DE68919007T2

DE68919007T2 - Verfahren und Vorrichtung zur präzisen Lötzinnzuführung.

Info

Publication number: DE68919007T2
Application number: DE68919007T
Authority: DE
Inventors: Harry R Bickford; Kurt R Grebe; Caroline A Kovac; Michael J Palmer
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1988-07-25
Filing date: 1989-05-26
Publication date: 1995-05-04
Anticipated expiration: 2009-05-27
Also published as: JPH0341273B2; DE68919007D1; EP0352432A3; EP0352432A2; JPH02258166A; US4832255A; EP0352432B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verzinnungsgerät und insbesondere Mittel zum Aufbringen genau abgemessener Mengen Lötzinn auf Mikrominiaturschaltkreiskonfigurationen.
Das Aufbringen von Lötzinnschichten genauer Dicke und Konfigurationen auf Leiterplatten mit dicht aneinander liegenden (z. B. 508 um (20 mils) oder weniger) Leiterbahnen bereitet besondere Schwierigkeiten. Lötzinn-Siebdruck ist nicht befriedigend, weil häufig ungleichmäßige Mengen von Lötzinn bleiben, wenn das Sieb abgezogen wird. Wenn das Lötzinn dann wieder aufgeschmolzen wird, um einen Chip an die Leiterbahnen anzulöten, kann es zwischen nebeneinanderliegenden Leiterbahnen "Lötbrücken" geben, die möglicherweise einen sprunghaft auftretenden Vollausfall zur Folge haben. Es wurde immer schwieriger, einen Siebdruckprozeß zu finden, wenn das Lötzinn mit eine Dicke von unter 50,8 um (0.002 Zoll) entweder erwünscht oder gefordert ist. Solche Dicken werden zum Befestigen von Paketen an Leiterplatten durch automatisches Filmbonden (Tape Automatic Bonding - TAB) verwendet und um sicherzustellen, daß es keine Lötbrücken gibt.
Das TAB-Packen wird immer häufiger eingesetzt, weil es sich für die automatische Fertigung eignet und eine der am wenigsten teueren Packungskonfigurationen ist. Es ist daher wichtig, daß auch bei den scharfen Maßforderungen, die eine Voraussetzung für Lötsysteme mittels TAB-Packen sind, die Kosten für den Lötzinnauftrag möglichst gering bleiben.
Auf dem Stand der Technik wurden bereits verschiedene Lösungen für das Präzisionsauftragen von Lötzinn versucht.
Die EP-A-0273131 beschreibt ein Verfahren und ein Lötzinn- Zuführungsglied zum Auftragen diskreter Lötzinnkörper vorgegebener Größe auf die Leiter eines Bauteils mit anschließendem Auflötverfahren auf ein Substrat. Dieses Zuführungsglied besteht aus einer Platte mit einer nichtbenetzten Oberfläche, z. B. Titan, mit einer Anordnung von Hohlräumen, die dem Bauteil-Leitermuster entsprechen, wobei jeder Hohlraum ein Volumen aufweist, das der gewünschten, auf die Leiter aufzutragenden Lotmenge entspricht. Das Verfahren beinhaltet das Auftragen von Lötpaste auf das Zuführungsglied und das Füllen der Hohlräume durch Wischen über die Oberfläche. Das Bauteil wird auf das Zuführungsglied aufgelegt, wobei die Leiter die Lötpaste in den Hohlräumen berühren. Das Aufschmelzen der Lötpaste bondet einen diskreten Lotkörper einer genau vorgegebenen Größe an die einzelnen Leiter. Um das Übergehen des Lötzinns auf die Leiter durch Dochteffekt zu begrenzen, kann selektive Maskierung angewandt werden durch Auftragen einer wasserlöslichen Maskenschicht auf die Leiter und Abziehen der Maske aus ausgewählten Bereichen durch Aufsetzen des Bauteils auf eine Oberfläche, die vor dem Einsetzen des Bauteils auf das Zuführungsglied mit Wasser beschickt wird.
Die US-A-4 209 893 sieht einen Lotträgerstreifen vor, wobei der Streifen gestanzt ist und Lotformteile in die ausgestanzten Bereiche gedrückt werden. Diese Technik ist zwar für verhältnismäßig große Schaltungskonfigurationen brauchbar, ist jedoch unbrauchbar für die Minitaur-TAB-Packungen aus dem Grund, weil mechanisches Stanzen zu ungenau ist.
Sowohl US-A-4 354 629 als auch US-A-4 484 704 beschreiben ein System zum Zusammenfügen flacher oder Bandkabel mit Steckverbindern. Diese Patente offenbaren die Anwendung eines Paars Polymerbahnen, zwischen denen eine kontinuierliche Lotvorformatierung gepackt ist. Eine der Bahnen weist eine Reihe von Fenstern auf. Die Fenster stimmen mit den mit Lot zu versehenden Leitern überein, wobei Druck und Wärme aufgebracht wird, so daß das Lot aufgeschmolzen wird. Die Trennungen zwischen den nebeneinanderliegenden Fenstern verhindern das Ausbilden von Lötbrücken. Auch hier ist die Technik anwendbar für verhältnismäßig große Leiter/Leiterplattenanordnungen; sie ist jedoch nicht geeignet für Mikrominiaturschaltkreiskonfigurationen. Zum Beispiel würde die kontinuierliche Lotschicht unter den Fensterteilungen bei Schmelzen dahin tendieren, Lotbrücken zu bilden, wenn nahe aneinanderliegende Leiterbahnen verzinnt werden müssen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, wie beansprucht, ein Präzisions-Lötzinnzuführungsverfahren vorzusehen, das besonders für Mikrominiatur-Packungskonfigurationen geeignet ist.
Eine weitere Aufgabe ist es, eine Präzisions-Lötzinnzuführungstechnik vorzusehen, die im allgemeinen bei den für Leiterplatten und Halbleitervorrichtungen eingesetzten Fertigungstechniken verwendet werden kann.
Die Erfindung sieht dementsprechend eine Lötzinnzuführungsvorrichtung gemäß Definition in Anspruch 1 und ein Lötzinn- Zuführungsverfahren gemäß Anspruch 5 vor.
Die vorliegende Erfindung benutzt einen Träger, auf dem eine dünne leitende Schicht aufgetragen wurde. Dieser leitende Dünnfilm besteht aus einem metallischen Material, das eine solche Oberflächenenergie aufweist, daß sie nicht ohne weiteres von dem Lot benetzt wird. Eine Formmaske wird auf den leitenden Dünnfilm aufgebracht, wobei die Maske Öffnungen aufweist, die ausgewählte Bereiche des leitenden Dünnfilms freiläßt. Dann wird Lötzinn in die Maskenöffnungen gebracht und haftet schwach an den freiliegenden Bereichen des leitenden Dünnfilms. Der Träger wird dann auf und genau übereinstimmend mit Leiterbahnbereichen eines Schaltungsträgers aufgebracht, so daß das Lot in den Maskenöffnungen nach den Leiterbahnbereichen des Schaltungsträgers ausgerichtet ist.
Anschließend werden der Träger und die Schaltungsleiterbahnbereiche in Kontakt gebracht; das Lot an die Leiterbahnen gebondet; und der Träger wird zur weiteren Verwendung abgehoben.
Zwecks besseren Verständnisses der vorliegenden Erfindung werden hier zusammen mit weiteren Aufgaben, Vorteilen und Möglichkeiten der Erfindung weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der begleitenden Zeichnungen beschrieben; in diesen ist
Fig. 1 eine Schnittansicht der Grundschicht mit einem aufgebrachten leitenden Dünnfilm;
Fig. 2 zeigt die Struktur der Fig. 1 nach Auflegen einer Formmaske auf diesen;
Fig. 3 ist eine Seitenansicht eines Galvanisierungsbades zum Aufbringen von Lötzinn in den Maskenöffnungen;
Fig. 4 ist eine seitliche Schnittansicht der erfindungsgemäßen Lötzinnzuführungsbahn in genauer Ausrichtung über einem Schaltungsträger;
Fig. 5 ist eine seitliche Schnittansicht des Schaltungsträgers nach Abziehen der Lötzinnzuführungsbahn.
Die Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lötzinnzuführungssystems. In einer Ausführungsform besteht die Grundschicht 10 aus einem polymeren Träger oder Band, vorzugsweise aus einem Polyimid, das die erfindungsgemäß angewandten Betriebstemperaturen aushält. Vorzugsweise ist der Träger 10 ähnlich einem 35 mm Filmstreifen mit Radlochung versehen, die seine Vorwärts- und/oder Rückwärtsbewegung unter dem Präzisionsantrieb durch ein Zahnrad zulassen. Der Polymerträger könnte ganz leicht als individueller Träger konfiguriert werden, der das gewünschte Muster aufweist, oder auch als Gruppe individueller Träger in unterschiedlichen planaren Konfigurationen. Träger 10 ist metallisiert mit einer dünnen Schicht 12 aus einem Metall, das von einer Zinn/Blei-Lotschmelze nicht benetzt wird. Im besonderen müßte der leitende Dünnfilm 12 eine Oberflächenenergie haben, so daß sie kein starkes Oberflächen-Bonding mit einer Lotauflage eingehen kann, sondern eine schwache mechanische Bindung mit dem darauf abgelagerten Lot eingehen würde. Metalle wie Niob, Aluminium und Chrom erfüllen diese besondere Forderung.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind sowohl der Träger 10 als auch der Metallisierungsdünnfilm 12 hinreichend transparent, daß die Übereinstimmungsmerkmale mit einer darunter liegenden Schaltkreisplatine durch sie hindurch wahrgenommen werden können. Eine sehr dünne Niobschicht (d.i. in der Größenordnung von 50 nm (500 Å) Dicke) erfüllt diese Forderung. Ein bevorzugtes Verfahren zum Aufbringen des Niob ist Aufstäuben, so daß eine Schicht mit verhältnismäßig konstanter Dicke erzeugt werden kann, die auf dem darunter liegenden Band 10 haftet.
Jetzt wurde unter Bezugnahme auf Fig. 2 eine Maske 14 über den leitenden Dünnfilm 12 gelegt, die die Bereiche 16 und 18 freiläßt. Die Maske 14 erlaubt, daß Lötmasse selektiv auf den Bereichen 16 und 18 abgelagert wird während seine Ablagerung an anderen Stellen verhindert wird. Die Maske 14 kann permanent oder auch nicht-permanent sein. Wenn sie nichtpermanent ist, kann sie eine dünne Schicht Photolack beinhalten, der vor der Lotzuführung abgezogen wird. Eine permanente Lotmaske wird jedoch bevorzugt, weil sie wiederverwendbar und weniger aufwendig an Verarbeitungsschritten ist. Die Lotmaske muß in der Lage sein, den Lotaufschmelztemperaturen (z. B. 350ºC) zu widerstehen und muß die erforderlichen lithographischen Toleranzen und Stabilität aufweisen.
Eine bevorzugte Maske besteht aus Polyimid, das bis zur Dicke der gewünschten Lotschicht aufgebaut wird. Die Maske kann durch eine Vielzahl bekannter Techniken ausgeformt werden. Zum Beispiel kann die Polyimidschicht aufgebracht, ausgehärtet und dann geätzt werden unter Verwendung einer üblichen Photolackmaske, um die Teile, wo das Lot aufgetragen werden soll, abzuarbeiten. Als Alternative läßt sich auch eine Photolackschicht direkt auf den leitenden Dünnfilm 12 auftragen, dann werden die Bereiche geöffnet, um diejenigen Stellen des leitenden Dünnfilms 12 freizulegen, wo das Lot nicht aufgebracht werden soll, und anschließend wird ein Polyimid elektrophoretisch auf die freigelegten leitenden Teile abgelagert.
Wie in Fig. 3 schematisch dargestellt, wird die Anordnung gemäß Fig. 2 in ein Galvanisierbad, das Zinn- und Bleiionen im geeigneten Verhältnis enthält, gebracht, so daß bei Anlaufen der Elektroplattierung Ionen im richtigen Verhältnis auf die frei liegenden Bereiche des leitenden Dünnfilms 12 abgelagert werden. Bevorzugte Plattierungsdicken liegen zwischen 0,0127 mm und 0,0635 mm (0.0005 bis 0.0025 Zoll) Lot in den freiliegenden Bereichen 16 und 18.
In Fig. 4 wurde der Lotzuführungsfilm umgekehrt und nach den mit Flußmittel überzogenen Kupferbahnen 20 und 22 auf der Leiterplatte 24 ausgerichtet. Die Ausrichtung des Lotzuführungsfilms und der Leiterplatte geschieht direkt, weil der Zuführungsfilm transparent ist und automatisch nach den Einrichtmerkmalen der darunter liegenden Leiterplatte ausgerichtet werden kann. Das Transparenzmerkmal ist nützlich bei der anfänglichen Einstellung und beim Einrichten des Mechanismus, der die relative Ausrichtung zwischen dem Zuführungsfilm und der darunter liegenden Leiterplatte steuert. Wenn wir also annehmen, daß ein mit Lochung versehener Film eingesetzt wird, läßt sich die Lage der Leiterplatte gegenüber dem Film einrichten und die Übereinstimmung nach Sicht durch den Film hindurch kontrollieren.
Sobald der Lotzuführungsfilm in der richtigen Lage über der Leiterplatte 24 liegt, wird die Anordnung in eine Aufschmelzeinheit verbracht, in der die Loteinsätze 26 und 28 auf den Schmelzpunkt gebracht werden und sich auf den Leiterbahnen 20 und 22 ablagern. Wie bereits gesagt, weil der leitende Dünnfilm 12 vom Lot nicht benetzbar ist, bleiben auch keine Rückstände darauf haften und der Dünnfilm kann wieder verwendet werden. In Fig. 5 wird dann die fertige Schaltungsanordnung nach Abzug des Lotzuführungsfilms gezeigt.
Der Lotzuführungsfilm kann dann erneut plattiert und verwendet werden. Der Film läßt sich lagern und erfordert auch kein aufwendiges Abschirmgerät. Ferner läßt sich durch Verändern der Dicke der Polyimidmaskenschicht 14 und Steuerung des Lotplattierungsprozesses die genaue Menge des ab zusetzenden Lots steuern.

BEISPIEL

Der Prozeß gemäß Fig. 1-5 wurde durchgeführt unter Verwendung einer 0,0508 mm (0.002 Zoll) dicken Kapton-Polyimidfolie als Ausgangsmaterial (Kapton ist ein Warenzeichen der DuPont Corporation, Wilmington, Delaware). Das Material wird zunächst 5 Minuten lang in Sauerstoffatmosphäre mit einem Hintergrunddruck von 10 um bei 500 W HF saubergestäubt. Anschließend wurde es 5 Minuten lang in Argon mit einem Hintergrunddruck vom 5 um bei 500 W HF saubergestäubt. Anschließend wurde es unter Verwendung eines DC-Aufstäubsystems mit einer Nioblage auf eine Dicke von 20 nm (200 Å) beschichtet.
Eine zweite Kapton-Folie mit einer Dicke von 0,0254 mm (0.001 Zoll) wurde mit einem Epoxid-modifizierten Acrylkleber ebenfalls in einer Dicke von 0.0254 mm (0.001 Zoll) beschichtet. Die zweite Folie wurde dann mechanisch gestanzt und ergab Öffnungen, die mit den zu beschichtenden Leiterbahnen übereinstimmten. Die zwei Folien wurden durch Heißpressen bei 130ºC für 45 Min. bei 2,87 · 10&supmin;¹ N/mm² (3 tons/sq.ft) laminiert.
Dann wurde die Lotplattierung durchgeführt in einem handelsüblichen System unter Verwendung eines Solderex 60/40 Sn/Pb Galvanisierungsbades. (Solderex ist ein Warenzeichen der Sel- Rex Corporation, eines Unternehmens der OMI International, 75 River Road, Nutley, New Jersey 07110). Die Stromdichte wurde auf 21 mA/cm² eingestellt und ergab nach 35 Minuten 0,0508 mm (0.002 Zoll) Lotauftrag.
Eine geeignete Leiterplatte mit Leiterbahnen, die mit der Lotmaske übereinstimmten, wurde mit Flußmittel Alpha 611 RMA (schwach aktiviertes Kolophonium) beschichtet (611 RMA ist ein Warenzeichen der Alpha Metals Inc., 600 Route 440, Jersey City, New Jersey 07304)
Der Lotzuführungsfilm wurde von einem Werkzeug gehalten, das mit Unterdruck und Düsen zum Ausblasen von erhitztem Stickstoff ausgerüstet war. Der Lotzuführungsfilm wurde in Kontakt mit der zu beschichtenden Leiterplatte gebracht während auf 350ºC erwärmter Stickstoff für 10 s auf die Rückseite des Films geblasen wurde. Das Werkzeug legte dann Unterdruck an und die Lotzuführung wurde abgeschlossen.
Als Alternative zum zweiten Kaptonfilm könnte ein Vacrel Permanentlackfilm mit einer Dicke von 0,0508 mm (0.002 Zoll) auf die erste Kaptonfolie aufgebracht werden, wobei das Niob bereits aufgetragen ist. (Vacrel ist ein Warenzeichen der DuPont Corporation, Wilmington, Delaware). Die Verbundfolie könnte dann unter Verwendung einer Glasmaske, die mit den mit Lot zu beschichtenden Leiterbahnen übereinstimmt, 10 s belichtet werden. Die Folien können sich dann 30 Minuten absetzen bevor sie in 1,1,1 Trichlorethan entwickelt und mit Stickstoff getrocknet werden. Dann erfolgt eine Drucktuchbelichtung für 2 Minuten, gefolgt von dreißigminütigem Einbrennen bei 150ºC, und ergibt eine permanente Maske aus dem Vacrel-Material.

Claims

1. Lotzuführungsvorrichtung, enthaltend:

eine Grundschicht (10);

auf diese Grundschicht aufgebrachte leitende Dünnfilmmittel (12) aus metallischem Material, die eine solche Oberflächenenergie aufweisen, daß sie nicht leicht von dem auf der Grundschicht aufgebrachten Lot benetzt werden;

eine mit einem Leiterbild versehene Maske (14), die auf diesem leitenden Dünnfilmmittel aufgebracht ist, wobei diese Maske Öffnungen aufweist, die ausgewählte Bereiche (16, 18) dieses leitenden Dünnfilmmittels freilegt; und

Lot (26, 28), das auf diese Öffnungen aufgebracht wird und schwach an diesen freigelegten Bereichen dieses leitenden Dünnfilmmittels haftet.

2. Lotzuführungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, die ferner beinhaltet:

Mittel (31) zum Absetzen und Ausrichten dieser Lotzuführungsvorrichtung auf Schaltkreismitteln (24), so daß diese Schaltkreismittel mit dem Lotmuster genau ausgerichtet sind; und

Mittel (32) zum Bewirken der Zuführung des Lots auf die Schaltkreismittel.

3. Lotzuführungsvorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die Grundschicht (10) und der leitende Dünnfilm (12) transparent sind.

4. Lotzuführungsvorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, in dem der leitende Dünnfilm (12) aus der Gruppe Niob, Chrom und Aluminium ausgewählt wird.

5. Lotzuführungsverfahren mit einem Träger, einschließlich einer Polymer-Grundschicht (10), einem daran haftenden leitenden Dünnfilm (12) aus metallischem Material, wobei dieser leitende Dünnfilm vom Lot nicht benetzbar ist, und einer Maskenschicht (14), die ein Muster aus diskreten Bereichen (16, 18) dieses leitenden Dünnfilms freilegt, wobei dieses Verfahren beinhaltet:

Einsetzen dieses Trägers in eine Galvanisierungsbadlösung aus Blei und Zinn im geeigneten Verhältnis, so daß es Lötzinn enthält; und

Anlegen einer Spannung zwischen dem leitenden Dünnfilm und einer Elektrode im galvanischen Bad zum Elektroplattieren des Bleis und des Zinns auf diesen leitenden Dünnfilm, wo dieser leitende Dünnfilm von der Maskenschicht freigegeben ist.

6. Verfahren gemäß Anspruch 5, das ferner beinhaltet:

Ausrichten des Trägers auf einem leitende Bereiche enthaltenden Substrat und Inkontaktbringen des Lotmusters mit den leitenden Bereichen; und

Zuführen des Lotmusters von dem Träger auf die leitenden Bereiche.

7. Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei der Zuführungsschritt das Beaufschlagen mit Wärme zwecks Aufschmelzens des Lotmusters auf die leitenden Bereiche umfaßt.