DE19860716C1

DE19860716C1 - Verbindungsanordnung

Info

Publication number: DE19860716C1
Application number: DE19860716A
Authority: DE
Inventors: Mathias Grumm; Kai Schamuhn; Eugen Faist
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Finisar Corp
Priority date: 1998-12-23
Filing date: 1998-12-23
Publication date: 2000-09-28
Anticipated expiration: 2018-12-24

Abstract

Auf einen Anschlußkontakt (30) ist ein elektrisch leitfähiger Klebstoff (50) aufgebracht, um eine mechanische und elektrische Verbindung zu einem elektrischen Bauteil (60) zu ermöglichen. Der Anschlußkontakt (30) weist zumindest eine Ausnehmung (41) auf, die zumindest teilweise von dem Klebstoff (50) ausgefüllt ist. Dadurch ist ein Formschluß ermöglicht, wodurch die mechanische Festigkeit der Verbindung erheblich erhöht wird.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Leitkleber-Verbindun gen zwischen einem Anschlußkontakt auf einem Träger oder ei ner Leiterplatte einerseits und einem korrespondierenden An schluß eines elektrischen oder elektronischen Bauelementes andererseits.

Die Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung mit einem Träger, auf dem ein Anschlußkontakt ausgebildet ist, und mit einem elektrisch leitfähigen Klebstoff, der auf den Anschluß kontakt aufgebracht ist.

Eine derartige Verbindungsanordnung geht prinzipiell aus dem Aufsatz "Flip Chip Bonding Using Isotropically Conductive Ad hesives" von B. Rösner, J. Liu und Z. Lai in 1996 ECTC/IEEE Seiten 578 bis 581 hervor. Bei derartigen Verbindungsanord nungen sind auf der Oberfläche oder Oberseite eines bei spielsweise als Epoxy-Leiterplatte ausgebildeten Trägers ein oder mehrere Anschlußkontaktflächen ausgebildet. Derartige Anschlußkontakte werden auch als "Pads" bezeichnet und dienen zur Fixierung und zum elektrischen Anschluß von Bauelementen bzw. deren Anschlußkontakten. Die Bauelemente sind üblicher weise als sogenannte oberflächenmontierbare Bauelemente (SMD) ausgebildet und haben den Anschlußkontakt zugewandte Kontakt flächen, die über einen elektrisch leitfähigen Klebstoff mit den Anschlußkontakt des Trägers elektrisch und mechanisch verbunden werden.

Eine weitere gattungsmäßige Verbindungsanordnung geht aus der DE 41 38 779 A1 hervor, die eine elektrische und mechanische Verbindung von Bauelementen, insbesondere integrierten Schal tungen, mit Leiterbahnen einer Leiterplatte oder einer flex blen Leiterfolie mittels eines Heißsiegelklebers beschreibt. Der Heißsiegelkleber ist mit elektrisch leitenden Teilchen gefüllt, die einen elektrischen Kontakt zwischen der jeweili gen Leiterbahn und einer zugeordneten Anschlußkontaktfläche herstellen.

An diese Verbindungen werden sowohl hinsichtlich der elektri schen als auch der mechanischen Zuverlässigkeit hohe Anforde rungen gestellt. Zur Beurteilung derartiger Verbindungen wer den auch in dem eingangs genannten Artikel beschriebene ther mische Belastungstests durchgeführt.

Diese Verbindungsanordnungen haben gegenüber konventionellen Verbindungsarten (beispielsweise Löten) erhebliche technische und wirtschaftliche Vorteile; der Verbindungsprozeß ist ver gleichsweise einfach und bedarf insbesondere im Vergleich zu Lötverfahren keiner weiteren Hilfsmittel, z. B. Flußmittel. Gewisse Schwachstellen ergeben sich aber in mechanischer Hin sicht insbesondere auf Grund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten der beteiligten Bauteile und Träger, vor allem wenn die Verbindung häufigen Temperaturwechseln ausgesetzt ist.

Die Aufgabe die Erfindung besteht daher in der Verbesserung einer eingangs genannten Verbindungsanordnung dahin, daß zwi schen dem Anschlußkontakt und dem Klebstoff eine besonders zuverlässige und mechanisch hochwertige Verbindung realisiert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Verbindungsan ordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Anschlußkontakt zumindest eine Ausnehmung aufweist, die zu mindest teilweise von dem Klebstoff ausgefüllt ist.

Der Erfindung liegt als eine wesentliche Erkenntnis der Aspekt zugrunde, daß durch eine formschlüssige, reproduzier bare und präzise dimensionierbare Verbindung zwischen Kleb stoff und Anschlußkontaktfläche sowohl die elektrischen als auch die mechanischen Eigenschaften einer derartigen Verbin dung erheblich erhöht werden können. Ein erster wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die aktive Grenz- Klebefläche zwischen Anschlußkontaktfläche einerseits und Klebstoff andererseits gezielt vergrößert und insbesondere in räumliche Dimensionen (nämlich senkrecht) gelegt wird, die von der thermischen Ausdehnung bzw. Kontraktion der beteilig ten Bauelemente und insbesondere des Trägers weniger beein flußt sind. Durch die erfindungsgemäße Gestaltung des An schlußkontakts kann ein reproduzierbarer Klebespalt gemäß den Klebstoffeigenschaften (insbesondere der Viskosität) reali siert werden, der eine zuverlässige Verbindung garantiert. Damit läßt sich eine platzsparende und kompakte Verbindung mit wesentlich verbesserten Eigenschaften realisieren. Unter Ausnehmung im erfindungsgemäßen Sinn sind z. B. zwischen Fin gern oder Fortsätzen des Pads gebildete, von Anschlußkontakt material freie Bereiche zu verstehen, die insbesondere inner halb der Pad-Umhüllenden liegen.

Eine insbesondere bei Trägern, deren Basismaterial Epoxy oder Epoxydharz ist, und einem z. B. goldgefüllten Epoxydharz- Klebstoff bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der Klebstoff durch die Ausnehmung hindurch in Kontakt mit dem Träger ist. Bei dieser Ausgestaltung wird vorteilhaf ter Weise die im Vergleich zum Kontakt mit der Anschlußkon taktfläche wesentlich bessere Haftung zwischen dem Epoxyd des Trägermaterials und dem Epoxydharz-Klebstoff ausgenutzt.

Hinsichtlich der mechanischen Festigkeit bevorzugte Gestal tungen der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung sehen vor, daß der Anschlußkontakt mäanderförmig, U-förmig, W-förmig oder kammförmig gestaltet ist.

Eine hinsichtlich der mechanischen Spannungsverteilung bevor zugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verbindungsanord nung sieht vor, daß zwei zum Anschluß der Kontakte eines Bau elementes vorgesehene Anschlußkontakte spiegelsymmetrisch zu einander angeordnet sind.

Bei dieser Ausgestaltung ist es besonders vorteilhaft, wenn die Mehrzahl der Ausnehmungen der Anschlußkontakte einander zugewandt ist. In diesem Fall bewirkt der Klebstoff nach dem Warmaushärten beim Abkühlen und der damit verbundenen Kon traktion des Trägers mechanische Druckkräfte auf die Grenz flächen zwischen den Ausnehmungen und dem leitenden Material der Anschlußkontakte. Diese Druckkräfte führen im Gegensatz zu Zugkräften nicht zu einer ungewollten Schwächung oder gar Lösung der Verbindung sondern vielmehr zu einem verbesserten Kontakt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer Zeichnung weiter erläutert; es zeigen:

Fig. 1 bis 4 verschiedene Anschlußkontakte;

Fig. 5 bis 7 verschiedene Fertigungsstadien einer erfin dungsgemäßen Verbindungsanordnung;

Fig. 8 in starker Vergrößerung einen Querschnitt ent lang der Linie VIII-VIII der Fig. 7 und

Fig. 9 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 8.

Die in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Träger 1, 2 sind als so genannte Star-Leiterplatte ausgebildet. Basismaterial der je weiligen Leiterplatte ist ein an sich bekanntes Epoxydharz. Die Leiterplatte weist mehrere Durchkontaktierungen 5 auf, die Kontaktbereiche oder Leiterbahnen auf der Oberseite der Leiterplatte 1, 2 mit entsprechenden, nicht sichtbaren Kon taktbereichen oder Leiterbahnen auf der Unterseite verbindet. Die Leiterplatte kann auch sandwich-artig ausgebildet sein, so daß die Durchkontaktierungen 5 im Inneren der Leiterplatte verlaufende elektrische Leitungen kontaktieren.

Auf den durch jeweils einen Kreis kenntlich gemachten Bereich der Leiterplatte 1, 2 soll ein in den Fig. 1 bis 4 nicht dargestelltes elektronisches Bauelement angeordnet, mecha nisch fixiert und elektrisch kontaktiert werden. Dazu sind die in diesem Bereich befindlichen Durchkontaktierungen 5 mit elektrischen Anschlußkontakten verbunden. Fig. 1 zeigt als beispielhafte Gestaltungsmöglichkeit dieser Anschlußkontakte 8 eine im wesentlichen W-förmig ausgebildete Anschlußkontakt flächenstruktur. Derartige Anschlußkontaktflächen werden auch als Pads bezeichnet. Die Pads sind mit einer Metallisierung versehen, die einen guten leitfähigen Kontakt zu einem an schließend aufzubringenden leitfähigen Klebstoff erlaubt. Im oberen Bereich der Fig. 1 ist eine aus einer M-förmigen und anschließenden U-förmigen Struktur zusammengesetzte Anschluß kontaktfläche 9 erkennbar.

Fig. 2 zeigt zwei spiegelsymmetrisch einander gegenüberlie gende Anschlußkontakte oder Pads, die U-förmige Gestalt 10 haben. Fig. 3 zeigt zwei einander spiegelsymmetrisch gegen überliegende, mäander-förmige Anschlußkontaktflächen 11, 12, die mit ihren seitlichen Schenkeln Anschluß an die Durchkon taktierungen 5 haben. Fig. 4 zeigt eine der Fig. 2 ver gleichbare Ausgestaltung der Anschlußkontakte, die in dieser Darstellung C-förmige 14 bzw. spiegel-C-förmige Gestalt, 15 haben. Auch diese Anschlußkontaktflächen sind mit ihren schmalen Schenkeln mit den Durchkontaktierungen 5 verbunden. Diese Anbindung mit einer Schmalseite oder einem Schmalschen kel erlaubt eine besonders vorteilhafte mechanische Entkopp lung von den bei Temperaturänderungen auf den Träger 1, 2 als Niet wirkende Durchkontaktierungen. Allen gezeigten Anschluß kontakten ist gemeinsam, daß sie eine oder mehrere Ausnehmun gen 20, 21; 22, 23; 24, 25 und 26 aufweisen. Die Ausnehmungen bzw. die überwiegende Anzahl der Ausnehmungen (vgl. Fig. 1 und 3) sind bevorzugt einander zugewandt. Auf diese Weise sind die überwiegenden, zusammenhängenden breiten Stege 27, 28 (Fig. 3 und 4) einander abgewandt, was sich mechanisch günstig auswirkt. Wenn nämlich wie nachfolgend noch näher er läutert die Ausnehmungen 20 bis 26 mit einem leitfähigen Klebstoff verfüllt sind und die Anschlußkontakte (z. B. 14 und 15, Fig. 4) je mit einem Kontakt eines zu verbindenden Bau elementes verbunden sind, sind die nach dem Aushärten während des Abkühlen des Klebstoffs auftretenden, durch die Kontrak tion der Leiterplatte 2 bedingten Spannungen Druckspannungen, die Druckkräfte auf die Längsstege 28 ausüben. Diese mechani sche Belastung ist gegenüber andernfalls möglicherweise auf tretenden Zugkräften zu bevorzugen und trägt zu einer wesent lich verbesserten elektrischen und mechanischen Verbindung bei.

In den Fig. 5 bis 7 ist die Herstellung einer erfindungs gemäßen Verbindungsanordnung in einzelnen Schritten gezeigt. Fig. 5 zeigt die kammartig strukturierten Flächen von An schlußkontakten 30, 31, die auf einem Träger 33 beispielswei se durch Ätzen in an sich bekannter Weise erzeugt werden. Die Anschlußkontakte sind über Leiterbahnen 35, 36 mit zugeordne ten Durchkontaktierungen 38, 39 elektrisch verbunden. Die kammartige Struktur der Anschlußkontakte 30, 31 weist einan der zugewandte Ausnehmungen 41, 42 auf.

Fig. 6 zeigt den Zustand der Verbindungsanordnung nach dem Aufbringen eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs 50, der mittels sogenannter Dispensernadeln in feinster Dosierung auf die Anschlußkontaktflächen und die von ihnen begrenzten Aus nehmungen 41, 41 aufgebracht ist. Der Klebstoff füllt damit zumindest teilweise auch die Ausnehmungen 41, 42 aus. Auf diese Weise gelangt der Klebstoff auch im Kontakt mit der Oberseite bzw. dem Material des Trägers 33. Dies ist deshalb bevorzugt, weil die Haftfähigkeit zwischen dem Klebstoff 50 und dem Material des Trägers 33 wesentlich besser als zwi schen dem Klebstoff 50 und der metallisierten oder beschich teten Oberfläche der Anschlußkontakte 30, 31 ist. Außerdem definieren die Ausnehmungen im Zusammenwirken mit der Höhe der Anschlußkontakte definierte Klebespalte (vgl. auch Fig. 8 und 9).

Geeignete Applikationsverfahren und Klebstoffe sind auch in dem eingangs genannten Artikel von B. Rösner et al. beschrie ben. Als günstig hat sich in der Praxis der von der Firma Ab lestick Lab, 20021 Susana Road, Rancho Dominguez, CA 90221, USA erwiesen, der unter der Bezeichnung ABLEBOND 8370 ver trieben wird.

Fig. 7 zeigt die Verbindungsanordnung mit dem Träger 33, den darauf ausgebildeten (überwiegend von einem Bauteil 60 ver deckten) Anschlußkontakten 30, 31 und den nach dem Plazieren des Bauteils 60 thermisch ausgehärteten Klebstoff 50.

Wie der entlang der Linie VIII-VIII in Fig. 7 aufgenommene und in Fig. 8 erheblich vergrößert dargestellte Querschnitt zeigt, bestehen zwischen dem Anschluß 70 des Bauteils 60 und dem Anschlußkontakt 30 vergleichsweise schmale, klebstoffge füllte Zwischenräume 72 zwischen den "Zinken" der kammartigen Struktur des Anschlußkontaktes 30 sind die Ausnehmungen 41 erkennbar, die ebenfalls mit Klebstoff 50 gefüllt sind. Der Klebstoff 50 reicht damit bis zum Träger 33 herab.

Wie insbesondere die erhebliche Vergrößerung in Fig. 9 zeigt, besteht neben der Deckfläche 80 des Anschlußkontaktes 30 insbesondere mit den etwas hinterätzten Seitenflächen 82 der Anschlußkontaktstruktur ein inniger und guter Kontakt mit dem Klebstoff 50. Die elektrische Leitung erfolgt deshalb auch dann zuverlässig zwischen dem Anschlußkontakt 30 und dem korrespondierenden Kontakt 70 des Bauelements 60, wenn in Folge von thermischen und/oder mechanischen Belastungen es zur Ablösung im Bereich des schmalen Spalts 72 kommen sollte. Der Klebstoff 50 bildet mit der Kontur des Anschlußkontaktes 30 im seitlichen Bereich 82 einen Formschluß, der insbesonde re durch die bei der Anschlußkontaktherstellung mittels Ätzen auftretende Hinterschneidung begünstigt wird. Die Ausnehmun gen 41 definieren mit der Höhe h des Anschlußkontaktes defi nierte und reproduzierbare Klebespalte, die eine zuverlässige mechanische Fixierung des Bauteils 60 gewährleisten.

Mit erfindungsgemäß aufgebauten Verbindungsanordnungen durch geführte Scher-Versuche nach zuvor durchgeführten Druck- Temperatur-Belastungen (sog. "Pressure cooker test" bei 1,2 bar, 100% Luftfeuchte und 120°C) über 24 bzw. 48 Stunden ergaben sich in nachfolgender Tabelle dargestellte Ergebnis se. In der Tabelle ist als Mindestbelastung diejenige Bela stung angegeben, bei der das erste (von 12) Bauteilen von ei nem Träger abgeschert wurde. Man erkennt daß dies bei un strukturierten Anschlußkontakten ohne nennenswerte Kraftauf wendung erfolgte. Dagegen mußte bei den U-förmig bzw. M- förmig strukturierten Anschlußkontakten eine Mindestbelastung von 1, 2 bzw. 0,9 kg aufgewendet werden. In der darunter ste henden Zeile ist der Mittelwert der Belastung aufgetragen, um die Verbindungen von zwölf getesteten Bauteilen abzuscheren. Auch hier erkennt man wesentlich höhere Belastungswerte für die erfindungsgemäß ausgestaltete Verbindungsanordnung. In der letzten Zeile ist die Anzahl der Ausfälle pro Testreihe von zwölf Bauteilen angegeben. Man erkennt, daß vor der me chanischen Belastung nach Abschluß der Temperatur-Druck- Belastung bei herkömmlichem Design von Anschlußkontakten be reits drei Bauelemente ausgefallen waren.

Entsprechende Ergebnisse sind auch aus dem unteren Teil der Tabelle entnehmbar, in dem die Resultate nach 48 stündiger Druck-Temperatur-Belastung aufgetragen sind.

Claims

1. Verbindungsanordnung mit

- einem Träger (33), auf dem ein Anschlußkontakt (30) ausge bildet ist, und
- einem elektrisch leitfähigen Klebstoff (50), der auf den Anschlußkontakt (30) aufgebracht ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

- der Anschlußkontakt (30) zumindest eine Ausnehmung (41) aufweist, die zumindest teilweise von dem Klebstoff (50) ausgefüllt ist.

2. Verbindungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Klebstoff (50) durch die Ausnehmung hindurch (41) in Kontakt mit dem Träger (33) ist.

3. Verbindungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Anschlußkontakt (11) mäanderförmig ist.

4. Verbindungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Anschlußkontakt (10, 8) U-förmig oder W-förmig ist.

5. Verbindungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Anschlußkontakt (30) kammförmig ist.

6. Verbindungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß

- zwei zum Anschluß der Kontakte (70) eines Bauelementes (60) vorgesehene Anschlußkontakte (30, 31) spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet sind.

7. Verbindungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Mehrzahl der Ausnehmungen (41, 42) der Anschlußkontakte (30, 31) einander zugewandt ist.