DE4333608A1 - Verfahren zum Vorbeloten von Bauelementanschlüssen und Bauelementträgern - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorbeloten von Baue­ lementanschlüssen und Bauelementträgern durch Erzeugen von Lotde­ pots auf den leitenden Verbindungsbereichen.

Bei der Herstellung elektronischer Baugruppen hat sich in letzter Zeit die Oberflächenmontage von Bauelementen durchgesetzt. Die höhere Packungsdichte oberflächenmontierter Bauelemente bedingt allerdings geringere Abstände zwischen den Bauelementen sowie kleinere Abmes­ sungen der Lötpunkte beziehungsweise Verbindungsbereiche. Hierdurch ist es gleichgerichtet, eine möglichst fehlerfreie Verlötung der Bauelemen­ te mit dem Bauelementträger zu erreichen.

Bei der Oberflächenmontage von Bauelementen werden in Zukunft vor­ zugsweise direkt verarbeitbare Leiterplatten eingesetzt, das heißt vorbelo­ tete, also auf den Verbindungsbereichen mit dem Lotmetall versehene Re­ flow-lötfähige Bauelementträger, die unmittelbar mit den Bauelementen bestückt werden können. Die Bauelementanschlüsse werden in bezug auf die entsprechenden Verbindungsbereiche oder Kontaktanschlüsse des Bauelementträgers ausgerichtet und nach dem Prinzip des Reflow-Lötver­ fahrens verlötet. Dabei muß ein qualitativ hochwertiges Lot verwendet werden, um die Bauelementanschlüsse zu benetzen und alle Zwischen­ räume zwischen den leitfähigen Verbindungsbereichen von Bauelementen und Bauelementträgern zu schließen.

Aus der US-A-4 752027 ist ein Verfahren zum Vorbeloten von Bauelement­ trägern bekannt, bei dem die mit Hilfe einer Lotpaste aufgebrachten und durch Reflow-Behandlung aufbereiteten Lot-Pads durch Rollen nivelliert werden.

Nach der US-A-4 619 841 werden vorbelotete Metallisierungen durch Auf­ drucken von Lotpaste und anschließendes Umschmelzen hergestellt.

Die EP-A-0 542 149 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Lotflä­ chen auf einer Leiterplatte, bei dem mittels einer Maske eine Lotpaste auf elektrisch leitfähige Bereiche der Leiterplatte aufgetragen und nachfol­ gend geschmolzen wird, welches Verfahren darin besteht, eine lichtemp­ findliche Lotpastenfolie ganzflächig auf die mit den elektrisch leitfähigen Bereichen versehene Leiterplatte aufzutragen, die Lotpastenfolie selektiv zu belichten und anschließend zu strukturieren, eine Lotpaste aufzutra­ gen und die strukturierte Lotpastenfolie zu entfernen.

Es ist weiterhin bekannt, die für die Oberflächenmontage von elektroni­ schen Bauteilen verwendeten Lötbereiche beziehungsweise Lotpads da­ durch herzustellen, daß man eine Lotpaste mit Hilfe eines Druckverfah­ rens (beispielsweise durch Siebdruck oder mit einem Dosierverfahren) auf die Bauelementträger aufzubringen, um in dieser Weise selektiv flächen­ förmige Lotdepots zu bilden. Zur Vermeidung von Kontaktbrücken emp­ fiehlt sich hierbei, zwischen den Lötpads eine Lötstopmaske aufzubrin­ gen. Nach dem Bestücken der mit den Lotdepots versehenen Bauelement­ trägern mit den elektronischen Bauelementen werden die Lotdepots im Re­ flow-Ofen bis über den Schmelzpunkt der jeweiligen Lotlegierung erwärmt und so durch Aufschmelzen der Lotpaste die Lotverbindung hergestellt.

Die bislang bekannten selektiven Verfahren sind insbesondere bei Anwen­ dung von Lotpaste entweder sehr kostenaufwendig oder bei den erforderli­ chen immer kleinen Rasterabmessungen nicht mit der erforderlichen ge­ ringen Fehlerrate durchzuführen.

Mit Bauelementen der letzten Generation, den sogenannten Pad-Arrays ist es möglich, durch die sogenannte Bump-Technologie noch höhere An­ schlußzahlen pro Flächeneinheit zu erzielen. Bei dieser Methode werden kleine Lothügel oder Bumps verwendet, um das Bauteilgehäuse auf dem Träger zu montieren. Da bei dieser Methode eine Vielzahl von beispielswei­ se 25 bis 900 Anschlußpunkten auf der Fläche des Bauteils angeordnet sind, ist eine Kontrolle der Lötstellen zwischen Bauelement und Bauele­ mentträger nach dem Verbinden nicht mehr möglich.

Daher ist höchste Zuverlässigkeit bei den Verbindungsverfahren gefor­ dert. Beim Einsatz sogenannter Fein-Pitch-Lotpasten läßt es sich auch bei optimaler Prozeßführung nicht verhindern, daß sich winzige Tochter-Lot­ kügelchen in unmittelbarer Nähe der Lötstelle bilden und die elektrische Zuverlässigkeit in Frage stellen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren der eingangs angegebenen Gattung anzugeben, mit dem es gelingt, in ein­ facher Weise selektiv Lotdepots auf den leitenden Verbindungsbereichen von Bauelementanschlüssen und Bauelementträgern auszubilden, wel­ che die erforderliche Genauigkeit und Sicherheit der Lötverbindung bei der Oberflächenmontage von elektronischen Bauteilen ermöglichen. Da­ bei soll dieses Verfahren unter Anwendung üblicher Vorrichtungen und konventioneller Materialien durchführbar sein.

Diese Aufgabe wird nun durch die kennzeichnenden Merkmale des Verfah­ rens gemäß Hauptanspruch gelöst. Die Unteransprüche betreffen bevor­ zugte Ausführungsformen dieses Erfindungsgegenstandes.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, daß man die leitenden Verbindungsbereiche von Bauelementanschlüssen und Bauelementträ­ gern mit Adhäsionseigenschaften versieht und feste Lotteilchen auf diese Verbindungsbereiche aufbringt und darauf fixiert.

Erfindungsgemäß können die Adhäsionseigenschaften dadurch erreicht werden, daß man eine Haftschicht auf die leitenden Verbindungsbereiche aufbringt und/oder die leitenden Verbindungsbereiche auf eine Tempera­ tur erhitzt, die bei oder oberhalb der Schmelztemperatur der Lotteilchen liegt. Wenn man im Anschluß daran die Verbindungsbereiche mit den fest­ en Lotteilchen mit der gewünschten Teilchengröße in Kontakt bringt, bei­ spielsweise durch Aufstäuben der Lotteilchen, durch Hindurchführen der in dieser Weise behandelten Bauelemente und Bauelementträger durch ei­ ne Wirbelschicht aus den Lotteilchen und/oder unter Einwirkung elektro­ statischer Kräfte, bleiben die Lotteilchen lediglich an den mit den Adhä­ sionseigenschaften versehenen Verbindungsbereichen haften und werden daran fixiert.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die fixierten Lotteil­ chen auf den Verbindungsbereichen umgeschmolzen, beispielsweise in ei­ nem Reflow-Ofen, so daß man die gewünschten Lotdepots selektiv auf den leitenden Verbindungsbereichen erhält, und zwar durch eine summari­ sche Behandlung des gesamten Bauelements beziehungsweise Bauele­ mentträgers, weil eben die Lotteilchen nur an den mit Adhäsionseigen­ schaften versehenen Bereichen anhaften.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden mit Vorteil kugelförmige Lotteilchen aufgebracht, die gemäß einer weiter bevorzugten Ausfüh­ rungsform in ihrer Größe an die Verbindungsbereiche und/oder die aufzu­ bringende Lotmenge angepaßt sind. In dieser Weise kann erreicht werden, daß lediglich die gewünschten Verbindungsbereiche mit einer einlagigen Schicht der kugelförmigen Lotteilchen bedeckt wird, während die über­ schüssigen, nicht mit den die Adhäsionseigenschaften aufweisenden Ver­ bindungsbereichen in Berührung stehenden Lotteilchen wieder von den Bauelementen beziehungsweise den Bauelementträgern abfallen, wo­ durch eine hohe elektrische Zuverlässigkeit erreicht wird.

Bei einfachen Geometrien der Bauelementanschlüsse und Bauelement­ träger, also mit runden Anschlußflächen, wird durch das erfindungsge­ mäße Verfahren sichergestellt, daß nur die exakt notwendige Menge Lot in Form der Lotteilchen auf den Verbindungsbereichen haften kann.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es wesentlich, daß die leitenden Verbindungsbereiche mit Adhäsionseigenschaften versehen werden, das heißt Eigenschaften besitzen, die ein Anhaften der in Pulverform aufge­ brachten Lotteilchen ermöglichen. Dies kann dadurch erreicht werden, daß man eine Haftschicht auf die Verbindungsbereiche aufbringt, bei­ spielsweise durch Auftragen einer Klebstoffschicht. Besonders vorteilhaft ist es, die Haftschicht unter Verwendung eines lötaktive Substanzen ent­ haltenden Klebstoffes auszubilden. Noch vorteilhafter ist die Verwendung eines Klebstoffes auf der Grundlage mindestens eines natürlichen und/oder synthetischen, vorzugsweise wasserlöslichen Harzes, wobei Klebstoffe auf der Grundlage von Kolophonium und/oder Derivaten davon besonders bevorzugt sind, da Kolophonium einen anerkannt gut wirksa­ men Grundbestandteil von Lötflußmitteln darstellt. Besonders günstig ist es, die Haftschicht direkt aus einem Lötflußmittel auszubilden.

Als lötaktive Substanzen können in der erfindungsgemäßen Haftschicht die Bestandteile üblicher Weichlötflußmittel verwendet werden, nämlich ein Trägerharz, wie Kolophonium, Kolophoniumester oder synthetische Harze auf Basis von gesättigten und ungesättigten aliphatischen Mono-, Di- oder Polycarbonsäuren und Aktivatoren, wie aliphatische und/oder alicyclische Mono-, Di- oder Polycarbonsäuren, wie Stearinsäure, Bern­ steinsäure, Adipinsäure, Glutarsäure, Brenztraubensäure, Acetessigsäu­ re und Lävulinsäure, Citronensäure oder Fumarsäure.

Mit Vorteil wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine in Wasser und/oder organischen Lösungsmitteln lösliche Haftschicht aufgetragen.

Erfindungsgemäß ist es weiterhin möglich, die Adhäsionseigenschaften dadurch zu erreichen, daß die leitenden Verbindungsbereiche der Bauele­ mentanschlüsse beziehungsweise Bauelementträger auf eine Temperatur erhitzt werden, die bei oder oberhalb der Schmelztemperatur der Lotteil­ chen liegt, das heißt bei welcher Temperatur die mit diesen erhitzten Ver­ bindungsbereichen in Berührung kommenden festen Lotteilchen auf­ grund des oberflächlichen Aufschmelzens des Lotmetalls anhaften.

Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Lotteilchen kön­ nen aus üblichen Weichlotmetallen oder Weichlotmetallegierungen beste­ hen, die für die Oberflächenmontage von elektronischen Bauteilen ge­ eignet sind.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können vorzugsweise pulverme­ tallurgisch und/oder sintermetallurgisch hergestellte Lotteilchen einge­ setzt werden, die vorzugsweise in ihrer Teilchengröße möglichst einheit­ lich und noch bevorzugter monodispers sind. Dabei ist die Größe der be­ vorzugt kugelförmigen Lotteilchen an die Größe der mit den Lotdepots zu versehenden leitenden Verbindungsbereiche angepaßt beziehungsweise an die auf dem Verbindungsbereich aufzubringende Lotmenge.

Die Ausbildung der Haftschicht durch Auftragen einer Klebstoffschicht selektiv auf den Verbindungsbereichen kann erfindungsgemäß unter An­ wendung üblicher Verfahrensweisen erreicht werden, beispielsweise durch Siebdruck, mit Hilfe eines Dispensers, mit Hilfe eines Tintenstrahl­ druckers oder aber auch nach einem photolithographischen Verfahren, bei dem ein lichtempfindlicher Klebstoff, der vorzugsweise aus lötaktiven Substanzen gebildet ist oder solche enthält, auf die Bauelementanschlüs­ se oder den gesamten Bauelementträger aufgetragen und durch bildmäßi­ ges Belichten und Entwickeln derart wieder entfernt wird, daß die Haft­ schicht lediglich auf den gewünschten leitenden Verbindungsbereichen vorliegt.

Im Anschluß daran werden die mit den Adhäsionseigenschaften versehe­ nen Verbindungsbereiche mit einer die festen Lotteilchen enthaltenden Atmosphäre in Kontakt gebracht, so daß die Lotteilchen durch Adhäsion selektiv an den Verbindungsbereichen fixiert werden. Die die festen Lot­ teilchen enthaltende Atmosphäre kann durch Aufstäuben der pulverför­ migen festen Lotteilchen, durch Hindurchführen der die mit Adhäsionsei­ genschaften versehenen Verbindungsbereiche aufweisenden Bestandteile durch eine aus den Lotteilchen gebildete Wirbelschicht erreicht werden oder auch unter Einwirkung elektrostatischer Kräfte. Hierzu werden die Bauelemente oder Bauelementträger geerdet und die Lotteilchen aufgela­ den oder mit entsprechender kinetischer Energie zu den mit den Adhä­ sionseigenschaften versehenen Verbindungsbereichen geführt.

Nach dem Auftrag der Lotelementteilchen ist es, wie bereits angesprochen wurde, möglich, den Bauelementträger oder das Bauelement durch einen Heizprozeß zu behandeln, um die an der Oberfläche der Verbindungsberei­ che anhaftenden Lotteilchen zu einem massiven Lotdepot umzuschmel­ zen. Dies kann kann mit einem üblichen Reflow-Prozeß in einem Durch­ laufofen oder aber auch durch anderweitige Erwärmung der verwendeten Lotlegierung auf eine Temperatur bei oder oberhalb des Schmelzpunktes erreicht werden.

Die für die Erzeugung der Adhäsionseigenschaften verwendete Klebstoff­ menge oder vorzugsweise Lötflußmittelmenge ist so gering, daß für durch­ schnittliche Anforderungen kein Waschvorgang erforderlich ist. Beim er­ findungsgemäßen Verfahren werden somit die lötaktiven Substanzen in geringen Mengen selektiv aufgebracht. Falls allerhöchste Anforderungen an die Reinheit gestellt werden, können mit üblichen Reinigungsverfahren auf Basis von Lösungsmitteln oder durch alkalisches Verseifen der ver­ wendeten Lötflußmittel auf der Grundlage von Harzen, beispielsweise Ko­ lophonium, die höchsten Reinheitsanforderungen erfüllt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders gut zum Vorbelo­ ten von Bauelementen und Bauelementträgern, die für die Flip-Chip oder Multi-Chip/Flip-Chip-Technik angewandt werden, da durch die engen To­ leranzen der verwendeten Lotteilchen die Menge des Lotes genau definiert beziehungsweise eine gleichmäßige Höhe der Lotdepots erreicht werden kann.

Wenn für die Weiterverarbeitung der vorbeloteten Bauelemente und Baue­ lementträger eine plane Oberfläche erforderlich ist, ist es bei dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren im Gegensatz zu vorbekannten Verfahren mög­ lich, die Lotteilchen vor und/oder nach dem Umschmelzen durch eine Kaltverformung einzuebnen. Die hohe Duktilität der erfindungsgemäß be­ vorzugt verwendeten Weichlote ermöglicht eine Einebnung weit unter der Schmelztemperatur der jeweiligen Lote. Mit Vorteil erfolgt insbesondere bei planen Bauelementträgern das Einebnen in einem Spaltkalander bei einer Temperatur zwischen Raumtemperatur und unterhalb der Schmelz­ temperatur der Lotteilchen, vorzugsweise bei Raumtemperatur. Durch die Präzision des Spaltkalanders wird erfindungsgemäß gewährleistet, daß die Bestückungsebene nach dem Einebnungsprozeß engsten Fertigungs­ toleranzen entspricht. Dies ist für die modernen Bestückungstechnolo­ gien nach der Oberflächenmontage von äußerster Wichtigkeit, da die mo­ dernen Bestückungsautomaten durch optische Abtastsysteme die Be­ stückungsebene als wesentlichen Parameter einbeziehen.

Bei der Oberflächenmontage von Bauelementen auf erfindungsgemäß vor­ beloteten Bauelementträgern werden üblicherweise pastöse, klebrige Flußmittelzubereitungen eingesetzt. Es kann aber auch flußmittelfrei in entsprechender inerter Atmosphäre gelötet werden, wozu es erfindungs­ gemäß von Vorteil ist, die mit den eingeebneten Lotteilchen versehenen Verbindungsbereiche weiterhin mit einer permanent klebrigen und vor­ zugsweise lötfähigen Deckschicht zu versehen, so daß bei der Oberflä­ chenmontage die elektronischen Bauteile in diesen Bereichen anhaften können und festgehalten werden, bis der Lötvorgang abgeschlossen wird. Gleichzeitig ist es möglich, thermoplastische Montagekleber anzuwenden, mit denen die Bauteile zwischen den Verbindungsbereichen am Bauele­ mentträger fixiert werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es natürlich möglich, die übli­ cherweise verwendeten Lötstoppmasken anzuwenden, um ein Fließen des Lots in unerwünschte Bereiche zu verhindern. Hierzu können flüssige und trockene Filmmasken verwendet werden, wie sie derzeit in der Flachbau­ gruppenfertigung weltweit Einsatz finden.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zum Vorbeloten von beliebi­ gen Bauelementanschlüssen und Bauelementträgern, so daß nicht nur ebene, sondern ersichtlich auch zylindrisch, sphärisch oder anders ge­ formte Bauelementanschlüsse und Bauelementträger mit den gewünsch­ ten Lötdepots versehen werden können. Darüber hinaus können auch an­ organische Bauelementträger, beispielsweise keramische Bauelementträ­ ger erfindungsgemäß mit Lötdepots versehen werden.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens gelingt es in einfacher Weise und kostengünstig, selektiv lediglich auf den gewünschten leitenden Ver­ bindungsbereichen Lötdepots mit der gewünschten Lotmenge zu erzeu­ gen, wobei durch Anwendung einer lötaktive Substanzen enthaltenden Haftschicht unterhalb und gegebenenfalls oberhalb des Lotdepots beson­ ders günstige vorbelotete Bauelemente beziehungsweise Bauelementträ­ ger erhalten werden, die sich hervorragend zur Oberflächenmontage von elektronischen Bauelementen nach den modernsten Fertigungstechnolo­ gien eignen.

Claims (22)

1. Verfahren zum Vorbeloten von Bauelementanschlüssen und Bauele­ mentträgern durch Erzeugen von Lotdepots auf den leitenden Verbin­ dungsbereichen, dadurch gekennzeichnet, daß auf die mit Adhäsionsei­ genschaften versehenen Verbindungsbereiche feste Lotteilchen aufge­ bracht und fixiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ad­ häsionseigenschaften durch Aufbringen einer Haftschicht auf die Verbin­ dungsbereiche und/oder durch Erhitzen der Verbindungsbereiche auf ei­ ne Temperatur bei oder oberhalb der Schmelztemperatur der Lotteilchen erzeugt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftschicht durch Auftragen einer Klebstoffschicht ausgebildet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftschicht unter Verwendung eines lötaktive Substanzen enthaltenden Klebstoffes ausgebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftschicht unter Verwendung eines Klebstoffes auf der Grundlage mindestens eines natürlichen und/oder synthetischen, vorzugsweise wasserlöslichen Harzes ausgebildet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftschicht unter Verwendung eines Klebstoffes auf der Grundlage von Kolophonium und/oder Derivaten davon erzeugt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftschicht unter Verwendung eines Klebstoffes auf der Grundlage eines wasserlöslichen synthetischen Harzes ausgebildet wird.

8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Haftschicht aus einem Lötflußmittel aufgetra­ gen wird.

9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine in Wasser und/oder organischen Lösungsmit­ teln lösliche Haftschicht aufgetragen wird.

10. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß kugelförmige Lotteilchen aufgebracht werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Lot­ teilchen aufgebracht werden, die in ihrer Größe an die Verbindungsberei­ che und/oder die aufzubringende Lotmenge angepaßt sind.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lotteilchen eine einheitliche Teilchengröße aufweisen und vorzugsweise eine monodisperse Teilchengröße besitzen.

13. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftschicht durch Aufbringen des Klebstoffes durch Siebdruck, mit Hilfe eines Dispensers, mit Hilfe eines Tintenstrahldruckers oder mit einem photolithographischen Verfahren selektiv auf den Verbindungsbereiche ausgebildet wird.

14. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Adhäsionseigenschaften versehe­ nen Verbindungsbereiche mit einer die festen Lotteilchen enthaltenden Atmosphäre in Kontakt gebracht werden und diese durch Adhäsion selek­ tiv an den Verbindungsbereichen fixiert werden.

15. Verfahren nach nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Lotteilchen durch Aufstäuben, aus einer Wirbelschicht und/oder un­ ter Einwirkung elektrostatischer Kräfte aufgebracht werden.

16. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die fixierten Lotteilchen auf den Verbin­ dungsbereichen umgeschmolzen werden.

17. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die auf den Verbindungsbereichen fixier­ ten Lotteilchen vor und/oder nach dem Umschmelzen eingeebnet werden.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Einebnen durch Kaltverformen bewirkt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Einebnen durch Kaltverformen des Bauelementträgers in einem Spaltka­ lander bewirkt wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Spaltkalander bei einer Temperatur zwischen Raumtemperatur und un­ terhalb der Schmelztemperatur der Lotteilchen betrieben wird.

21. Verfahren nach den Ansprüchen 17 bis 20, dadurch gekennzeich­ net, daß die mit den eingeebneten Lotteilchen versehenen Verbindungs­ bereiche mit einer permanent klebrigen und lötfähigen Deckschicht verse­ hen werden.

22. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß anorganische Bauelementträgern mit Lot­ depots versehen werden.