DE4405784A1

DE4405784A1 - Verfahren zum Verlöten von Bauelementen mit einem Träger und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE4405784A1
Application number: DE4405784A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dipl Ing Rust; Armin Dipl Ing Zagarits
Original assignee: Daimler Benz Aerospace AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1994-02-23
Filing date: 1994-02-23
Publication date: 1995-08-24

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verlöten von Bau elementen mit einem Träger gemäß Oberbegriff des Patentan spruchs 1 sowie eine Anordnung zur Durchführung des Ver fahrens gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 8.

Solche Verfahren und Anordnungen finden beispielsweise in der Elektronik zum Verbinden verschiedener Bauteile Anwen dung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mittels dem Bauteile schonend miteinander ver bunden werden können, und eine Anordnung, mit der dieses Verfahren möglichst einfach umgesetzt werden kann.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe bezüglich des zu schaffenden Verfahrens ist durch die kennzeichnenden Merk male des Patentanspruchs 1 wiedergegeben. Die Unteransprü che 2 bis 7 enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildun gen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der erfindungsgemäße Lösungsgedanke der Aufgabe bezüglich der zu schaffenden Anordnung ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Pa tentanspruchs 8 wiedergegeben. Die Ansprüche 9 bis 10 ent halten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der erfin dungsgemäßen Anordnung.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe bezüglich des zu schaffenden Verfahrens besteht aus folgenden Verfahrens schritten.

In einer ersten Phase wird (werden) ein Träger (ein Träger und das Lot) auf eine erste Temperatur ϑ₁ unterhalb der Schmelztemperatur ϑ_lot des Lots aufgewärmt. Anschließend werden das Lot, die Trägerfläche im Nahbereich des Lots und das (die jeweiligen) Bauelement(e) kurzfristig in ei ner zweiten Phase auf eine zweite Temperatur ϑ₂ aufge heizt, bei der das Lot schmilzt und eine Verbindung zwi schen dem (jeweiligen) Bauelement und Träger hergestellt wird. Anschließend wird in einer dritten Phase die Verbin dungsstelle auf die erste Temperatur ϑ₁ oder eine noch niedrigere Temperatur abgekühlt.

Die Lösung der Aufgabe bezüglich der zu schaffenden Anord nung zur Durchführung des Verfahrens besteht darin, daß mindestens zwei voneinander unabhängig einstellbare Heiz anlagen sowie vorzugsweise eine Kühlvorrichtung zur stu fenlosen Erzeugung von Temperatur-Zeit-Profilen für das Verlöten von dem (den) Bauelement(en) mit dem Träger vor gesehen sind.

Aufgrund dieses Verfahrens und der zugehörigen Anordnung ist es möglich, thermisch wenig belastbare Bauelemente mit thermisch unempfindlichen Trägermaterialien zu verbinden.

Im folgenden wird die Erfindung exemplarisch anhand der Fig. 1 bis 3 näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Ausschnitt einer vorteilhaften Aus führungsform der erfindungsgemäßen Anord nung;

Fig. 2a und 2b Ablaufdiagramme zur Veranschaulichung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungs gemäßen Verfahrens;

Fig. 3 das Temperatur-Zeit-Profil eines mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens behandelten Bauteiles.

Die Anordnung der Fig. 1 ist zum Verlöten von Bauelementen mit einem Träger vorgesehen. Die Figur veranschaulicht da bei, zeitlich gesehen, die Ausgangssituation vor dem ei gentlichen Lötvorgang.

Hierbei ist in einer Haltevorrichtung 1 ein Bauelement 2 fixiert. Bei diesem Bauelement 2 handelt es sich bei spielsweise um eine ungehäuste Diode oder ein anderes thermisch schwach belastbares Bauelement.

Zur Verbindung dieses Bauelementes 2 auf einem Träger 23, bei dem es sich z. B. um eine Mikrostreifenleitungsschal tung oder Streifenleitungen oder Messingplatten oder ver goldete Platten oder Fixierungspunkte von besonderen Lei terplatten für Hybridschaltungen handelt, wird dieser Trä ger 23 auf eine Heizplatte 3 aus z. B. Graphit gelegt oder mit ihr andersartig verbunden. Durch Beheizung dieser Heizplatte, die durch eine regelbare Spannungs- oder Stromquelle 31 angesteuert wird, erfolgt eine Erwärmung des Trägers 23 auf eine erste Temperatur ϑ₁, wodurch eine zu kontaktierende Oberfläche 21 sich ebenso erwärmt. Bei dieser zu kontaktierenden Oberfläche 21 kann es sich z. B. um die Oberfläche einer vergoldeten Platte handeln.

In einer ersten Phase (auch erste Zeitphase genannt) des Lötvorganges wird der Träger 23 bzw. wird der mit Lot teilweise oder vollständig beschichtete Träger durch ste tigen oder sprunghaften Temperaturanstieg auf die erste Temperatur ϑ₁ unterhalb der Schmelztemperatur ϑ_Lot des Lots aufgewärmt. Anschließend wird das Lot und das Bauele ment 2 bzw. das mit Lot beschichtete Bauelement kurzfri stig in einer zweiten Phase (auch zweite Zeitphase ge nannt) auf eine zweite Temperatur ϑ₂ aufgeheizt, bei der das Lot schmilzt. Dadurch wird die Verbindung zwischen dem Bauelement 2 und dem Träger 23 hergestellt. Anschließend wird in einer dritten Phase (auch dritte Zeitphase ge nannt) das Bauelement 2 und das Lot auf die erste Tempera tur ϑ₁ oder eine noch niedrigere Temperatur abgekühlt.

Anstelle eines Bauelementes können auch mehrere Bauele mente mittels obigem Verfahren gleichzeitig oder zeitlich versetzt mit dem Träger verlötet werden. Erfolgt eine zeitlich versetzte Verlötung von Bauelementen, so wird die Temperatur des Trägers bis unterhalb der Schmelztemperatur des Lotes abgesenkt und lokal Träger und Bauelement mit erhitztem inertem oder reduzierendem Gas auf die genannten Temperaturwerte gebracht.

Mithin ist eine schonende Behandlung z. B. von Halbleitern beim Kontaktieren mit metallischen Trägern durch geringe Wärmebelastung und flußmittelfreies Löten möglich.

Ferner ist mit dieser Anordnung sowohl ein oxydationsfrei es eutektisches als auch ein oxydationsfreies nicht-eutek tisches Löten bei geringer Wärmebelastung beider zu verlö tender Teile möglich, wobei die sehr unterschiedlichen Wärmekapazitäten usw. der zu verlötenden Teile beachtet werden sollten. Besonders von Vorteil ist, daß je nach den unterschiedlichen Eigenschaften der zu verlötenden Teile jeweils ein ihren Bedürfnissen angepaßtes spezielles Heiz system verwendet wird, wodurch die zu verlötenden Teile so schonend wie möglich behandelt werden können.

Als Beispiel sei hier die Kontaktierung eines Gunn-Chips (Durchmesser z. B. ca. 300 µm) auf einem metallischen Trä ger (z. B. ca. 600 mm²) dargestellt. Der Metallträger weist im Gegensatz zum Gunn-Chip eine sehr viel größere Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit auf. Hier muß also eine Heizung mit großer Leistung zum Einsatz kommen.

Die Anordnung weist (beispielhaft) zwei voneinander unab hängig wirkende und einstellbare Heizanlagen sowie eine Kühlvorrichtung zur stufenlosen Erzeugung von Temperatur- Zeit-Profilen für das Verlöten von dem (den) Bauele ment(en) 2 mit dem Träger 23 auf. Je nach Anwendung können aber auch mehr als zwei unabhängig voneinander einstell bare Heizanlagen eingesetzt werden.

Zur Steuerung und/oder Regelung und/oder Einstellung der Heizanlage kann vorteilhafterweise ein Computer oder Mi krorechner oder ein Rechenwerk (nicht gezeigt) verwendet werden.

Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung eines Graphitofen großer Heizleistung zur Erwärmung des Trägers, eines Heißgasofen mittlerer Leistung zur kurzfristigen Er wärmung der Bauelemente bzw. des Lots sowie ein Rechner zur Steuerung des Ganzen während des Lötprozesses erwie sen.

Anhand der Fig. 2a, 2b und 3 wird im folgenden der Pro zeßablauf einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erklärt, wobei in den Fig. 2a und 3 Ablaufdiagramme zur Veranschaulichung des Verfahrens dargestellt sind. In Fig. 2b sind die Wärmebe lastungen des Trägers (Teil 1 in Fig. 2b) und des Bauele mentes (Teil 2 in Fig. 2b) als Funktion der Zeit in Form von schraffierten Rechtecken dargestellt.

Wie anhand von Fig. 2b zu erkennen ist, wird Teil 1 ab dem Zeitpunkt t=0 bis zum Zeitpunkt t = t₅ erwärmt (erhitzt). Weiterhin erkennt man, daß Teil 2 ab einem Zeitpunkt t = t₁ bis zum Zeitpunkt t = t₅ erwärmt wird. Im Intervall t₅ < t t₆ werden die Teile 1 und 2 nicht weiter erwärmt.

Hierbei hat das im Vergleich zum Träger (Teil 1 in Fig. 2b) kleinere Bauelement (Teil 2 in Fig. 2b) ab der Auf heizphase (t₁) thermische Verbindung zum Träger. In der Zeitspanne zwischen t₁ und t₂ wird lokal begrenzt mit Heißgas oder durch eine andersartige Wärmequelle das Lot aufgeschmolzen. Ist das Lot geschmolzen und ist die Ver bindung hergestellt, wird das Heißgas oder die andersar tige Wärmequelle abgeschaltet. Teil 2, also das Bauele ment, kühlt sich sofort auf ϑ₁ ab, da der Träger (Teil 1) in der kurzen Zeit ja nicht insgesamt auf ϑ₂ erwärmt (er hitzt) wurde. Die Abkühlphase beider Teile kann nun z. B. durch verstärkte Gasspülung eingeleitet werden. Je nach Art der miteinander zu verlötenden Teile ist es günstig, entsprechend angepaßte Temperatur-Zeit-Profile zu fahren.

Fig. 2a zeigt dabei ein Temperatur-Zeit-Profil, welches beispielsweise den oben beschriebenen Prozeßablauf gra fisch darstellt. Insgesamt gesehen hat dabei dieses Tempe ratur-Zeit-Profil einen in Teilen linearen Verlauf. Auf grund seiner Beschaffenheit folgt der Temperatur-Zeit-Ver lauf des Teiles 1 diesem Temperatur-Zeit-Profil wie in Fig. 3 dargestellt. Zu erkennen ist dort, daß, bedingt durch die Temperaturkontakte des Teiles 1, die Unstetig keitstellen im Temperatur-Zeit-Profil nach Fig. 2a in Fig. 3 verschliffen sind. In etwa deckungsgleich zu dem Tempe ratur-Zeit-Profil nach Fig. 3 verläuft jenes nicht ge zeigte des Teiles 2, in dessen Abkühlphase. Der Unter schied zwischen beiden Temperatur-Zeit-Profilen besteht darin, daß im Zeitintervall 0 < t < t₂ dieses Teil 2 nicht erwärmt ist, d. h. zu diesem Zeitpunkt hat es eine kon stante Temperatur, für die gilt ϑ « ϑ₁.

Günstig ist es, wenn die Heizanlage z. B. aus zwei unab hängig voneinander einstellbaren und wirkenden Heizsy stemen, sowie einer Kühleinrichtung zur stufenlosen Erzeu gung von beliebigen Temperatur-Zeit-Profilen für das Ver binden von Teilen zwecks minimaler Temperaturbelastungen der zu verbindenen Teile besteht.

Dadurch ist eine individuelle Berücksichtigung der Eigen schaften der zu verlötenden Teile durch unterschiedliche Heizsysteme möglich. Die Steuerung und Regelung der Anlage erfolgt vorteilhafterweise durch einen Rechner, welcher es ermöglicht, reproduzierbare Ergebnisse zu liefern. Ferner ist hierdurch nicht nur eine Steuerung und/oder Regelung der Heizsysteme, sondern auch eine definierte Abkühlung durch die Verwendung spezieller Kühlsysteme (z. B. Pel tier-Elemente unter dem Graphit) möglich.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfah rens weisen folgende Merkmale auf.

Die erste Temperatur ϑ₁ des Trägers ist kleiner als die Schmelztemperatur ϑ_Lot des Lotes. Die Erwärmung des Bau teiles 2 auf die zweite Temperatur ϑ₂ erfolgt vorzugsweise durch ein Gas, dessen Temperatur ϑ unterhalb der maximalen Belastungstemperatur ϑ_tot des Bauelementes 2 sowie ober halb der ersten Temperatur ϑ₁ des Trägers liegt. Vorteil hafterweise sollte die erste Temperatur ϑ₁ im Bereich zwi schen 100°C und 400°C, vorzugsweise zwischen 200°C und 300°C, insbesondere bei in etwa 250°C liegen und die zweite Temperatur ϑ₂ des Gases bzw. des Bauteils etwa 10% bis 30%, insbesondere etwa 20% über dem Wert der ersten Temperatur ϑ₁ des Trägers liegen, wenn z. B. eine unge kapselte Diode (Bauelement 2) mit einem Messingträger oder einer Mikrostreifenleitung zu verbinden ist. Wie bereits oben ausgeführt ist der Träger 23 zur Erwärmung auf eine von einem Strom durchflossene Graphitplatte 3 gelegt oder auf ihr fixiert.

Der Heizstrom stammt von einer regelbaren, vorzugsweise einer computerregelbaren Spannungs- oder Stromquelle 31.

Nach der Verbindung des Trägers 23 mit dem Bauelement 2 kühlen diese ab oder werden abgekühlt. Der Träger und/oder das Bauelement werden dabei z. B. durch Zuführung eines kühlenden Gases oder durch Abkühlung des das Bauelement 2 haltenden Stempels 1 oder durch Erniedrigung des Heizstro mes oder ohne zusätzliche Maßnahmen abgekühlt.

Sind mehrere Bauelemente auf obige Art und Weise zu verlö ten, so erfolgt eine impulsweise Temperaturabsenkung auf eine Temperatur ϑ₀ und anschließend eine vollständige Tem peraturabsenkung unter die erste Temperatur ϑ₁ des Trä gers. Für die Temperatur ϑ₀ gilt dabei folgender Zusammen hang: ϑ₁ ϑ₀ < ϑ₂.

Von Vorteil ist, wenn der Graphitofen eine gegenüber einem aufzuheizenden Objekt, hier gegenüber dem Träger mit den Bauteilen, kleinere thermische Zeitkonstante aufweist.

Claims

1. Verfahren zum Verlöten von Bauelementen mit einem Trä ger mittels eines Lotes, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

- in einer ersten Phase wird (werden) der Träger (23) (der Träger (23) und das Lot) auf eine erste Temperatur ϑ₁ unterhalb der Schmelztemperatur ϑ_lot des Lots gebracht;
- anschließend werden das Lot, die Trägeroberfläche im Nahbereich des Lotes und das (die jeweiligen) Bauelement(e) kurzfristig in einer zweiten Phase auf eine zweite Temperatur aufgeheizt, bei der das Lot schmilzt und eine Verbindung zwischen dem (je weiligen) Bauelement (2) und dem Träger (23) her gestellt wird;
- anschließend wird in einer dritten Phase die Ver bindungsstelle auf die erste Temperatur ϑ₁ oder eine noch niedrigere Temperatur abgekühlt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (23) vor dem eigentlichen Verbindungsvorgang durch stetigen oder sprunghaften Temperaturanstieg auf die erste Temperatur ϑ₁ gebracht wird.

3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Temperatur ϑ₁ kleiner als die Schmelztemperatur ϑ_Lot des Lotes ist und daß die zwei te Temperatur ϑ₂ zur Erwärmung des Bauelementes (2) unter halb der maximalen Belastungstemperatur ϑ_tot des Bauele mentes (2) sowie oberhalb der ersten Temperatur ϑ₁ liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Temperatur ϑ₁ im Bereich zwischen 100°C und 400°C, vorzugsweise zwischen 200°C und 300°C, insbeson dere bei in etwa 250°C liegt und die zweite Temperatur ϑ₂ etwa 10% bis 30%, insbesondere etwa 20% über dem Wert der ersten Temperatur ϑ₁ liegt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (23) zur Erwärmung auf eine von einem Strom durchflossene Graphitplatte (3) gelegt oder auf ihr fixiert ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom von einer regelbaren, vorzugsweise einer compu terregelbaren Spannungs- oder Stromquelle (31) herrührt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstelle(n) durch Zuführung eines kühlenden Gases oder durch Abkühlung einer das (die) Bauelement(e) (2) haltenden Haltevorrichtung (1) oder durch Erniedrigung des Stromes oder ohne zusätzliche Maßnahmen abkühlt (ab kühlen).

8. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens, dadurch ge kennzeichnet, daß mindestens zwei voneinander unabhangig wirkende und einstellbare Heizanlagen sowie vorzugsweise eine Kühlvorrichtung zur stufenlosen Erzeugung von Tempe ratur-Zeit-Profilen für das Verlöten von dem (den) Bauele ment(en) (2) mit dem Träger (23) vorgesehen sind.

9. Anordnung nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeich net, daß die eine oder beide Heizanlage(n) jeweils aus ei nem Graphitofen und einem Heißgasofen besteht (bestehen).

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Graphitofen gegenüber dem (den) Bauelement(en) (2) eine kleinere thermische Zeitkonstante aufweist.