DE3701013A1 - Verfahren zum mikroloeten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Mikrolöten gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1.

Bisher werden elektronische Kleinstbauteile wie Chips, Chip-Kondensato­ ren, IC′s etc. mit Silberleitklebern, mit Weichloten bzw. Lot-Preforms oder eutektisch im Ofen unter Infrarotlicht in relativ langen Prozeßzei­ ten auf Schaltungs- bzw. Leiterplatten gebondet, gelötet oder geklebt. Letzteres ist besonders bei thermisch empfindlichen Halbleiterchips be­ vorzugt worden. Die hierfür verwendeten Silberleitkleber auf Epoxidharz­ basis sind hinsichtlich der chemischen Reinheit und der Wärmebeständig­ keit zwischenzeitlich erheblich verbessert worden. Dennoch ist eine Zer­ setzung beziehungsweise ein "Gasen" bei hoher Dauerbelastung sowie auch eine Korrosion durch Feuchtigkeit immer gegeben, so daß mit Siliciumni­ tridschichten passiviert wird, was den Nachteil wegen der geringen auf­ zutragenden Dicke der Schichten jedoch nicht wesentlich beseitigt.

Beim Verlöten muß die gesamte Schaltung mit dem IC erhitzt werden. Ist nun eine spätere Verlötung - beispielsweise beim Verkapseln - notwendig, so muß die Chip-Fügeverbindung daher entsprechend höherschmelzend sein. Höherschmelzende Weichlote - wie beispielsweise Gold-Zinn-Legierungen - erfordern aber auch hohe Lottemperaturen und damit ergibt sich eine hohe thermische Belastung der Schaltung. Diese führte dazu, daß man zum soge­ nannten "Dampfphasenlöten" übergegangen ist. Doch auch hiermit ist keine problemlose Lösung geschaffen worden, denn es tritt nun ein Wegschwemmen und Aufrichten der Chips und anderer Bauelemente auf.

Einen Ausweg würde das eutektische "Die Bonden" bieten, aber dieses Ver­ fahren ist apparativ aufwendig, erfordert einwandfrei vergoldete und ge­ glättete Chip-Kontaktflächen und bedingt eine hohe thermische Beanspru­ chung, so daß es für SMD-Schaltungen und thermisch empfindliche Chips nicht einsetzbar ist.

Auch ein lokales Aufheizen mit einem Laser zum Mikrolöten brachte zwar allgemein eine thermische Entlastung, aber die Gefahr einer Schädigung der IC′s durch die lokale Überhitzung ist auch hier gegeben.

Erst das von der Anmelderin entwickelte Verfahren zum Mikrolöten, bei dem mit Hilfe eines Nd:YAG-Laserstrahls eine Lötstelle und das darauf aufzubringende Lot erhitzt wird, wobei die Wärmeabstrahlung des erhitz­ ten Lotes mit einem Infrarot-Detektor gemessen und aus dem Meßsignal die beim Erreichen des Lot-Schmelzpunktes entstehende Unstetigkeit zur Un­ terbrechung des Erhitzungsvorganges führt, bringt hier die Beseitigung aller bisherigen Probleme.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dieses im Gat­ tungsbegriff des Anspruchs 1 spezifizierte Verfahren so zu konzipieren, daß es optimal für Chip- und IC-Verlötungen oder IC-Verklebungen auf Substrate und Hybride anwendbar ist und sämtliche Chips einer SMD-Schal­ tung ohne Schädigung aufgelötet werden können.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen ge­ löst. In den Unteransprüchen sind Weiterbildungen und Ausgestaltungen an­ gegeben und in der nachfolgenden Beschreibung ist ein Ausführungsbei­ spiel beschrieben und in den Figuren der Zeichnung grafisch erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Schemabild über den Aufbau der Anlage zur Durchführung des Verfahrens zum Laser-Mikrolöten;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Ablaufplanes zum Lötvorgang mit Parameterermittlung;

Fig. 3 ein Diagramm bezüglich des Temperaturverlaufs beim Lasermikrolö­ ten;

Fig. 4 ein weiteres Diagramm des Temperaturverlaufs beim Laser-Die Bon­ den.

Die Fig. 1 der Zeichnung veranschaulicht den Aufbau der Einrichtung zur Durchführung des eingangs spezifizierten Verfahrens so deutlich, daß er hier nur kurz aufgeführt zu werden braucht. Ein Laser, vorzugsweise ein Nd:YAG-Laser 10, richtet seinen Lötstrahl 11 auf ein Werkstück 12, das auf einem XY-Koordinatentisch 13 eingespannt ist. Im Bereich des Werk­ stückes 12 ist ein Infrarot-Detektor 15 angeordnet, der die von der Löt­ stelle ausgehende Wärmestrahlung 14 mißt und die Meßergebnisse über die Signalleitung 15 a an einen mit einem Verstärker für den Strahlungspyro­ meter 16, und einem A/D-Wandler 17 versehenen Rechner 18 leitet. Dieser Rechner 18 ist mit einem entsprechenden Software-Programm zur Messung und Steuerung ausgerüstet. Er steuert nun einerseits den Laser 10 und andererseits den XY-Koordinatentisch 13 entsprechend den einlaufenden Meßergebnissen und dem eingegebenen Programm. Über eine Rechnerschnitt­ stelle 19 wird die Zwei-Koordinatenstreckensteuerung 20 entsprechend den Erfordernissen verstellt bzw. der Streckenvorschub gesteuert.

Der Laser 10 erhält seine Kommandos vom Rechner über den D/A-Wandler 21, den Schalter zur Steuerung 22 und das Versorgungsgerät 23. Der phasen­ weise Ablauf des Lötvorganges ist in Fig. 2 der Zeichnung schematisch dargestellt.

Mit Hilfe dieser Apparatur können nun nicht nur einzelne Chips, wie beim eutektischen Bonden, sondern alle Chips aufgelötet und gebondet werden. Dies ermöglicht der Koordinatentisch. Hierbei ist anzuführen, daß in wenigen Sekunden sämtliche Chips einer SMD-Schaltung auflötbar sind. Bei Aluminiumoxid-Hybriden werden die Chips wie beim Bonden aufgesetzt und - was wesentlich ist - von unten, d.h. durch das Substrat, das für Nd:YAG- Laserlicht (1,06 µm) eine hohe Durchlässigkeit hat, bestrahlt.

Die relativ zum Lot geringe Wärmeleitfähigkeit des Substrates ermöglicht eine lokalisierte Erhitzung und eine schonende thermische Behandlung der schaltungsaktiven Chip-Oberfläche. Nunmehr ist es möglich, Lötungen und Bondungen bei planaren Chip-Bauelementen durchzuführen, da diese nur an ihrer Oberseite beim Bestrahlen optisch und thermisch gefährdet sind, was aber nun nicht mehr erfolgt.

Der vorstehend erläuterte Laserlötprozeß ist, wie aufgeführt, voll auto­ matisierbar, erlaubt eine exakt im Mikrobereich durchzuführende Positio­ nierung und kann auch in hermetisch abgeschlossenen Räumen oder Behäl­ tern unter größter Reinheit bei Verwendung von Schutz- oder Formiergas durchgeführt werden. Letzteres ist besonders vorteilhaft für elektroni­ sche Mikrochips, denn die Verlötungen können ohne festes Flußmittel - eben durch die Verwendung von reduzierendem Formiergas - durchgeführt werden. Die Diagramme gemäß den Fig. 3 und 4 dürften für sich selbst sprechen.

Claims (4)

1. Verfahren zum Mikrolöten bei dem mit Hilfe eines Nd:YAG-Laser­ strahles eine Lötstelle und das darauf aufzubringende Lot erhitzt wird, wobei die Wärmeabstrahlung der erhitzten Lötstelle mit einem Infrarotde­ tektor gemessen und aus dem Meßsignal die beim Erreichen des Lot- Schmelzpunktes entstehende Unstetigkeit ermittelt und der Erhitzungsvor­ gang für die Lötstelle abgebrochen wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß elektronische Mikrobauteile, insbesondere in Form oberflächenmontierter Schaltungen, Chips, Chip-Kondensatoren und IC-Ele­ menten mittels des Nd:YAG-Laserstrahles zeit- und temperaturgesteuert unter Ausnützung der Durchlässigkeit der üblichen Mikroelektronik- oder Keramiksubstrate für Laserlicht durch ein Substrat hindurch, also auch von der Rückseite her, verlötet bzw. gebondet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeich­ net, daß der Nd:YAG-Laserstrahl (11) durch den eingekoppelten IR-De­ tektor (15) über einen Rechner mit Software-Programm (18), das eine auf­ tretende Unstetigkeit (Δ T/Δ t) beim Aufheizen bzw. Löt/Schmelzvorgang der Lotpaste, Lotpreforms oder beim Benetzen und Härten von leitenden Klebern zur Steuerung heranzieht, abgeschaltet wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verlötungen oder Bondungen unter reduzieren­ dem Formiergas erfolgen.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verlötungen oder Bondungen in sterilen luft­ dicht abgeschlossenen Räumen oder Behältern erfolgen.