DE69010561T2 - Verfahren and Apparat zum Verbinden elektrischer Bauelemente mittels Lötelementen. - Google Patents

Verfahren and Apparat zum Verbinden elektrischer Bauelemente mittels Lötelementen.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbindungsverfahren von elektrischen Bauteilen mittels Lötelementen sowie eine Maschine für die Durchführung dieses Verfahrens. Die Erfindung wird vor allem auf dem Gebiet der Mikroelektronik angewandt.
  • Unter "elektrischem Bauteil" versteht man ebenso aktive elektrische Bauteile, wie z.B. integrierte Schaltungen, als auch passive elektrische Bauteile, wie z.B. Keramiksubstrate, versehen mit elektrischen Kontaktelementen.
  • Die Erfindung findet z.B. Anwendung bei der Hybridisierung von elektronischen Bauteilen, hergestellt auf Siliciumsubstraten, und elektronischen Bauteilen hergestellt auf CdHgTe- oder Siliciumsubstraten.
  • Man kennt schon ein erstes Verfahren zum Verbinden von elektrischen Bauteilen, das schematisch dargestellt ist in Figur 1. Bei diesem Verfahren und um zwei Bauteile 2 und 4 zu verbinden, die jeweils Reihen von Kontaktelementen 6 und 8 aufweisen, versieht man jedes Kontaktelement jeder Reihe mit einem Lötelement 10, bringt die beiden Bauteile in Gegenüberstellung, richtet sie genau aufeinander aus, so daß jedes Lötelement von einem der Bauteile dem entsprechenden Lötelement des anderen Bauteils gegenübersteht. Anschließend übt man einen starken Druck aus auf die beiden in Kontakt gebrachten Bauteile, so daß die Lötelemente, z.B. aus Indium, fließen und die elektrische Verbindung zwischen den beiden Bauteilen gewährleisten. Um dieses Fließen zu begünstigen, ist es vorteilhaft, die Lötelemente weich zu machen bei einer Temperatur in der Größenordnung von 50 bis 80ºC. Außerdem ist es erforderlich, eine Kraft von wenigstens gleich 1 Gramm pro Lötelement anzuwenden, gleichmäßig auf alle Kontaktelemente, damit die beiden verbundenen Bauteile die mechanischen und thermischen Belastungen aushalten, die bei ihrer Verwendung auftreten.
  • Ein Beispiel eines solchen Verfahrens ist z.B. beschrieben in dem Dokument (1) FR-A-2 569 052.
  • Dieses erste bekannte Verfahren weist Nachteile auf: die Haltbarkeit des Kontakts zwischen den Lötelementen ist mittelmäßig, trotz der Vorkehrungen bezüglich der Temperatur und des Drucks bei der Hybridisierung der Bauteile, was zum Auftreten von offenen Kontakten führt, wenn diese Bauteile im Einsatz sind. Die Anzahl Punkte, die man hybridisieren kann, ist begrenzt, insbesondere aufgrund der Tatsache, daß eine Kraft von 15 kg erforderlich ist für die Hybridisierung einer Matrix von 128 x 128 Punkten, und eine Kraft von 65 kg für die Hybridisierung einer Matrix von 256 x 256 Punkten. Nun, die obere Grenze der gegenwärtig verfügbaren geeigneten Maschinen ist gleich 15 kg. Außerdem ist die Hybridisierungsausbeute mit einer Fehlerrate von 10% ziemlich gering; diese Ausbeute wird beeinflußt von einer ungleichmäßigen Druckverteilung auf die Lötelemente, wobei diese Ungleichmäßigkeit verstärkt wird durch Parallelitätsfehler zwischen den Bauteilen oder durch die Unebenheit von diesen, vor allem bei Bauteilen mit großen Abmessungen. Schließlich muß die Aufrichtung der Bauteile sehr genau sein, um eine gute Hybridisierungsausbeute zu bekommen.
  • Ebenfalls bekannt ist ein zweites Verbindungsverfahren, vor allem durch das Dokument (2): dem Artikel von J. MARSHALL u.a., veröffentlicht in Solid State Technology, Januar 1979, S. 87 bis 93.
  • Nach diesem zweiten Verfahren werden die Kontaktelemente der beiden Bauteile vorher mit Lötelementen versehen, kugelförmig für eines der Bauteile und im wesentlichen flach für das andere Bauteil. Das Bauteil mit den Kontaktelementen, die die kugelförmigen Lötelemente tragen, wird gegen das Bauteile gedrückt, mit dem es verbunden werden soll und das Kontaktelemente aufweist, die versehen sind mit Lötelementen von im wesentlichen flacher Form. Dieses Inkontaktbringen der Bauteile erfolgt so, daß jede Lötkugel von dem einen der Bauteile sich gegenüber dem Lötmittel befindet, mit dem das entsprechende Kontaktelement des anderen Bauteils versehen ist. Anschließen wird die so hergestellt Zusammenfügung erwärmt auf die Schmelztemperatur des Lots und dann abgekühlt.
  • Das zweite bekannte Verfahren weist ebenfalls Nachteile auf: es handelt sich um ein kompliziertes Verfahren, das eine vorhergehende Herstellung von Lotkugeln auf einem der beiden Bauteile erforderlich macht, vor der Verbindung der beiden Bauteile. Außerdem ist das Lötmittel auf beiden Bauteilen vorhanden, vor der Verbindung von diesen.
  • Außerdem kennt man ein drittes Verbindungsverfahren für elektrische Bauteile, vor allem aus dem Dokument (3) PCT/GB86/00538, (WO-A-8701509)
  • Auch dieses dritte bekannte Verfahren weist Nachteile auf:
  • - Es erfordert die Herstellung von großen Spezialkontaktelementen für die Selbstausrichtung bei der Hybridisierung von elektronischen Bauteilen, woraus ein großer Verlust an aktiver Oberfläche resultiert, einschränkend für die Verbindungen mit großer Dichte (Matrixen...).
  • - Auf eine diesen drei bekannten Verfahren innewohnende Weise ist der Abstand, der die beiden Bauteile trennt, immer kleiner als die Höhe der kleinsten der Kugeln, die die Verbindung der Bauteile ermöglichen, was zu einer Begrenzung führt bezüglich des Verhaltens während der Wärmezyklen (wobei dieses Verhalten abhängt von der betreffenden Kugel).
  • - Dieses dritte Verfahren ermöglicht es nicht, Technologiefehler wiedergutzumachen (z.B. nichtkonforme Lötelemente).
  • - Dieses dritte Verfahren ermöglicht nicht, die Fehler auszugleichen, die zurückzuführen sind auf eine gewölbte Form von gewissen Bauteilen (insbesondere im Falle einer Hybridisierung von großen Bauteilen, z.B. WAFER/WAFER).
  • Die vorliegende Erfindung hat die Zielsetzung, die Nachteile der bekannten, vorhergehend erwähnten Verfahren zu beseitigen, indem sie ein Verfahren zum Verbinden von zwei elektrischen Bauteilen vorschlägt, das ermöglicht, einen soliden Kontakt zwischen den Kontaktelementen der beiden Bauteile zu erhalten, das ebenfalls ermöglicht, eine große Anzahl von Punkten zu hybridisieren und die Hybridisierungsausbeute zu verbessern, und das keine große Ausrichtgenauigkeit erfordert und dabei einfacher ist als das in dem Dokument (2) beschriebene Verfahren.
  • Genaugenommen hat die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Verbinden eines ersten elektrischen Bauteils mit wenigstens einem zweiten elektrischen Bauteil zum Gegenstand, die jeweils ausgestattet sind mit elektrischen, zur Verbindung bestimmten Kontaktelementen, wobei dieses Verfahren einen Schritt enthält, in dem jedes Kontaktelement des ersten Bauteils bedeckt wird durch ein Lötelement, Scheibe genannt, das elektrisch leitend ist und das sich erstreckt über die Umgebung des besagten Kontaktelements, wobei diese Scheiben eine im wesentlichen konstante Dicke haben und hergestellt sind aus einem metallischen Material mit einem niedrigen Schmelzpunkt und verlötbar mit den Kontaktelementen des ersten Bauteils, und diese benetzbar sind durch dieses Material im geschmolzenen Zustand, wohingegen ihre Umgebung auf dem ersten Bauteil es nicht ist, wobei dieses Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß das besagte Material ebenfalls verlötbar ist mit den Kontaktelementen des zweiten Bausteins, dadurch daß diese letzteren Kontaktelemente benetzbar sind durch dieses Material im geschmolzenen Zustand, während ihre Umgebung auf dem zweiten Bauteil es nicht ist, und dadurch, daß das Verfahren außerdem folgende Schritte umfaßt:
  • - das erste und das zweite Bauteil werden so in Kontakt gebracht, daß die Scheiben des ersten Bauteils die Kontaktelemente des zweiten Bauteils ganz oder teilweise überdecken,
  • - die so hergestellt Montage des ersten und des zweiten Bauteils wird auf eine Temperatur gebracht, die das Schmelzen des metallischen Materials der Scheiben bewirkt, wobei eines der Bauteile, das erste oder das zweite, festgehalten wird, während das andere frei ist, und
  • - die Temperatur der Montage wird zurückgeführt unter die Schmelztemperatur des metallischen Materials.
  • Vorzugsweise sind die Scheiben im wesentlichen kreisförmig
  • Im Falle von solchem im wesentlichen kreisförmigen Scheiben ist die "Ausricht"-Toleranz jedes Kontaktelements auf dem entsprechenden Kontaktelement mehr oder weniger ungefähr gleich einem Scheibenradius.
  • Bei der vorliegenden Erfindung findet eine wirkliche Lötung zwischen jeder Scheibe und den entsprechenden Kontaktelementen statt, so daß die hergestellten Kontakte sehr solide sind. Außerdem erfordert die vorliegende Erfindung keine Druckkraft auf die Bauteile, und aus diesem Grund kann die Anzahl der Verbindungspunkte sehr viel größer sein als die, die dem ersten bekannten, weiter oben erwähnten Verfahren entspricht. Außerdem ist die Hybridisierungsausbeute sehr viel größer als die, die erzielt wird durch dieses erste bekannte Verfahren, vor allem auf Grund der Tatsache, daß jede Scheibe, wenn sie erwärmt wird auf die Schmelztemperatur, im wesentlichen eine Kugelform animmt, die in Kontakt ist mit den Kontaktelementen, die ihr entsprechen und die verbunden werden sollen, da diese Kontaktelemente benetzbar sind durch das Lötmittel im geschmolzenen Zustand, während ihre Umgebung es nicht ist. Schließlich erfordert das erfindungsgemäße Verfahren eine sehr viel kleinere Ausrichtgenauigkeit als die, die nötig ist bei dem ersten bekannten, weiter oben erwähnten Verfahren, da man bei der vorliegenden Erfindung einen Selbstausrichtungseffekt der Bauteile feststellt, wie man in der Folge besser verstehen wird.
  • Außerdem ist das erfindüngsgemäße Verfahren einfacher als das zweite bekannte, weiter oben erwähnte Verfahren, da es nur eine einzige Scheibe für jedes zu verbindende Kontaktelementepaar erfordert und nur einen einzigen Erwärmungsschritt umfaßt.
  • Außerdem stellt man fest, daß sich bei dem zweiten bekannten Verfahren eine Verformung der Kugeln ereignet, verursacht durch ihr Zusammendrücken, was zu einer Berührung von zwei Kugeln führen kann, die nahe beieinander sind. Eine solche Gefahr besteht nicht bei den Scheiben der vorliegenden Erfindung.
  • Aufeinanderfolgende Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglichen, einen Stapel von mehreren verbundenen Bauteilen zu bekommen: besagtes erstes Bauteil kann aus einem Stapel von Elementarbauteilen bestehen, die vorher verbunden wurden durch wiederholte Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, und eine zusätzliche Anwendung dieses Verfahrens ermöglicht es, einen Stapel zu erhalten, der ein weiteres Elementarbauteil umfaßt.
  • Aufeinanderfolgende Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglichen auch, ein großes Bauteil und mehrere weitere Bauteile kleinerer Größe zu verbinden: besagtes erstes Bauteil kann dieses große Bauteil sein, schon verbunden mit einer Vielzahl anderer Bauteile kleinerer Größe durch wiederholte Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, und eine zusätzliche Anwendung dieses Verfahrens ermöglicht, die Anzahl der anderen, mit dem großen Bauteil verbunden Bauteile um eine Einheit zu erhöhen.
  • Nach einer speziellen Anwendungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens, wird das Verbinden durchgeführt an einem Aufbau von mehr als zwei Bauteilen auf einmal, auf kollektive Weise, um einen Stapel dieser Bauteile zu erhalten, wobei jedes im Stapelinnern befindliche Bauteil auf seinen beiden Seiten versehen ist mit elektrischen Kontaktelementen, die Bauteile des Aufbaus gestapelt sind, Scheiben, hergestellt aus besagtem Material, vorher angebracht werden auf den entsprechenden Kontaktelementen der Bauteile des Aufbaus - eine einzige Scheibe für jedes zu verbindende Kontaktelementepaar - so daß die gewünschten elektrischen Kontakte hergestellt werden können zwischen den Kontaktelementen der Bauteile des Stapels, und dieser Stapel auf die genannte Temperatur gebracht wird, wobei eines der Endbauteile des Stapels horizontal gehalten wird, während die anderen Bauteile des Stapels frei sind und sich über diesem Endbauteil befinden.
  • Nach einer weiteren speziellen Anwendungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Verbinden durchgeführt an einem Aufbau von mehr als zwei Bauteilen auf einmal, auf kollektive Weise, wobei eines der Bauteile dazu bestimmt ist, mit einer seiner Seiten mit den anderen verbunden zu werden, das Zusammensetzen der Bauteile durchgeführt wird, Scheiben, hergestellt aus dem besagten Material, vorher angebracht werden auf den entsprechenden Kontaktelementen der Bauteile des Aufbaus - eine einzige Scheibe für jedes zu verbindende Kontaktelementepaar - so daß die gewünschten elektrischen Kontakte hergestellt werden können zwischen den Kontaktelementen der Bauteile der Einheit und diese Einheit auf die genannte Temperatur gebracht wird, wobei das Bauteil, das dazu bestimmt ist mit den anderen Bauteilen verbunden zu werden, horizontal gehalten wird, während die anderen Bauteile der Einheit frei sind und sich über dem besagten Bauteil befinden.
  • Nach einer bevorzugten Anwendungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens, nach der Kontaktherstellung der Bauteile bis zur Abkühlung von diesen unter die Schmelztemperatur des die Scheiben bildenden Materials, wird eines der Bauteile horizontal gehalten, während jedes andere Bauteil frei ist und sich über dem horizontal gehaltenen Bauteil befindet.
  • Vorzugsweise wird das metallische Material ausgewählt aus der Gruppe, die Zinn, Indium, Blei und die metallischen Legierungen mit niedrigem Schmelzpunkt umfaßt, die Zinn, Indium oder Blei enthalten.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls eine Maschine zum Verbinden eines ersten elektrischen Bauteils und wenigstens eines zweiten elektrischen Bauteils, die jeweils versehen sind mit elektrischen Kontaktelementen, die verbunden werden sollen, wobei diese Maschine dadurch gekennzeichnet ist, daß sie umfaßt:
  • - Zuführungseinrichtungen für erste und zweite Bauteile, bei denen elektrisch leitende Scheiben die Bauteilekontaktelemente bedecken, dabei vorstehend über die Umgebung dieser Kontaktelemente, wobei diese mit Scheiben versehenen Bauteile so gewählt werden, daß es eine einzige Scheibe für jedes zu verbindende Kontaktelementepaar gibt, wobei diese Scheiben hergestellt sind aus einem metallischen Material mit niedrigem Schmelzpunkt, verlötbar mit den Bauteilen, wobei diese benetzbar sind durch dieses Material im geschmolzenen Zustand, während ihre Umgebung auf den entsprechenden Bauteilen es nicht ist,
  • - Aufnahmeeinrichtungen der verbundenen Bauteile,
  • - Ausrichteinrichtungen der Bauteile, vorgesehen um die Scheiben jedes gewählten Bauteils mit den Kontaktelementen des mit diesem Bauteil zu verbindenden Bauteils in Kontakt zu bringen,
  • - Heizeinrichtungen, vorgesehen um die Einheit, die die in Kontakt gebrachten Bauteile bilden, auf eine Temperatur zu bringen, die das Schmelzen des Materials gewährleistet, und
  • - Transfereinrichtungen der Bauteile von den Zuführungseinrichtungen zu den Aufnahmeeinrichtungen, die die Ausrichteinrichtungen und die Heizeinrichtungen durchlaufen.
  • Die Ausrichteinrichtungen können umfassen:
  • - optische Einrichtungen, die die Beobachtung der zu verbindenden Bauteileflächen ermöglichen, und
  • - Relativverschiebungseinrichtungen dieser Bauteile.
  • Die Heizeinrichtungen können einen Durchlaufofen umfassen, den die in Kontakt gebrachten Bauteile durchqueren.
  • Als Variante können diese Heizeinrichtungen eine bewegliche Heizplatte umfassen, vorgesehen um gegen die Bauteileeinheit gedrückt und dann von diese Einheit entfernt zu werden.
  • Die vorliegende Erfindung wird besser verständlich durch die Lektüre der nachfolgenden Beschreibung und durch rein beispielhafte und keinesfalls einschränkende Anwendungsbeispiele, bezogen auf die beigefügten Zeichnungen:
  • - die Figur 1, schon beschrieben, zeigt schematisch ein bekanntes Bauteile-Verbindungsverfahren,
  • - die Figur 2 stellt schematisch eine ein Kontaktelement bedeckende Scheibe dar vor der Herstellung der Verbindung der beiden Bauteile gemäß einem erfindungskonformen Verfahren,
  • - die Figuren 3A bis 3C zeigen schematisch verschiedene Schritte einer speziellen Anwendungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • - die Figuren 4A und 4B zeigen schematisch einen Vorteil der Erfindung, daß nämlich bei dieser die Unterdimensionierung bzw. Versetzung (troncature) von einer oder mehreren Scheiben nicht stört,
  • - die Figuren 5A bis 5C zeigen schematisch einen weiteren Vorteil der Erfindung, daß nämlich eine sehr genaue Positionierung der Bauteile überflüssig ist aufgrund der Selbstausrichtung, die sich einstellt, wenn sie erfindungskonform verbunden werden,
  • - die Figuren 6A und 6B zeigen noch einen weiteren Vorteil der Erfindung, nämlich die Herstellung einer Verbindung selbst dann, wenn eines der Bauteile gewölbt ist,
  • - die Figur 7 zeigt schematisch eine weitere spezielle Anwendungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens, das zur Herstellung eines Stapels miteinander verbundener Bauteile führt,
  • - die Figur 8 zeigt schematisch eine weitere spezielle Anwendungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens, das zur Verbindungsherstellung zwischen einem großen Bauteil und mehreren anderen Bauteilen kleinerer Größe führt, und
  • - die Figur 9 ist eine schematische Ansicht einer speziellen Ausführungsart der erfindungsgemäßen Maschine.
  • Die Figur 2 stellt schematisch die erfindungsgemäße Vorbereitung eines Bauteils 20 vor seiner Verbindung mit einem anderen Bauteil dar. Wie man in der Folge besser sehen wird, ist das Bauteil 20, das Kontaktelemente 22 trägt, versehen mit Scheiben 28, die die Kontaktelemente jeweils bedecken.
  • Jede Scheibe 28 hat eine im wesentlichen konstante Dicke in Richtung der Achse Z, senkrecht zu der - angenommen ebenen - Oberfläche des Bauteils 20, die die Scheiben trägt, und die Projektion dieser Scheibe 28 parallel zur Achse Z in einer Ebene XY, senkrecht zu Z, hat im wesentlichen die Form einer Platte.
  • In den Figuren 3A bis 3C sind schematisch verschiedene Schritte einer Anwendungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Dieses Anwendungsverfahren verwendet ein Material wie Indium, das, wenn es flüssig ist, bestimmt Metalle wie etwa Gold gut benetzt, aber gewisse Isolatoren wie etwa Siliciumdioxid oder Materialien wie etwa die Polyimide nicht oder sehr schlecht benetzt.
  • Selbstverständlich verwendet man ein Material, dessen Schmelztemperatur ausreichend niedrig ist, um die Bauteile während des erfindungsgemäßen Verbindens nicht zu beschädigen. In dieser Hinsicht ist das Indium geeignet.
  • Wie man in Figur 3A sieht, sollen ein Bauteil 20, versehen mit Kontaktelementen 22, und ein Bauteil 24, versehen mit Kontaktelementen 26 verbunden werden, um jeweils zwischen den Kontaktelementen 22 und 26 elektrische Verbindungen zu erhalten.
  • Zu diesem Zweck wird eines der Bauteile, z.B. das Bauteil 20, versehen mit einer Vielzahl von Scheiben 28, die aus dem besagten Material hergestellt sind, z.B. Indium.
  • Jede Scheibe 28 bedeckt ein Kontaktelement 22 und steht so über dieses hinaus, daß es ebenfalls einen nichtbenetzbaren Teil des Bauteils 20 bedeckt, nämlich den Teil, der das betreffende Kontaktelement 22 umgibt.
  • Die Bauteile 20 und 24 können komplexe elektronische Schaltkreise sein, die hinsichtlich ihrer Verbindung versehen sind mit den besagten Kontaktelementen.
  • Die Umgebung der Kontaktelemente 22 und 26 ist z.B. aus Siliciumdioxid, nicht benetzbar durch das besagte Material im geschmolzenen Zustand, während die Kontaktelemente 22 und 26 , die z.B. aus Gold sind, benetzbar sind durch dieses Material im geschmolzenen Zustand.
  • Rein beispielhaft und keinesfalls einschränkend haben die genannten Scheiben einen Durchmesser in der Größenordnung von 60 um und eine Dicke in der Größenordnung von 6 um, und die Kontaktelemente bestehen aus Dünnschichten mit 25 um Durchmesser und ungefähr 1 um Dicke und können matrixförmig angeordnet sein auf den Bauteilen mit einer Teilung von z.B. 70 um. Beispielsweise und keinesfalls einschränkend kann diese Teilung bis 20 um klein sein, wenn der Durchmesser der Scheiben gleich 15 um oder kleiner ist.
  • Man stellt die Indiumscheiben 28 durch ein dem Stand der Technik bekanntes Verfahren so her, daß sie voneinander getrennt sind.
  • Anschließend werden die Bauteile 20 und 24 so miteinander in Kontakt gebracht, daß jede Scheibe 28 das ihm entsprechende Kontaktelement 26 bedeckt.
  • Dies ist durchführbar mittels eines Doppelvisur- Optiksystems, wie man in der Folge besser sehen wird.
  • Der Abstand, der nun die Bauteile trennt, ist gleich der Dicke der Indiumscheiben.
  • Man schreitet anschließend zu einer Temperaturerhöhung des hergestellten Aufbaus, bis zur Schmelztemperatur des Indiums.
  • Bei dieser Temperatur erfolgt eine Abstoßung der beiden Bauteile aufgrund der Oberflächenspannungen der Scheiben.
  • Genauer resultiert diese Abstoßung aus der Tatsache daß, während jede Scheibe 28 auf die Schmelztemperatur des Indiums gebracht wird, das Indiumvolumen eine Kugelform annimmt und sich sammelt, sich lokalisiert und an den entsprechenden Kontaktelementen 22 und 26 hattet, da diese Kontaktelemente 22 und 26 benetzbar sind durch Indium, während die Umgebung dieser Kontaktelemente es nicht ist. Die beiden Bauteile entfernen sich dann voneinander wegen der Umwandlung von jeder Scheibe 28 in ein Element 30 mit Kugelform (Figur 3c), nachdem diese Scheibe eine Form 28b angenommen hat, erweitert senkrecht zu den Bauteilen und parallel zu diesen geschrumpft (Figur 3B).
  • Der Endabstand, der die beiden verbundenen Bauteile trennt (Figur 3C) hängt ab vom anfänglichen Indiumvolumen jeder Scheibe und von der Größe der benetzbaren Flächen. In dem oben angegebenen Beispiel beträgt der Endabstand ganz unverbindlich und keinesfalls einschränkend ungefähr 20 um.
  • Die Einheit aus den beiden Bauteilen wird anschließend natürlich abgekühlt.
  • Während der Erwärmung der Bauteile und bis zum Abkühlen von diesen wird eines der Bauteile, z.B. das Bauteil 24, gehalten (es wird z.B. auf einen nicht dargestellten horizontalen Träger gestellt), während das andere Bauteile 20 frei ist (z.B. über dem Bauteil 24).
  • Das mit Bezug auf die Figuren 3A bis 3C beschriebene Verfahren weist die folgenden Vorteile auf:
  • - Die hergestellte Verbindung ist sehr widerstandsfähig, da eine wirkliche Lötung von Indium auf Gold stattfindet; das Auseinanderreißen der beiden Bauteile zeigt übrigens, daß der Bruch nicht an der Grenzfläche Indium/Gold erfolgt, sondern nach Strecken und Reißen des Indiums.
  • - Die hergestellt Einheit widersteht sehr gut der Alterung, den Wärmezyklen und den Vibrationen und entspricht den Weltraumspezifikationen.
  • - Die Hybridisierungsausbeute ist sehr gut, die Ausschußzahl nahe 0. In dem mit Bezug auf die Figuren 3A bis 3C beschriebenen Beispiel ist ein Kurzschluß der Kontaktelemente nicht möglich, da jedes Indiumvolumen sich "zusammenzieht" und nur mit den entsprechenden Kontaktelementen Berührung hat. Die Figuren 4A und 4B zeigen im übrigen schematisch einen Vorteil des mit Bezug auf die Figuren 3A bis 3C beschriebenen Verfahrens bezüglich der drei bekannten, weiter oben erwähnten Verfahren: bei diesen letzteren verursacht eine klein geratene (tronguee) Indiumscheibe oft einen offenen Stromkreis, während man mit dem mit Bezug auf die Figuren 3A bis 3C beschriebenen Verfahren nie einen offenen Stromkreis erhält, außgenommen der Fall wo die Scheibe ganz fehlt, da eine klein geratene Indiumscheibe 32 (Figur 4A) zwar ein Indiumvolumen 34 (Figur 4B) ergibt, das kleiner ist als die anderen, da die entsprechende Indiumscheibe kleiner ist als die anderen Scheiben, aber immer noch die Verbindung der entsprechenden Kontaktelemente ermöglicht.
  • - Das Indium wird nur auf einem der zu hybridisierenden Bauteile abgeschieden.
  • - Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens verursacht ein Selbstausrichtungsphänomen der Bauteile und erfordert daher eine geringere Ausrichtungsgenauigkeit als die, die bei dem ersten bekannten, weiter oben erwähnten Verfahren erforderlich ist: jede Indiumscheibe muß nur die entsprechende benetzbare Oberfläche auf dem anderen Bauteil überdecken (Figur 5A).
  • Man sieht, daß für kreisförmige Scheiben mit dem Radius R (Figur 5A) die Positionierungstoleranz eines Kontaktelements auf dem entsprechenden Kontaktelement in der Größenordnung von ±R ist.
  • Bei Erreichen der Schmelztemperatur des Indiums bewirkt bei einer mangelhaften anfänglichen Ausrichtung der mechanische Effekt - einerseits durch die Haftung des Indiums an dem anderen Bauteil und andererseits durch die Umwandlung des Indiumvolumens - die Selbstausrichtung der beiden Bauteile, d.h. eine Verschiebung des Bauteils das frei ist bezüglich des Bauteils, das gehalten wird auf einem horizontalen Träger (Figur 5B), um in einer Stellung der beiden Bauteile zu enden, in der die Ausrichtung korrekt ist (Figur 5C).
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders gut angepaßt an die Hybridisierung von großen Flächen mit hoher Dichte der zu verbindenden Punkte. Durch ihr Prinzip ermöglicht die Erfindung nämlich, die Konkavitätsfehler zu tolerieren, die gegenwärtig die Substrate wie Siliciumscheiben mit großen Abmessungen aufweisen, ohne daß es nötig ist, die hohen Drücke aufrechtzuerhalten, die erforderlich sind bei dem weiter oben erwähnten, ersten bekannten Verfahren. Aufgrund dieser Konkavitätsfehler können bestimmt Indiumscheiben 36 anfänglich keinen Kontakt mit den ihnen entsprechenden Kontaktelementen auf dem anderen Bauteil 24 haben (Figur 6A), aber nach dem Schmelzen des Indiums und der Formveränderung des jeder Scheibe 36 entsprechenden Indiumvolumens, das aus diesem Schmelzen resultiert, wird der elektrische Kontakt mit dem entsprechenden Kontaktelement auf dem anderen Bauteile 24 trotzdem hergestellt (Figur 6B).
  • Die Oberfläche jedes Bauteils kann von ungefähr einem Quadratmillimeter bis zu mehreren hundert Quadratzentimetern reichen. Man wird feststellen, daß der Nutzen der Erfindung zunimmt mit der Größe der Oberfläche der zu verbindenden Bauteile, da die oben erwähnte Konkavität mit dieser Fläche zunimmt.
  • Die Größe der Indiumscheiben kann von einigen Mikrometern bis ungefähr hundert Mikrometer reichen.
  • Der Abstand zwischen zwei benachbarten Indiumscheiben kann ungefähr 2 um betragen oder mehr.
  • Die Dichte dieser Scheiben ist nicht beschränkt, unter dem Vorbehalt, daß eine Teilung für diese Scheiben gewählt wird, die kompatibel ist mit ihrer Größe.
  • Die vorliegende Erfindung ermöglicht ebenfalls, eine Struktur herzustellen, bei der mehrere Bauteile 38, 40, 42, 44 gestapelt und verbunden werden (Figur 7), entweder durch mehrmalige Wiederholung des erfindungsgemäßen Verfahrens, um das Bauteil 40 mit dem Bauteil 38 zu verbinden, dann das Bauteil 42 mit der Einheit 38-40 und schließlich das Bauteil 44 mit der Einheit 38-40-42, durch das erfindungsgemäße Verfahren, was vor allem in dem Fall interessant ist, wo man ein Bauteil zu einer schon vorhandenen Struktur hinzufügen will, oder indem man die Bauteile 38, 40, 42, 44 stapelt und kollektiv die Verbindung herstellt, was eine einfachere Technik darstellt.
  • Eine weitere Struktur ist erfindungsgemäß herstellbar (Figur 8) und umfaßt ein großes Bauteil 46, mit dem mehrere Bauteile 48, 50, 52 verbunden sind. Eine solche Struktur kann entweder hergestellt werden indem man das erfindungsgemäße Verfahren wiederholt, um nacheinander die Bauteile 48, 50 und 52 mit dem Bauteil 46 zu verbinden, oder indem man eine kollektive Verbindung der Bauteile 46, 48, 50 und 52 erfindungsgemäß durchführt.
  • Für die in Figur 8 dargestellte Struktur stellt man den Vorteil der Selbstausrichtung fest, den die Erfindung bietet. Man wird ebenfalls feststellen, daß für dieselbe Struktur, ausgeführt gemäß dem weiter oben erwähnten, ersten bekannten Verfahren (mehrmals wiederholt) die Positionierung eines Bauteile wie 48 unabhängig ist von der Positionierung der anderen Bauteile 50, 52, was bedeutet, daß die Genauigkeit der Positionierung des Aufbaus 48-50-52 die Summe der Genauigkeiten ist, die den individuellen Positionierungen des Bauteils 48, des Bauteils 50 und des Bauteils 52 entsprechen. Im Gegensatz dazu hängt für die in Figur 8 dargestellte und erfindungsgemäß hergestellte Struktur die Positionierung von jedem Bauteil 48, 50 oder 52 von den relativen Positionen der Kontaktelemente des Bauteils 46 ab, mit dem diese Bauteile 48, 50 und 52 verbunden werden sollen, woraus eine Zwischenabhängigkeit der Positionierungen der Bauteile 48, 50 und 52 resultiert und folglich eine Positionierungs-Gesamtgenauigkeit, die besser sein kann als die mit dem weiter oben erwähnten, ersten bekannten Verfahren erzielte Genauigkeit.
  • Man stellt auch fest, daß die in Figur 8 dargestellte Struktur nicht hergestellt werden könnte mit diesem ersten bekannten Verfahren und daß, wenn es erfindungsgemäß durchgeführt wird, es im Falle von vielen Bauteilen vorzuziehen ist, jenes Bauteil festzuhalten (horizontal), das die meisten Verbindungen aufweist, wobei die anderen Bauteile frei sind und in der gewünschten Reihenfolge über diesem Bauteil angeordnet sind.
  • In der Figur 9 wurde schematisch eine besondere Ausführungsart der erfindungsgemäßen Maschine dargestellt.
  • Die in Figur 9 dargestellte Maschine ermöglicht, die Verbindung herzustellen zwischen zwei Bauteilen, die Substrate mit großen Oberflächen sein können, z.B. zwei ganze Siliciumscheiben. Diese Maschine umfaßt einen ersten Behälter 54, in dem vertikal die Bauteile 20 gestapelt sind, vorhergehend mit Indiumscheiben 28 versehen, so daß die Seite jedes Bauteils, die diese Scheiben trägt, gegen die Oberseite des Behälters 54 gekehrt ist, und ein zweiter Behälter 56, der seitlich vom Behälter 54 angeordnet ist, und der die Bauteile 24 enthält, vertikal so gestapelt, daß die Kontaktelemente dieser Bauteile, die mit den Indiumscheiben verbunden werden sollen, gegen die Unterseite des Behälters 56 gekehrt sind.
  • Die Maschine umfaßt ebenfalls einen dritten Behälter 58, beabstandet von den Behältern 54 und 56 und dazu bestimmt, die Zusammenbauten aus den Bauteilen 20 und 24 aufzunehmen.
  • Die in Figur 9 dargestellte Maschine umfaßt auch Transfereinrichtungen 60, die die Horizontalbewegung der Bauteile vom Behälter 54 zum Behälter 58 ermöglichen, Einrichtungen 64, die die Ausrichtung der Bauteile 20 und 24 ermöglichen und Zusammenbau-Heizeinrichtungen 66 dieser Bauteile.
  • Die Transfereinrichtungen 60, dem Stand der Technik bekannt, ermöglichen, die Bauteile 20 zu befördern bis sie zusammengebaut werden mit Bauteilen 24, dann, von dort, nach erfolgtem Zusammenbau, bis zum Behälter 58, vorgesehen, diesen Zusammenbau aufzunehmen.
  • Der Behälter 54 umfaßt, in seinem Unterteil und gegenüber den Transfereinrichtungen 60, einen Schlitz 68, der den Durchgang der Bauteile 20 Stück für Stück zuläßt. Einrichtungen 70 sind vorgesehen, um das tiefste Bauteil 20 im Stapel durch diesen Schlitz und auf die Transfereinrichtungen zu schieben. Zu diesem Zweck können die Mittel 70 einen Vordrücker umfassen, vorgesehen, um vorher einen weiteren, dem genannten Schlitz entgegengesetzten Schlitz 71 zu durchqueren.
  • Während des Transfers des Bauteils 20 zu den Einrichtungen 64, wird das oberste Bauteil 24 im entsprechenden Stapel in Ausrichtposition befördert durch zu diesem Zweck vorgesehene Einrichtungen 76, die einen Vakuumgreifarm 78 umfassen können. Das für diese Ausrichtung positionierte Bauteil 24 wird durch den Arm 78 in Warteposition gehalten.
  • Wenn das Bauteil 20 ankommt in Höhe der Einrichtungen 64, werden die Transfereinrichtungen angehalten. Diese Einrichtungen 64 umfassen einen Träger 80, vertikal verschiebbar und in zwei senkrechten und horizontalen Richtungen, wobei der Träger 80 ebenfalls um seine Vertikalachse drehen kann.
  • Die Transfereinrichtungen 60 stellen sich sehr schematisch in Form von zwei beweglichen Schienen dar, die die Bauteile 20 tragen, wobei diese beiden beweglichen Schienen zwischen sich den Träger 80 durchlassen können.
  • Die Einrichtungen 64 umfassen ebenfalls ein Doppelvisursystem 82 (nach oben und nach unten). Dieses System wird eingeführt zwischen die Bauteile 20 und 24, um ihre Ausrichtung herzustellen, sodann zurückgezogen, wenn diese Ausrichtung hergestellt ist.
  • Wenn das Bauteil 20 angehalten wird in Höhe der Einrichtungen 64, wird der Träger 80 nach oben verschoben, bis er das Bauteil 20 leicht abhebt von den Tranfereinrichtungen 60, worauf die optische Ausrichtung der Bauteile 20 und 24 durch das System 82 und durch entsprechende Bewegungen des Trägers 80 erfolgt, wonach das System 82 zurückgezogen wird und das Bauteil 24 abgesenkt wird bis es das Bauteil 20 berührt durch eine abwärtsgerichtete Vertikalbewegung der Einrichtungen 76, die dieses Bauteil 24 dann freigeben, wenn es in Berührung kommt mit dem Bauteil 20. Anschließend wird der Träger 80 abgesenkt bis die hergestellte Einheit Kontakt hat mit den Transfereinrichtungen 60. Die Ausrichtung erfolgt vorzugsweise bis auf weniger als 10 um.
  • Die hergestellte Einheit wird anschließend zu den Heizeinrichtungen 66 befördert, um die Schmelztemperatur des Indiums zu erreichen.
  • Die Heizeinrichtungen 66 können einen Ofen 84 des Typs Durchlaufofen mit Halogenlampen und Reflektoren (nicht dargestellt) umfassen. Dieser Ofen wird gesteuert, um die Einheit, die den besagten Ofen durchquert, in der gewünschten Zeit auf die gewünschte Temperatur zu bringen, wonach die Einheit natürlich abgekühlt wird während ihres Transfers zum Behälter 58.
  • Als Variante kann der Ofen ersetzt werden durch eine Heizplatte 86, angeordnet unter den Transfereinrichtungen 60 und vertikal beweglich. Diese Platte 86 hat eine sehr große Trägheit bezüglich der hergestellten Einheit, um die relative Ausrichtung zwischen den beiden Bauteilen nicht zu stören. Die Platte 86 durchquert die Transfereinrichtungen 60, dafür vorgesehen, wie erläutert wurde im Zusammenhang mit dem Träger 80, damit diese Platte 86 während der gewünschten Zeit an der freien Fläche der hergestellten Einheit anliegen kann, um diese auf die gewünschte Temperatur zu bringen, wonach die Platte 86 wieder abgesenkt wird. Wie vorhergehend wird die Einheit anschließend auf natürliche Weise abgekühlt, während sie zu dem Speicherbehälter 58 befördert wird.
  • Man stellt fest, daß die Versorgung durch Behälter oder Magazin sowie der Transfer von Station zu Station Mittel sind, die schon verwendet werden bei üblichen Anlagen zur Herstellung von integrierten Schaltungen.
  • Die optische Ausrichung bis auf ±10 um wird schon verwendet auf dem Gebiet der Mikroelektronik und vor allem bei den Waferschneidmaschinen (machines de decoupe sur tranche). Die Anpassung von derartigen optischen Ausrichtsystemen an die Erfindung ist dem Fachmann möglich, denn bei der vorliegenden Erfindung muß die Ausrichtung nicht extrem genau sein, da das Phänomen der Selbstausrichtung später diese genaue Ausrichtung bewirkt.
  • Ebenso sind der Ofen und die Heizplatte, die eine gleichmäßige Energie über eine große Fläche liefern und die Einheit bis auf ±5ºC auf eine festgelegte Temperatur bringen, bekannt in der Mikroelektronik.
  • Die mit Bezug auf die Figur 9 beschriebene Maschine ermöglicht selbstverständlich, Strukturen herzustellen von der Art wie die, die in Figur 8 dargestellt ist. Dazu wird das Bauteil 46 durch die Transfereinrichtungen 60 befördert und die Bauteile 48, 50 und 52, gespeichert in einem oder mehreren Magazinen, werden nacheinander auf dem Bauteil 46 angebracht durch wiederholte optische Ausrichtungen. Die Verbindung findet folglich kollektiv statt.
  • Selbstverständlich könnte man aufeinanderfolgende Verbindungen herstellen mittels Ausführung von mehreren aufeinanderfolgenden Durchläufen auf der Maschine der Figur 9.
  • Es ist ebenfalls möglich, mit der Maschine der Figur 9 eine Struktur von der Art herzustellen, wie sie in Figur 7 dargestellt ist. Zu diesem Zweck kann man aufeinanderfolgende Verbindungen herstellen mittels aufeinanderfolgenden Durchläufen auf dieser Maschine, um nach und nach den Stapel zu bilden oder eine Kollektivverbindung herzustellen. Zu diesem Zweck wird eines der Endbauteile des Stapels, versehen mit Scheiben 28, durch die Einrichtungen 60 in die Ausrichtposition befördert, um das benachbarte Bauteil des Stapels aufzunehmen. Der hergestellte Stapel kann auf identische Weise ein drittes Bauteil erhalten, und so weiter, bis der komplette Stapel hergestellt ist, der anschließend zu den Heizeinrichtungen befördert wird, wo die eigentliche Verbindung stattfindet, wonach der Stapel in einem Magazin angeordnet wird.

Claims (9)

1. Verfahren zur Verbindung eines ersten elektrischen Bauteils (20) und wenigstens eines zweiten elektrischen Bauteils (24), die jeweils versehen sind mit elektrischen Kontaktelementen (22, 26), dazu bestimmt, miteinander verbunden zu werden, wobei dieses Verfahren einen Schritt umfaßt, in dem jedes Kontaktelement des ersten Bauteils bedeckt ist durch ein Lätteil, genannt Kontaktplatte (28), das elektrisch leitend ist und sich über die Umgebung des genannten Kontaktelements erstreckt, wobei diese Kontaktplatten eine im wesentlichen konstante Dicke haben und aus einem metallischen Material mit niedrigem Schmelzpunkt bestehen, verlötbar mit den Kontaktelementen des ersten Bauteils, wobei diese benetzbar sind durch dieses Material im geschmolzenen Zustand, während ihre Umgebung es nicht ist, wobei das genannte Material sich ebenfalls mit den Kontaktelementen des zweiten Bauteils verlöten läßt, dadurch, daß diese letzteren Kontaktelemente benetzbar sind durch dieses Material im geschmolzenen Zustand, während ihre Umgebung auf dem zweiten Bauteil es nicht ist, und dadurch, daß das Verfahren außerdem die folgenden Schritte umfaßt:
- das erste und das zweite Bauteil werden so in Kontakt gebracht, daß die Kontaktplatten des ersten Bauteils die entsprechenden Kontaktelemente des zweiten Bauteils ganz oder teilweise bedecken,
- der so hergestellt Verband aus dem ersten und dem zweiten Bauteil wird auf eine Temperatur gebracht, die das Schmelzen des metallischen Materials der Kontaktplatten bewirkt, wobei eines der Bauteile, das erste oder das zweite, festgehalten wird, während das andere frei ist, und
- die Temperatur des Verbands wird zurückgeführt unter die Schmelztemperatur des metallischen Materials.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichet, daß die Verbindung hergestellt wird bei einem Aufbau (38, 40, 42, 44) von mehr als zwei Bauteilen auf einmal, gemeinsam, um einen Stapel dieser Bauteile zu erhalten, wobei jedes Bauteil innerhalb des Stapels auf seinen beiden Seiten versehen ist mit elektrischen Kontaktelementen, dadurch, daß die Bauteile des Aufbaus gestapelt sind, vorhergehend Kontaktplatten, hergestellt aus dem genannten Material, angebracht werden auf den Kontaktelementen der zu dem Aufbau gehörenden Bauteile, mit einer einzigen Kontaktplatte für jedes zu verbindende Kontaktelementepaar, so daß die gewünschten elektrischen Kontakte hergestellt werden können zwischen den Kontaktelementen der Bauteile des Aufbaus, und dadurch, daß dieser Stapel auf die genannte Temperatur gebracht wird, wobei eines der Endbauteile des Stapels horizontal festgehalten wird, während die anderen Bauteile des Stapels frei sind und sich über diesem Endbauteil befinden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichet, daß die Verbindung hergestellt wird bei einem Aufbau von mehr als zwei Bauteilen auf einmal, gemeinsam, wobei eines (46) der Bauteile dazu bestimmt ist, mit den anderen (48, 50, 52) durch eine seiner Seiten verbunden zu werden, dadurch, daß der Verband der Bauteile hergestellt wird, wobei Kontaktplatten, hergestellt aus dem genannten Material, vorher angebracht werden auf den entsprechenden Kontaktelementen des Aufbaus, eine Kontaktplatte für jedes zu verbindende Kontaktelementepaar, so daß die gewünschten elektrischen Kontakte hergestellt werden können zwischen den Kontaktelementen der Bauteile des Verbands, und dadurch, daß dieser Verband auf die genannte Temperatur gebracht wird, das Bauteil, das dazu bestimmt ist, mit den anderen Bauteilen verbunden zu werden, horizontal festgehalten wird, während die anderen Bauteile des Verbands frei sind und sich über dem genannten Bauteil befinden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichet, daß nach der Kontaktherstellung der Bauteile bis zu deren Abkühlung unter die Schmelztemperatur des die Kontaktplatten bildenden metallischen Materials eines der Bauteile horizontal festgehalten wird, wohingegen jedes andere Bauteil frei ist und sich über dem horizontal festgehaltenen Bauteil befindet.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichet, daß das metallische Material gewählt wird aus der Gruppe, die das Zinn, das Indium, das Blei umfaßt und die Metallegierungen mit niedrigem Schmelzpunkt, die Zinn, Indium oder Blei enthalten.
6. Vorrichtung zur Verbindung eines ersten Bauteils (20) mit wenigstens einem zweiten Bauteil (24), die jeweils versehen sind mit elektrischen Kontaktelementen, dazu bestimmt, miteinander verbunden zu werden, wobei diese Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß sie umfaßt:
- Zuführungseinrichtungen (54, 56) für erste und zweite Bauteile, bei denen elektrisch leitende Kontaktplatten die Bauteile-Kontaktelemente bedecken, dabei vorstehend über die Umgebung dieser Kontaktelemente, wobei diese mit Kontaktplatten versehenen Bauteile so gewählt werden, daß es eine einzige Kontaktplatte für jedes zu verbindende Kontaktelementepaar gibt, wobei diese Kontaktplatten hergestellt sind aus einem metallischen Material mit niedrigem Schmelzpunkt, verlötbar mit den Bauteile- Kontaktelementen, wobei diese benetzbar sind durch dieses Material im geschmolzenen Zustand, wohingegen ihre Umgebung auf den entsprechenden Bauteilen es nicht ist,
- Aufnahmeeinrichtungen (58) der verbundenen Bauteile,
- Ausrichtungseinrichtungen (64) der Bauteile, vorgesehen, um die Kontaktplatten jedes gewählten Bauteils mit den Kontaktelementen des Bauteils in Berührung zu bringen, das mit diesem gewählten Bauteil verbunden werden soll,
- Heizeinrichtungen (66), vorgesehen um den Verband, den die in Berührung gebrachten Bauteile bilden, auf eine Temperatur zu bringen, die das Schmelzen des Materials gewährleistet, und
- Transfereinrichtungen (60) der Bauteile von den Zuführungseinrichtungen bis zu den Aufnahmeeinrichtungen, die die Ausrichtungseinrichtungen und die Heizeinrichtungen durchlaufen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichet, daß die Ausrichtungseinrichtungen umfassen:
- optische Einrichtungen (82), die die Beobachtung der zu verbindenden Bauteileflächen ermöglichen, und
- Relativ-Verschiebungseinrichtungen (80) dieser Bauteile.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichet, daß die Heizeinrichtungen (66) einen Durchlaufofen (84) enthalten, dazu bestimmt, von den in Berührung gebrachten Bauteilen durchlaufen zu werden.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichet, daß die Heizeinrichtungen (66) einen beweglichen Heiztisch (86) enthalten, vorgesehen, um gegen den Bauteileverband gedrückt und dann von diesem Verband entfernt zu werden.
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