DE69205385T2 - Lötflussmittel. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft Lötflußmittel und deren Verwendung bei Verfahren zum Verlöten von Bauteilen, insbesondere von metallischen Bauteilen. Die Flußmittelzusammensetzungen der Erfindung sind im Bereich der Mikroelektronik von besonderem Nutzen, so zum Beispiel in der Vorbereitung von Modulen und Leiterplatten mit integrierten Schaltungen.
• Eine übliche Aufgabe bei der Herstellung von Mikroelektronikbauteilen besteht in der Herstellung von Einzelchip- oder Mehrchipmodulen mit Eingabe-/Ausgabestiften, die in ein Substrat eingefügt werden. Die Eingabe-/Ausgabestifte sorgen für die notwendigen elektrischen Anschlüsse zu einem oder mehreren integrierten Leiterplattenchips, die nachfolgend mit dem Substrat oder Träger verbunden werden. In anderen gegenwärtig bekannten Herstellungsverfahren wird ein Chip direkt auf eine gedruckte Leiterplatte aufgelötet. Bei beiden Verfahren werden typischerweise Lötflußmittelzusammensetzungen auf die Stifte aufgetragen, um das Bauteil mit dem ausgewählten Substrat, z.B. mit der gedruckten Leiterplatte, zu verbinden. Flußmittelzusammensetzungen werden eingesetzt, um Oxide von den Stiften zu entfernen und um eine Oxidation der Stifte zu verhindern, wenn diese erhöhten Löttemperaturen ausgesetzt werden, und dienen somit zur Aufrechterhaltung der Lötbarkeit der Stifte. Nachdem das Lötmittel aufgetragen wurde, müssen jegliche Flußmittelzusammensetzungen oder auf den Stiften und Substraten verbliebene Flußmittelrückstände entfernt werden, damit das Substrat so rein wie möglich ist. In der Vergangenheit bedeutete dies, daß ein zusätzlicher Schritt zum Entfernen des Flußmittels im Herstellungsprozeß erforderlich war.
• Der Lötvorgang allgemein und die Entfernung des Flußmittels im besonderen wird bei der Anwendung der Verfahren auf den Bereich der Mikroelektronik zunehmend erschwert. Die mitein- ander zu verbindenden Teile sind äußerst klein und erschweren dadurch die Reinigung, Verzinnung, Nachreinigung und Kontrolle. Zur Vermeidung von Überhitzung kann in einigen Fällen während des Lötvorgangs nur der leitende Anteil der miteinander zu verbindenden Teile erwärmt werden. Aufgrund der geringen Bauteilgröße, ihrer großen Anzahl und der potentiellen Beschädigung der Elektronik durch die ggf. verwendeten Reinigungslösungen werden sowohl Reinigung als auch Nachreinigung erschwert. Eine weitere Problemquelle ergibt sich aus der Tatsache, daß viele der bekannten Lötflußmittel korrosiv sind. Im Bereich der Mikroelektronik können äußerst kostspielige Bauteile durch die korrodierende Wirkung von Flußmittel rückständen zerstört werden.
• Viele der gegenwärtig verfügbaren organischen, wasserlöslichen Flußmittel enthalten korrosive Substanzen wie z.B. Halogenide. Bei einer Flußmittelzusammensetzung, die freies Halogen enthält, kann das Halogen aufgrund von Hydrolyse bei Löttemperatur in Wasserstoffsäuren und entsprechenden Habgenidionen umgewandelt werden. Überdies können Wasserstoffsäuren mit organischen Substanzen reagieren, die im Flußmittel enthalten sind, wobei Halogenidionen freigesetzt werden. Wenn die Flußmittelrückstände nicht vollständig entfernt werden, führt dies folglich zu einer Korrosion der gelöteten Teile.
• Aufgrund dieser Probleme wurden im Bereich der Mikroelektronik bisher sogenannte "nicht aktivierte" Harzflußmittel in Verbindung mit einer reduzierenden Atmosphäre in den Lötgeräten verwendet. Dies führte in der Regel jedoch nicht zu einer akzeptablen Lösung: Da die Fähigkeit des reinen Harzes, Oxide zu entfernen, beschränkt ist, kann eine Nachbearbeitung erforderlich sein, um ein akzeptables Produkt herzustellen, und häufig ist auch eine spezielle Lötatmosphäre und/oder Lötausrüstung erforderlich.
• Um die Oxidentfernungseigenschaften des reinen Harzflußmittels zu verbessern, wurden eine Reihe von "aktivierten" oder "leicht aktivierten" Harzflußmitteln entwickelt (siehe zum Beispiel die US-Patentschrift US-4.278.479). Diese Produkte weisen jedoch mehrere Nachteile auf, einschließlich der Notwendigkeit eines Reinigungsschritts, um die Entfernung von korrodierenden Mitteln im Anschluß an den Lötvorgang sicherzustellen. Beispielsweise war es häufig notwendig, spezielle Detergentien auf Wasserbasis einzusetzen und im Anschluß daran mit heißem Wasser zu spülen. Diese Reinigungsschritte waren während der Montage der Chips auf den integrierten Leiterplatten außerordentlich schwierig, da die geringe Abstandshöhe der Chips zum Substrat (typischerweise 25-100 Mikrometer, 0,001 - 0,004 Zoll) die Reinigung unter dem Chip mit Hilfe eines wäßrigen oder inaktiven Verfahrens stark erschwerte.
• Andere der von uns untersuchten, im Handel verfügbaren Flußmittel mit geringen Rückständen erwiesen sich als zu dünnflüssig; d.h. sie liefen während des Herstellungsvorgangs unter dem Chip heraus und konnten den Chip nicht in seiner Position fixieren.
• Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Lötflußmittel und ein Verfahren zur Verwendung eines solchen Flußmittels bereitzustellen, das die oben beschriebenen Probleme und Nachteile auf ein Minimum reduziert.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Lötflußmittel bereitgestellt, das bei der Montage von Chips auf integrierten Leiterplatten zum Einsatz kommt, bei denen die Abstandshöhe der Chips zu den Leiterplatten in der Größenordnung von 25 - 100 Mikrometer (0,001 bis 0,004 Zoll) liegt, wobei das Flußmittel folgendes umfaßt: 5 -30 Gewichtsprozent Hydroabietalalkohol als Flußmittelbasis entsprechend dem Gesamtgewicht des Flußmittels; 1 bis 6 Gewichtsprozent eines organischen Aktivators, basierend auf dem Gesamtgewicht des Flußmittels;
• wobei die übrigen Anteile auf mindestens ein organisches Lösungsmittel entfallen.
• Weiterhin wird ein Verfahren zum Verschmelzen der Oberfläche eines Teilabschnitts mit einer Bauteiloberfläche offenbart, das die Schritte des Inkontaktbringens des aufzuschmelzenden Teilabschnitts mit einer Lösung umfaßt, die im wesentlichen aus einer Mischung mit 5 bis 30 Gewichtsprozent Hydroabietalalkohol als Flußmittelbasis, 1-6 Gewichtsprozent eines organischen Aktivators sowie einem organischen Lösungsmittel besteht; des Erwärmens des mit dem Flußmittel in Kontakt gebrachten Teilabschnitts auf eine Temperatur, bei der der organische Aktivator mit auf der Oberfläche vorhandenen Oxiden reagiert und die Lösung verdampft.
• Das Lötflußmittel gemäß der vorliegenden Erfindung enthält in seiner Zusammensetzung Hydroabietalalkohol, der ein klebriges, jedoch flüssiges Medium als Flußmittelbasis liefert, ein flüssiges Lösungs- oder Verdünnungsmittel wie z.B. Isopropylalkohol oder einen anderen aliphatischen Alkohol mit etwa 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, und eine organische Aktivatorzusammensetzung wie z.B. eine aliphatische Dikarbonsäure. Durch Kombination dieser Ingredienzen entsteht ein flüssiges Lötflußmittel, das auch nach dem Auftragen klebrig bleibt und einen präzise ausgerichteten Chip in seiner Position für die Aufschmelzlötung fixiert, und das nachfolgend thermisch abgeführt wird und keine sichtbaren Rückstände hinterläßt, die einen Reinigungsschritt erfordern würden.
• Das Verfahren der Erfindung kann zum Aufschmelzen des Stiftes eines integrierten Leiterplattenchips und/oder des Kontaktierungsflecks des Substrats auf vorteilhafte Weise zur Anwendung kommen. Der aufzuschmelzende Anteil wird mit dem Lötflußmittel der Erfindung in Kontakt gebracht, und der benetzte Anteil wird auf eine Temperatur erwärmt, bei der der organische Aktivator mit den auf der Oberfläche des Bauteils vorhandenen Oxiden reagiert, und nachfolgend verdampft die Lösung, ohne Rückstände zu hinterlassen.
• Beim Zusammenfügen des Chips mit einem Substrat, z.B. einer gedruckten Leiterplatte, werden der Stift und ein ausgewählter Bereich auf dem Substrat, auf dem zuvor Lötmittel aufgetragen wurde, unter Verwendung der Flußmittelzusammensetzung der Erfindung verschmolzen. Der Chip und das Substrat werden miteinander in Kontakt gebracht und bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes eines metallischen Lötmittels verbunden und anschließend auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Lötmittels gekühlt, wodurch die kontaktierten Bereiche zusammengefügt werden, ohne daß eine Nachreinigung der miteinander verbundenen Bauteile erforderlich ist.
• Zum besseren Verständnis der Erfindung werden im folgenden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
• Die Lötmittelzusammensetzungen der Erfindung enthalten: (1) Hydroabietalalkohol als Flußmittelbasis, (2) ein organisches Lösungsmittel oder Verdünnungsinittel und (3) einen organischen Aktivator des Typs, der mit Oxiden reagiert, die auf der zu verschmelzenden Oberfläche vorhanden sind.
• Die Flußmittelbasis des vorhandenen Lötflußmittels ist ein spezielles Derivat aus der Harzfamilie, das in traditionellen Harzflußmitteln verwendet wird. Es ist ein reiner Bestandteil, der veredelt werden muß, da es in großen Mengen nicht natürlich vorkommt. Es muß die geforderten Eigenschaften bezüglich der Bildung eines klebefreudigen Mediums bei der Kombination mit dem organischen Aktivator und Lösungsmittel in den gewünschten Proportionen aufweisen und einen Chip oder ein Bauteil bis zu acht Stunden nach dessen Anordnung auf einem Substrat sowie während der Aufschmelzung wirksam in seiner Position fixieren. Hydroabietalalkohol ist eine sehr klebefreudige und äußerst viskose Substanz, die gewöhnlich erwärmt werden muß, bevor sie den anderen Flußmittelbestandteilen hinzugefügt werden kann. Sie verflüchtigt sich bei Temperaturen über 200 Grad Celsius und wird erst bei einer Temperatur von 340 Grad Celsius in Kohlenstoff umgewandelt, was für den bei Aufschmelzlötungen verwendeten Temperaturbereich angemessen ist.
• Hydroabietalalkohol weist folgende Strukturformel auf oder
• und ist bei der Hercules Corporation in Wilmington im US-Bundesstaat Delaware unter der Handelsbezeichnung "ABITOL" erhältlich.
• Der Hydroabietolalkoholbestandteil wird in der Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung in Mengen von ca. 5 bis ca. 30 Gewichtsprozent basierend auf dem Gewicht der gesamten Flußmittelzusammensetzung verwendet.
• Die Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung enthalten auch einen organischen Aktivator, der Oxide auf der zu verschmelzenden Oberfläche wirksam entfernt und die Benetzung des Substrats verbessert. Der organische Aktivator ist vorzugsweise von Natur aus flüchtig und löst sich bei einer Erwärmung im Bereich von 200 Grad Celsius und darüber vollständig auf. Zu den bevorzugten organischen Aktivatoren gehören beispielsweise Abietinsäure, Adipinsäure und Zitronensäure sowie aliphatische Dikarbonsäuren mit etwa zwei bis sechs Kohlenstoffatomen. Jeder der bevorzugten Aktivatoren ist im Handel erhältlich. Adipinsäure ist beispielsweise ein weißer kristalliner Feststoff mit einem Molekulargewicht von rund 146,14 und einem Schmelzpunkt von 153 Grad Celsius. In der Natur kommt sie in Rübensaft vor und kann durch Oxidation von Zyklohexanol mit konzentrierter Salpetersäure hergestellt werden. Sie ist allgemein bei der Aldrich Company Inc., Sigma Chemical Company und Eastman Kodak Company erhältlich.
• Der organische Aktivatorbestandteil der Lötflußmittel der Erfindung ist vorzugsweise in Mengen von ca. 1 bis 6 Gewichtsprozent der gesamten Flußmittelzusammensetzung vorhanden.
• Die Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung enthalten ebenfalls mindestens ein organisches Lösungs- oder Verdünnungsmittel, das während des Aufschmelzvorgangs verdunstet oder sich verflüchtigt. Es sind zahlreiche verdunstende organische Lösungsmittel bekannt, wobei das bevorzugte Verdünnungsmittel ein aliphatischer Alkohol mit ca. einem bis vier Kohlenstoffatomen ist, d.h. Methylalkohol, Äthylalkohol, Isopropylalkohol, n-Propylalkohol, Isobutylalkohol und n-Butylalkohol. Andere organische Lösungsmittel, deren Wirksamkeit für den vorliegenden Zweck bekannt ist, schließen Tetrahydrofuran, Aceton, Äthylacetat, Äthylformiat, Hexan, Gamma- Butyrolaceton, Xylol, Zyklohexanon, T-Butylalkohol und Mischungen daraus ein. Die aliphatischen Alkohole werden aufgrund der nicht vorhandenen unangenehmen Gerüche sowie des Ausbleibens von nachteiligen Reaktionen mit den anderen Ingredienzen bevorzugt, zumal sie weder die Umwelt noch die Gesundheit gefährden.
• Der organische Verdünnungsbestandteil des Lötflußmittels der Erfindung ist in Mengen von 64 bis 94 Gewichtsprozent an der gesamten Flußmittelzusammensetzung beteiligt.
• Das folgende nicht einschränkende Beispiel enthält eine bevorzugte Rezeptur für das sich thermisch verflüchtende Lötflußmittel der Erfindung: Bestandteil Gewichtsprozent Hydroabietalalkohol* Organischer Aktivator (Abietin-, Adipin-, Zitronensäure) Lösungsmittel (Isopropylalkohol) *Muß aufgrund seiner extrem hohen Viskosität vor dem Auftragen erwärmt werden.
• Es wurde eine Erfindung mit mehreren Vorteilen offenbart. Während der Verwendung erfolgt eine thermische Verflüchtigung des Lötflußmittels, und es bleiben keine sichtbaren Rückstände zurück, die eine nachträgliche Reinigung erfordern würden. Das Lötflußmittel zeichnet sich durch eine verbesserte Benetzbarkeit aus, wodurch die Aktivität entsteht, die zur wirksamen Entfernung von Oxiden auf der zu verschmelzenden Oberfläche erforderlich ist. Der Hydroabietalalkoholbestandteil liefert ein klebriges, jedoch flüssiges Medium, das einen präzise ausgerichteten Chip bis zu acht Stunden nach seiner Anordnung sowie während der Lötaufschmelzung in seiner Position fixiert. Die Zusammensetzung weist keinerlei korrodierende Eigenschaften auf, selbst wenn sie über einen längeren Zeitraum vor oder nach dem Lötvorgang auf einer Leiterplatte verbleibt. Die einzigen Nebenprodukte des Flußmittels dieser Erfindung sind inert und hinterlassen keine unerwünschten Rückstände. Die Zusammensetzungen können ohne Einsatz von umwelt- und/oder gesundheitsgefährdenden Chemikalien zubereitet werden.

Claims (9)

1. Ein Lötflußmittel zur Verwendung bei der Montage von Chips auf integrierten Leiterplatten, bei denen die Abstandshöhe der Chips zu den Leiterplatten in der Größenordnung von 25 - 100 Mikrometern (0,001 bis 0,004 Zoll) liegt und das Flußmittel folgendes umfaßt: 5 bis 30 Gewichtsprozent Hydroabietalalkohol als Flußmittelbasis basierend auf dem Gesamtgewicht des Flußmittels; 1 bis 6 Gewichtsprozent eines organischen Aktivators basierend auf dem Gesamtgewicht des Flußmittels; wobei die übrigen Bestandteile mindestens ein organisches Verdünnungsmittel enthalten.

2. Ein Lötflußmittel wie in Patentanspruch 1 offenbart, bei dem der organische Aktivator eine aliphatische Dikarbonsäure mit zwei bis sechs Kohlenstoffatomen ist.

3. Ein Lötflußmittel wie in Patentanspruch 1 offenbart, bei dem der organische Aktivator aus der Gruppe ausgewählt wird, die Abietin-, Adipin- oder Zitronensäure umfaßt.

4. Ein Lötflußmittel wie in einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche offenbart, bei dem das organische Verdünnungsinittel ein aliphatischer Alkohol mit einem bis vier Kohlenstoffatomen ist.

5. Ein Lötflußmittel wie in Patentanspruch 4 offenbart, bei dem das organische Lösungsmittel aus der Gruppe ausgewählt wird, die Methylalkohol, Äthylalkohol, Isopropylalkohol, Isobutylalkohol und n-Butylalkohol umfaßt.

6. Ein Verfahren zum Verschmelzen der Oberfläche eines Abschnitts auf einem Bauteil, das die Schritte des Inkontaktbringens des zu verschmelzenden Abschnitts mit einer Lösung umfaßt, die im wesentlichen aus einer Mischung mit 5 bis 30 Gewichtsprozent Hydroabietalalkohol als Flußmittelbasis, 1 bis 6 Gewichtsprozent eines organischen Aktivators sowie einem organischen Verdünnungsinittel besteht; sowie der Erwärmung des benetzten Bereichs auf eine Temperatur, bei der der organische Aktivator mit den auf der Oberfläche vorhandenen Oxiden reagiert und die Lösung verdunstet.

7. Ein Verfahren gemäß Patentanspruch 6, bei dem der verwendete organische Aktivator aus der Gruppe ausgewählt wird, die Abietinsäure, Adipinsäure und Zitronensäure einschließt.

8. Das Verfahren gemäß Patentanspruch 6, bei dem ein aliphatischer Alkohol mit einem bis vier Kohlenstoffatomen als organisches Lösungsmittel verwendet wird.

9. Das Verfahren gemäß Patentanspruch 8, bei dem das organische Verdünnungsmittel aus der Gruppe ausgewählt wird, die Methylalkohol, Äthylalkohol, Isopropylalkohol, n-Propylalkohol, Isobutylalkohol und n-Butylalkohol umfaßt.