DE4402042A1

DE4402042A1 - Mikropartikulierte Reflow-Lötmittel und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE4402042A1
Application number: DE4402042A
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Dr Rer Teuschler; Wolfgang Prof Dr Scheel; Klaus Prof Dr Wittke; Hansjoachim Dr Schilling; Heinrich Hucke; Klaus Deutsch; Walter Dipl Ing Protsch
Original assignee: KUNSTSTOFF MASCHINEN HANDELSGE
Current assignee: KUNSTSTOFF MASCHINEN HANDELSGE
Priority date: 1994-01-25
Filing date: 1994-01-25
Publication date: 1994-06-09

Description

Die Erfindung betrifft mikropartikulierte Reflow-Lötmittel und deren Herstellungsverfah ren speziell für die Verbindungstechniken mikroelektronischer Bauelemente mit Fein leitersubstraten. Die Besonderheit liegt in der Verbindung hochpoliger Bauelemente mit kleinflächigen Terminationkontakten z. B. in 100 µm-Bereichen und darunter. Die Anwendung versteht sich daher unter anderem auf alle Geräte der Mikroelektronik, die aus den physikalischen Gründen der Datenübertragungsgeschwindigkeit und den Forderungen nach Minituarisierung und Masseverringerung relevant sind. DieZuver lässigkeit dieser Systeme ist in erster Linie an exakte Verbindungen in den Kon taktbereichen begründet.

Die Verbindungstechnik der vorgenannten Anwendungsfälle ist nach den herkömm lichen Methoden der Lotpasten-Reflowlötung, Tauch- und Schwallötung, elektrisch leitender Klebung und anderen mechanisierbaren Verfahren nicht möglich, bzw. mit einer so geringen Ausbeute behaftet, daß die vorhandenen hochpoligen Bauelemente und Feinleitersubstrate zwar hergestellt werden können, aber in der Applikation weitgehend scheitern.

Nach der EPA 0 556 964 (1993) und dem darin zitierten Stand der Technik wurde dieses Unvermögen unter Kritik gestellt, wobei allerdings die vorliegende anspruch volle Aufgabenstellung nicht berücksichtigt wurde:

- Mangelnde Lagerfähigkeit und damit zusammenhängende Temperaturabhän gigkeit,
- Oxidationsneigung der Lotpulver, was besonders das Reflow-Lötverfahren behindert,
- Tendenz zur Bildung von schwerschmelzbaren Agglomeraten und von Solder balls,
- Möglichkeit der Oxidation der Lotpulver durch die notwendigen Flußmittel,
- Reduzierung der Flußmittelaktivität, die besonders bei höheren Temperaturen die chemische Aktivität aufbringen soll, um die Oberflächenspannung des Lötmittels zu den Terminationkontakten gegen "0" zu führen, um einen Lötpro zeß bewirken zu können.
- Veränderung der (dynamischen) Viskosität der Lotpasten, wodurch das Printing dieser Systeme behindert wird.

Um diese Mängel zu beseitigen, wurde vorgeschlagen (US-P 4.994.326), die Lot pulver mit in den Pastenbestandteilen unlöslichen (schwerlöslichen) Agenzien oberflächlich zu schützen. Verwendet werden sollen hierzu:

- Silikonöle und hochmolekulare Komponenten auf Silikonbasis,
- fluorierte Silikonöle und Fluorsilikonharze und
- hochmolekulare fluorierte Kohlenwasserstoffe.

Diese Vorschläge sind mit relativ hohen Mengen an "Schutzmaterialien" konzipiert. Dieses wird für die Anwendung bei Reflow-Lötprozessen als störend dargestellt, z. B. durch Bildung von "Solderballs" und uneinheitlichen Kontaktierungsqualitäten.

Die eingangs zitierte EPA beschreibt für den Oxidationsschutz der Lotpulver die Anwendung von "Parylenen" (Anmerkung: Polyarylene), um die Anwendung von fluorierten (Silikon-) Kohlenwasserstoffen zu vermeiden. Parylene (Markenname der UNION CARBIDE CORP., USA) sind dimere p-Xylylene, die durch (halogensubstitu ierte) Methene über die p-Stellung verbunden sind. Die Kerne können mit Halogenen oder Alkylen in m-Stellung substituiert sein.

Als Lotpuver finden die üblichen Sn/Pb-Legierungen oder bleifreie Systeme Verwen dung, die z. B. auch mit Ag- und Pd-Zusätzen ausgestattet sein können. Die Her stellung eines feinen und definierten Kornbandes dieser Pulver ohne Oberflächenoxidationen ist technologisch schwierig zu realisieren, z. B., wenn auch die Parameter einer störungsfreien Anwendung berücksichtigt werden müssen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht dann, die dem bekannten Stand der Technik an haftenden Mängel zu beseitigen, indem ein definiertes kugelförmiges Lotpulver des Kornbandes von vorzugsweise 3 bis 10 µm in inerter Umgebung hergestellt und mit einer polymeren Schutzschicht versehen wird, die nach geeigneten Methoden in einem flüssigen Medium arrangiert werden soll. Das so geschützte Lotpulver soll geeignet sein, solche Lotpastensysteme nach bekannten Verfahren herstellen zu können, daß die im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten hochpoligen Mikrover bindungen durch Reflowlötprozesse ermöglicht werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe nach den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 und 3 z. B. dadurch gelöst, daß ein kompaktes Lotmetall in einer hochtemperierbaren organischen Flüssigkeit aufgeschmolzen und mit Hilfe des Strömungsdispergierverfahrens zu einem Kornband von vorzugsweise 3 bis 10 µm geführt wird. Nach der Sedimentation der Lotkügelchen wird die organische Flüssig keit in der Art dekantiert bzw. abgesaugt, daß der Bodensatz bedeckt bleibt. Mit einem Lösungsmittel, das sich mit der hochtemperierbaren organischen Flüssigkeit nicht mischt, wird der Bodensatz durch einen Rührprozeß bei minderer Drehzahl aufgenommen und mit einer oligomeren Melaminharzlösung versetzt. Die Mikro verkapselung erfolgt bei mäßiger Wärme, wobei verschiedene Agenzien zugesetzt werden, die eine gleichmäßige Abscheidung der oligomeren Phase zu einem polymeren und dichtem Überzug auf den Lotkügelchen gestattet und eine Säurehär tung dieser Phase bewirkt.

Die hochtemperierbare organische Flüssigkeit wird bei dieser Verfahrensweise zu einer Feinemulsion geführt, deren kugelförmige Einzelkoagulate ebenfalls mit dem gleichen Hüllmaterial mikroverkapselt werden. Da der Dichteunterschied beider Kapselarten oberhalb von 6 zu 1 (in der Dimension g·cm^-3) liegt, ist die quantitative Trennung nach verschiedenen Verfahren auf einfache Weise vorzunehmen. Es ist einsichtig, daß diese anaerobe Technologie Lotmittelpartikulate liefert, die nur aus den Komponenten des Lotmetalls und des Kapselhüllenmaterials besteht.

Von den zahlreichen Verfahren zur Herstellung von mikroverkapselten Wirkstoffen für Durchschreibpapiere, Schraubensicherungen, pharmazeutische Anwendungen, Klebungen u. a., sind die folgenden relevant:

- Komplexkoazervation zwischen positv und negativ geladenen (Kolloid-) Poly meren, wobei die Reaktionsbedingungen über pH-Wert- und Temperatur einstellungen bewirktwerden. (ARMADEO, C. BENOIT, J.P., THIES, C.; S.T.P. Pharma, 2 (15), 303-306, (1986); BECHARD, S., McMULLEN, J.N., Pharm. 31, 91-98, (1986).
- Polymerisation zur Bildung verschiedener Wandmaterialien, wobei die Kapsel bildung aus inneren Diffusionsvorgängen gelöster Polymere zum polaren Lösungsmittel hin erfolgt. (HARMIA, T., SPEISER,P., KREUTER, J.; Int. J. Microencapsulation, 3, 3-12 (1988).
- Sprühtrocknungen und ähnliche Verfahren, z. B. Versprühen mit einer Mehr stoffdüse oder Umhüllen vermittels einer rotierenden Scheibe nach DE 27 46 489 (1979) und DD 2 39 951(1986).

Für die vorliegenden Anwendungsfälle eignet sich vor allem das Komplexkoazerva tionsverfahren, da sich hier die günstigsten Möglichkeiten einer weitestgehenden anaeroben Verkapselung der Lotmikropartikulate ergeben. Der Ausschluß von Sauerstoff und anderen reaktiven Stoffen verhindert eine chemische Veränderung der kugelförmigen Lotpulveroberflächen.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Lotpasten werden vor zugsweise vermittels eines Schablonendruckes auf die Kontaktflächen von z. B. Feinleitersubstraten übertragen. Hierbei ist zu erwähnen, daß neben der Herstellung von hochpoligen Schaltkreisen auch die Herstellung von Feinleitersubstraten keine besonderen Schwierigkeiten bereitet, z. B., wenn sie mit den bekannten Fotoätzver fahren bearbeitet werden. Gleiches gilt auch für die Herstellung der Schablonen, die allerdings auch nach den Elektronenstrahlbearbeitungsverfahren der Vakuumtechnik gestaltet werden können.

Bei dem Schablonendruck werden analog zum Siebdruck die geometrisch geöffneten Strukturen gleichsam als Transportcontainer genutzt. Das vom Rakel eingebrachte Pastensystem wird über den Schablonenabsprung auf die Terminationfelder über tragen. Die geometrischen Berechnungen zeigen auf, daß bestimmte Pastenmassen mit einem definierten Lotmittelanteil diese Felder bedecken müssen. Hieraus ist auch die geforderte Feinkörnigkeit des Lotpulvers mit 3 bis 10 µm Kugeldurchmesser zu begründen. Zu beachten ist hierbei, daß der Lotmittelanteil in der Paste 73 bis 93 Masse-% beträgt.

Bei der Montage hochpoliger Bauelemente werden diese z. B. durch einen Klebe prozeß so positioniert, daß deren Kontakte direkt auf diesen Terminationfeldern angeordnet sind. Der Lötprozeß wird mit Hilfe des optischen Strahlungsverfahrens oder des Heißgasverfahrens durchgeführt, wobei die Lotmittelkapseln geöffnet werden und ein Pastenbestandteil zur Senkung der Oberflächenspannungen dient. Eine örtlich engbegrenzte und zuverlässige Lötverbindung der Kontakte wird somit erreicht.

Ausführungsbeispiel

Umfassende Literaturhinweise zur Realisierung des erfindungsgemäßen mikropar tikulationsverfahrens sind aus den folgenden Zitaten zu entnehmen:

- SLIWKA, W., Mikroverkapselung, Angew. Chemie, 87, 556-567 (1975),
- ULLMANN, Enzyklopädie der technischen Chemie, Bd. 16, 675 ff.,
- BORNSCHElN, M., MELEGARI, P., BISMARCK, C., KEIPERT, S., Pharmazie, 44, 585-593 (1989),
- JP 01 54 081(89 54 081), (1.3.1989),
- DIETRICH, K., BONATZ, E, et al., Acta Polymerica, 40, 325-331 (1989) "Amino resin microcapsules".

Auf einem Heizgerät werden in einem Gefäß 300 ml Ricinusöl (engl. "Kastoröl") nach DAB 10 auf 220 bis 230°C erwärmt und 70 g LSn 63 in Stangenform aufge schmolzen. Einige mm über dem Bodensatz wird ein ULTRATURRAX-Dispergierer installiert und mit einer Drehzahl von 14.000 min^-1 über den Zeitraum von 300 bis 360 s betrieben. Für diesen Prozeß eignet sich Ricinusöl wegen dessen Temperaturbe ständigkeit und der auch bei höheren Temperaturen relativ hohen Viskosität. Gleich zeitig ergibt sich ein Reinigungseffekt wegen der aufschließenden Wirkungen dieses Öles gegen Verunreinigungen bei den angebenen Bedingungen, so daß von einer Raffinierung zumindest der Metalloberflächen ausgegangen werden kann.

Durch diese Strömungsdispergierung wird der metallische Bodensatz zu einem Kornband von 3 bis 10 µm Kugeldurchmesser geführt. Die Stabilität dieses Systems ergibt sich aus der hohen Oberflächenenergie der Lotkügelchen. Bei einer Drehzahl des Dispergierers von ca. 700 min^-1 wird das dispergierte System bis auf 60°C abgekühlt.

Hierauf wird das über der abgesetzten Metallphase befindliche Ricinusöl abgesaugt, wobei auf eine Bedeckung dieser Phase zu achten ist und ein mit Ricinusöl nicht mischbares Lösungsmittel zugesetzt. Ein Rührer wird hiernach auf eine Drehzahl von 2.000 min^-1 eingestellt und sukzessive eine PIAMID-Lösung (partiell methyliertes verethertes Melamin-Formaldehyd Harz mit 50 Masse% Feststoffgehalt) eingebracht.

Die Zugabe des Katalysators Zitronensäure und von Polyethylenglycol (n = 2000) führt zur Umkapselung der feinkugligen Metallphase und der emulgierten Ricinusöl phase. Hiernach wird das Rühren auf eine Drehzahl von 500 min^-1 gesenkt und die Suspension 60 min auf einer Temperatur von 60°C gehalten. Nach einer Nachhärtezeit von 240 min bei Raumtemperatur werden die mikroverkapselten Lotkügelchen separiert und mit einem Lösungsmittel gewaschen.

Da bei dem beschriebenen Mikroverkapselungsprozeß ebenfalls das restliche Rici nusöl quantitativ verkapselt wird, erfolgt die Separierung in der Art, daß zuerst die verkapselte organische Phase vollständig ausflotiert wird. Dieser Arbeitsgang ist infolge des großen Dichteunterschiedes beider Kapselarten von oberhalb 6 zu 1 (in der Dimension g·cm^-3) schnell und einfach durchzuführen. Danach wird der Wasch prozeß durchgeführt, dessen Aufgabe es ist, die Koazervationslösung von den verkapselten Metallmikropartikulaten zu entfernen.

Diese Chargenverfahrensweise ist durch eine geeignete apparative Anordnung entsprechend modifizierter Gerätschaften auch kontinuierlich durchzuführen, wobei über eine einfache Sensorik eine CIM-Integration zweckmäßig ist.

Unter inerten Umgebungen in Gas- oder Flüssigphasen ist das mikroverkapselte Lotpulver über lange Zeiträume zu lagern und über beliebige Strecken zu transpor tieren. Natürlich ist hierbei auch die sofortige Herstellung von Feinstkorn-Lotpasten eingeschlossen. Alle diesbezüglichen üblichen Einschränkungen werden durch den Erfindungsgegenstand und dessen Herstellungsverfahren aufgehoben.

Die Wirtschaftlichkeit, vor allem die der kontinuierlichen Verfahrensweise, schließt eine technologische Lücke bei der weiteren und notwendigen Miniaturisierung von mikroelektronischen Systemen und begründet in den kritischen Fällen der Verbin dungstechniken den Einstieg in die Nanoelektronik.

Claims

1. Mikropartikulierte Reflow-Lötmittel, die in Pastenform und vermittels Schablonen druck oder Siebdruck verwendet werden, für die Verbindung hochpoliger mikroelek tronischer Schaltkreise mit Feinleitersubtraten und deren Lotmetallanteile zwecks Ver meidung von Oxidationen oberflächengeschützt sind und in einem kleinen Kornband vorliegen, dadurch gekennzeichnet, daß die in einer anaeroben Flüssigkeit thermisch und mechanisch erzeugten Lotmittelkugeln vorzugsweise des Kornbandes 3 bis 10 µm Durchmesser ohne Oxidationen mit einem organischen Polymer überzogen sind.

2. Mikropartikulierte Reflow-Lötmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lotmittelkugeln mit säurehärtbaren Polymeren, insbesondere Melaminen, mit einer Schichtdicke im 50 bis 250 nm-Bereich überzogen sind.

3. Mikropartikulierte Reflow-Lötmittel nach den Ansprüchen 1 und 2. dadurch gekenn zeichnet, daß in den zu applizierenden Lotpastensystemen 73 bis 93 Masse-% ge schützte Lotmittelkugeln enthalten sind.

4. Verfahren zur Herstellung von mikropartikulierten Reflow-Lötmitteln, die in Pasten form und vermittels Schablonendruck oder Siebdruck verwendet werden, für die Verbindung hochpoliger mikroelektronischer Schaltkreise mit Feinleitersubstraten und deren Lotmetallanteile zwecks Vermeidung von Oxidationen oberflächengeschützt sind und in einem kleinen Kornband vorliegen, dadurch gekennzeichnet, daß das kompakte Lotmetall in einer hochtemperierbaren organischen Flüssigkeit aufge schmolzen und mit Hilfe des Strömungsdispergierverfahrens zu einem kugelsymme trischen Kornband von vorzugsweise 3 bis 10 µm Durchmesser geführt und die organische Flüssigkeit soweit entfernt wird, daß die Metallpartikulate bedeckt bleiben, so daß sie in eine Emulsion zu überführen ist und die Einzelteilchen der Suspension und Emulsion nach der Methode der Komplexkoazervation mit einem Mela minpolymerisat des Schichtdickenbereiches von 50 bis 250 nm überzogen werden und daß die mikropartikulierte organische Phase von der mikropartikulierten Metall phase quantitativ getrennt wird.

5. Verfahren zur Herstellung von mikropartikulierten Reflow-Lötmittel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mit einem geeigneten Lösungsmittel gewasche nen separierten und geschützten Lotpulver nach den bekannten Verfahren zu einer Lotpaste geführt werden, die einen Schablonendruck oder Siebdruck gewährleisten.

6. Verfahren zur Herstellung von mikropartikulierten Reflow-Lötmitteln nach den Ansprüchen 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflow-Lötpasten sowohl eine optische Strahlungsverlötung als auch eine Heißgasverlötung der Kontaktpartner gewährleisten.