DE69024669T2

DE69024669T2 - Elektrische Verbinderstruktur und Verfahren, einen elektrischen Verbindungsaufbau zu erhalten

Info

Publication number: DE69024669T2
Application number: DE69024669T
Authority: DE
Inventors: John Behun; Anson Call; Frances Cappo; Marie Cole; Karl Hoebener; Bruno Klingel; John Milliken
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1990-07-18
Filing date: 1990-10-17
Publication date: 1996-07-04
Anticipated expiration: 2010-10-18
Also published as: EP0550432A1; JPH05508736A; US5060844A; WO1992002039A1; EP0550432B1; DE69024669D1; JP2567993B2

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine neue Verbindungselementstruktur ohne Anschlußstifte. Spezieller stellt sie eine Lötmittelkugelkonfiguration aus Lötmittelkugeln mit hohem Schmelzpunkt bereit, die mit dem Substrat durch Lötmittel mit einem niedrigeren Schmelzpunkt verbunden sind und die vorzugsweise mit einer Epoxidbeschichtung umgeben sind. Die Kugeln mit hohem Schmelzpunkt werden auf einfache Weise durch zusätzliche Lötmittelverbindungselemente mit niedrigem Schmelzpunkt mit einem anderen Substrat verbunden. Die Erfindung stellt des weiteren ein Verfahren bereit, um auf einfache Weise die Benetzbarkeit der Lötmittelverbindungen mit niedrigem/hohem Schmelzpunkt zu prüfen.

Beschreibung des Standes der Technik

Die Industrie ist von der Verwendung von Anschlußstiften als Verbindungselemente bei der elektronischen Verkapselung aufgrund der hohen Herstellungskosten, des inakzeptablen Prozentsatzes an versagenden Verbindungen, die eine Nachbesserung erfordern, der Beschränkungen bezüglich der E/A-Dichte und der elektrischen Beschränkungen der Verbindungselemente mit relativ hohem Widerstand abgegangen. Lötmittelkugeln sind Anschlußstiften in allen der obigen Merkmale überlegen, und sie sind außerdem oberflächenmontierbar, was in Anbetracht der zunehmend kleinen Abmessungen in den gegenwärtig vorrangigen Technologien offensichtliche Auswirkungen hat.
Lötmittelmontage selbst ist kaum als eine neue Technologie zu bezeichnen. Es bleibt jedoch die Notwendigkeit bestehen, die Lötmittelsysteme und -konfigurationen in elektronischen Strukturen zu verbessern. Die Verwendung von Verbindungselementen aus Lötmittelkugeln wurde auf die Montage von integrierten Schaltkreischips unter Verwendung der sogenannten C-4("controlled collapse chip connection")-Technologie angewendet, seit das Verfahren und die Struktur zum ersten Mal in den US-Patenten Nr. 3 401 126 und 3 429 040 von Miller, die auf die vorliegende Anmelderin übertragen sind, beschrieben und patentiert wurden. Eine Unzahl von Lötmittelstrukturen wurde seither zum Anbringen von IC-Chips ebenso wie zur Verbindung von anderen Ebenen eines Schaltungsaufbaus und einer zugehörigen elektronischen Packung vorgeschlagen.
Beispiele für unterschiedliches Höckerbonden sind in den folgenden Referenzen angegeben:
D1: IBM TECHNICAL DISCLOSURE BULLETIN Bd. 32, Nr. 10B, März 1990, New York, USA; Seite 480, "Encapsulated solder jomt for chip mounting", die einen Chip beschreibt, der mittels der Verwendung einer Kombination von Lötkontakthügeln mit hohem Schmelzpunkt, die mit Lötkontakthügeln mit niedrigem Schmelzpunkt einen Kontakt herstellen, und der Erwärmung auf eine Temperatur, bei welcher die Lötkontakthügel mit niedrigem Schmelzpunkt schmelzen, an ein Substrat gebondet ist.
D2: IBM TECHNICAL DISCLOSURE BULLETIN Bd. 22, Nr. 4, September 1979, New York, USA; Seiten 1460, 1461, J. A. BRODY et al. "Storage and logic errors in dynamic memory devices due to innate radioactive materiäls in packaging and wafer" erläutert die Verwendung von Lötverbindungen, die aufgeschmolzen werden, um sich zu einer einzigen Lötverbindungskugel zusammenzuballen.
Die Basisstruktur besteht aus einer winzigen Lötmittelmenge, im allgemeinen einer Kugel, die mit einer Bondstelle auf einem der elektrisch zusammenzufügenden Teile verbunden ist. Der Aufbau aus Teil, Bondinsel und Lötmittel wird -dann mit einer lötbaren Kontaktstelle auf einem zweiten Teil in Kontakt gebracht, und das Lötmittel wird aufgeschmolzen, um die Verbindung zu erzielen. Das "zweite" Teil wird im folgenden als Leiterkarte bezeichnet, wenngleich es offensichtlich und vom Zusammenhang der vorliegenden Erfindung vollständig beabsichtigt ist, daß das zweite Teil ein Substrat, eine Schaltungsplatte, eine Leiterkarte, ein Chip oder irgend ein anderes elektronisches Teil sein kann, mit dem eine elektrische Verbindung gewünscht ist. Einer der Hauptnächteile dieser Konfiguration besteht darin, daß die Ldtmittelkugeln vor einer Verbindung oder während des Prozeßablaufs oder während einer Nachbesserung nicht immer an Ort und Stelle verbleiben. Während einer Nachbesserung wird nicht nur die lötbare Kontaktstelle sondern auch das Lötmittel selbst geschmolzen. Es gibt daher keine Garantie, daß das Lötmittel mit dem ersten Teil verknüpft bleibt. Eine teilweise Lösung dieses letzteren Problems besteht in der Verwendung einer Sandwich- Struktur, wie sie im US-Patent Nr. 4 673 772 von Satoh et al. dargestellt ist, bei der eine Säule aus Lötmittel mit hohem Schmelzpunkt (im folgenden HMP) mit dem Teil mittels eines Lötmittels mit niedrigerem Schmelzpunkt verbunden ist. Das Teil, das Lötmittel mit niedrigem Schmelzpunkt (im folgenden LMP) und das HMP-Lötmittel werden dann in Kontakt mit einem Bereich aus LMP-Lötmittel auf einem zweiten Teil, oder im folgenden einer Leiterkarte, angegrdnet, dessen elektrische Verbindung mit dem ersten Teil gewünscht ist. Der Aufbau wird dann auf eine Temperatur erwärmt, die ausreicht, um das LMP-Lötmittel zu schmelzen und die Verbindung zu erzielen. Die Struktur von Satoh erfordert, daß das HMP-Lötmittel "gearbeitetes" Lötmittel ist, d.h. Lötmittel, das bearbeitet und wärmebehandelt wurde, um spezielle mechanische Eigenschaften zu erzielen. Wenngleich dies teilweise eine Lösung für das Nachbesserungsproblem ist, stellt die Struktur von Satoh keine vollständig bearbeitbare Struktur bereit. Zum Beispiel ist es auch notwendig, wenigstens ein paar Probenstrukturen hinsichtlich Benetzbarkeit des HMP-Lötmittels zu prüfen, bevor tausende von Teilen zum Zusammenbau übergeben werden. Das Prüfen hinsichtlich Benetzbarkeit bringt mit sich, daß ein Testteil mit seinem HMP-Lötmittel mit einem LMP-Lötmittelbereich, wie er auf einer Leiterkarte vorgefunden wird, gekoppelt wird, um zu prüfen-, ob die lötbare Kontaktstelle auf der Testleiterkarte die erste Struktur, speziell das HMP-Lötmittel, benetzt. Ein Erfolg der Prüfung erfordert auch eine erfolgreiche nachfolgende Entfernung des Teils von der Testleiterkarte, ohne das HMP-Lötmittel an die Leiterkarte zu verlieren. Die vollständige Prüfung als solche prüft außerdem die Nachbesserungsfähigkeit der Struktur. Da die Bondinsel des ersten Teils und der lötbare Bereich der Leiterkarte beide niedrige Schmelzpunkte aufweisen, besteht weiterhin eine Wahrscheinlichkeit dafür, daß sich das HMP-Lötmittel von dem Teil ablöst, wenn jede LMP-Verbindung geschmolzen wird.
Ein letztes Problem bei den früheren Strukturen, einschließlich derjenigen von Satoh, besteht darin, daß während der Erwärmung zur Befestigung ein Volumen des LMP-Lötmittels von der Leiterkarte nicht nur die zugehörige Oberfläche des HMP-Lötmittels benetzt, sondern sich auch als Kragen an den Seiten des HMP-Lötmittels hochzieht und die Bondinsel aus LMP-Lötmittel benetzt, die sich auf dem ersten Teil befindet. Wenn dies geschieht, fließt das LMP-Lötmittel aus der Bondinsel auf dem ersten Teil heraus, und es tritt "Brückenbildung", d.h. Kurzschließen zwischen Kontaktstellen, auf.
Was daher benötigt wird, ist eine prüfbare Verbindungselementstruktur, welche die oben angeführten Probleme vermeidet.
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lötmittel-Verbindungselementstruktur bereitzustellen, die nachbesserbar ist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Prüfstruktur zur Verwendung mit Verbindungselementstrukturen aus Lötmittelkugeln.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Verbindungselementstruktur aus Lötmittel, die leicht und wiederholt geprüft werden kann.
Eine letzte Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Mittel zur physikalischen Aufrechterhaltung der Integrität der Verbindungen in einer Lötmittelkugelkonfiguration bereitzustellen.

Kurzbeschreibung der Erfindung

Diese und weitere Aufgaben werden durch die vorliegende Erfindung gelöst, bei der wenigstens eine Lötmittelkugel mit hohem Schmelzpunkt durch ein zugehöriges Lötmittel mit niedrigem Schmelzpunkt mit einem Teil verbunden ist. Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird die Oberfläche desjenigen Teils, an dem die Lötmittel mit niedrigem und hohem Schmelzpunkt angebracht sind, dann mit einem flüssigen Epoxid beschichtet, das nachfolgend gehärtet wird. Das Epoxid dient dazu, die HMP-Lötmittelkugel vor dem Prozeßablauf, während des Prozeßablaufs und während einer Nachbesserung in Position zu halten. Die Epoxidschicht dient außerdem dazu, das Kurzschließen oder die Brückenbildung von Kontaktstellen zu verhindern, was ansonsten während der Befestigung des Aufbaus mit niedrigem/hohem Schmelzpünkt an der nächsten Packungsebene auftreten kann. Der Aufbau mit niedrigem/hohem Schmelzpunkt des Teils wird dann mit einer Leiterkarte oder einer weiteren Packungsebene mittels eines zusätzlichen Lötmittelbereichs mit niedrigem Schmelzpunkt verbunden, der mit der Lötmittelkugel mit hohem Schmelzpunkt oder einer Bondoberfläche auf der Leiterkarte oder einer weiteren Packung verbunden sein kann. Dieser verbesserte Aufbau stellt nicht nur eine hervorragende Packung für Verbindungszwecke bereit, sondern ist auch leichter zu prüfen. Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Epoxidbeschichtung nicht verwendet.
Die Erfindung geht die Prüfung des neuartigen Teils als eine Funktion der Struktur selbst an und stellt zusätzlich ein verbessertes Prüfverfahren bereit. Das verbesserte Prüfverfahren beinhaltet eine Prüfstruktur, die LMP-Lötmittel aufweist, das in einer Leiterkarte in einer Struktur angeordnet ist, welche die Anschlußstiftkonfiguration der Lötmittelverbindungselemente des Teils wiederspiegelt, die hinsichtlich Benetzbarkeit zu prüfen sind. Die Leiterkarte wird in Kontakt mit dem zu prüfenden Teil angeordnet und das LMP-Lötmittel wird aufgeschmolzen. Dadurch wird die Benetzbarkeit des Teils ebenso wie seine Wahrscheinlichkeit für eine Brückenbildung festgestellt. Außerdem kann das Teil nach der Prüfung ohne Gefahr, einige der geprüften Verbindungen zu verlieren, leicht entfernt werden.
Die Erfindung wird im folgenden in bezug auf die begleitenden Figuren detaillierter beschrieben, in denen:
Fig. 1A eine Struktur mit kombinierten Verbindungen aus Lötmittel mit niedrigem und hohem Schmelzpunkt und Fig. 1B das Problem der Brückenbildung zwischen LMP-Lötmittelbereichen in einem Verbindungselementaufbau darstellen.
Fig. 2 eine Verbindung der Lötmittelkugel mit hohem Schmelzpunkt mit dem Teil mittels eines LMP-Lötmittelbereichs darstellt.
Fig. 3 die Verbindung des Teils von Fig. 2 mit einer Leiterkarte darstellt. Die Struktur aus Teil/LMP-Lötmittel/HMP-Kugel ist durch Lötmittel mit niedrigem Schmelzpunkt mit der Leiterkarte verbunden.
Fig. 4A und 4B alternative Ausführungsformen von Prüfplatten mit LMP-Lötmittel darstellen, das in einer regelmäßigen Anordnung darauf angeordnet ist, welche die Anschlußstiftkonfiguration der Struktur aus Teil/LMP/HMP-Kugel wiederspiegelt.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Wie oben erwähnt, kann die vorliegende Erfindung zur Verwendung beim Verbinden beliebiger Teile, die eine elektrische Verbindung erfordern, angewendet werden. Auf dem Gebiet der Elektronik ist eine Unzahl von Strukturen vorhanden, die eine Verbindung mit anderen ähnlichen Strukturen oder mit anderen Packungsebenen erfordern. Beispiele umfassen das Anbringen eines integrierten Schaltkreischips an einem metallisierten Substrat; das Anbringen einer Schaltungsplatte, auf der mehrere Chips angebracht wurden, an einer Leiterkarte, die einen Verbindungsschaltungsaufbau bereitstellt; etc.. Zwecks Klarheit und Konsistenz bei der Beschreibung der vorliegenden Erfindung wird überall in der Beschreibung auf zwei spezielle Strukturen Bezug genommen. Ein erstes Teil, zu dem eine Verbindung gewünscht ist, und ein mit dem ersten Teil zu verbindendes zweites Teil; im folgenden das "Teil" beziehungsweise die "Leiterkarte". Das Teil ist im wesentlichen eine elektronische Struktur mit dielektrischen und metallischen Bereichen. Die metallisierten Bereiche enden an der Oberfläche des Teils. Im allgemeinen sind metallisierte Bondinseln vorhanden, die eine Verbindung mit dem internen Metallmaterial herstellen und die zu Verbindungszwecken an der Oberfläche des Teils vorgesehen sind. Es wird angenommen, daß auch die Leiterkarte aus einem dielektrischen Material besteht, das metallisierte Gebiete aufweist, die ebenfalls an Bondinseln aus Metall enden. Es ist sowohl eine Verbindung des zugehörigen Metallmaterials als auch die Prüfbarkeit der Verbindungselementstrukturen gewünscht.
In Fig. 1A ist ein Teil 10 mit einer Leiterkarte 11 zu verbinden. Das Teil 10 weist ein internes Metallmaterial 14 auf, das an der Oberfläche bei Bondinseln 12 endet. Ein Lötmittel 16 mit niedrigem Schmelzpunkt (LMP) wird an der Bondinsel 12 angebracht. Eine Lötmittelkugel 18 mit hohem Schmelzpunkt (HMP) wird in Kontakt mit dem LMP-Lötmittel 16 angeordnet, und der Aufbau wird erwärmt, um das LMP-Lötmittel aufzuschmelzen, das dann die nicht geschmolzene HMP-Lötmittelkugel benetzt.
Die Begriffe niedriger Schmelzpunkt, LMP, und hoher Schmelzpunkt, HMP, sind keine Begriffe, mit denen spezielle Temperaturen verknüpft sind. Die Anforderung für die vorliegende Erfindung besteht darin, daß das Lötmittel, das an der Bondinsel auf dem Teil angebracht wird, einen niedrigeren Schmelzpunkt als jenen der HMP-Lötmittelkugel aufweist. Beispiele für Materialien, die geeignet sind, umfassen ein eutektisches Lötmittel aus 37/63 Gewichtsprozent Pb/Sn für das LMP-Material und eine nicht eutektische Lötmittelzusammensetzung aus 90/10 Gewichtsprozent Pb/Sn für das HMP-Material. Es gibt einen weiten Bereich von Materialien, die für die vorliegende Erfindung geeignet sind, von denen viele überall auf dem Fachgebiet unter Bezugnahme auf Lötmittelverbindungen angeführt werden.
Es ist möglich, die LMP-Lötmittelpaste an der HMP-Kugel anzubringen (durch Siebdruck) und dann die Bondoberfläche (Kontaktstelle) mit dem LMP-Lötmittel in Kontakt zu bringen, wodurch bewirkt wird, daß die LMP-Lötmittelpaste und die HMP-Kugel an der Bondinsel angebracht werden. Ein alternatives Verfahren besteht darin, das LMP-Lötmittel in Form einer Paste auf die Bondinsel durch Siebdruck aufzubringen und dann die HMP-Kugel und das LMP-Lötmittel in Kontakt zu bringen. Die Reihenfolge der Anbringungsschritte ist für die Erfindung nicht entscheidend.
Wenn der Aufbau aus dem Teil 10 mit Bondinsel 12, LMP-Lötmittel 16 und HMP-Kugel 18 hergestellt wurde, ist er dafür bereit, an die nächste Packungsebene, im folgenden die "Leiterkarte" 11, angefügt zu werden. Die Leiterkarte 11 ist ebenfalls mit einem internen Metallmaterial 15 dargestellt, das auf der Oberfläche an einer Bondinsel 17 endet. Sowohl im Fall des Teils als auch der Leiterkarte kann, wenn die Bondinsel aus einer LMP-Lötmittel-Kontaktstelle gefertigt ist, sie allein sowohl als die Bondinsel als auch als das LMP-Lötmittel dienen. Zu Illustrationszwecken werden die zwei Funktionen getrennt und getrennten Teilen, Kontaktstelle und Lötmittel, zugeordnet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das zusammengebaute Teil 10. mit Kontaktstelle 12, LMP-Lötmittel 16 und HMP-Kugel 18 mit dem Teil 11 mit Kontaktstelle 17 und LMP-Lötmittel 13 in Kontakt gebracht, und die beiden werden auf eine Temperatur erwärmt, die ausreicht, um das LMP-Lötmittel aufzuschmelzen, die jedoch nicht ausreicht, um die HMP-Lötmittelkugel zu schmelzen. Das LMP-Lötmittel 13, das an der Bondinsel 17 auf der Leiterkarte 11 angebracht ist, benetzt die HMP-Kugel, und die Verbindung wird erzielt.
Es ist zu erwähnen und für den Fachmann offensichtlich, daß das Lötmittel mit niedrigem Schmelzpunkt, das mit der Leiterkarte verbunden ist, vor einem Anfügen des Teil/Kugel-Aufbaus an der Leiterkarte direkt an einer Bondinsel, wie 17 in Fig. 1A, oder an der HMP-Kugel 18 an der äußeren Verbindungsoberfläche angebracht werden kann. Das LMP-Lötmittel kann an der HMP-Kugel als ein zusätzlicher Bereich des Teilaufbaus angebracht werden, der dann aus dem Teil, dem LMP-Lötmittel, der HMP-Lötmittelkugel und dem LMP-Lötmittel bestehen würde. Wenn das letztere Verfahren gewählt wird, kann das zusammengesetzte Teil dann mit der Leiterkarte in Kontakt gebracht werden, die lediglich eine benetzbare Bondinsel an ihrer Oberfläche aufweist; und das Teil und die Leiterkarte werden dann, wie oben, auf eine Temperatur erwärmt, die ausreicht, um das LMP-Lötmittel aufzuschmelzen, das sich auf dem Teil befindet und in Kontakt mit der Bondinsel auf der Leiterkarte ist. Das LMP-Lötmittel 13, das an der Ball-Leiterkarten-Grenzfläche verwendet wird, kann eine dritte Lötmittelzusammensetzung oder das gleiche LMP-Lötmittel 16 sein, das an der Teil-Kugel-Grenzfläche verwendet wird.
Fig. 1B stellt das Problem der Brückenbildung dar, das auftreten kann, wenn das obige Verfahren verwendet wird. Das LMP-Lötmittel 13, das mit der Leiterkarte 11 verbunden ist, kann sich, wenn es erwärmt wird, als Kragen an den Seiten der HMP-Kugel 18 hochziehen und das LMP-Lötmittel 16 benetzen, das mit der Bondinsel 12 auf dem Teil verbunden ist. Das Ergebnis ist ein Kurzschluß zwischen benachbarten Bondstellen, wie er durch die Bondinsel und das LMP-Lötmittel 13 und 16 definiert ist. Das endgültige Resultat ist selbstverständlich ein unbrauchbares Teil.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, wie sie in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist, löst dieses Brückenbildungsproblem. Die Struktur und ihr Herstellungsverfahren sind konsistent mit den oben dargestellten bis zu und einschließlich der Anbringung der HMP-Lötmittelkugeln an dem Teil. In diesem Stadium der Herstellung wird in Fig. 2 eine Schicht 20 angebracht. Die Schicht 20 besteht aus einer Epoxidschicht, die an der Oberfläche des Teils mit einer Dicke angebracht wird, die ausreicht, um das LMP-Lötmittel 16 zu bedecken und die HMP-Lötmittelkugel 18 zu kontaktieren, jedoch nicht zu bedecken. Die Schicht wird in Form einer Flüssigkeit angebracht, die nachfolgend in Abhängigkeit von dem gewählten Epoxid durch Wärmebehandlung oder durch Kühlen verfestigt wird.
Das Epoxid ist von einem Typ gewählt, der zur Verwendung mit elektronischen Komponenten entwickelt wurde, wie im US-Patent Nr. 4 701 482 von Itoh et al. angegeben, dessen Offenbarung durch Verweis hierin aufgenommen wird. Das Patent von Itoh führt in Sp. 1, Zeilen 36 bis 45 die Qualitäten an, die bei einem Epoxid, das für elektronische Anwendungen entwickelt wurde, wünschenswert sind. Jene Qualitäten sind für die vorliegende Erfindung zusammen mit der Anforderung wünschenswert, daß das Epoxid eine hervorragende Fließfähigkeit aufweist; d.h. daß es leicht fließt, um die Oberfläche des Teils gleichmäßig zu bedecken. Weitere zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignete Epoxide sind jene in Christie et al., US-Patentanmeldung Seriennr. 493 126, eingereicht am 14. März 1990, offenbarten, deren Offenbarung durch Verweis hierin aufgenommen ist.
Das bevorzugte Verfahren zum Anbringen des Epoxids für die vorliegende Erfindung besteht darin, das flüssige Epoxid mit einer Verteilernadel an der Oberfläche aufzubringen. In den Fällen von Oberflächen großer Teile kann es wünschenswert sein, die Flüssigkeit an mehreren Stellen auf der Oberfläche gleichzeitig zu injizieren, um eine Bedeckung sicherzustellen.
Die Geometrie der Lötmittelstruktur trägt zu der gleichmäßigen Verteilung der Flüssigkeit bei, da die Flüssigkeit nicht leicht an den Seitenwänden der Lötmittelkugeln 18 hochsteigt.
Es ist beabsichtigt, daß die Epoxid-Rückhalteschicht mit anderen Lötmittelsystemen ebenso wie mit der bevorzugten LMP/HMP-Kugelstruktur hierin verwendet werden kann.
Wie in Fig. 2 dargestellt, sollte die Epoxidschicht das LMP-Lötmittel 16 bedecken, jedoch die HMP-Lötmittelkugeln vorzugsweise nicht vollständig bedecken. Es ist bevorzugt, daß der Epoxidschichtkontakt zwischen etwa 20 % bis 80 % der "Höhe" der HMP- Lötmittelkugel beträgt. Die bevorzugte Menge an Epoxid ist selbstverständlich von Herstellungs- und Verwendungsbedingungen abhängig. Es versteht sich jedoch, daß es bevorzugt ist, daß das Epoxid die HMP-Lötmittelkugel und die Verbindung nicht vollständig einkapselt. Die Gründe dafür sind wenigstens zweifach. Der erste besteht darin, daß die Nachbesserungsfähigkeit der Anordnung zerstört ist. Zweitens kann Wärme in der vollständig eingekapselten Verbindung eingefangen werden, so daß ein Verbiegen der Leiterkarte auftreten kann. Es ist jedoch möglich, wenngleich nicht bevorzugt, daß das Epoxid die Verbindung vollständig einkapselt, wenn eine Nachbesserungsfähigkeit nicht notwendig ist oder das Entstehen von Wärme kein Problem ist. In Fig. 3 ist das Teil 10 mit dem LMP-Lötmittel 16, der HMP-Lötmittelkugel 18 und der Epoxidschicht 20 an die Leiterkarte 11 angefügt. Wie oben erwähnt, kann das LMP-Lötmittel, das mit der Bondoberfläche auf der Leiterkarte verbunden ist, direkt an den Bondinseln 17 auf der Leiterkarte 11 angebracht werden; oder es kann zuerst an der freiliegenden Oberfläche der HMP-Lötmittelkugel 18 angebracht werden, bevor das Teil und die Leiterkarte in Kontakt miteinander gebracht werden. In jedem Fall steht das LMP-Lötmittel 13 an der Grenzfläche zur Verfügung, wenn das Teil und die Leiterkarte zusammengebracht werden. Das Teil und die Leiterkarte werden in Kontakt miteinander angeordnet, und der Aufbau wird erwärmt, um das LMP-Lötmittel 13 aufzuschmelzen. Beim Abkühlen werden das Teil und die Leiterkarte zusammengefügt.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in der Prüfbarkeit des Aufbaus. Es ist vorteilhaft, das Teil 10 mit seiner zugehörigen Kontaktstelle 12, dem LMP-Lötmittel 16 und der HMP-Kugel 18 zu prüfen, bevor versucht wird, das Teil an die Leiterkarte anzufügen. Die Prüfung, die an diesem Punkt durchgeführt wird, ist eine Benetzbarkeitsprüfung, wie oben beschrieben. Die Nachteile des Prüfens haben in der Vergangenheit die Gefahr beinhaltet, die HMP-Kugel während des Prüfens zu "verlieren". Die vorliegende Struktur eliminiert dieses Problem mittels der Epoxidschicht. Das Epoxid hält die HMP-Kugel während des Prüfens und während jeglicher Nachbesserung buchstäblich in Position. Die vorliegende Erfindung stellt außerdem eine Prüfstruktur bereit, die sogar vor einer Anbringung der Epoxidschicht verwendet werden kann und die das Problem einer versehentlichen Entfernung der HMP-Kugeln eliminiert.
Die Prüfstruktur ist in den Figc 4A und 4B als alternative Ausführungsformen dargestellt, die im Teilquerschnitt gezeigt sind. Die Benetzbarkeitsprüfung erfordert, daß das LMP-Lötmittel auf die HMP-Kugeln aufgeschmolzen wird, um die Benetzbarkeit der Kugeln zu bestimmen. Die erfinderische Struktur und Prüfung sehen eine Zwischenlage 22 oder 24 vor, auf der LMP-Lötmittelkugeln in der genauen Anschlußstiftkonfiguration angeordnet werden, die mit den Verbindungen auf dem zu prüfenden Teil korreliert. Das LMP-Lötmittel 21 in Fig. 4A oder 23 in Fig. 4B wird mit den zu prüfenden HMP-Kugeln in Kontakt gebracht. Es ist zu erwähnen, daß die Zwischenlage 22 Vertiefungen aufweist, die das Lötmittel 21 teilweise aufnehmen. Die Konfiguration wird erwärmt, um das LMP-Lötmittel aufzuschmelzen -- wiederum auf eine Temperatur, die nicht ausreichend ist, um die HMP-Kugeln zu schmelzen -- um zu sehen, ob es die HMP-Kugeln benetzt. Wenn die Benetzbarkeit festgestellt wurde, wird der Aufbau erneut erwärmt, um das Zwischenlage/Prüfstück zu entfernen. Die Tatsache, daß die LMP-Lötmittelstücke in der Zwischenlage angeordnet sind, wie in Fig. 4A gezeigt, gewährleistet, daß sich das Lötmittel von den HMP-Kugeln trennt und daß sich die HMP-Kugeln nicht in der Position verschieben. Es ist für die Prüfung nicht von Bedeutung, daß etwas LMP-Lötmittel auf den HMP-Kugeln verbleibt. Die Kugeln verschieben sich während des Erwärmens, während dem das LMP-Lötmittel, durch das die Kugeln an dem Teil angebracht sind, leicht schmelzen kann, nicht. Die Anwesenheit der starren Zwischenlage verhindert ein Verschieben der HMP-Kugeln.
Die Zwischenlage sollte aus einem Material gefertigt sein, das durch die Erwärmungsprozedur nicht beeinflußt wird. Glas oder Keramik sind die bevorzugten Materialien, auf die das LMP-Lötmittel aufgebracht werden sollte.
Das LMP-Lötmittel kann auf die Oberfläche der Zwischenlage, wie in Fig. 4B gezeigt, auch in einer Struktur aufgebracht werden, in diesem Fall wird jedoch das LMP-Lötmittel selbst während des Prüfens nicht physisch zurückgehalten und kann zu einer Verschiebung der Kugeln beitragen, wenn das Prüfstück nicht stationär lateral gehalten wird. Wenn das Prüf-LMP-Lötmittel auf dem Glas oder der Keramik angeordnet ist, neigt es eher dazu, nach einer Trennung des Teils von der Zwischenlage auf den HMP-Lötmittelkugeln zu verbleiben.
Der mit der erfinderischen Prüfstruktur und dem erfinderischen Prüfverfahren verknüpfte Prozeßablauf ist folgendermaßen:
Anbringen von Lötmittelkugeln aus HMP-Lötmittel am Teil und
Epoxid;
Anbringen von LMP-Lötmittel an einer Glasplatte;
Drücken des Teils und der Lötmittelkugeln in die Paste; und Aufschmelzen.
Es ist ersichtlich, daß das vorliegende Prüfverfahren und die vorliegende Prüfstruktur vor der Anbringung von Epoxid an dem Teil verwendet werden können.

Claims

1. Elektrische Verbindungselementstruktur auf einem Substrat, die beinhaltet:

wenigstens einen ersten Lötmittelbereich auf der Oberfläche des Substrates;

wenigstens einen zweiten Lötmittelbereich, der mit jedem der wenigstens einen ersten Lötmittelbereiche verbunden ist, wobei der erste Lötmittelbereich einen Schmelzpunkt besitzt, der niedriger als der Schmelzpunkt des zweiten Lötmittelbereiches ist; und

eine Epoxidschicht, die um den wenigstens einen ersten und den wenigstens einen zweiten Lötmittelbereich in einer derartigen Weise angeordnet ist, daß sie den ersten Lötmittelbereich bedeckt und den zweiten Lötmittelbereich kontaktiert, jedoch nicht bedeckt.

2. Elektrische Verbindungselementstruktur nach Anspruch 1, die zusätzlich wenigstens eine Bondinsel auf der Oberfläche des Substrates aufweist, wobei der wenigstens eine erste Lötmittelbereich auf der wenigstens einen Bondinsel angeordnet ist.

3. Elektrische Struktur nach Anspruch 1 oder 2, die des weiteren wenigstens einen dritten Lötmittelbereich beinhaltet, der auf der freiliegenden Oberfläche des wenigstens einen zweiten Lötmittelbereiches angeordnet ist.

4. Elektrische Verbindungselementstruktur nach Anspruch 3, wobei der dritte Lötmittelbereich einen Schmelzpunkt besitzt, der niedriger als jener des zweiten Lötmittelbereiches ist.

5. Elektrische Verbindungselementstruktur nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei das erste Lötmittel ein eutektisches Lötmittel ist und das zweite Lötmittel ein nicht eutektisches Lötmittel ist.

6. Elektrische Verbindungselementstruktur nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der erste Lötmittelbereich ein Lötmittel mit 37/63 Gewichtsprozent Pb/Sn beinhaltet und der zweite Lötmittelbereich ein Lötmittel mit 90/10 Gewichtsprozent Pb/Sn beinhaltet.

7. Elektrische Verbindungselementstruktur nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der zweite Lötmittelbereich ein Lötmittelkugelbereich ist.

8. Elektronisches Packungssystem, das beinhaltet:

ein metallisiertes Keramiksubstrat, das mittels der elektrischen Verbindungselementstruktur nach irgendeinem der Ansprüche 3 bis 7 mit einer organischen Leiterplatte verbunden ist, wobei die Epoxidschicht den wenigstens einen ersten Lötmittelbereich und den wenigstens einen zweiten Lötmittelbereich an dem Substrat festhält, wenn der Aufbau zur Reparatur getrennt wird.

9. Verfahren zur Erzielung eines elektrischen Verbindungsaufbaus auf einer elektronischen Struktur, das die Schritte umfaßt:

Anbringen von wenigstens einem ersten Lötmittelbereich an der Oberfläche der Struktur;

Anbringen von wenigstens einem zweiten Lötmittelbereich an dem wenigstens einen ersten Lötmittelbereich, wobei der wenigstens eine erste Lötmittelbereich einen Schmelzpunkt besitzt, der niedriger als jener des wenigstens einen zweiten Lötmittelbereichs ist; und

Anordnen eines ersten dielektrischen Mediums auf der Oberfläche der Struktur, das den wenigstens einen ersten Lötmittelbereich bedeckt und den wenigstens einen zweiten Lötmittelbereich kontaktiert, jedoch nicht bedeckt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, das des weiteren den Schritt zum Anordnen von wenigstens einem dritten Lötmittelbereich auf dem wenigstens einen zweiten Lötmittelbereich beinhaltet.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der wenigstens eine dritte Lötmittelbereich einen Schmelzpunkt besitzt, der niedriger als jener des wenigstens einen zweiten Lötmittelbereichs ist.

12. Verfahren nach Anspruch 9, 10 oder 11, wobei das erste dielektrische Medium aus einem Epoxid besteht und wobei der Anordnungsschritt das Verteilen von flüssigem Epoxid auf der Oberfläche und das Verfestigen des Epoxids beinhaltet.

13. Verfahren nach Anspruch 10, wobei eine zweite Struktur vorliegt und das Verfahren eine elektrische Verbindung von zwei elektronischen Strukturen erzielt, wobei das Verfahren die weiteren Schritte umfaßt:

Anbringen von wenigstens einem dritten Lötmittelbereich auf der Oberfläche der zweiten Struktur;

Inkontaktbringen des wenigstens einen zweiten Lötmittelbereichs, der zu der ersten Struktur gehört, mit dem wenigstens einen dritten Lötmittelbereich auf der zweiten Struktur; und

Erwärmen der kontaktierten Bereiche auf eine Temperatur, die ausreicht, um wenigstens einen der sich berührenden Lötmittelbereiche zu schmelzen.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Erwärmen ein Erwärmen auf die Schmelztemperatur des dritten Lötmittels beinhaltet.

15. Verfahren nach Anspruch 10, wobei eine zweite Struktur vorliegt und das Verfahren eine elektrische Verbindung von zwei elektronischen Strukturen erzielt, wobei das Verfahren die weiteren Schritte umfaßt:

Anbringen von wenigstens einem dritten Lötmittelbereich an der freiliegenden Oberfläche des wenigstens einen zweiten Lötmittelbereichs;

Bereitstellen von wenigstens einer Bondinsel auf der Oberfläche der zweiten Struktur;

Inkontaktbringen des wenigstens einen dritten Lötmittelbereichs, der zu der ersten Struktur gehört, mit der wenigstens einen Bondinsel auf der zweiten Struktur; und

Erwärmen des wenigstens einen kontaktierten Bereichs und der Insel auf eine Temperatur, die ausreicht, um den wenigstens einen dritten Lötmittelbereich zu schmelzen.

16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Erwärmen ein Erwärmen auf eine Temperatur beinhaltet, die ausreicht, um den wenigstens einen zweiten Lötmittelbereich zu schmelzen.

17. Verfahren nach Anspruch 13 oder 15, wobei die Struktur ein metallisiertes Keramiksubstrat ist und die zweite Struktur eine organische Leiterplatte ist.

18. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 9 bis 17, wobei der wenigstens eine zweite Lötmittelbereich ein Lötmittelkugelbereich ist.