DE4004602A1 - Verfahren zum vorbeloten eines substrats - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum struk­ turierten Vorbeloten eines metallischen oder metalli­ sierten Substrats.

Ein solches Verfahren kann beispielsweise verwendet wer­ den zum Vorbeloten von Substraten für die Herstellung von Leistungshalbleitermodulen.

Leistungshalbleitermodule in Löttechnik - im Gegensatz zu druckkontaktierten Modulen - werden hergestellt durch Anordnung von Halbleiterchips, Anschlußlaschen und ggf. weiterer Bauteile auf einem metallischen oder struktu­ riert metallisierten Substrat und durch Verlöten dieser Teile. Die Lötverbindung hat in solchen Leistungshalb­ leitermodulen eine große Bedeutung, da die Wärmeabfuhr aus den Halbleiterchips über den Lötkontakt erfolgt. Das bedeutet, daß die Lötverbindung über die gesamte Chip­ fläche einen gleichmäßig guten thermischen Kontakt her­ stellen muß und dies auch langfristig, also nach vielen Lastwechseln. Einen solchen guten Wärmekontakt kann man mit reinen Loten ohne Flußmittel erreichen. Man muß dazu Lotplättchen zusammen mit den zu verbindenen Teilen in sogenannte Lötformen einlegen, um die Teile während des Lötprozesses zu fixieren. Die Lötung erfolgt im Lötofen unter Schutzgas. Nachteilig ist dabei, daß Oxidhäute und Verunreinigungen auf den Lotplättchen zu Lunkern in der Lötverbindung führen können.

Um eine flexiblere und automatisierbare Fertigung von Leistungshalbleitermodulen zu ermöglichen, wäre es wün­ schenswert, mit vorbeloteten Substraten zu arbeiten. Man könnte dann vom Modultyp abhängige Lötformen vermeiden und auf Lotplättchen verzichten. Vorbelotete Substrate können z. B. mit Hilfe von automatischen Die-Bondern mit Halbleiterchips bestückt werden.

Aus der Hybridtechnik sind verschiedene Techniken zur Durchführung einer strukturierten Vorbelotung von Sub­ straten bekannt, welche aber nicht zufriedenstellend sind für die vorgesehene Anwendung. So ist beispielswei­ se das übliche Siebdruckverfahren unter Verwendung einer Lotpaste nicht geeignet, weil die Lotpaste Flußmittel enthält und weil nur eine begrenzte Auswahl von Lotle­ gierungen zur Verfügung steht. Nach dem Siebdruckverfah­ ren vorbelotete Substrate wären nicht geeignet für Lei­ stungshalbleitermodule mit ausreichend guten und repro­ duzierbar guten Lötverbindungen und damit auch guten Wärmekontakten, da in den bei Leistungshalbleitern typi­ schen großflächigen Lötverbindungen Flußmittelreste ein­ geschlossen werden können, die damit selbst Ursache von Lunkern werden. Außerdem sind aufwendige Reinigungspro­ zesse notwendig, um Flußmittelreste zu entfernen.

Eine Substratbelotung kann auch mit Hilfe des bekannten Wellenlötens erreicht werden. Diese in der Elektronik- Fertigung angewandte Wellenlötung ist beispielsweise in R.J. Klein Wassink, "Weichlöten in der Elektronik", Eu­ gen G. Leutze-Verlag, 1986, Seite 314 bis 328 beschrie­ ben. Da jedoch nur ausgewählte Flächen auf dem Substrat belotet werden sollen, ist eine Maskierung erforderlich. Eine solche Maskierung kann mit Hilfe von sogenannten Lötstoplacken erreicht werden. Es hat sich allerdings gezeigt, daß die üblichen Lötstoplacke reaktiven Gasen und Löttemperaturen von 280°C bis 380°C nicht standhal­ ten. Außerdem ist nach dem Beloten ein Reinigungsprozeß erforderlich, der aufwendig und umweltbelastend ist.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrun­ de, ein Verfahren zum strukturierten Vorbeloten von me­ tallischen oder metallisierten Substraten vorzuschlagen, das die Nachteile bekannter Verfahren vermeidet.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum strukturier­ ten Vorbeloten eines metallischen oder metallisierten Substrats gelöst, wobei die zu belotende Substratseite mit einer Folienmaske und die so maskierte Seite des Substrats in einer Wellenlötanlage mit Lot benetzt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in Unteransprüchen angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß be­ liebige Lote verwendet werden können und nicht zu belo­ tende Flächen des Substrats unbeschichtet bleiben. Die Folienmaske kann grundsätzlich aus verschiedenen tempe­ raturbeständigen Materialien, wie z. B. Metall, herge­ stellt werden und die Folienmaske kann auch auf ver­ schiedene Weise an das Substrat angedrückt werden. Fo­ lienmasken haben den wesentlichen Vorteil, daß sie wie­ derverwendbar sind. Bevorzugt wird eine nachstehend in einem Ausführungsbeispiel beschriebene ferro-magnetische Folienmaske verwendet, welche durch Magnete an das Sub­ strat angezogen wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachstehend anhand einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens näher erläutert.

In der Zeichnung zeigt Fig. 1 eine Anordnung zur Durch­ führung des Vorbelotungsverfahrens und Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Folienmaske.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Anordnung zum Vorbeloten eines Substrats 1, hier eines beidseitig mit einer Kup­ ferschicht 2 metallisierten Keramiksubstrats. Das Sub­ strat 1 ist in eine Vertiefung 3 in einer Subtrathalte­ rung 4 eingesetzt. Die Substrathalterung 4 ist Teil ei­ ner Wellenlötanlage und wird in der angegebenen Pfeil­ richtung über eine Lotwelle 5 bewegt. Durch einen Pfeil in der Lotwelle 5 ist angedeutet, daß sich das Lotmate­ rial in entgegengesetzter Richtung zur Substrathalterung 4 bewegt.

Das Substrat 1 und die Substrathalterung 4 ist auf sei­ ner unteren, der Lotwelle 5 zugewandten Seite mit einer Folienmaske 6 abgedeckt. Eine solche Folienmaske 6, wel­ che Öffnungen 7 aufweist, ist in Fig. 2 dargestellt. Die Folienmaske 6 besteht aus einem ferro-magnetischen Mate­ rial, z. B. einer Ni-Fe-Legierung oder aus Reineisen, und ist etwa 50 bis 300 µm dick. Die Curie-Temperatur der Legierung muß deutlich über der Löttemperatur liegen. Es zeigte sich in Versuchen, daß beim Löten mit eutekti­ schem PbSn-Lot eine FeNi-Legierung ausreicht. Die Fo­ lienmaske 6 wird durch Magnetkräfte ganzflächig an das Substrat bzw. die Substrathalterung 4 angezogen, wobei die Magnetkräfte von Magneten 8, z. B. Dauermagneten oder Elektromagneten, aufgebracht werden. Die Maske 6 kann einfach und flexibel durch Ätzen erzeugt werden. Sie kann auch aus Invar hergestellt werden. Sie ist mit ei­ nem Material beschichtet, welches das Benetzen der Maske mit Lot verhindert. Dies kann z. B. durch Verchromen er­ zielt werden, was sich in Versuchen als vorteilhaft be­ stätigte. Das bei Kontakt mit Luft entstehende Chrom(-III)-oxid erwies sich als dichte haftfeste Maskierung.

Zur Durchführung der Belotung wird die Substrathalterung 4 mit dem maskierten Substrat 1 in der Wellenlötanlage über die Lotwelle 5 geführt, wobei die Metallisierung 2 des Substrats 1 an den durch die Öffnungen 7 in der Mas­ ke 6 festgelegten Flächen mit Lot benetzt wird. Die Be­ lotung erfolgt flußmittelfrei in einer Schutzgasatmo­ sphäre. Die Wellenlötanlage ist entsprechend ausgestal­ tet. In Versuchen konnte nachgewiesen werden, daß eine durch Dauermagnete an metallisierte Substrate angepreß­ te, verchromte NiFe-Folie eine ausgezeichnete Maskier­ wirkung zeigte. Das verwendete eutektische PbSn-Lot drang nicht in den engen Spalt zwischen Folie und Sub­ strat. Selbst Abstände von der Größenordnung 1 mm zwi­ schen einzelnen Lotflecken konnten so realisiert werden. Die Lotdicken lagen im Bereich zehntel mm und konnten durch Lotwellentemperatur, Substrattemperatur und Durch­ laufgeschwindigkeit eingestellt werden. Nach Beendigung des Lötvorganges kann die Lötmaskenfolie einfach vom Substrat abgezogen werden und für den nächsten Lötdurch­ gang wiederverwendet werden. Als Dauermagnete kommen z. B. hartmagnetische Legierungen auf der Basis Kobalt- Samarium in Frage.

Eine vorteilhafte Alternative zum Anpressen der Masken­ folie ist es, anstelle magnetischer Kräfte den Bimetall­ effekt zu nutzen. Eine Folie aus NiFe-Legierung kann auf ihrer dem Substrat zugewendeten Seite mit einem Metall oder einer Legierung mit höherem thermischem Ausdeh­ nungskoeffizienten beschichtet sein. Dies kann bei­ spielsweise durch Aufwalzen geschehen. Bei der Auswahl der Legierung sollte jedoch darauf geachtet werden, daß die Folien eine federelastische Eigenschaft auch nach mehrmaligen Ofendurchläufen behalten. Bei der Löttempe­ ratur preßt sich die Maske auf Grund des Bimetalleffek­ tes an das Substrat an, während sie bei Raumtemperatur beim Abtrennen von Substrat eben ist.

Zur Verbesserung der Benetzung kann die Wellenlötanlage durch eine Ultraschallanlage ergänzt sein - was beim Löten von nicht mit Edelmetall beschichteten Oberflä­ chen, z. B. von chemisch vernickelten Substraten, nütz­ lich sein kann, oder auch durch eine Einrichtung zum Vorbeheizen des Substrats. Solche Ergänzungen können je nach der Art des benutzten Substrats zweckmäßig sein.

Claims (11)

1. Verfahren zum strukturierten Vorbeloten eines metallischen oder metallisierten Substrats, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zu belotende Substratseite mit einer Folienmaske und die so maskierte Seite des Sub­ strats in einer Wellenlötanlage mit Lot benetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Vorbeloten in einer Schutzgasatmosphäre erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich die Folienmaske unter einer Krafteinwirkung an das Substrat anlegt und dort während des Belotungsvorgangs haftet.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat in einem ersten Schritt in eine Substrathalterung eingesetzt, dann dort mit der Folienmaske abgedeckt und anschließend über die Lotwelle der Wellenlötanlage geführt wird.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Folienmaske aus einem ferro-magnetischen Material verwendet wird und diese Folienmaske durch Permanentmagnete oder Elektromagnete gehalten wird, welche auf der anderen Substratseite an­ geordnet werden.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat vor dem Belo­ tungsvorgang vorgeheizt wird.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Benetzung mit Hilfe ei­ ner zusätzlichen Ultraschalleinrichtung unterstützt wird.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Folienmaske mit einem Material, z. B. Chrom, beschichtet wird, welches ein Be­ netzen der Folienmaske verhindert.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Folienmaske mit einer Dicke im Bereich von 50 bis 300 µm verwendet wird.

10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Folienmaske aus Invar hergestellt und galvanisch verchromt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Folienmaske aus Bime­ tall verwendet wird, die sich bei Löttemperatur ela­ stisch gegen das Substrat drückt.