DE60126979T2

DE60126979T2 - Verfahren zur herstellung einer lötung zwischen metallischen kugeln eines elektronischen bauelements und kontaktflecken einer schaltung und lötofen dafür

Info

Publication number: DE60126979T2
Application number: DE60126979T
Authority: DE
Inventors: Claude Bonet
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 2000-12-11
Filing date: 2001-12-10
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2021-12-11
Also published as: WO2002049401A1; DE60126979D1; AU2002217225A1; FR2818088A1; CN1480015A; ES2282194T3; US20040045642A1; EP1344434B1; MXPA03005111A; ATE355727T1; FR2818088B1; EP1344434A1; US7156283B2

Description

Die Erfindung betrifft den Bereich der Verbindung elektronischer Bauteile. Genauer gesagt betrifft die Erfindung insbesondere die Montage von oberflächenmontierbaren Gehäusen mit peripheren Matrixanschlüssen vom Typ BGA (ball grid array) oder CSP (chip scale package) auf gedruckten Schalten, FCOB (flip chip on board) sowie die Verbindung der Gehäuse selbst.
Diese Gehäuse enthalten ein Silizium-Chip, eine integrierte Schaltung, und werden auf Platinen montiert, die anschließend in elektronische Geräte eingebaut werden. Sie finden derzeit bei den technologisch ausgereiften GSM Mobiltelefonen eine bevorzugte Massenanwendung. Während bei den Gehäusen der vorausgehenden Generationen die Verbindungen mit der gedruckten Schaltung durch am Rand eines Gehäuses befindliche Pins beispielsweise von Typ QFP (quad flat package) o.ä. hergestellt sind, weisen die BGA-, Mikro-BGA- bzw. CSP-Gehäuse hierzu Kontaktelemente auf, die als Kugeln aus einer eutektischen Sn-Pb-Legierung mit einer Zusammensetzung von 63% Zinn und 37% Blei (Eutektikum bei 183°C; es können gegebenenfalls einige % Silber hinzugefügt werden) ausgebildet sind.
Eine Multilayer-Schaltung besteht gewöhnlich aus übereinander liegenden, jeweils mit Leiterbahnen aus Kupfer bestückten Ebenen, die über Durchkontaktierungen auf einem Isolierträger, beispielsweise aus Epoxydharz und Glasfaser, miteinander verbunden werden. Weiterhin weist die gedruckte Schaltung an ihren Außenseiten Kupferpads zur Aufnahme des zu lötenden Bauteils auf, wobei die Aufnahmepads bei der Bestückung des Gehäuses durch eine Bestückungsmaschine jeweils mit einer Kugel des Gehäuses in Berührung treten. Das Kupferpad wurde vom Schaltungshersteller zur Korrosionsbeständigkeit mit einer aus einer 5 bis 10 μm dicken Nickelunterschicht und einem 500 bis 1000 Å dicken Goldfilm bestehenden Endschicht überzogen, wodurch man eine plane und lötfähige Oberfläche erhält.
Hierbei ist zu beachten, dass das Nickel, wenn es chemisch (also nicht elektrolytisch) abgeschieden wurde, bis zu 10% Phosphoratome enthält, da Phosphor bei der Formulierung der zur chemischen Abscheidung des Nickels verwendeten Nickellösung beteiligt ist. Die Verbindung des Gehäuses auf der gedruckten Schaltung erfolgt durch Löten in einem Reflow-Ofen. Hierzu werden auf die Lötflächen der gedruckten Schaltung Lötpaste, die Kügelchen aus Zinn-Blei-Legierung gleicher Zusammensetzung wie die Kugeln des Gehäuses enthält, ein Flussmittel und verschiedene organische Zusatzstoffe, Aktivierungs- und Bindemittel aufgetragen. Nach dem Auftragen der Lötpaste mittels Siebdruck und anschließendem Anbringen des Gehäuses auf der gedruckten Schaltung wird die Platine auf einem Förderband in den Ofen befördert, wo der Lötvorgang nach einem genauen Temperatur-/Zeitprofil unter Stickstoffatmosphäre oder Luft in einem Durchgang erfolgt. Die Lötpaste und die Kugeln werden in mehreren Stufen mit typischen Aufheizgeschwindigkeiten von 1,2 bzw. 3°C/s auf 220/230°C, d.h. über die eutektische Temperatur, aufgeheizt. Die Verweilzeit im flüssigen Zustand liegt typischerweise zwischen 40 s und 90 s. Die Höchsttemperatur ist die Reflow-Peak-Temperatur, nach der die Abkühlung einsetzt. Diese erfolgt auf herkömmliche Weise bei einer Höchstgeschwindigkeit von 2°C/s und liegt im allgemeinen zwischen 1 und 2°C/s. Es kann beispielsweise im Ofen vorhandener warmer Stickstoff entnommen werden und in einer „Cold-Box", die auch die vom Flussmittel abgegebenen Dämpfe aufnimmt und die durch Wasserzirkulation auf 10°C abgekühlt wird, in Umlauf gebracht werden. Der durch die Wasserzirkulation abgekühlte und vom Flussmittel gereinigte Stickstoff wird zum Abkühlen der Platine dem Ofen an der Stelle wieder zugeführt, an der die Reflow-Peak-Temperatur erreicht wird.
Im Anschluss an den Lötvorgang verfügt man folglich über die Lötverbindung, die eine solide und dauerhafte mechanische und elektrische Verbindung bildet und mehrere übereinander angeordnete Schichten aufweist:

– das Kupfer der Kontaktflächen der gedruckten Schaltung;
– eine Nickelschicht, die bei chemischer Nickelabscheidung Phosphor enthält;
– eine Schicht aus einer intermetallischen Verbindung, Zinn-Nickel-Phosphor, von ca. 1 μm Dicke;
– die Zinn-Blei-Legierung 63/37.

Das Gold spielt im weiteren Prozess keine Rolle mehr, da es sich aufgrund der Zinn-Blei-Legierung während des Lötvorgangs aufgelöst hat.
Weiterhin ist zu beachten, dass das Auflöten der Kugeln aus Zinn-Blei-Legierung auf dem BGA-Gehäuse in einer ähnlichen Folge von Arbeitsschritten erfolgt und sich dabei die gleichen metallurgischen Vorgänge vollziehen. Der Gehäuseboden aus Harz weist mit einer Nickel/Gold-Endschicht überzogene Kupferpads auf, auf denen jeweils ein Kleber und anschließend eine Kugel aus Zinn-Blei-Legierung aufgebracht wird. Das Ganze wird dann zum Reflow-Löten der Kugeln auf den Pads in den Ofen eingeführt.
Dabei stellt das Vorhandensein der Schicht aus einer intermetallischen Verbindung, wenn es sich um eine ternäre Nickel-Zinn-Phosphor-Verbindung handelt, ein Problem dar, da das mechanische Verhalten dieser Verbindung spröde ist. Diese Sprödigkeit macht die Verbindung Gehäuse-Gedruckte Schaltung anfällig gegen Stöße, zumal die Geometrie selbst des Kontaktbereiches Kugel-Chip eine Konzentration der Spannungen gerade in diesem Kontaktbereich erzeugt. Dort kann sich folglich im Zusammenhang mit einer schnellen Ausbreitung von Mikrorissen ein so genannter Sprödbruch bilden, wenn das Gehäuse bzw. das Gerät, in das die Platine integriert ist, Stößen ausgesetzt wird. Dieses Phänomen wird bei dem Versuch (allgemein auch „Drop test" genannt), der darin besteht ein Gerät (wie zum Beispiel ein Telefon) aus einer vorbestimmten Höhe fallen zu lassen, besonders deutlich.
Bei den Platine-Gehäuse-Verbindungen versucht man gewöhnlich, dieses Problem durch Verstärkung der mechanischen Verbindung nach dem Löten zu lösen, indem man das Gehäuse an der Basis der Kugeln mit Harz unterfüllt („Underfilling"). Das Harz besitzt außerdem den Vorteil, dass es die mechanischen Spannungen, die im Zusammenhang mit den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der einzelnen Werkstoffe des Systems auftreten, aufnimmt. Seine Anwendung erfordert jedoch einen zusätzlichen Fertigungsschritt, der die Herstellung der Platine aufwendiger macht und sich nachteilig auf den Herstellungspreis auswirkt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verbindung einer Platine, die mindestens ein oberflächenmontierbares Gehäuse mit Kugeln vom Typ BGA oder CSP o.ä. aufweist, anzugeben, mit dem ein Produkt hergestellt werden kann, das zuverlässiger ist als die bekannten Produkte, insbesondere hinsichtlich seiner Stoßfestigkeit, ohne dass hierfür ein Unterfüllharz erforderlich wäre. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verbindung der Kugeln am Gehäuse anzugeben, das die gleiche Zuverlässigkeit besitzt.
Zur Lösung der Aufgabe hat die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Lötverbindung zwischen den Metallkugeln, die Bestandteil eines BGA- oder CSP-Gehäuses o.ä. sind bzw. werden sollen, und Kontaktflächen, die zu einer auf einem Träger aufgebrachten gedruckten Schaltung oder einer vom Gehäuse umschlossenen integrierten Schaltung, gehören, zum Gegenstand, bei dem:

– eine Lötpaste oder ein Kleber auf die Kontaktflächen aufgebracht wird;
– die Kugeln auf die Kontaktflächen platziert werden,
– und das Ganze zum Erwärmen der Metallkugeln über ihre Schmelztemperatur in einen Reflow-Ofen eingeführt wird,

Vorzugsweise können die Kugeln einer mit Abkühlgeschwindigkeit zwischen 5 und 10°C/s abgekühlt werden.
Die Verweilzeit der Kugeln im flüssigen Zustand während der Abkühlung kann zwischen 3 und 6 s liegen.
Insgesamt können die Metallkugeln zwischen 20 s und 65 s im flüssigen Zustand verweilen.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Kontaktfläche eine Endschicht aus Nickel mit Phosphorgehalt auf, die gegebenenfalls mit einem Goldfilm überzogen ist, und die Metallkugeln sind aus Zinn-Blei-Legierung.
Unter diesen Bedingungen werden Temperatur, Verweilzeit im flüssigen Zustand und Abkühlgeschwindigkeit für die Metallkugeln und Lötpaste so gewählt, dass an der Schnittstelle Kugel-Kontaktfläche eine maximal 0,5 μm dicke intermetallische Zinn-Nickel-Phosphor-Schicht gebildet wird.
Die Erfindung hat weiterhin zum Gegenstand:

– eine Platine mit mindestens einer auf einen Träger aufgebrachten gedruckten Schaltung und mindestens einer von dem BGA- oder CSP-Gehäuse o.ä. umschlossene integrierte Schaltung, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit dem vorgenannten Verfahren hergestellt werden kann;
– ein BGA- oder CSP-Gehäuse o.ä., dadurch gekennzeichnet, dass es mit dem vorgenannten Verfahren hergestellt werden kann.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist schließlich ein Reflow-Lötofen zur Verbindung der Platinen, die mindestens eine auf einen Träger aufgebrachte gedruckte Schaltung und mindestens eine von dem BGA- oder CSP-Gehäuse o.ä. umschlossene integrierte Schaltung aufweisen bzw. zur Herstellung derartiger Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, dass er im Lötendbereich Mittel zur Zwangsabkühlung des Platinenträgers und/oder des Gehäuses aufweist, mit denen die Kugeln einer Abkühlgeschwindigkeit von mindestens 5°C/s ausgesetzt werden können.
Die Mittel zur Zwangsabkühlung können von mindestens einer Düse gebildet sein, die einen Gasstrahl auf die Innenseite des Platinenträgers und/oder des Gehäuses richtet.
Der Ofen kann seinerseits Mittel zum Abkühlen des Gases, bevor dieses von der Düse ausgeblasen wird, aufweisen.
Das Gas kann eine Gasmischung mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie zum Beispiel Wasserstoff oder Helium sein.
Die Mittel zur Zwangsabkühlung können auch von Mitteln zum Aufspritzen von kryogenem Medium, wie Zweiphasen-Gas/Flüssigkeit- oder Gas/feststoff-Strömung, zum Beispiel eine von gasförmigem Stickstoff transportierte Flüssigstickstoff-Tröpfchensuspension oder eine von CO₂ transportierte Kohlensäureschnee-Suspension, auf den Platinenträger und/oder das Gehäuse gebildet sein.
Die Mittel zum Aufspritzen einer Zweiphasen-Gas/Flüssigkeit- oder Gas/feststoff-Strömung auf den Platinenträger und/oder das Gehäuse können eine Düse oder eine Anordnung von mehreren Düsen aufweisen, die sich senkrecht zur Platine bzw. zum Gehäuse bewegen, oder eine Düse oder eine Anordnung von mehreren feststehenden Düsen, die das Gehäuse dann selectiv besprengen, wenn es vor den Düsen vorbei transportiert wird.
Der erfindungsgemäße Ofen weist vorzugsweise Inertisierungsmittel auf, mit denen das Vorhandensein von Luft mindestens in dem Bereich, in dem Lötung und die Abkühlung der Lötstellen erfolgt, verhindert wird.
Die Mittel zum Aufspritzen einer Zweiphasen-Gas/Flüssigkeit-Strömung sind vorzugsweise über eine vakuumisolierte Leitung mit einer Flüssigkeitsquelle verbunden.
Bei Verwendung einer Kohlensäureschnee-Suspension in gasförmigem CO₂ sind die Auf spritzmittel vorzugsweise über eine isolierte Leitung und einen Vorschalldämpfer mit einer Quelle von unter Druck stehendem Flüssig-CO₂ verbunden.
Dementsprechend besteht die Erfindung darin, neben den herkömmlichen Fertigungsschritten bei der Herstellung der Platine bzw. des Gehäuses einen Abkühlschritt vorzusehen, bei dem die Platine bzw. das Gehäuse einer energischen Zwangsabkühlung unterzogen werden, sodass die Metallkugeln und die Mischung, die sie nach dem Erreichen des Reflow-Peaks mit der Lötpaste bzw. dem Kleber bilden, nur kurzzeitig im flüssigen Zustand verweilen. Durch die energische Zwangsabkühlung kann das Wachstum der Schicht aus der intermetallischen Verbindung beeinflusst werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Bei diesem Beispiel soll eine Platine, die eine gedruckte Schaltung mit Leiterbahnen und Kontaktflächen aus Kupfer aufweist, mit einem FR4-Träger (Epoxydharz und Glasfaser) und einem BGA Standardgehäuse (Abmessungen 27 mm × 27 mm, Gewicht 2,62 g, Gesamtdicke 2,4 mm, mit 256 Kugeln von 0,5 mm Durchmesser im 1,27 mm Raster) verbunden werden.
Die Oberfläche der Kontaktflächen der gedruckten Schaltung mit 25 μm dicken Kupferbahnen ist auf herkömmliche Weise mit einer chemisch abgeschiedenen, 5 μm dicken Nickelschicht überzogen, was die Einschließung mehrerer Prozent Phosphoratome in der Nickelabscheidung (bis zu 10%) zur Folge hat. Ein Goldfilm durch Tauchabscheiden von 500–1000 Å bedeckt das Nickel und schützt es vor Oxydation. Auch die Kontaktelemente des Gehäuses sind auf herkömmlich Weise von Kugeln aus einer eutektischen Zinn-Blei-Legierung (63–37%) gebildet, die auch ein wenig Silber (2 Gew.%) enthalten kann.
Gemäß einer bekannten Verfahrensweise wird eine Lötpaste auf Zinn- und Bleibasis deren Flussmittel, Aktivierungsmittel und verschiedene organische Zusatzstoffe dazu beitragen sollen, die Oxyde zu beseitigen und die Lötflächen zu reinigen, durch Siebdruck auf die zu lötenden Bereiche der gedruckten Schaltung aufgetragen. Anschließend wird das Gehäuse auf der gedruckten Schaltung platziert und das Ganze in den Reflow-Lötofen, der ein Strahlungs- oder Konvektorofen oder ein Strahlungs- und Konvektorofen sein kann, eingeführt, den es vom Eingang bis zum Ausgang bei einer Geschwindigkeit von ca. 1 m/min. durchläuft.
Die Platine durchläuft auf herkömmliche Weise einen ersten Ofenbereich, wo sie bei einer Geschwindigkeit von 0,6 bis 2°C/s bis auf eine Temperatur von ca. 150°C aufgeheizt wird. Anschließend verweilt die Platine 45 bis 90 s lang in einem zweiten Ofenbereich bei einer Temperatur von 150 bis 180°C. Die Entfernung der Oxyde und die Reinigung der Lötflächen durch das Flussmittel erfolgt in dieser Phase.
Das eigentliche Löten erfolgt in einem dritten Schritt, bei dem sich die Kugeln aus Zinn-Blei-Legierung und die Lötpaste bis zu einer Höchsttemperatur von 200–225°C (Reflow-Peak) miteinander verbinden, wenn sie in den Flüssigzustand überführt werden. Bei den bekannten Verfahren, bei denen abgekühlter Stickstoff über Kaltwasserkühler (10°C) im Bereich des Reflow-Peaks eingespritzt wird, um eine Abkühlgeschwindigkeit von 1 bis 2°C/s zu erreichen, verweilen die Kugeln insgesamt 45 bis 90 s lang im flüssigen Zustand.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Verweilzeit der Lötung im flüssigen Zustand durch energische Zwangsabkühlung im Ofenendlötbereich verkürzt, typischerweise sobald der Reflow-Peak erreicht ist. Die Lötung muss insgesamt so lange im flüssigen Zustand verweilen, bis sich der Goldfilm auflösen konnte, die Oberfläche der Nickelbeschichtung von der Zinn-Blei-Legierung ausreichend befeuchtet wurde und das Zinn an die Oberfläche im Nickel diffundiert und durch die Bildung der intermetallischen Diffusionsschicht die Lötung einwandfrei erfolgen kann.
Durch die energische Zwangsabkühlung nach Erreichen des Reflow-Peaks kann die Dicke der Schicht aus der intermetallischen Zinn-Nickel-Phosphor-Verbindung, die an der Schnittstelle Nickel-Kugel entsteht, reduziert werden. Die weiteren Merkmale der Lötung entsprechend denjenigen der üblichen Praxis.
Erfahrungsgemäß bringt eine Verkürzung der Verweilzeit der Zinn-Blei-Kugeln im flüssigen Zustand durch Zwangsabkühlung um 30 bis 50% gegenüber der üblichen Praxis, wo sie bei 1–2°C/s abgekühlt werden, gute Ergebnisse. Im Verhältnis zur vorgenannten üblichen Praxis besteht das Verfahren darin, die Kugeln im flüssigen Zustand insgesamt ca. 20 bis 60 s (inklusive Aufheizphase und Abkühlphase) verweilen zu lassen. Zur Abkürzung der Verweilzeit werden die Kugeln mit einer Abkühlgeschwindigkeit von mindestens 5°C/s, beispielsweise 10°C/s, abgekühlt. Das Metall muss dabei nicht wirklich gehärtet werden (die Abkühlgeschwindigkeit wäre dann viel höher) doch soll die kontrollierte Zwangsabkühlung energischer vorgenommen werden als üblich. Der Flüssigzustand wird beim Abkühlen folglich 3 bis 6 s lang beibehalten, während diese Zeitspanne gewöhnlich 30 s beträgt. Damit soll erreicht werden, dass die Höchstdicke bei der Schicht aus einer intermetallischen Zinn-Nickel-Phosphor-Verbindung 0,5 μm im Vergleich zu 1 μm Dicke, die gewöhnlich erreicht wird, nicht übersteigt.
Man geht davon aus, dass die Abkühlmittel zur Erreichung der gewünschten Abkühlgeschwindigkeiten in der Lage sein müssen, mit der Platine und/oder dem Gehäuse einen Wärmeaustausch mit einer Flussdichte von mindestens 1 W/cm² und bis zu 3 W/cm² durchzuführen.
Direktmessungen oder Schätzungen der Temperatur der abzukühlenden Bereiche können vorteilhafterweise mit optischen Pyrometern oder Thermoelementen durchgeführt werden. Damit kann während des Ofenbetriebs sichergestellt werden, dass die einzelnen Betriebsparameter so eingestellt sind, dass die erforderliche Abkühlgeschwindigkeit erreicht wird.
Zur kontrollierten Abkühlung stehen mehrere Lösungsbeispiele zur Verfügung.
Zuerst wird die Platine und/oder das Gehäuse mit einem Gas wie Stickstoff mit hoher Durchflussleistung beblasen. Das Gas kann zuvor entweder in einem Wasserkühler bei 10°C oder in einem Flüssigstickstoffkühler, der Kaltgas erzeugt, zum Beispiel bei –100°C abgekühlt worden sein. Das Beblasen erfolgt über eine oder mehrere „Blasdüsen", d.h. Blaselemente mit einem oder mehreren Schlitzen oder zylindrischen Öffnungen, durch die das Gas austritt und die auf den bzw. die abzukühlenden Bereiche gerichtet sind. In bestimmten Fällen reicht ein Beblasen der Unterseite der Platine zwar aus, um das gewünschte Resultat zu erzielen, doch kann eine höhere Geschwindigkeit zur Abkühlung des Lötbereiches erreicht werden, wenn das Gas direkt auf das Gehäuse geblasen wird. Selbstverständlich können diese beiden Abkühlmodi zum schnelleren Abkühlen, falls erforderlich, miteinander kombiniert werden. Zum Beispiel kann die Durchflussleistung von gasförmigem Stickstoff bei einem Beblasen auf 0,30 m Breite 15 Nm³/h betragen.
Bei einem zweiten Beispiel kann die oben beschriebene Verfahrensweise dahingehend verbessert werden, dass ein Gas mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie Wasserstoff oder Helium, in reinem Zustand oder eine Mischung aus solchen Gasen eingesetzt wird. Während bei geläufigeren Gasen wie Stickstoff die Wärme zwischen dem Gas und dem Lötbereich überwiegend durch Konvektion übertragen wird, wird bei diesem zweiten Beispiel der Anteil der Leitung bei der Wärmeübertragung signifikant, sodass, falls erforderlich, eine schnellere Abkühlung erzielt werden kann. Auch hier kann ein Wasserstoff- bzw. Heliumdurchfluss bei einem Beblasen auf 0,30 m Breite von beispielsweise 50 Nm³/h erreicht werden. Der Wasserstoff und das Helium können in geschlossenem Kreis eingesetzt werden, vorausgesetzt sie werden teilweise von dem Stickstoff befreit, der sie vor dem Wiedereinführen in den Ofen verunreinigt hat.
Diese beiden Beispiele können in den Fällen eingesetzt werden, bei denen das Gaseinblasen zum Erreichen einer entsprechenden Abkühlgeschwindigkeit nicht mit extrem hoher Geschwindigkeit erfolgen muss, bei der die Gefahr besteht, dass das Gehäuse unter der Triebkraft des Gases oder kleine Bauteile wie Chips abbrechen, da sie durch ihre im Verhältnis zum BGA-Gehäuse kleinen Abmessungen und äußerst geringes Gewicht von der Platine abgerissen oder in der Lage versetzt werden, falls der Gasstrahl zu stark ist.
Bei einem dritten Beispiel erfolgt die Abkühlung des Lötbereiches durch Aufspritzen auf die Oberseite der Platine auf ihrer ganzen Breite einer Zweiphasen-Gas/Flüssigkeit-Strömung (zum Beispiel eine von gasförmigem Stickstoff transportierte Flüssigstickstoff-Tröpfchensuspension in der Proportion 90% Flüssigkeit/10 Gew.% Gas) oder Gas/Feststoff (zum Beispiel eine von CO₂ transportierte Kohlensäureschnee-Suspension in der Proportion 55% Schnee/45 Gew.% Gas) mittels einer Düse oder einer Anordnung von Düsen, die sich senkrecht zur Platine bewegen. Bei der letztgenannten Anordnung sind vorzugsweise nebeneinander angeordnete Flachstrahldüsen einzusetzen, die ein effizientes Besprengen der gesamten Fläche der durch den Ofen geführten Platine gewährleistet. Die gewünschte Abkühlung kann beispielsweise mit Hilfe von flüssigem Stickstoff mit einer Durchflussleistung von 0,2 l/h pro Düse erzielt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsvariante dieses Beispiels wird eine Düse oder eine feste Düsenanordnung verwendet, mit der die Zweiphasenströmung selektiv auf das Gehäuse aufgespritzt wird, wenn es sich vor der bzw. den Düsen vorbeibewegt. Die Geometrie der Düse bzw. der Düsenanordnung ist von der Größe des Gehäuses abhängig.
Anstatt der Platinenoberseite oder des Gehäuses oder zusätzlich zu ihnen kann auch die Unterseite des Platinenträgers besprengt werden.
Diese Verfahrensweise weist gegenüber den vorgenannten Beispielen den Vorteil auf, dass das Gehäuse nicht abreißen kann. Die gewünschte Abkühlung kann beispielsweise mit einem Flüssigstickstoff-Durchfluss von 0,2 l/h pro Düse erzielt werden, wobei die Anzahl der Düsen je nach der Breite der zu besprengenden Fläche variiert (je nachdem, ob man die Platine auf ihrer ganzen Breite oder das Gehäuse selektiv abgekühlt werden soll). Die Düse bzw. die Düsenanordnung ist mit dem unter 3 bar Druck stehenden Flüssigstickbehälter über eine vakuumisolierte Leitung verbunden, mit der die Flüssigkeitsverluste durch Verdampfung vor dem Erreichen des Ofens auf ein Mindestmass reduziert werden können. Bei Verwendung eines Flüssig-CO₂-Behälters ist zwischen der Düse und dem unter 30 bar Druck stehenden Behälter ein unter 8 bar stehender Vorschalldämpfer vorgesehen. Die Leitung kann auch nur durch organischen Schaum isoliert sein.
In beiden Fällen ist es ratsam, Mittel zur Inertisierung des Reflow-Ofens mit Gas vorzusehen, um den Sauerstoffgehalt im Ofen, mindestens in dem Bereich, in dem gelötet und abgekühlt wird, zu reduzieren bzw. zu unterbinden. Durch das Vorhandensein von Sauerstoff wird die Benetzbarkeit des mit Gold beschichteten Nickels beeinträchtigt, während die Benetzbarkeit in einer inerten Atmosphäre wie reinem Stickstoff gut ist. Das zur Abkühlung eingesetzte Gas kann zu dieser Inertisierung beitragen.
Die Erfindung wurde im Rahmen einer Anwendung bei der Herstellung von Platinen mittels einer Kupfer-Nickel-Zinn/Blei-Lötung, mit einer eutektischen Zinn/Blei-Legierung. Selbstverständlich kann sie jedoch zur Herstellung von Platinen eingesetzt werden, deren Verbindung mit anderen Materialien erfolgt, wenn es sich herausstellt, dass eine erfindungsgemäße Zwangsabkühlung es ermöglicht die Bildung von intermetallischen Verbindungen zu begrenzen, da diese, wenn in Übermaß vorhanden, die Lötung spröde machen. Insbesondere kann eine nicht eutektische Zinn/Blei-Legierung oder sogar eine sogenannte bleilose eutektische oder nicht eutektische Legierung auf Zinnbasis verwendet werden, die zur Bildung einer binären, ternären oder quaternären Legierung einen oder zwei oder drei Zusatzelemente von den nachstehend genannten Metallen wie sie in der Literatur beschrieben sind, enthält: Silber, Kupfer, Antimon, Wismut, Zink, Indium.
Selbstverständlich kann das Verfahren auch zur Herstellung von Platinen mit mehreren Gehäusen eingesetzt werden. Die Anzahl und die Anordnung der Zwangsabkühlmittel sind in diesem Fall dementsprechend anzupassen. Zum Beispiel kann bei einer mit BGA-Gehäusen auf beiden Seiten ausgerüsteten Platine die Erfindung vorteilhafterweise nur bei der ersten Seite und anschließend bei beiden gleichzeitig angewendet werden, um zu verhindern, dass das bereits gelötete BGA-Gehäuse beim zweiten Durchgang den Reflow-Ofen ein zweites Mal durchläuft.
Schließlich kann das Verfahren dem Fertigungsvorgang, bei dem mit Kugeln bestückte Gehäuse, wie BGA o.ä., hergestellt werden und bei dem die Kugeln auf die Kontaktflächen des Gehäuses aufgelötet werden, angepasst werden. Die Bedingungen für eine einwandfreie Verbindung zwischen den Kugeln und den Kontaktflächen sind die gleichen, und zwar aus dem gleichen Grund, nämlich die Erzielung einer Schicht aus einer intermetallischen Verbindung an der Schnittstelle Kugel/Kontaktfläche mit reduzierter Dicke.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Lötung zwischen metallischen Kugeln, die einen Teil eines Gehäuses vom Typ BGA oder CSP oder eines analogen Typs bilden oder dafür vorgesehen sind, und Kontaktflächen, die zu einer aufgeprägten, auf einem Träger abgeschiedenen Schaltung oder einer integrierten Schaltung gehören, die von dem Gehäuse umschlossen wird, wobei: – auf den Kontaktflächen eine Lötcreme oder ein Haftmittelstrom abgeschieden wird, – die Kugeln auf die Kontaktflächen platziert werden, – und diese Gruppe in einen Lötschmelzofen eingeführt wird, um die metallischen Kugeln auf eine Temperatur über ihrer Schmelztemperatur zu bringen; dadurch gekennzeichnet, dass eine verstärkte Abkühlung des Trägers und/oder des Gehäuses vorgenommen wird, um die Verweildauer der Kugeln im flüssigen Zustand zu verkürzen, wobei die Kugeln einer Abkühlgeschwindigkeit von mindestens 5°C/Sekunde unterzogen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln einer Abkühlgeschwindigkeit von zwischen 5 und 10°C/Sekunde unterzogen werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verweildauer der Kugeln im flüssigen Zustand während des Abkühlens ungefähr zwischen 3 und 6 Sekunden beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtverweildauer der metallischen Kugeln im flüssigen Zustand zwischen 20 und 65 Sekunden beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche eine aus Phosphor einschließendem Nickel bestehende Endschicht, die gegebenenfalls von einem Goldüberzug bedeckt ist, umfasst und dass die metallischen Kugeln aus einer auf Zinn und Blei basierenden Legierung bestehen.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Kugeln und die Lötcreme oder der Haftmittelstrom einer Temperatur, einer Verweildauer im flüssigen Zustand und einer Abkühlgeschwindigkeit unterzogen werden, so dass es an der Schnittstelle zwischen Kugel und Kontaktfläche zur Bildung einer zwischenmetallischen Schicht aus Zinn, Nickel und Phosphor mit einer maximalen Dicke von 0,5 μm kommt.
Karte umfassend mindestens eine aufgeprägte, auf einem Träger abgeschiedene Schaltung und mindestens eine von einem Gehäuse vom Typ BGA oder CSP oder eines analogen Typs umschlossene integrierte Schaltung, dadurch gekennzeichnet, dass sie durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 erhalten werden kann.
Gehäuse vom Typ BGA oder CSP oder eines analogen Typs, dadurch gekennzeichnet, dass es durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 erhalten werden kann.
Lötschmelzofen zum Zusammenfügen von Karten der Art, die mindestens eine aufgeprägte, auf einem Träger abgeschiedene Schaltung und mindestens eine von einem Gehäuse vom Typ BGA oder CSP oder eines analogen Typs umschlossene integrierte Schaltung umfasst, oder zur Herstellung derartiger Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, dass er am Ende des Lötbereichs Mittel zum verstärkten Abkühlen des Trägers der Karte und/oder des Gehäuses umfasst, die es ermöglichen, die Kugeln einer Abkühlgeschwindigkeit von mindestens 5°C/Sekunde zu unterziehen.
Ofen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum verstärkten Abkühlen aus mindestens einem Einspritzer bestehen, der auf die Unterseite des Trägers der Karte und/oder auf das Gehäuse einen Gasstrom ausstrahlt.
Ofen nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass er Mittel zum Abkühlen des Gases vor seiner Aufstrahlung durch den Einspritzer umfasst.
Ofen nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Gas um ein Gas oder eine Gasmischung mit hoher Wärmeleitfähigkeit handelt, wie beispielsweise Wasserstoff oder Helium.
Ofen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum verstärkten Abkühlen aus Mitteln zum Aufstrahlen eines zweiphasigen Gas-/Flüssigkeitsstroms auf den Träger der Karte und/oder das Gehäuse bestehen.
Ofen nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem zweiphasigen Gas-/Flüssigkeitsstrom um eine Suspension aus Tröpfchen flüssigen Stickstoffs, die von dem gasförmigen Stickstoff transportiert werden, handelt.
Ofen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum verstärkten Abkühlen aus Mitteln zum Aufstrahlen eines zweiphasigen Gas-/Feststoffstroms auf den Träger der Karte und/oder das Gehäuse bestehen.
Ofen nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem zweiphasigen Strom um eine Suspension aus von gasförmigem CO₂ transportiertem Kohlenstoffpulver handelt.
Ofen nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Aufstrahlen eines zweiphasigen Gas-/Flüssigkeits- oder Gas-/Feststoffstroms auf den Träger der Karte und/oder das Gehäuse eine sich rechtwinklig zur Karte oder zum Gehäuse verschiebende Düse oder Düsengruppe umfassen.
Ofen nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Aufstrahlen eines zweiphasigen Gas-/Flüssigkeits- oder Gas-/Feststoffstroms auf den Träger der Karte und/oder das Gehäuse eine feste Düse oder Düsengruppe umfassen, die das Gehäuse gezielt in dem Moment bestrahlen, in dem es vor der oder den Düsen passiert.
Ofen nach einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass er Inaktivierungsmittel umfasst, die mindestens in dem Bereich, in dem das Löten und das Abkühlen des gelöteten Bereichs stattfindet, den Ausschluss von Luft bewirken.
Ofen nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Aufstrahlen eines zweiphasigen Gas-/Flüssigkeitsstroms auf den Träger der Karte und/oder das Gehäuse über einen unter Vakuum isolierten Kanal mit einer Quelle für flüssiges Gas verbunden sind.
Ofen nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Aufstrahlen eines aus einer Suspension aus Kohlenstoffpulver in CO₂ bestehenden zweiphasigen Gas-/Feststoffstroms auf den Träger der Karte und/oder das Gehäuse über einen isolierten Kanal und eine Expansionskammer mit einer unter Druck stehenden Quelle für flüssiges CO₂ verbunden sind.