden, in der die Anschlußkontakte 18 liegen. Durch Sichtbarmachung dieser Schicht S in der Röntgenaufnahme, ergibt sich die in Fig. 6 schematisch angedeutete Aufnahme. Hierbei wir bei einem ordnungsgemäß benetzten An schlußkontakt 18 das sich innerhalb der Schicht S be findende Material des Löthöckers 24 als Ring 52 sichtbar, der den Anschlußkontakt 18 umgreift. Bei der in Fig. 6 schematisch angedeuteten Aufnahme hin gegen wird infolge der Nichtbenetzung der Stirnkanten 50 des Anschlußkontaktes 18 innerhalb der Schicht dicke S kein Material des Löthöckers 24 verformt, so daß bei der Röntgenaufnahme dieses auch nicht sicht bar ist. Durch Auswertung der Röntgenaufnahmen kann nunmehr bei Vorhandensein des Ringes 52 um den An schlußkontakt 18 auf eine ordnungsgemäße Benetzung der Anschlußkontakte 18 geschlossen werden.

Fig. 7 verdeutlicht eine zweidimensionale Röntgen auswertung der Verbundanordnung 36, wobei die Dar stellung der Verbundanordnung 36 in Fig. 7 der be reits in Fig. 5 gezeigten Verbundanordnung 36 ent spricht. Entsprechend der Benetzung der Stirnkanten 50 der Anschlußkontakte 18 ergibt sich eine Massever teilung der Löthöcker 24, die sich in einer zwei dimensionalen Darstellung verdeutlichen läßt. In der in Fig. 7 linken Darstellung erfolgt eine ordnungs gemäße Benetzung der Stirnkanten 50, so daß sich eine Masseverteilung des Lotes der Löthöcker 24 ergibt, der dem dargestellten Intensitätsverlauf 32 ent spricht, wobei sich hier ein sattelförmiger Verlauf 51 ergibt. Erfolgt die ordnungsgemäße Benetzung der Stirnkanten 50 - wie in der rechten Darstellung in Fig. 7 - nicht, kommt es zu einer Masseverteilung des Löthöckers 24, die in dessen Randbereichen 53 deutlich weniger Lot aufweist als im Zentrum 55. Hierdurch ergibt sich der unten gezeigte Intensitäts verlauf 32 der Röntgenstrahlung, wobei es eben gerade nicht zur Ausbildung des sattelförmigen Verlaufes 51 kommt. Ein festgestellter sattelförmiger Verlauf 51 des Intensitätsverlaufes 32 ist somit ein Kriterium für eine ordnungsgemäße Benetzung des Anschlußkontak tes 18.

In Fig. 8 ist das Anschlußbild einer Leiterplatte mit n × m Anschlußkontakten 18 gezeigt. Die Werte für n und m können beispielsweise 15 betragen. Um eine gezielte Verformung der Löthöcker während des Lötens, durch Benetzen der Anschlußkontakte 18 zu erreichen, können die Anschlußkontakte 18 - in Draufsicht gese hen - eine definierte Formgebung besitzen.

In Fig. 9 sind in stark vergrößerter Darstellung je weils ein Anschlußkontakt 18 in seiner Draufsicht ge zeigt, um einige der möglichen definierten Formgebun gen für die Anschlußkontakte 18 - ohne Anspruch auf Vollständigkeit zu erheben - zu verdeutlichen. Die definierte Formgebung der Anschlußkontakte kann bei spielsweise durch die Ausbildung einer Lötstopmaske auf einer Leiterbahn erfolgen, wobei eine Maskenöff nung der Lötstopmaske dann die Form des Anschlußkon taktes 18 ergibt. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Anschlußkontakte 18 selber mit einer ent sprechenden Formgebung auf das Substrat 10 aufzubrin gen. Entscheidend ist, daß die Geometrie der An schlußkontakte 18 von einer kreisrunden Form, die im wesentlichen der runden Form der Löthöcker ent spricht, abweicht, so daß bei Benetzung der Anschluß kontakte 18 die Löthöcker entsprechend der Geometrie der Anschlußkontakte 18 zerfließen und deren Form an nehmen. Hierdurch kommt es zu einer gezielten Verfor mung der Löthöcker 24. Gemäß der auszugsweise gezeig ten Möglichkeiten kann der Anschlußkontakt 18 gemäß den Fig. 9a und 9b beispielsweise von einer runden Form abkragende Stege aufweisen, gemäß Fig. 9c drei eckförmig, gemäß Fig. 9d mit einer von einer Kreis form entspringenden Nase und gemäß Fig. 9e mit von einer Kreisform entspringenden gegenüberliegend ange ordneten Nasen, gemäß Fig. 9f tropfenförmig, gemäß Fig. 9g oval, gemäß Fig. 9h quadratisch und gemäß Fig. 9i rund mit einem Steg ausgebildet sein. Hier bei können alle zu kontaktierenden Anschlußkontakte 18 die gleiche geometrische Form oder auch Mischfor men aufweisen, das heißt, Anschlußkontakte 18 einer Leiterplatte besitzen eine unterschiedliche geometri sche Form. Zweckmäßigerweise besitzen jedoch alle zu kontaktierenden Anschlußkontakte einer Leiterplatte die gleiche geometrische Form.

In Fig. 10 ist ein schematischer Ausschnitt einer zweidimensionalen Röntgenaufnahme gezeigt, mittels der die ordnungsgemäße Benetzung von Anschlußkontak ten 18 durch Löthöcker 24 überprüft wird. Hier sind beispielsweise vier Löthöcker 24 erkennbar, (Die Auf nahme gibt ferner, hier nicht zu behandelnde, Leiter bahnen und Durchkontaktierungen wieder), von denen die beiden oben dargestellten Löthöcker 24 eine im wesentlichen kreisrunde Form aufweisen, während die beiden unten dargestellten Löthöcker 24 eine im we sentlichen ovale Form aufweisen. Anhand dieser Auf nahme wird deutlich, daß aufgrund der ovalen Form der Löthöcker 24 diese, die zuvor eben gerade diese ovale Form aufweisenden Anschlußkontakte 18 ordnungsgemäß benetzt hat. Die in Fig. 10 oben dargestellten Löt höcker 24 besitzen ihre Ursprungsform der im wesent lichen runden unverlöteten Löthöcker 24 und haben die dort ebenfalls ovalen Anschlußkontakte 18 nicht ord nungsgemäß benetzt, so daß auf eine fehlerhafte, kalte Lötstelle geschlossen werden kann. Mittels die ser im Verhältnis relativ einfach anfertigbaren zwei dimensionalen Röntgenaufnahmen können so bei vorher gehender Präparation der Anschlußkontakte 18 durch deren entsprechende Formgebung (Beispiele gemäß der Fig. 9a bis 9i) eine zerstörungsfreie, eindeutige und sichere Überprüfung einer ordnungsgemäßen Kontak tierung erreicht werden.

Claims

1. Verfahren zur Verbindung von elektronischen Bau elementen mit einem Trägersubstrat, wobei wenigstens ein Anschlußkontakt des Bauelementes mit wenigstens einem Anschlußkontakt auf der Oberseite des Träger substrates elektrisch leitend verbunden wird, indem ein Löthöcker (Bump) an wenigstens einem der zu ver bindenden Anschlußkontakte aufgebracht wird, das Bau element mit dem Trägersubstrat justiert gefügt wird, und der wenigstens eine Löthöcker zur Benetzung der Kontaktflächen verlötet wird, dadurch gekennzeichnet, daß während des Lötens der wenigstens eine Löthöcker (24) in der Kontaktierungsebene derart verformt wird, daß ein Verformungsgrad erzielt wird, der eine Aus wertung des Verformungsgrades mittels einer Röntgen aufnahme der Verbindungsstelle gestattet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Löthöcker (24) während des Lötens eine Masseverteilung erfährt, so daß dessen Dicke (D) zum Rand hin stetig abnimmt.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verformung der Löt höcker (24) durch eine Lötstopmaske (26) bestimmt wird, die die Anschlußkontakte (18) des Träger substrates (10) umgreift, und in die die Löthöcker (24) gefügt werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verformungsgrad der Löthöcker (24) durch ein Größenverhältnis eines Durchmessers (d₁) von Maskierungsöffnungen (28) der Lötstopmaske (26) zu einem Durchmesser (d₂) der Löt höcker (24) bestimmt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, da durch gekennzeichnet, daß die Verformung der Löt höcker (24) durch eine gewollte bereichsweise Benet zung von die Anschlußkontakte (18) aufweisende Lei terbahnen (16) erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, da durch gekennzeichnet, daß die Verformung der Löt höcker (24) durch eine gewollte Benetzung von Stirn flächen (50) der Anschlußkontakte (18) erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3, da durch gekennzeichnet, daß die Verformung der Löt höcker (24) durch eine gezielte Benetzung von, eine von einer Kreisform abweichende Geometrie aufweisen den Anschlußkontakte (18) erfolgt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen dem Bauelement und dem Trägersubstrat in einer Flip- Chip-Technik erfolgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da durch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen dem Bauelement und dem Trägersubstrat in einer Ball-Grid- Array-Technik erfolgt.

10. Anordnung zur Verbindung von elektronischen Bau elementen mit einem Trägersubstrat, wobei wenigstens ein Anschlußkontakt des Bauelementes wenigstens einem Anschlußkontakt auf der Oberseite des Trägersubstra tes zugewandt ist, und eine elektrisch leitende Ver bindung zwischen den Anschlußkontakten durch einen Löthöcker erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Anschlußkontakt (18) des Trägersub strates (10) von einer Lötstopmaske (26) umgriffen wird, dessen Maskenöffnung (28) größer ist als der Anschlußkontakt (18) und/oder größer ist als ein Durchmesser (d₂) der Löthöcker (24).

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich net, daß das Verhältnis der Durchmesser (d₂) der Löt höcker (24) zu einem Durchmesser der Maskenöffnung (28) (d₁) größer 1 : 1,1 beträgt.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich net, daß das Verhältnis der Durchmesser (d₂) zu (d₁) 1 : 1,3 bis 1 : 1,4 beträgt.

13. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich net, daß ein Durchmesser (d₁) der Maskenöffnung (28) größer ist als ein Durchmesser des Anschlußkontaktes (18) jedoch kleiner ist als ein Durchmesser (d₂) des Löthöckers (24).

14. Anordnung zur Verbindung von elektronischen Bau elementen mit einem Trägersubstrat, wobei wenigstens ein Anschlußkontakt des Bauelementes wenigstens einem Anschlußkontakt auf der Oberseite des Trägersubstra tes zugewandt ist, und eine elektrisch leitende Ver bindung zwischen den Anschlußkontakten durch einen Löthöcker erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlußkontakt (18) eine definierte Kontaktfläche (20) aufweist, deren Geometrie von einer Geometrie des Löthöckers (24) abweicht.

15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich net, daß der Anschlußkontakt (18) eine ovale, eckige, polygonale oder andere von einer Kreisform abweichen den Kontaktfläche (20) aufweist.

16. Verfahren zur Überprüfung einer Verbindung zwi schen elektronischen Bauelementen und einem Träger substrat, wobei Anschlußkontakte des Bauelementes mit zugeordneten Anschlußkontakten des Trägersubstrates über wenigstens einen Löthöcker (Bump, Ball) verbun den werden, nach Verbindung des Bauelementes mit der Trägerplatte die Verbundanordnung mit senkrecht zur Kontaktierungsebene einstrahlenden Röntgenstrahlen beaufschlagt wird, und an einer der Röntgenquelle ab gewandten Seite der Verbundanordnung eine Röntgenauf nahme gefertigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Intensitätsverlauf (32) der Röntgenstrahlen (34) in einem Übergangsbereich (44) von einem Löthöcker (24) zu dem den Löthöcker (24) umgebenden Bereich ausge wertet wird, wobei bei Verlöten der Löthöcker (24) diese so verformt werden, daß bei ordnungsgemäßer Be netzung der Anschlußkontakte (18) entweder ein steti ger Übergang (44) des Intensitätsverlaufes (32) von einem Minimum (42) zu einem Maximum (40) oder eine gezielte Verformung des Löthöckers (24) meßbar ist.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich net, daß eine zweidimensionale Röntgenaufnahme der Verbundanordnung (36) angefertigt und ausgewertet wird.

18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich net, daß eine dreidimensionale Röntgenaufnahme der Verbundanordnung (36) im Bereich einer Schicht (S), die in einer Ebene mit dem wenigstens einem Anschluß kontakt (18) des Trägersubstrates (10) liegt, ange fertigt und ausgewertet wird.