DE69634538T2 - Einkapselungsmasse mit fliessmitteleigenschaften und verwendungsverfahren - Google Patents

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft allgemein die Verbindung elektrischer Bauelemente mit Substraten und speziellen das Aufschmelzlöten und insbesondere die Entwicklung von Verkapselung erzeugenden Massen.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Als Verkapselungsmittel für Halbleiterbauelemente sind seit mehr als 25 Jahren Epoxyharz-Zusammensetzungen verwendet worden, wie der am 10. Juni, 1969, erteilten US-P-3 449 641 als Fundstelle zu entnehmen ist.
  • Mit Anhydrid gehärtete Epoxyharz-Verkapselungsmittel, die in den Flip-Chip-Fertigungsmethoden angewendet werden, wurden in den US-P-4 999 699, erteilt am 12. März, 1991, und US-P-5 250 848, erteilt am 5. Oktober, 1993, beschrieben. Zusammensetzungen zum Erzeugen von Verkapselungsmitteln werden nach dem elektrischen Zusammenschalten aufgebracht.
  • Die Aufbringung einer Zusammensetzung zum Erzeugen eines Verkapselungsmittels (Verkapselung) vor dem Zusammenschalten mit Hilfe des Aufschmelzlötens, wobei die elektrische Zusammenschaltung in Gegenwart einer verkapselnden Zusammensetzung erfolgt, wurde in der am 7. Juli, 1992, erteilten US-P-5 128 746 beschrieben. In der US-P-5 128 746 werden Flip-Chip-Herstellungsverfahren beschrieben, wo das elektrische Zusammenschalten durch Zugabe eines Flussmittels zu einer Mischung von Epoxyharz und Vernetzungsmittel vor dem Härten erfolgt. Während des Aufschmelzlötens wird das Flussmittel aktiviert und das Harz vernetzt.
  • Die Verwendung von Vernetzungsmitteln mit Flussmitteleigenschaften findet sich im Stand der Technik in der Internationalen Patentveröffentlichung nach PCT WO 93/06943, veröffentlicht am 15. April, 1993, und ihrer US-Entsprechung der US-P-5 376 403, erteilt am 27. Dezember, 1994. In der Veröffentlichung wurde ein aktiviertes Sintern unter Verwendung eines geschützten Vernetzungsmittels mit Flussmitteleigenschaften in einem Metallpulver und Epoxyharzsystem beschrieben, worin das Lötmittel in Form des leitfähigen Films verwendet wird. Die Zugabe des Lötmittelpulvers wird zum Sintern des Metallpulvers verwendet, das im typischen Fall Kupfer oder Silber ist, bevor das Harz gehärtet ist, um massive elektrisch leitende Brücken zwischen den Pulvermetallpartikeln zu schaffen.
  • Die Verwendung warmhärtender synthetischer Polymerharze gemeinsam mit Lötflussmitteln wurde in der am 12. Februar, 1974, erteilten US-P-3 791 027 beschrieben. Darin wurden Zusammensetzungen aus Epoxidharz beschrieben, worin die Flussmittel mit dem Epoxidharz unter Verfestigung von Lötverbindungen reagieren.
  • Elektrisch leitfähige Klebstoffzusammensetzungen, in denen Lötmittelpulver, ein chemisch geschütztes Vernetzungsmittel mit Flussmitteleigenschaften und ein reaktionsfähiges Monomer oder Polymer (einschließlich Epoxyharze) enthalten sind, wurden in der am 27. Dezember, 1994, erteilten US-P-5 376 403 beschrieben.
  • In der vorliegenden Erfindung ist der Flussmittelzusatz der US-P-5 128 746 eliminiert, während die Funktion der Flussmittelwirkung bewahrt wird, indem ein Vernetzungsmittel gewählt wird, das über die Eigenschaft verfügt, auch als Flussmittel zu dienen. In der Flip-Chip-Fertigungsmethode der vorliegenden Erfindung, wo die elektrische Zusammenschaltung im Inneren der verkapselnden Zusammensetzung erfolgt, beruht die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung im Auswählen einer Kombination eines Vernetzungsmittels mit doppelter Funktion und eines warmhärtenden Harzes oder einer Kombination eines solchen Mittels und eines warmhärtenden Harzes mit einem ausgewählten Katalysator und in der Kontrolle der Folge von Aufschmelzlöten und Gelbildung, um eine Verzögerung des Lötens zu vermeiden. Dieses wird dadurch erreicht, dass eine Zusammensetzung eines Verkapselungsmittels bereitgestellt wird, die unter Profil-Lötmittelrückflussbedingungen bei Oberflächenmontage wirkt, in der die Gelbildung (der Gelbildungspunkt ist erreicht) nach dem Schmelzen des Lötmittels erfolgt, d.h. das Gel ist erzeugt/die Gelbildung tritt auf nach dem Aufschmelzlöten, wodurch das Löten nicht verzögert wird.
  • Wie unter Bezugnahme auf "MANUFACTURING TECHNIQUES FOR SURFACE MOUNTED ASSEMBLIES", Wassink, R. K. und Verguld, M. F., 1995, ELECTROCHEMICAL PUBLICATIONS, LTD., zu entnehmen ist, sind verschiedene Konzepte des IR-Lötens zu einer Hauptmethode übergegangen, nämlich dem Heißkonvektionslöten. Abgesehen von dieser Methode sind andere Methoden jedoch lediglich in speziellen Fällen angewendet worden, wie beispielsweise das Widerstandslöten bei Bondverbindung mit dem Außenanschluss der Kontaktfahne und dem Löten auf Folien.
  • In Wassink et al., S. 275, 276 wird ein typisches Profil für das Aufschmelzlöten beschrieben. Zur Anwendung gelangt ein Heißluft-Konvektionslötofen mit einer Zahl von Zonen, deren Temperatur separat geregelt werden kann, um das gewünschte Temperaturprofil entlang der Länge des gesamten Ofens zu erzielen. Ein solches Profil macht es möglich, dass alle Verbindungsbereiche die Löttemperaturen mit begrenzten Temperaturdifferenzen zwischen den Verbin dungsbereichen der Bauelemente mit unterschiedlicher thermischer Masse erreichen.
  • Wassink et al., beschreiben das typische Herangehen im dreistufigen Beheizen bekannter Ausführung, das oftmals beim Aufschmelzlöten unter Verwendung mehrfacher Heißluft-Konvektionsöfen angewendet wird.
  • Wie ebenfalls in Wassink et al. beschrieben wird, umfassen die drei Schritte:
    • (i) beginnend mit einem schnellen Erhitzen, um Wärme in das Produkt einzutragen (damit wird die Ofenlänge herabgesetzt);
    • (ii) der zweite Schritt zielt auf einem Temperaturausgleich, d.h. die Verminderung der Temperaturunterschiede; in der Regel eine Art von Temperaturplateau für die heißesten Teile, das angestrebt wird, während der Temperaturanstieg der kältesten Teile relativ gering gewählt wird; die Wirksamkeit dieses Schrittes lässt sich leicht anhand der Temperaturunterschiede einschätzen, die an der Baugruppe unmittelbar vor ihrem Eintritt in den nächsten Verfahrensschritt bestehen;
    • (iii) abschließendes rasches Erhitzen und nachfolgendes Kühlen.
  • Wie weiter in Wassink et al. beschrieben wird, ist jede Grenze des Profils durch die höchstzulässige thermische Last eines der Teile der Baugruppe begrenzt, die verlötet werden soll.
    • • Die maximale Temperatur (Spitzentemperatur) wird durch das Trägermaterial der Leiterplatte bestimmt. Höhere Temperaturen als 280°C werden eine Schichtentrennung bewirken (Hinweis: in den meisten Fällen ist die Leiterplatte das heißeste Bauteil).
    • • Die kleinste Löttemperatur (Spitzentemperatur) wird durch das Benetzen der Bauelementmetallisierungen bestimmt.
    • • Die maximale Zeit und Temperatur des Ausgleichbereichs werden durch die Lötpaste bestimmt. Im Fall einer zu starken Wärmebehandlung wird der Aktivator (Flussmittel) in der Lötpaste in dieser Phase des Prozesses bereits verbraucht sein.
    • • Die Zeitdauer, in der sich das Lot im schmelzflüssigen Zustand befindet (in Verbindung mit einer maximalen Temperatur), ist durch die Erzeugung intermetallischer Schichten im Inneren der Lötverbindung eingeschränkt. Diese Schichten machen die Lötverbindung spröder.
  • Die speziellen Werte der vorgenannten Grenzen werden auf der Grundlage der zur Anwendung gelangenden Bauelemente und des Leiterplattenmaterials bestimmt.
  • Ein Lötmittelrückflussprofil bei Oberflächenmontage für ein 63Sn/37Pb-Lötmittel, welches die typischen Bereich veranschaulicht, ist in 4 dargestellt.
  • In der US-P-3 791 027 ("Angelo"), deren Offenbarung hiermit als Fundstelle einbezogen ist, werden Polymere und andere Materialien beschrieben, die chemische Funktionalitäten enthalten, wie beispielsweise Amid, Amino, Carboxyl, Imino und Mercaptan, die als Flussmittel dienen. Beim Löten von Metallen können diese Materialien mit Materialien kombiniert werden, die andere Funktionalitäten enthalten, wie beispielsweise Epoxid und Isocyanat, um warmhärtende Polymere zu erzeugen. Angelo beschreibt drei Polymerkategorien in seiner Erfindung, die nachfolgend ausgeführt werden.
    • 1. Chemische Funktionalitäten, wie beispielsweise mit Carboxy terminiertes Polybutadien und mit Carboxy terminiertes Polyisobutylen, die bei alleiniger Verwendung nicht härten und mit Lösemitteln leicht entfernt werden. Diese sind im Wesentlichen Flussmittel und enthalten die gleichen chemischen Funktionalitäten, wie sie in herkömmlichen Lötflussmitteln angetroffen werden.
    • 2. Formulierungen, die nicht vernetzend sind und unter Einleitung von Wärme weich werden oder schmelzflüssig. Bei den in Angelo zitierten Beispielen sind Versarid 712 und Acryloidat 70 einbezogen. Da keine Vernetzung stattfindet, sind diese Formulierungen ähnlich dem üblichen Kampfer oder Flussmitteln auf Harzbasis, wie sie häufig beim Aufschmelzlöten zur Anwendung gelangen und die chemische Funktionalitäten enthalten, wie beispielsweise Amino, Carboxyl, Amid, usw. Damit sind die gleichen chemischen Funktionalitäten sowohl beim herkömmlichen Kampfer und Harzflussmitteln sowie in den von Angelo zitierten Beispielen vorhanden, die nicht unter Bildung eines warmhärtenden Polymers chemisch vernetzen und damit unter Verwendung eines Lösemittels entfernt werden können oder erneut erhitzt und erneut geschmolzen werden können, um ein erneutes Löten der Lötverbindungen zu ermöglichen.
    • 3. Kombinationen von Materialien, die die zur Unterstützung der Lötmittelbenetzung erforderlichen Funktionalitäten enthalten, wie beispielsweise Carboxy, Amino, usw., sowie Materialien, die chemisch unter Bildung von warmhärtenden Polymeren reagieren, die nicht unter Verwendung eines Lösemittels oder erneutem Hitzen oder erneutem Schmelzen ohne weiteres entfernt werden können. Speziell zeigt Angelo Beispiele von Kombinationen von Materialien, die derartige Funktionalitäten mit Epoxyharzmaterialien enthalten, die beim Erhitzen vernetzte Netzwerke bilden, die nicht ohne weiteres entfernt oder nicht erneut schmelzflüssig werden können. Angelo zitiert die Nützlichkeit solcher Kombination in ihrer Fähigkeit, die Festigkeit der Lötverbindung in Situationen zu verstärken, wenn es eine nur geringe Aussicht dafür gibt, dass eine Lötverbindung erneut gelötet werden muss.
  • Pennisi, et al. beschreiben in der US-P-5 128 746 ebenfalls die Anwendung von Kombinationen von Materialien, die chemische Funktionalitäten enthalten, die dafür bekannt sind, dass sie als Flussmittel und Materialien dienen, wie beispielsweise Epoxyharze, die unter Eintragung von Wärme reagiert haben, chemisch vernetzte Polymere bilden, die die Lötverbindungen fester machen und nicht leicht entfernbar sind. Obgleich Pennisi die Funktion der warmhärtenden Epoxypolymere zur Gewährung eines Umweltschutzes im Bezug auf Flip-Chip beschreibt, ist das Epoxy-Verkapselungsmittel, das von Pennisi beschrieben wird, auch dafür bekannt, dass es die brüchigen Lötverbindungen verstärkt. Pennisi listet Flussmittel auf, wie beispielsweise Äpfelsäure und andere Dicarbonsäuren, die Metalloxide entfernen und eine Lötmittelbenetzung fördern. Im Wesentlichen wird ein Material, Äpfelsäure, das die Carboxyl-funktionelle Gruppe enthält und dafür bekannt ist, dass es die Benetzung des Lötmittels fördert, mit Materialien kombiniert, Epoxyharze, die eine Vernetzung warmhärtender Polymere erzeugen.
  • In einem von Capote in der US-P-5 376 403 beschriebenen dritten Beispiel wird ein Material, das eine chemische Funktionalität enthält, wie beispielsweise Carboxyl, und dafür bekannt ist, dass es das Vernetzen von Lötmittel fördert, mit Materialien kombiniert, die eine Vernetzung warmhärtender Polymere erzeugen, die in Druckfarbensystemen verwendet werden, die das Schmelzen niedrig schmelzender Legierungspulver mit hoch schmelzenden Metallen unterstützen und die Aggression des resultierenden Metallnetzwerkes an einem Substrat fördern.
  • In jedem Fall (Angelo, Pennisi, Capote), in welchem ein Material, das eine chemische Funktionalität enthält, von der bekannt ist, dass sie die Lötmittelvernetzung fördert, mit Materialien kombiniert, wie beispielsweise Epoxyharze, die warmhärtende Polymere erzeugen, wobei ein Verfahren zum Erhitzen beschrieben wird, in welchem die Baugruppe rasch bis oberhalb des Schmelzpunktes des Lötmittels erhitzt wird. Die Anwendung von Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes des Lötmittels von 183°C ist entscheidend, da das Lötmittel flüssig werden muss, um die Metalloberfläche zu benetzen.
  • Da warmhärtende Polymere unter Einbringung von Wärme aktiviert werden müssen, um Vernetzungsreaktionen zu stimulieren, kommt es darauf an, die Kinetik der Härtung zu verstehen, die bei dem Härten der ausgewählten Materialkombinationen beteiligt ist. Durch chemisches Schützen des vernetzenden Materials der Kombination versichert Capote, dass die Vernetzungs reaktionen verzögert sind und bei dem in seiner Erfindung beschriebenen Prozess des raschen Erhitzens geeignet sind.
  • Ähnliche Methoden des Erhitzens werden bei Angelo und Pennisi beschrieben, wo von beiden die Anwendung von Wärme während des Lötprozesses als "rasch" und "schnell" beschrieben wird. Wie bereits von Wassink et al. beschrieben, wird im typischen Fall zum Löten von elektronischen Bauelementen auf Substratplatten ein dreistufiges Erhitzungsprofil angewendet. Ein rasches Erhitzen würde, wie es bei Angelo, Pennisi und Capote gefordert wird, die Teile und Baugruppen während des Lötens nachteilig beeinflussen. Dieses schließt eine Beschädigung der Bauelemente bei hohen thermischen Durchlaufraten ein.
  • Daher trifft man häufig auf den Erwärmungsschritt, der unter Anwendung von Mehrzonenöfen auszuführen ist, mit denen es den Materialien in den Baugruppen möglich ist, thermisches Gleichgewicht bei Temperaturen oberhalb von Raumtemperatur und jedoch unterhalb des Schmelzpunktes des Lötmittels (183°C) zu erreichen, um den Wärmeschock und die nachfolgende Beschädigung zu verringern. Im SMT ist dieser Prozess des Erhitzens als ein Lötmittelrückflussprofil bei Oberflächenmontage bekannt.
  • Daher werden bei Anwendung von Kombinationen, wie sie von Angelo, Pennisi und Capote ausgeführt wurden, bei denen Materialien, die chemische Funktionalitäten enthalten, wie beispielsweise Carboxyl und Amino, und dafür bekannt sind, dass sie das Vernetzen von Lötmittel fördern, mit Materialien kombiniert, die vernetzte warmhärtende Polymere unter Eintragung von Wärme bilden, Prozesse des Erhitzens angewendet, bei denen keine hohe Heizgeschwindigkeit bis zu der Lötmitteltemperatur beteiligt ist, anstelle dessen jedoch die Materialien die Möglichkeit haben, in der fertigen Baugruppe verwendet zu werden und thermisches Gleichgewicht zu erreichen. Oberhalb von Raumtemperatur und jedoch unterhalb der Temperatur des Lötens kommt es darauf an, die Härtungskinetik der Kombination von warmhärtenden Materialien angesichts des gewünschten nicht-schnellen Heizprofils zu verstehen, um ein wesentliches Vernetzen der Kombination vor dem Schmelzpunkt des Lötmittels zu vermeiden.
  • Die vorliegende Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Formulierungen zum Verkapseln aus warmhärtendem Epoxyharz, worin das Vernetzungsmittel als Flussmittel beim Aufschmelzlöten dient. In die Formulierung einbezogen sind Systeme, in denen das Vernetzen des Harzes mit einem solchen Vernetzungsmittel mit zwei Aufgaben mit Hilfe eines Zinnoctoat-Katalysators bewirkt wird. In der vorliegenden Erfindung wirkt das Vernetzungsmittel als ein Flussmittel unter Bedin gungen des Aufschmelzlötens und wirkt als Vernetzungsmittel bei dem beteiligten Harzsystem in einer solchen Weise, dass das Löten nicht durch vorzeitiges Erstarren behindert wird.
  • In Systemen der vorliegenden Erfindung, worin es um elektrische Verbindungen entlang einer einzigen Achse geht und das Aufschmelzlöten in einem flüssigen Harzsystem erfolgt, kommt es auf die Reihenfolge der Schritte des Vernetzens gegenüber dem Aufschmelzlöten an.
  • Entscheidend ist, dass der Gelbildungspunkt des Systems nicht vor der Erzeugung der Zusammenschaltung durch flüssiges Lot erreicht wird, wobei die Zusammenschaltung bei der Temperatur des Aufschmelzlötens zustande kommt.
  • Es ist festgestellt worden, dass, wenn der Gelbildungspunkt vor dem Schmelzen des Lötmittels erreicht wird, das Lötmittel nicht zum Benetzen kommt und nicht wirksam in die anliegende Stelle eindringt, wo die elektrische Zusammenschaltung ausgeführt werden soll, da das Lot in seinem Fließen eingeschränkt ist.
  • Es wird angenommen, dass der entscheidende Punkt dieser Anforderung in dem System der vorliegenden Erfindung von der Unfähigkeit des Lötmittels herrührt, in ein Harzsystem zu fließen, in welchem der Gelbildungspunkt erreicht worden ist. Es wird angenommen, dass das geschmolzene Lot dort, wo das Harzsystem, welches das Lot umgibt, flüssig ist, selbst dann, wenn die Viskosität groß ist, verläuft und sich mit dem anliegenden Zielbereich verbindet und durch das Vernetzungsmittel flüssig gemacht wird. Wo tatsächlich eine Mischphase vorhanden ist, erfolgt ein Benetzen, Bonden und Verschmelzen; während jedoch sobald der Gelbildungspunkt erreicht ist und das Schmelzen erfolgt die Beobachtung des gehärteten Produktes das Versagen einer erfolgreichen Zusammenschaltung und das Versagen des Benetzens und Fließens demonstriert.
  • Einer der Aspekte der vorliegenden Erfindung betrifft eine Kapselmasse erzeugende Zusammensetzung auf Basis von Epoxyharz zur Verwendung im Aufschmelzlöten eines elektrischen Bauelements auf ein Substrat. Die Zusammensetzung bildet ein Säureanhydrid-Epoxyharzsystem. Die als Flussmittel wirkende Verkapselungsmasse ist aus einem Epoxyharz zusammengesetzt, einem Anhydrid als Vernetzungsmittel für das Harz, das auch als Flussmittel unter Aufschmelzlotbedingungen wirkt, und aus einem Zinnoctoat-Katalysator. Die Kombination von Verbindungen, die die Verkapselungsmasse ausmacht, wird so ausgewählt, dass eine Zusammensetzung bereitgestellt wird, die den Gelbildungspunkt nicht vor der Erzeugung der elektrischen Zusammenschaltung unter den Bedingungen des Aufschmelzlötens erreicht.
  • Bei dem warmhärtenden Harz handelt es sich um ein Epoxyharz und das Vernetzungsmittel wird ausgewählt aus Anhydriden, die von sich aus die zusätzliche Aktivität des Fluxierens unter Temperaturen des Aufschmelzlötens besitzen.
  • Zieht man speziell eutektische Zinn/Blei-Löttemperaturen (183°C) in Betracht, so schließen Beispiele von Anhydriden, die als Flussmittel dienen, ein: Succinsäureanhydrid, Methyltetrahydrophthalsäureanhydrid, Polyadipinsäurepolyanhydride, Tetrahydrophthalsäureanhydrid, Hexahydrophthalsäureanyhdrid, Polyazelainsäurepolyanhydride sowie Mischungen davon. Das Flussmittel der Wahl ist Methyltetrahydrophthalsäureanhydrid und die den Katalysator enthaltende Zusammensetzung des Verkapselungsmittels der Wahl Zinnoctoat.
  • Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zusammenbau und Verkapselung integrierter Schaltkreise, wie beispielsweise Flip-Chips oder Nagelkopf-Gittergruppen, in denen das Aufschmelzlöten mit Hilfe der Kapselmasse bildenden Zusammensetzung vorgenommen wird. Es kommt darauf an, dass der Katalysator die Gelbildung während oder nach dem Löten fördert, jedoch kein Harz-Gel (ein Gel bei oder jenseits des Gelbildungspunktes) vor dem Löten bildet, um nicht das Löten durch Bildung eines Gels vor dem Löten zu behindern.
  • Ein noch anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein elektrisches Bauelement, das über eins Vielzahl elektrischer Anschlüsse verfügt, wobei jeder Anschluss aus einem Löthöcker besteht; betrifft ein Substrat zur Aufnahme des Bauelementes mit einer Vielzahl von elektrischen Anschlüssen entsprechend den Anschlüssen des elektrischen Bauelementes; und betrifft ein Material zum Verkapseln, welches Metalloxide von den Oberflächen der elektrischen Zusammenschaltungen sowohl des Bauelements als auch des Substrats entfernt. Ein solches Material zum Verkapseln setzt sich bevorzugt aus einem Epoxyharz zusammen, einem Zinnoxid-Katalysator und einem Anhydrid, das als Flussmittel zur Entfernung der Oxidbeläge von den Bauelementanschlüssen und den Substratanschlüssen vor und während des Lötens dient und auch mit dem Epoxy reagiert. Der Gelbildungspunkt der die Kapselmasse erzeugenden Zusammensetzung wird bei oder oberhalb der Löttemperatur erreicht. In der Baugruppe wird das Material zum Verkapseln zwischen den Öffnungen zwischen elektrischem Bauelement und Substrat abgesetzt und füllt diese aus. Dieses kann entweder dadurch erfolgen, dass die Kapselmasse auf die Platte gegeben wird und anschließend das Bauelement auf die Kapselmasse gedrückt wird oder durch Eintauchen des Bauelementes in die Kapselmasse, bevor es auf der Platte angeordnet wird. Nach dem Erhitzen bis zur Löttemperatur ist das Lötmittel aufgeschmolzen und stellt eine elektrische Verbindung des elektrischen Bauelementes mit dem Substrat her. Der in der Kapselmasse vorhandene Katalysator fördert die Gelbildung während oder nach dem Löten, so dass das Löten nicht durch eine vorzeitige Gelbildung behindert wird. Mit anderen Worten erfolgt das Fluxieren und Aufschmelzlöten vor dem Gelbildungspunkt des Harzsystems.
  • Eigenschaften des Verkapselungsmittels (der gehärteten Verkapselungsmasse)
  • Die physikalischen Eigenschaften des gehärteten Epoxy-Verkapselungsmittels schließen solche messbaren Eigenschaften ein wie Glasübergangstemperatur, Zugfestigkeit, E-Modul, Dielektrizitätskonstante und Verlustfaktor. Diese Eigenschaften beeinflussen die Zuverlässigkeit des fertig gekapselten Bauelementes. Die Anwendung des Erzeugnisses, welches das gekapselte Bauelement enthält, bestimmt die physikalischen Eigenschaften, die das Verkapselungsmittel haben muss.
  • Beispielsweise werden bei Flip-Chip-Bauelementen im typischen Fall Glasübergangstemperaturen bei oder oberhalb von 120°C gefordert. Die Wahl der Harz- und Anhydrid-Komponenten wird daher auf Zusammensetzungen eingeschränkt sein, die die Glasübergangstemperaturen bei oder oberhalb von 120°C bieten. Unter den Harzen der Wahl für diese Anwendung sind DGEBA-Harze, EEW 180–190.
  • Auswahl des Harzes
  • Die Wahl des Harzes in dem System hängt von den gewünschten Eigenschaften des Endproduktes ab. Die Funktionalität des Harzes und seine chemische Struktur werden von der Vernetzungsdichte des gehärteten Systems beeinflusst. Im typischen Fall werden DGEBA oder Novolakharze mit Anhydrid-gehärteten Systemen bevorzugt. Epoxyharze, die auf Methylen-Dianilin basieren, wie beispielsweise MY720 von Ciba Geigy, oder Harze, die ein Amin enthalten, werden eine vorzeitige Gelbildung vor dem Löten bewirken, da das Amin als Katalysator wirkt. Daher sind diese letzteren Epoxyharze zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung nicht akzeptabel.
  • Die vorliegende Erfindung umfasst die Verwendung von Zusammensetzungen, die als Flussmittel und Härtungsmittel für warmhärtende Epoxidharze wirken, wobei die Epoxidharze in den Formulierungen der Verkapselungsmittel die Harze der Wahl sind, die unter Profil-Lötmittelrückflussbedingungen bei Oberflächenmontage, die für die Montagearchitektur und Zusammensetzung der Bondierungsstellen zugeschnitten sind, verwendet werden und auf diese angepasst sind. Die Verkapselungsmittel der vorliegenden Erfindung sind auf Rück flusstemperaturprofil und die Zusammensetzung der Bondierungsstelle basierend formuliert, die nach dem Schmelzen die elektrische Zusammenschaltung erzeugt.
  • Damit schließt das Lötprofil in solchen Fällen gemäß der vorliegenden Erfindung das Erhitzen der Bauelemente der Baugruppe bis zu einer Temperatur unterhalb der Löttemperatur ein, um eine Schädigung der Baugruppenteile zu vermeiden, die gegenüber Schäden bei hohen thermischen Ablaufgeschwindigkeiten anfällig sind. Dieser Schritt des Erhitzens hängt von der Größe, von der Masse und von den Materialien ab, die in den Baugruppen zur Anwendung gelangen und wird auf dem Fachgebiet als das Durchdringungs- oder Gleichgewichtsstufe des Profils bezeichnet. In Verbindung mit Rechner-Hauptplatinen, Fernsprechanlagen und Platten kleinerer Baugruppen nähert sich die Targettemperatur am Ende der Durchdringungsstufe vorzugsweise dem Schmelzpunkt des Lötmittels und kann bis etwa 20°C unterhalb des Schmelzpunktes des Lötmittels und bis zu dem Schmelzpunkt davon erreichen. Die Dauer der Wärmeaufbringung, um die Target-Gleichgewichtstemperatur zu erreichen, variiert im typischen Fall und kann bei etwa 30 bis etwa 120 Sekunden bei Baugruppen mit großem Oberflächenaufbau liegen. Dem Durchdringungsschritt geht ein schneller Temperaturanstieg voran, der als "Rampenschritt" bezeichnet wird; die Anstiegsgeschwindigkeit der Temperaturen wird so ausgewählt, dass eine maximale Wärmeeintragung ohne Beschädigung erzielt wird, wie beispielsweise Mikrorisse, Verwerfungen und dergleichen, und hängt von der beteiligten Architektur und den Materialien ab. Im Fall typischer Baugruppen mit großer Oberflächenmontage sind Temperaturanstiege von 1°C bis 4°C pro Sekunde vor dem Durchtränken die Norm. Der letzte Schritt umfasst einen Schritt des schnellen Erhitzens, gefolgt von dem Durchtränken, wo die Baugruppe rasch bis zu einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Lötmittelpulvers erhitzt wird, um die Metallverbindung zwischen den Bauelementen der Baugruppe zu erzeugen. Im typischen Fall ist das eine Bauelement der Baugruppe ein elektrisches Bauelement, wie beispielsweise ein gepackter oder loser Integrierter Schaltkreis, und das andere Bauelement ein Substrat für mikroelektronische Schaltkreise, auf dem sich die Metall-Bondierungsstellen befinden. Auf dem Fachgebiet wird dieser Schritt als die Spike-Stufe mit einer Gesamtzeit oberhalb des Schmelzpunktes typischerweise im Bereich von etwa 30 bis 90 Sekunden bezeichnet. Die Spitzentemperatur an jeder beliebigen Stelle auf der Baugruppe liegt bevorzugt im Bereich von 205° bis 235°C.
  • Bei Baugruppen mit geringer thermischer Masse, d.h. Baugruppen mit weniger als 0,157 cm (0,062 inch) Dicke und/oder Baugruppen mit einer Fläche typischerweise von 64,5 cm2 (10 inch2) oder weniger wird die Wärmeeintragung im typischen Fall unter Verwendung einer glatten, nicht abgestuften Rampe mit einer Geschwindigkeit von 1° bis 4°C pro Sekunde erreicht. Die Lotschmelze wird im typischen Fall bei Baugruppen mit geringer thermischer Masse in einem Zeitraum erreicht, der von etwas weniger als 1 min bis zu etwa 3 min variiert.
  • In dem Maße wie die thermische Masse der Baugruppe zunimmt, werden geringere Heizgeschwindigkeiten und abgestufte Prozesse eingesetzt, um solche Baugruppen bis zum thermischen Gleichgewicht vor dem Rückfluss zu bringen.
  • Ein Kriterium für die Auswahl und Kombination von warmhärtendem Harz und Vernetzungsmittel (ob in Gegenwart eines Katalysators oder auf andere Weise), um die erforderliche Folge des Erzielens der Lötmittelschmelze vor dem Erreichen des Gelbildungspunktes zu erhalten, beruht in der Auswahl einer Kombination eines warmhärtenden Harzes und Vernetzungsmittels, die beim Erhitzen unter Anwendung der Differentialscanningkalorimetrie ("DSC") eine Auslösung der exothermen Reaktion im Bereich von etwa 140° bis 180°C bei einer eutektischen Blei-Zinn-Mischung zeigt. Die exotherme Aktivität, die unter Anwendung der DSC beobachtet wird, korreliert mit der Aktivität des Vernetzens. Der Spitzenwert dieser Exotherme korreliert wiederum mit dem Wert der Vernetzung, der die Gelbildung anzeigt.
  • Obgleich in der Endanalyse die Gelbildung für die spezielle Kombination empirisch ermittelt wird und Ausnahmen auftreten, besteht das Selektionskriterium, das allgemein anwendbar ist, darin, dass man Polymersysteme wählt, worin die exotherme Aktivität, wie sie unter Anwendung der DSC beobachtet wird, vorzugsweise bei einer Temperatur von nicht weniger als 40°C unterhalb des Schmelzpunktes des Lötmittels initiiert wird und wobei die aufgezeichnete Spitze der exothermen Aktivität bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Lötmittels liegt.
  • Die bevorzugten Vernetzungsmittel und Flussmittel mit zweifacher Funktion für das Verkapselungsmittel der vorliegenden Erfindung sind Anhydride und einschließlich speziell Polyanhydride hoher Aktivität.
  • Zusätzlich zu den vorgenannten Anhydriden schließen andere Vernetzungsmittel, die zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet sind, wenn auch nicht notwendigerweise mit dem gleichen Erfolg, Materialien ein, die chemische Funktionalitäten enthalten, wie beispielsweise Carboxyl, Amino, Imino, Amid und Mercaptan, wie sie bei Angelo beschrieben wurden, die von sich aus als Flussmittel sowie als Vernetzungsmittel wirken.
  • Zur Anwendung können Amin-Vernetzungsmittel gelangen, die die erforderliche Latenzzeit gewähren (Gelbildungspunkt bei oder oberhalb des Schmelzpunktes des Lötmittelpulvers), wie beispielsweise Aificure -LX-1 (hergestellt von Ajinomoto Co., Inc., Tokyo, Japan), bei dem es sich um ein heterocyclisches Diamin mit einem aktiven Wasserstoff-Äquivalent von 67 handelt.
  • Ebenfalls können als Vernetzungsmittel Amide und andere bekannte Stickstoff enthaltende Härtungsmittel verwendet werden, wie beispielsweise Melamin, Dicyandiamid, Imidazole, Hydrazide, Thioharnstoffe und dergleichen.
  • Ebenfalls verwendbar als Vernetzungsmittel sind die gut bekannten mehrwertigen Phenole, bei denen es sich um Polykondensate von einem oder mehreren Phenolen handelt, wie beispielsweise Phenol, verschiedene Alkylphenole und Naphthole, mit Aldehyden, wie beispielsweise Formaldehyd, Acetaldehyd, Acrolein, Glyoxal, Benzaldehyd, Naphthaldehyd und Hydroxybenzaldehyd, oder Ketone, wie beispielsweise Cyclohexanon und Acetophenon; mehrwertige Phenole vom Vinyl-Polymerisationstyp, wie beispielsweise Polyvinylphenol und Polyisopropenylphenole, die mehrwertigen Phenole der vorliegenden ersten Erfindung, Reaktionsprodukte von Phenolen vom Friedel-Crafts-Typ mit Diolen, wie beispielsweise solche, die durch die Formel (1) dargestellt werden:
  • Figure 00120001
  • Dialkoxyverbindungen, die durch die folgende Formel (2) dargestellt werden:
    Figure 00120002
    oder Dihalogene, die durch die folgende Formel (3) dargestellt werden:
    Figure 00120003
    sowie Reaktionsprodukte von Phenolen vom Friedel-Crafts-Typ mit Diolefinen, wie beispielsweise Dicyclopentadien und Diisopropenylbenzol.
  • In den Baugruppen, bei denen die den Vernetzungsmitteln innewohnende Fähigkeit als Flussmittel zu dienen unzureichend ist, um geeignete metallur gische Lötverbindungen zu erzeugen, kann es notwendig sein, zusätzliche Flussmittel zuzusetzen, um die Flussmittelwirksamkeit der Formulierung zu erhöhen.
  • Zur Erhöhung der Flussmittelwirksamkeit, die das Verkapselungsmittel besitzt und auf die Kombination von Vernetzungsmittel und warmhärtendem Harz zurückzuführen ist, können andere bekannte Flussmittel in geringen Mengen zugesetzt werden, so dass die Eigenschaften des gehärteten warmhärtenden Polymers nicht nachteilig beeinflusst werden. Darüber hinaus können bei der Auswahl der Flussmittel, die allgemeinen Vernetzungsmittel der vorliegenden Erfindung mit Flussmittelaktivität oder die ergänzenden Flussmittel, niedermolekulare Zusammensetzungen, die ein Ausgasen unter den zum Einsatz gelangenden Bedingungen des Aufschmelzlötens bei Oberflächenmontage bewirken, nicht verwendet werden, da der Zusammenhalt der Verkapselung in Frage gestellt wird, wenn durch das Vorhandensein von Hohlräumen in der Kapselmasse ein Ausgasen auftritt. Dementsprechend sollten Dicarbonsäure-Flussmittel, die ein Ausgasen erzeugen, vermieden werden.
  • Darüber hinaus muss bei der Auswahl eines zusätzlichen Flussmittels sein Einfluss auf Materialeigenschaften berücksichtigt werden, wie beispielsweise Adhäsion, Zugfestigkeit, Feuchtigkeitsaufnahme oder Glasübergangstemperatur. Dementsprechend scheinen Verbindungen aufgrund einer hohen Flussmittelwirksamkeit die Verbindungen der Wahl zu sein, wie beispielsweise Dicarbonsäuren, die die Glasübergangstemperatur und die physikalischen Volumeneigenschaften des fertigen Polymernetzwerks verringern und, wenn überhaupt, in solchen Mengen zur Anwendung gelangen müssen, dass das resultierende Polymer nicht beeinträchtigt wird.
  • Es ist festgestellt worden, dass mit Carboxy terminierte Polyester, die in der US-P-5 439 164 in Formulierungen von Druckfarben verwendet werden, als zusätzliche Flussmitteladditive in den Verkapselungsmitteln der vorliegenden Erfindung geeignet sind.
  • Es ist ebenfalls festgestellt worden, dass, wo die Vernetzungsmittel in den verwendeten Mengen über eine unzureichende Wirksamkeit als Flussmittel zum Erzielen des erforderlichen Umfanges der Oxidentfernung haben, unter den bevorzugten Additiven solche sind, die sich vernetzen oder chemisch im Inneren der Polymermatrix gebunden werden und die physikalischen Eigenschaften des resultierenden Polymernetzwerkes nicht hemmen. Für diesen Zweck sind mit Carboxy terminierte Polyester als Flussmitteladditiv für geeignet ermittelt worden.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mittel zum Verkapseln, das zur Verwendung unter Profil-Lötmittelrückflussbedingungen bei Oberflächenmontage geeignet ist und betrifft ein Verfahren zum elektrischen Zusammenschalten eines elektrischen Bauelementes, das über eine Mehrzahl von Anschlüssen von Metallbondierungsstellen verfügt, mit einem Substrat zum Aufnehmen von Bauelementen, das über eine Mehrzahl von Metallanschlussstellen entsprechend den Anschlüssen des elektrischen Bauelementes unter Bedingungen des Lötmittelrückflusses bei Oberflächenmontage. Diese Bedingungen variieren in Abhängigkeit von dem an den anderen Löthöckern verwendeten Lötmittel, das im typischen Fall die Metallbondierungsstelle an dem elektrischen Bauelement bildet, und der Zusammensetzung und Architektur des beteiligten elektrischen Bauelements und Substrats. Das Protokoll, das verfolgt wird, ist dem in 4 hierin beschriebenen Protokoll gleichwertig. Das zum Einsatz gelangende Verkapselungsmittel besteht aus einem warmhärtenden Epoxyharz, einem Zinnoctoat und einem Vernetzungsmittel, das unterhalb der Schmelztemperatur des Lötmittels zur Wirkung kommt und als Flussmittel, welches Oxidüberzüge von der Oberfläche der Metallbondierungsstellen auf dem elektrischen Bauelement und auf dem Substrat zum Aufnehmen der Bauelemente entfernt, wenn es bis zu der besagten Schmelztemperatur des Lötmittels erhitzt wird. Die Kombination des warmhärtenden Epoxyharzes und Vernetzungsmittels hat einen Gelbildungspunkt bei oder oberhalb der Schmelztemperatur des Lötmittels und vorzugsweise oberhalb der Schmelztemperatur des Lötmittels. Das Verfahren umfasst die Schritte: a) Entfernen des Oxidüberzuges von der Oberfläche der Metallbondierungsstellen, während sich das Mittel zum Verkapseln in flüssigem Zustand befindet; b) Schmelzen des Lötmittels an den Metallbondierungsstellen zum elektrischen Verbinden des elektrischen Bauelementes, das eine Mehrzahl von Anschlüssen von Metallbondierungsstellen hat, mit dem Substrat zum Aufnehmen der Bauelemente, welches die Mehrzahl von Anschlüssen von Metallbondierungsstellen hat, die den Anschlüssen des elektrischen Bauelementes entsprechen, während das Mittel zum Verkapseln sich in flüssiger Form befindet und bevor das Mittel zum Verkapseln seinen Gelbildungspunkt erreicht; sodann c) Erzeugen eines Gels der Verkapselungsmasse; d.h. Erreichen des Gelbildungspunktes. Danach kann das Gel unter Erzeugung des Verkapselungsmittels gehärtet werden, wodurch ein Schutz und eine Verbesserung der mechanischen Verbindung gewährt werden.
  • Das warmhärtende Harz ist ein Epoxid. Die bevorzugten Vernetzungsmittel sind ein Polyanhydrid und mit Carboxy terminierte Polyester.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Herstellen einer Baugruppe mit geringer thermisch wirksamer Masse, indem gleichzeitig während des Aufschmelzlötens mit Oberflächenmontage ein elektrisches Bauelement, das über eine Mehrzahl von Anschlüssen von Metallbondierungsstellen verfügt, mit einem Substrat zum Aufnehmen eines Bauelementes, das über eine Mehrzahl von Metall-Anschlussstellen entsprechend den Anschlüssen des elektrischen Bauelementes unter Nutzung eines Verkapselungsmittels gekapselt und elektrisch verbunden wird, welches Mittel ein warmhärtendes Epoxyharz, einen Zinnoctoat-Katalysator und ein Vernetzungsmittel aufweist, welches unterhalb der Schmelztemperatur des Lötmittels zur Wirkung kommt und als ein Flussmittel, das Oxidüberzüge von der Oberfläche der Metallbondierungsstellen auf dem elektrischen Bauelement und auf dem Substrat zur Aufnahme von Bauelementen entfernt. Die Kombination von warmhärtendem Harz und Vernetzungsmittel hat einen Gelbildungspunkt bei oder oberhalb und vorzugsweise oberhalb der Schmelztemperatur des Lötmittels. Bei diesem Verfahren wird die Baugruppe mit geringer thermischer Masse stufenweise mit einer Geschwindigkeit von etwa 1°C bis etwa 4°C pro Sekunde für eine ausreichende Zeit erhöht, um das Schmelzen des Lötmittels und eine elektrische Zusammenschaltung zu erzielen. Die Schritte des Verfahrens werden nacheinander während des stufenweisen Anstiegs wie folgt ausgeführt:
    • 1. der Oxidüberzug wird von der Oberfläche der Metallbondierungsstellen entfernt, während sich das Mittel zum Verkapseln in flüssigem Zustand befindet;
    • 2. Schmelzen des Lötmittels, welches eine oder die anderen Bondierungsstellen umfassen kann, um das elektrische Bauelement, das über eine Mehrzahl von Anschlüssen von Metallbondierungsstellen verfügt mit dem Bauelement tragenden Substrat elektrisch zu verbinden, das eine Mehrzahl von Anschlüssen von Metallbondierungsstellen hat, die den Anschlüssen des elektrischen Bauelementes entsprechen (wobei sich das Mittel zum Verkapseln während dieses Schrittes in einem flüssigen Zustand befindet und das Schmelzen des Lotes eintritt, bevor das Mittel zum Verkapseln seinen Gelbildungspunkt erreicht); und anschließend
    • 3. Erzeugen des Verkapselungsgels am Gelbildungspunkt.
  • Danach wird das resultierende Gel zum Verkapseln der elektrischen Lötverbindungen gehärtet. Die bevorzugten Vernetzungsmittel sind Polyanhydrid und mit Carboxy terminierte Polyester.
  • Ein noch anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein spezielles Verkapselungsmittel zum Verkapseln und elektrischen Verbinden einer Metallbondierungsstelle eines ersten elektrischen Bauelementes mit einer Metallbon dierungsstelle eines zweiten elektrischen Bauelementes unter Lötmittelrückflussbedingungen bei Oberflächenmontage. Das Verkapselungsmittel weist ein Epoxyharz auf; ein Vernetzungsmittel für das Harz, das außerdem als ein Flussmittel wirkt und Oxidüberzüge von der Oberfläche des ersten und zweiten elektrischen Bauelementes entfernt; sowie einen Zinnoctoat-Katalysator zum Katalysieren des Vernetzens des Epoxyharzes mit dem Vernetzungsmittel, wobei die Peak-Exotherme der Mischung von Katalysator, Epoxyharz und Vernetzungsmittel, gemessen unter Anwendung der DSC bei einer stufenweisen Anstiegsgeschwindigkeit von 10° pro Minute bei oder oberhalb des Lötmittelschmelzpunktes liegt, wodurch der Gelbildungspunkt des vernetzten Epoxyharzes nach dem Schmelzen des Lotes erreicht wird. Bei dem Katalysator handelt es sich um Zinnoctoat. Die bevorzugten Vernetzungsmittel sind Polyanhydride.
  • Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auswählen der Komponenten des Verkapselungsmittels, wobei das Verkapselungsmittel ein warmhärtendes Epoxyharz aufweist, ein Vernetzungsmittel, das außerdem als ein Flussmittel wirkt, sowie wahlweise einen vernetzenden Zinnoctoat-Katalysator, welches Verfahren umfasst: a) Festlegen des Schmelzpunktes des beteiligten Lötmittels an den Metallbondierungsstellen; b) Erhitzen der Verkapselungsmasse bis zu einer Temperatur, die über den Schmelzpunkt eines solchen Lötmittels hinaus geht; c) Messen der exothermen Aktivität des Verkapselungsmittels während des Schrittes des Erhitzens b); d) Festlegen der Temperatur bei der Peak der endothermen Aktivität auftritt; und e) als ein Verkapselungsmittel ein Mittel zum Verkapseln auswählen, welches den Peak der exothermen Aktivität bei oder oberhalb des Schmelzpunktes des Lötmittels zeigt.
  • Das Verfahren zum Auswählen schließt geeigneterweise auch die Festlegung der Initiierung der exothermen Aktivität ein und die Wahl des Verkapselungsmittels beruht auch auf der Initiierung einer durch Wärmetönung ablaufenden Reaktion. Das ausgewählte Verkapselungsmittel ist ein solches, bei dem die Initiierung der exothermen Aktivität bei einer Temperatur auftritt, die nicht weniger als 40°C und vorzugsweise nicht weniger als 30°C unterhalb der Schmelztemperatur des Lötmittels liegt.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine Seitenansicht im Schnitt eines Bauelementes vor der Aufbringung auf ein Substrat;
  • 2 ist eine Seitenansicht im Schnitt eines Bauelementes nach dem Aufschmelzlöten auf ein Substrat;
  • 3 ist ein Profil des Aufschmelzlötens des Lötverfahrens der vorliegenden Erfindung;
  • 4 ist ein Profil des Aufschmelzlötens mit Oberflächenmontage für 63Sn/37Pb-Lot auch anwendbar auf Sn62/Pb36/Ag02-Lot und veranschaulicht typische Parameter, wo solche Lötmittel verwendet werden;
  • 5 ist ein spezielles Profil unter Bezugnahme auf Beispiel 4;
  • 6 ist eine graphische Darstellung, die die Kurve der Wärmetönung in Abhängigkeit von der Temperatur des Verkapselungsmittels entsprechend der Beschreibung in Beispiel 1 zeigt;
  • 7 ist eine graphische Darstellung, die die Kurve der Wärmetönung in Abhängigkeit von der Temperatur des Verkapselungsmittels entsprechend der Beschreibung in Beispiel 4 zeigt.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Das katalytisch aktivierte Verkapselungsmittel der vorliegenden Erfindung weist auf: (1) ein warmhärtendes Epoxyharz, (2) ein Vernetzungsmittel für ein solches Harz, das auch während des Aufschmelzlötens als ein Flussmittel wirkt, und (3) einen Zinnoctoat-Katalysator. Die Komponenten des Verkapselungsmittels werden so ausgewählt und kombiniert, dass sie in Kombination eine Zusammensetzung mit einer Temperatur des Gelbildungspunktes bei oder oberhalb der Löttemperatur bilden, wodurch das Oberflächenlöten nicht durch eine Gelbildung vor dem Löten behindert wird, wenn ein Temperaturprofil der Oberflächenmontage zur Anwendung gelangt. Wie hierin verwendet, ist die Temperatur des Gelbildungspunktes die Temperatur, bei der das beteiligte warmhärtende Harzsystem nach Initiierung des katalysierten Vernetzens der Gelbildungspunkt erreicht wird. Vereinfacht kann man sagen, das Verfahren der vorliegenden Erfindung erzeugt keine zufriedenstellende elektrische Verbindung wenn vor dem Schmelzen des Lötmittels, das bei der Schmelztemperatur des Lötmittels erfolgt, der Gelbildungspunkt des beteiligten Epoxyharzsystems erreicht wird. Das Vernetzungsmittel wirkt während des Lötschrittes als Flussmittel. Das Vernetzungsmittel härtet das Epoxyharz und übt diese letztere Funktion zusammen mit einem Katalysator aus, der die vernetzende Aktivität katalysiert und eine Gelbildung bei oder oberhalb der Löttemperatur bewirkt, bei der die elektrische Verbindung mit der Lötmittelschmelze zustande kommt. Andere Aufgaben und Vorteile werden dem Fachmann auf dem Gebiet anhand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung offensichtlich.
  • In den Systemen der vorliegenden Erfindung kommt es auf die Reihenfolge der Verfahrensschritte des Vernetzens in Bezug auf das Aufschmelzlöten an.
  • Entscheidend ist, dass der Gelbildungspunkt des Systems nicht vor der Erzeugung der Verbindung durch das flüssige Lötmittel (Lötmittelschmelze) erreicht wird, die bei der Temperatur des Aufschmelzlötens mit Oberflächenmontage zustande kommt.
  • Es ist festgestellt worden, dass, wenn der Gelbildungspunkt vor dem Schmelzen des Lötmittels erreicht wird, das Lötmittel die anliegenden Stellen nicht benetzt und mit diesen nicht wirksam in Verbindung tritt, die elektrisch verbunden werden sollen, da der Lötmittelfluss eingeschränkt ist.
  • Es wird angenommen, dass der entscheidende Punkt dieser Anforderung in dem System der vorliegenden Erfindung von der Unfähigkeit des Lötmittels herrührt, in ein Harzsystem zu fließen, in welchem der Gelbildungspunkt erreicht worden ist. Es wird angenommen, dass das geschmolzene Lot dort, wo das Harzsystem flüssig ist, welches das Lot umgibt, selbst dann, wenn die Viskosität groß ist, verläuft und sich mit dem anliegenden Zielbereich verbindet und durch das Vernetzungsmittel flüssig gemacht wird. Wo tatsächlich eine Mischphase vorhanden ist, erfolgt ein Benetzen, Bonden und Verschmelzen; während jedoch sobald der Gelbildungspunkt erreicht ist und das Schmelzen erfolgt die Beobachtung des gehärteten Produktes das Versagen einer erfolgreichen Zusammenschaltung und das Versagen des Benetzens und Fließens demonstriert.
  • Bezug nehmend auf 1, wird ein Substrat 100 mit einem Metallisierungsmuster 110 selektiv mit einem Material zum Verkapseln 120 beschichtet. Bei dem Material handelt es sich um eine Zusammensetzung, die eine Verkapselungsmasse erzeugt und ein warmhärtendes Harz aufweist, ein Vernetzungsmittel für das Harz, das auch als ein Flussmittel zum Aufschmelzlöten dient, und einen Katalysator, der so ausgewählt ist, dass in Kombination mit Harz und Flussmittel eine Zusammensetzung geschaffen wird, in der die Gelbildung des Harzes das Löten nicht beeinträchtigt.
  • Ein Beispiel für ein geeignetes Material zum Verkapseln umfasst (1) ein Epoxyharz, Diglycidylether von Bisphenol A mit einem Epoxid-Äquivalentmasse von 188, (2) Methyltetrahydrophthalsäureanhydrid als Vernetzungsmittel und Flussmittel und (3) Zinnoctoat-Katalysator. Das Vernetzungsmittel ist ein Anhydrid-Vernetzungsmittel, das auch als Flussmittel wirkt. Das MTHPA-Vernetzungsmittel wird mit dem Zinnoctoat-Katalysator so zusammengebracht, dass es das Vernetzen bei einer Temperatur bei oder oberhalb von etwa der Löttemperatur katalysiert, wodurch eine vorzeitige Gelbildung vor der Erzeugung der elektrischen Verbindungen durch Aufschmelzlöten vermieden wird.
  • Die Menge des Anhydrids im Bezug auf das Epoxy liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 75 Teilen bis etwa 85 Teilen Anhydrid pro 100 Teile Epoxyharz (75 bis 85 phr) (("phr"-Masseteile eines Additivs pro 100 Masseteile Harz)).
  • Die Menge des Katalysators in der Zusammensetzung liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 0,1% bis etwa 5 Gew.-%. Im Fall von Zinnoctoat liegt die Menge vorzugsweise von etwa 1,5% bis etwa 2,5 Gew.-% und die optimale Menge beträgt etwa 2,0 Gew.-% bezogen auf das Gewicht der Zusammensetzung zum Erzeugen eines Verkapselungsmittels einschließlich Katalysator.
  • Ein Bauelement 130, das Löthöcker 140 enthält, wird so in Position gebracht, dass sich die Löthöcker 140 und die aktive Oberfläche 150 gegenüber dem Substrat 100 befinden und mit dem Metallisierungsmuster 110 des Substrats 100 ausgerichtet sind. Bezug nehmend auf 2 wird das mit Löthöcker versehene Bauelement 230 in innigen Kontakt mit dem Metallisierungsmuster 210 gebracht. Die Zusammensetzung 220 zum Erzeugen des Verkapselungsmittels benetzt das Bauelement 230 und gewährleistet die vollständige Abdeckung der aktiven Oberflächen 250 des Bauelementes 230. Der Meniskus 260 liefert um den Umfang des Bauelementes 230 herum eine zusammenhängende Dichtung, um die aktive Oberfläche 250 gegenüber Kontamination aus der Umgebung zu schützen. Das in der Zusammensetzung 220 zum Erzeugen des Verkapselungsmittels enthaltende Vernetzungsmittel überzieht die Löthöcker 240 und das Metallisierungsmuster 210.
  • Es sollte als selbstverständlich gelten, dass sich, obgleich die Zeichnungen ein Bauelement 130 als einen Integrierten Schaltkreis zeigen, der verkapselt ist und mit einem Substrat verbunden ist, Ausführungsformen unter Verwendung anderer Arten von oberflächenmontierten Bauelementen, die über Löthöcker verfügen oder nicht, innerhalb des Schutzumfanges befinden.
  • Die Baugruppe 270 wird in konventioneller Weise einem Aufschmelzlöten unterzogen, wobei das als Flussmittel wirkende Vernetzungsmittel die Oxide auf der Lötstelle 240 und der Metallisierungsoberfläche 210 reduziert und ein Legieren des Lötmittels mit dem Metall ermöglicht.
  • 3 stellt ein typisches Profil der Oberflächenmontage dar. Mit der vorliegenden Erfindung kann sowohl ein Löten als auch Verkapseln erreicht werden, indem ein solches typisches Profil eingehalten wird, gefolgt von einer Nachhärtung bei wesentlich niedrigeren Temperaturen als beim Löten im Einklang mit dem Profil und im typischen Fall bei 150°C für etwa 1 bis 2 Stunden. Veranschaulicht man sich die Bedingungen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf das in 3 dargestellte Profil der Oberflächenmontage, so würde eine Gelbildung vor dem Aufschmelzlöten, Zone 3, das Löten behindern. Eine vorzeitige Gelbildung vor dem Aufschmelzlöten bildet eine physikalische Barriere, die das Lötmittel an dem Benetzen der Target-Metalloberfläche hindert.
  • In 3, Zone 1, zeigt der Schritt des Vorheizens im Zusammenhang mit den Parametern der Temperatur (Ordinate) und der Zeitdauer (Abszisse), dass die gesamte Baugruppe, die das Substrat umfasst, die Bauelemente und das Verkapselungsmittel, im typischen Fall bis zu einer Temperatur von 25° bis 50°C unterhalb der Schmelztemperatur des Lötmittels vorgeheizt wird. Zone 2 zeigt den Eindringschritt und veranschaulicht die Dauer des Eindringens, wo die Temperatur der Baugruppe zum Ausgleich kommt. Zone 3 zeigt den Aufschmelzschritt, wenn das Aufschmelzen zustande kommt. Zone 4 zeigt den Kühlschritt. Das in 3 veranschaulichte Profil zur Oberflächenmontage ist lediglich ein veranschaulichendes typisches Profil, das unter anderem für die Ausführungsform der Erfindung gilt, die in Beispiel 1 exemplifiziert ist. Zeitdauer und Temperatur, von denen das Löten abhängig ist, hängen von dem Verkapselungsmittel und anderen Parametern des Verfahrens ab.
  • Auswahl von Komponenten für das Verkapselungssystem bei vorgegebenen Aufschmelzprofilen
  • Wie hierin ausgeführt wurde, betrifft die vorliegende Erfindung Lötpastenformulierungen und Verfahren zu ihrer Anwendung, die speziell ausgelegt sind zur Erzeugung von schützend verkapselten Isotropen elektrischen Anschlüssen unter Aufschmelzprofil-Bedingungen, wie sie in der Fertigung von Baugruppen mit geringer und großer Masse angewendet werden. Derartige Aufschmelzprofilbedingungen erfordern die Anwendung von Wärme über eine Zeitdauer und die Verkapselungsformulierung ist entscheidend, um ein zufriedenstellendes Benetzen und eine Lötmittelschmelze zu erzielen, um an den Bondierungsstellen eine elektrische Zusammenschaltung zu schaffen sowie ein zufriedenstellendes Einhäusen/mechanisches Bondieren.
  • Bei der Auswahl des in der vorliegenden Erfindung verwendeten Verkapselungsmittels, kommt es auf die Auswahl des warmhärtenden Epoxyharzes und der Vernetzungsmittel an, welche die in der vorliegenden Erfindung geforderten doppelten Funktionen haben, damit ein zufriedenstellendes elektrisches und mechanisches Bondieren an den elektrischen Bondierungsstellen zustande kommen können. Nachfolgend werden die Bedingungen und die Auswahl des Verkapselungsmittels diskutiert.
  • Während des Aufschmelzprofils darf das Polymer vor dem Schmelzen des Lötmittels nicht seinen Gelbildungspunkt erreichen, da das schmelzflüssige Lot das Polymer verdrängen muss, um die Bondierungsoberfläche zu benetzen. Wenn das Polymer seinen Gelbildungspunkt zu schnell erreicht, wird zwischen den Metalloberflächen eine Polymerbarriere gebildet. Da diese Gelbildung das Lötmittel am Benetzen des Lötauges des Metallkontaktes des Substrates behindert, kommt es darauf an, den Härtungsmechanismus und die Kinetik des Polymers zu verstehen, um die Wirkung auf das Löten zu verstehen.
  • Bei warmhärtenden Polymeren leitet die Einbringung von Wärme die irreversible Reaktion zwischen dem Epoxyharz und dem Vernetzungsmittel ein. Während des Härtungsprozesses reagieren die Moleküle des Epoxyharzes mit den Molekülen des Vernetzungsmittels unter Bildung langer Polymerketten und Netzwerke mit zunehmender Viskosität. Mit dem Wachsen des Netzwerkes wird ein als Gelbildungspunkt bezeichneter Punkt einer unendlich großen Viskosität erreicht. An dieser Stelle geht das Polymer von einer viskosen Flüssigkeit zu einem Feststoff über, der nicht fließt.
  • Die Gelbildungszeit der warmhärtenden Harze findet man gewöhnlich unter isothermen Bedingungen. Beispielsweise können Epoxyproben bei einer Härtungstemperatur erhitzt und unter Anwendung viskosimetrischer Methoden getestet werden, um die Gelbildungszeit zu ermitteln. Ein Beispiel für eine solche Methode ist das Erhitzen von Epoxyharzen in Probeplatten, während gleichzeitig der Widerstand des Fließens gemessen wird.
  • Da die Erwärmungsmethode während der in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Prozesse nicht isotherm ist sondern anstelle dessen eine geringfügige Erwärmung der Probe bis zu Löttemperaturen beteiligt ist, ist es wichtig, die Gelbildung des Polymers durch Untersuchung der Härtungskinetik zu ermitteln.
  • Zur Untersuchung der Härtungskinetik der warmhärtenden Polymere können mehrere Methoden angewendet werden. Eine dieser Methoden ist die dynamisch-mechanische Analyse (DMA), mit der die Fähigkeit des Polymers gemessen wird, mechanische Energie zu speichern und abzuleiten. Eine andere übliche Methode ist die Anwendung der Differentialscanningkalorimetrie (DSC), bei der die Wärmeänderungen gemessen werden.
  • Da die chemische Reaktion von warmhärtenden Harzen während der Polymerisation exotherm ist, lässt sich die Wärmeänderung unter Anwendung der DSC messen und in Verbindung mit dem Umfang der chemischen Reaktion bringen. Wie von Hadad in Epoxy Resins, Chemistry and Technology, May, Herausg., Marcel Dekker, 1988, S. 1130, beschrieben wird, "geht man von der Annahme aus, dass die während der Härtung abgegebene Energiemenge proportional zu dem Umfang der chemischen Reaktion ist".
  • Unter Anwendung der von Hadad beschriebenen Methoden ist es möglich, die kinetische Aktivierungsenergie zu bestimmen, die für die Einleitung der Polymerisation erforderlich ist. Eine dieser Methoden umfasst die Erzeugung von DSC-Scans unter Verwendung verschiedener Erwärmungsgeschwindigkeiten, wie sie in dem Standard ASTM Methode E 698-79 beschrieben wird. Da jedoch der entscheidende Gelbildungspunkt zur Vermeidung einer Beeinträchtigung eines richtigen Lötens, wie in der vorliegenden Erfindung beschrieben wird, empirisch bestimmt werden muss, erweist sich die DSC nur als eine Richtlinie für geeignete Materialkombinationen als nützlich, wie der Lötprozess zuvor in Wertebereichen beschrieben worden ist. Daher wird ein einziger DSC-Scan bei einer singulären Erwärmungsgeschwindigkeit benutzt, um die Beziehung zwischen Härtungskinetik warmhärtender Polymere und ihrer Anwendbarkeit zum Einsatz in dem in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Verfahren zum Löten.
  • Die folgenden Beispiele dienen zur Veranschaulichung einer Art der Ausführungsform der Erfindung.
  • Beispiel 1
  • Es wurde ein Verkapselungsmaterial der vorliegenden Erfindung mit Fließmitteleigenschaften hergestellt, indem die folgenden Komponenten vereint wurden:
    Komponente Gew.-%
    Shell 828 (DGEBA-EEW = 188) 54,5
    A & C AC220J (MTHPA) 43,5
    Catachek 860 (Zinnoctoat) 2
  • Das Material wurde auf der Kupferoberfläche einer üblichen kupferkaschieren Leiterplatte FR-4 ausgestrichen. Auf das Epoxid wurde ein kleiner Ring aus eutektischem Lot 63Sn/37Pb aufgebracht. Die Leiterplatte wurde in einen IR-Aufschmelzofen gegeben. Das Profil war das für Lotpaste verwendete übliche Lötpasten-Reflow. Der Ring wurde auf den Kupfer aufgelötet und hinterließ einen Epoxy-Rest, der sich jenseits seines Gelbildungspunktes befand.
  • Beispiel 2
  • Das hergestellte Verkapselungsmaterial wurde auf die Oberfläche des Metalls, Kupfer, gegeben, das auf einem organischen Substrat, wie beispielsweise FR-4, kaschiert war. Auf der Oberfläche des Epoxids wurde ein festes Stück von eutektischem Lot 63Sn/37Pb aufgebracht. Die Testplatte, die jetzt sowohl das Verkapselungsmaterial als auch das Lot auf der Oberfläche des Metalls enthielt, wurde in einen Aufschmelzofen gegeben, entweder ein IR-Ofen oder Heißluftofen, und dem in 3 gezeigten Standard-Aufschmelzprofil unterworfen. Das Epoxymaterial dient zuerst als ein Flussmittel und unterstützt das Bondieren des Lötmittels mit dem Kupfer. Nach dem Aufschmelzen erstarrte das Epoxid, d.h. es ist eine ordentliche Zusammenschaltung festzustellen.
  • Beispiel 3
  • Das in Beispiel 1 hergestellte Verkapselungsmaterial wird auf die Metallbondierungsstellen auf Substrate gegeben, auf denen eine Löthöcker-Komponente, wie beispielsweise ein Flip-Chip, aufgebracht war. Die Flip-Chip-Form wird auf das Verkapselungsmaterial gesetzt, so dass das Verkapselungsmaterial den Spalt zwischen der Form und dem Substrat mit den Berührungsflächen ausfüllt, wobei das Substrat organisch sein kann, wie beispielsweise FR-4, oder anorganisch sein kann, wie beispielsweise aus Glas oder Keramik. Die Metallbondierungsstellen sind aus Kupfer oder Gold mit oder ohne einer Plattierung von Lötmittel. Die Löthöcker auf der Form bestehen aus eutektischen 63Sn/37Pb, worauf das Lötmittel von den Formhöckern aufschmilzt und sich mit den Bondierungsstellen auf dem Substrat verbindet. Geeigneterweise lässt sich eine hoch schmelzende Legierung verwenden, wie beispielsweise 63Sn/37Pb, in welchem Fall die eutektische Lötmittel-Plattierung auf der Metallbondierungsstelle aufschmilzt und sich mit den Löthöckern verbindet. Auf der Form, der Flip-Chip-Form, werden Verkapselungsmaterial und Substrat ausgerichtet und in einen Aufschmelzofen gegeben, der entweder ein IR-Ofen oder ein Heißluftofen ist, und dem in 3 gezeigten Profil des Standardaufschmelzens unterworfen. Während des Aufschmelzprozesses dient die MTHPA-Komponente des Verkapselungsmaterials als ein Flussmittel und ermöglicht das Verlöten des Bauelementes mit der Leiterplatte. Das Zusammenbringen von MTHPA und Zinnoctoat gewährleistet außerdem einen angemessenen Vernetzungsgrad während des Aufschmelzprozesses, was zu einem Harzgel führt, das zum Nachhärten geeignet ist und worin der Gelbildungspunkt in dem Gesamtprozess zu einem Zeitpunkt erreicht wird, wo das Verlöten nicht behindert wird.
  • Die folgenden Beispiele dienen zur Veranschaulichung einer Art der Ausführung der Erfindung unter Einbeziehung der Wahl der Komponenten des Verkapselungsmittels.
  • Beispiel 4
  • Entsprechend den in der Literatur, die von den chemischen Zulieferbetrieben verfügbar ist, beschriebenen Formulierungen wurde eine Mischung hergestellt aus einem Bisphenol A-Epoxyharz (Shell Epon 828), Methyltetrahydrophthalsäureanhydrid (MTHPA) (Lonza AC220J) und dem Katalysator Tris(dimethylaminomethyl)-Phenol, üblicherweise bezeichnet als DMP-30 (Lonza AC-30):
    Epon 828 55 Teile
    MTHPA 43 Teile
    DMP-30 2 Teile
  • Die resultierende Zusammensetzung wurde auf Kupfer ausgestrichen, das zusammen mit einem Stück Lot 63Sn/37Pb bis 250°C nach der Methode erhitzt wurde, die von Angelo (US-P-3 791 027) ausgeführt wurde, und wurde rasch entsprechend der Beschreibung in Pennisi, US-P-5 128 746, und Capote, US-P-5 376 403, erhitzt. Es wurde festgestellt, dass das Anhydrid (MTHPA) die Oberflächenoxide von den Metalloberflächen beseitigte, womit es dem Lötmittel möglich war, auf dem Kupfer eine Benetzung einzugehen und eine metallurgische Verbindung zu bilden.
  • Die gleiche Mischung wurde sodann auf der Metalloberfläche eines FR-4-Substrats aus Epoxyglas ausgestrichen, das mit Kupfer zusammen mit einem Stück Lot 63Sn/37Pb kaschiert war. Das Substrat, das die Epoxyzusammensetzung und Lötperle enthielt, wurde in einen IR-Aufschmelzofen mit mehrfachen Heizzonen gegeben. Die Temperaturen der Zonen und die Bandgeschwindigkeit des Ofens sind zuvor so profiliert worden, dass das in 5 gezeigte Profil der Oberflächentemperatur des Substrats erhalten wurde.
  • Unter Anwendung dieses Temperaturprofils der Lötperle kam es zu keinem Benetzen der Kupferoberfläche auf der FR-4 und Bildung einer metallurgischen Verbindung. Anstelle dessen blieb die Lötperle in ihrer ursprünglichen Form und wurde in dem gehärteten Epoxid eingekapselt.
  • Zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen empirischen Lötversuchen wurde die DSC angewendet, um die Härtungskinetik des vorgenannten Epoxids zu untersuchen. Unter Anwendung einer Probe von 50 mg und einer Heizgeschwindigkeit von 10°C/min von 50°C bis 230°C wurde das Einsetzen der Härtungsexothermen bei 100°C festgestellt, während die Peak-Exotherme entsprechend der Darstellung in 6 bei 130°C beobachtet wurde. Unter Anwendung einer Heizgeschwindigkeit von 10°C/min tritt daher das Maximum der Exotherme der Härtungsreaktion 50°C unterhalb des Schmelzpunktes des Lötmittels auf.
  • Beispiel 5
  • Unter Verwendung der gleichen Kombination von Harz und Anhydrid wie in Beispiel 4 wurde als Katalysator Lonza ACPI (ein markengeschütztes Imidazol) verwendet.
    Epon 828 55 Teile
    MTHPA 43 Teile
    ACPI 2 Teile
  • Diese Mischungen wurden mit Lötperlen verwendet und auf Kupfer rasch erhitzt. Das Anhydrid entfernte die Metalloxide und das Lot benetzte die Kupferoberfläche und breitete sich auf dieser aus. Sobald jedoch die Zusammensetzung auf dem Kupfer über dem organischen FR-4-Substrat ausgebreitet wurde und in dem Mehrzonenofen erhitzt wurde, war das Ergebnis das gleiche, wie es in Beispiel 4 beschrieben wurde. Das Lot änderte seine Form nicht und breitete sich nicht auf der Metalloberfläche aus.
  • Der DSC-Scan von 50° bis 230°C bei 10°C/min auf einer 50 mg-Probe zeigte das Einsetzen der Exotherme bei 100°C und einen Peak bei 130°C.
  • Obgleich ein schnelles Erhitzen der Kombination der Materialien dem Lot eine Ausbreitung auf dem Kupfer erlaubte, hatte das beschriebene Epoxysystem beim langsamen Erhitzen bis zum Schmelzpunkt des Lötmittels unter Verwendung eines Mehrzonenofens wiederum nicht die nötige Latenzzeit, um vor dem Verlöten flüssig zu bleiben.
  • Ähnliche Ergebnisse wurden unter Verwendung der Kombination von Epon 828 und MTHPA mit mehreren anderen bekannten Anhydrid-gehärteten Epoxy-Katalysatoren beobachtet, einschließlich Dimethylaminomethylphenol (Lonza AC-10), Zinkoctoat (Shepard Chemicals), Benzyldimethylamin (Lonza BDMA), Diazabicycloundecen (Air Products Amicure DBU-E), 2-Ethylhexansäure-Salz von Diazabicycloundecen (Air Products Amicure SA-102), 2-Heptadecylimidazol (Air Products Curezol 2MA-OK), 2-Heptadecylimidazol (Air Products C17Z), 2,4-Diamino-6(2'-methylimidazoleyl-(1'))ethyl-s-tri (Air Products 2MZ Azine). In jedem Fall wurde der Katalysator mit einem Bisphenol A-Harz (EEW 190) verwendet, wie beispielsweise Shell Epon 828, und mit Methyltetrahydrophthalsäureanhydrid mit 80 Teilen bezogen auf das Gewicht des Harzes. Unter Verwendung der vorgenannten Katalysatoren mit 1 bis 5 Teilen bezogen auf das Gewicht des Harzes zeigte sich bei den Mischungen, dass sie die Metalloxide entfernten und das Ausbreiten von 63Sn/37Pb-Lötmittel auf Kupfer beim raschen Erhitzen förderten, allerdings zu schnelle härteten und das Verlöten behinderten, wenn das Erhitzen langsam in einem mit Förderband versehenen Mehrzonenofen entsprechend der Beschreibung in Beispiel 4 ausgeführt wurde.
  • Beispiel 6
  • Als Katalysator für die in Beispiel 1 beschriebene Zusammensetzung aus Bisphenol A-Harz und MTHPA wurde Zinn(II)-octoat (Ferro Bedford Catachek 860) gewählt.
    Epon 828 55 Teile
    MTHPA 43 Teile
    Zinn(II)-octoat 2 Teile
  • Diese Mischung wurde mit Lötperlen verwendet und auf Kupfer rasch erhitzt. Das Anhydrid entfernte die Metalloxide und das Lötmittel benetzte die Kupferoberfläche und breitete sich auf dieser aus. Sobald jedoch die Zusammensetzung auf dem Kupfer über dem organischen FR-4-Substrat ausgebreitet wurde und in dem Mehrzonenofen erhitzt wurde, breitete sich das Lot auf der Metalloberfläche des Kupfers aus und das Epoxid war teilweise erstarrt. Damit gewährte die Auswahl des Katalysators bei dieser Kombination von Harz und Vernetzungsmittel die Latenzzeit für die Gelbildung, damit diese nach dem Löten erfolgen konnte.
  • Der DSC-Scan von 50° bis 230°C bei 10°C/min auf einer 50 mg-Probe zeigte das Einsetzen der Exotherme bei 150°C und einen Peak ausreichend oberhalb von 200°C, wie in 7 gezeigt wird. Damit liegt die Peak-Exotherme, die zur Vorhersage der Latenzzeit verwendet wird, ausreichend oberhalb des Schmelzpunktes des Lötmittels mit 183°C.
  • Beispiel 7
  • Unter Verwendung von Zinn(II)-octoat als Katalysator mit MTHPA zusammen mit einem multifunktionellen Harz, wie beispielsweise N,N,N',N'-Tetraglycidyl-4,4'-methylenbisbenzolamin (Ciba Geigy MY720) zeigte dieses tetrafunktionelle Harz ein höheres Reaktionsvermögen als eines auf Basis von Bisphenol A. Es wurde eine Mischung von MY720 mit MTHPA mit einem stöchiometrischen Verhältnis bei 90% unter Verwendung von Zinn(II)-octoat als Katalysator angesetzt und mit 1 Teil bezogen auf das Gewicht des Harzes zugegeben.
    MY720 45
    MTHPA 54
    Zinn(II)-octoat 1
  • Unter Verwendung dieser Kombination breitete sich das Lötmittel in der Methode mit dem schnellen Erhitzen entsprechend der Beschreibung in Beispiel 1 auf Kupfer aus und bildete mit Kupfer eine metallurgische Verbindung. Wenn jedoch die Heizmethode unter Einbeziehung des Mehrzonenofens angewendet wurde, breitete sich das Lötmittel nicht auf dem Kupfer aus oder benetzte dieses. Das gleiche Ergebnis zeigte sich beim Weglassen von Zinn(II)-octoat und Verwendung der beschriebenen Kombination MY70/MTHPA. Das Lötmittel wurde am Benetzen des Kupfers beim Erhitzen der Probe in dem Mehrzonenofen behindert.
  • Das Ergebnis des beobachteten Verlötens ist ähnlich wie in Beispiel 1, wenn cycloaliphatische Harze, wie beispielsweise 3,4-Epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxycyclohexancarboxylat (Union Carbide ERL-4221) in Kombination mit MTHPA und unter Verwendung von Zinn(II)-octoat als Katalysator verwendet wurden. Die Zusammensetzung härtete vor dem Schmelzpunkt (Erreichen) des Lötmittels und behinderte das Ausbreiten des Lötmittels auf dem Kupfer.
  • Ein DSC-Scan der Zusammensetzung:
    ERL-4221 49 Teile
    MTHPA 49 Teile
    Zinn(II)-octoat 2 Teile
    zeigte das Einsetzen der Exothermen bei 90°C mit einer Peak-Exothermen bei 155°C bei einer Heizgeschwindigkeit von 10°C/min. Damit ist der Peak der Exotherme, der mit der Geschwindigkeit der chemischen Reaktion korreliert, unterhalb des Schmelzpunktes der Lötmittellegierung.
  • Es wurde ein Gemisch von Epoxyharzen EPON 828 und ERL 4221 mit MTHPA und Zinn(II)-octoat als Katalysator verwendet.
    ERL-4221 24,5
    Epon 828 24,5
    MTHPA 49
    Zinn(II)-octoat 2
  • Dieses Lötmittelsystem zeigte ein Verlöten der Legierung 63Sn/37Pb mit Kupfer bei raschem Erhitzen, zeigte ein Verlöten jedoch nicht bei Anwendung des Mehrzonenofens. Die DSC-Einsatztemperatur begann bei einer höheren Temperatur von 120°C im Vergleich zu der Zusammensetzung unter Verwendung des cycloaliphatischen Harzes (ERL-4221) allein. Obgleich die Peak-Exotherme nahezu identisch in der Temperatur mit dem einkomponentigen Harzsystem war, war dennoch die Höhe der Exothermen geringer bei dem gemischten Harzsystem, was zeigt, dass weniger Wärme abgegeben wurde und damit eine kleinere chemische Aktivität. Damit gewähren Mischungen von hoch reaktiven Harzen, wie beispielsweise cycloaliphatische Harze, mit MTHPA nicht die erforderliche Latenzzeit.
  • Beispiel 8
  • Es wurde ein Blend von Bisphenol A-System, MTHPA und einem Katalysator vom Dicyandiamid-Typ (Ajinomoto Ajicure AH-150) bei verschiedenen Katalysatormengen verwendet.
    Epon 828 52 bis 56 Teile
    AH-150 40 bis 43 Teile
    AH-150 1 bis 8 Teile
  • Unter Verwendung von Katalysatormengen von 1 bis 2 Teilen bezogen auf das Gewicht des Harzes wurde festgestellt, dass sowohl die 63Sn/37Pb-Legierung unter Anwendung des schnellen Beheizens als auch unter Anwendung des Mehrzonenofens gelötet wurde. Wenn jedoch Konzentrationen oberhalb von 3 Teilen bezogen auf das Gewicht des Harzes der Zusammensetzungen verwendet wurden, wurde bei Anwendung des Mehrzonen-Heizprofils das Lötmittel am Ausbreiten gehindert. Somit ist die Katalysatormenge für die Geschwindigkeit der Reaktion entscheidend. Die DSC-Exothermen offenbaren, dass das Einsetzen der Peak-Exotherme bei niedrigeren Temperaturen eintritt, wenn die Katalysatorkonzentration zunimmt.
  • Das Aufschmelzprofil
  • Die Auswahl des vernetzenden Katalysators (Beschleunigers) beruht auf der Notwendigkeit, die Gelbildung während des Lötprozesses zu verhindern. Die wichtigste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die als Aufschmelzlöten bekannte Methode des Lötens. Beim Aufschmelzlöten werden die mit der Leiterplatte oder dem Substrat zu verlötenden Bauelemente auf das PCB oder auf das Substrat aufgesetzt und ein derartiger Zusammenbau durch einen Ofen geschickt, der verschiedenen Heizzonen enthält. Im typischen Fall gibt es drei Heizzonen. Die erste Zone oder Beheizungsstufe wird üblicherweise als die "Rampe" bezeichnet. In dieser Zone wird die Oberflächentemperatur der Platte rasch erhöht, um die Materialien der Platte und die Bauelemente zu erwärmen. In der zweiten Zone, auch als die "Eindringung" bekannt, kann sich die Temperatur der Platte an diesen Temperaturbereich über eine Zeitdauer angleichen, die kurz sein kann (1 bis 3 min), um die Temperaturdifferenzen auf der Oberfläche der Platte und der Bauelemente zu verringern. Die Eindringzeit wird von dem Typ der Platte, von dem Lötmittel und den Bauelementen, die zur Anwendung kommen abhängen. Der dritte Schritt umfasst eine schnelle Temperaturspitze, die den Schmelzpunkt des Lötmittels überschreitet. Die Temperaturen der Zonen werden daher von der Schmelztemperatur des Lötmittels bestimmt. Da der Schmelzpunkt von 63Sn/37Pb 183°C beträgt, beträgt die Eindringtemperatur in der Regel 120° bis 160°C. Die Peak-Temperatur beim Aufschmelzen beträgt in der Regel 200° bis 300°C.
  • Der Katalysator
  • Wenn in das Verkapselungsmittel der vorliegenden Erfindung ein Katalysator einbezogen ist, kommt es auf die Wahl des Katalysators an, die auf der Fähigkeit des Katalysators in dem Epoxysystem beruht, das Vernetzen bis zu dem Punkt der Gelbildung (Gelbildungspunkt) während oder nach des Aufschmelzprozesses ohne Behinderung des Aufschmelzlötens zu katalysieren.
  • Als Erklärung, eine nicht katalysierte Kombination eines Bisphenol A-Harzes mit einem Phthalsäureanhydrid-Derivat, wie beispielsweise MTHPA, würde bei Anwendung in einem Prozess des Aufschmelzlötens das Löten nicht behindern, würde aber auch ihren Gelbildungspunkt während des Aufschmelzprozesses nicht erreichen. Derartige Systeme würden 6 bis 48 Stunden des Nachhärtens unterhalb der Löttemperatur (im typischen Fall 150°C) zu benötigen, um eine Erstarrung und vollständige Vernetzung zu erreichen. Daher ist ein Katalysator erforderlich, um die Gesamtdauer des Härtens dieser Systeme herabzusetzen. Allerdings ist festgestellt worden, dass, wenn ein Katalysator gewählt wird, der in einem zu hohen Maße aktiv ist, das System eine Gelbildung unterhalb der Löttemperatur erreicht und den Lötprozess durch Bildung einer physischen Barriere zwischen Lötmittel und Targetmetall behindert.
  • Anhydrid-Katalysatoren des Amin-Typs haben dieses nachteilige Phänomen gezeigt. Beispiele für nicht akzeptierbare Katalysatoren sind Benzyldimethylamin, Dimethylaminomethylphenol, Tris(dimethylaminomethyl)phenol, Triethanolamin und Monoethanolamin. Wenn diese Amine als Katalysatoren gemeinsam mit Bisphenol A-Epoxyharzen verwendet werden, wie beispielsweise Shell EPON 828, und Phthalsäureanhydrid-Derivate, wie beispielsweise MTHPA, indem das übliche Aufschmelzprotokoll zur Anwendung gelangt, kommt eine vorzeitige Gelbildung zustande, die ein ordnungsgemäßes Löten verhindert.
  • Andere übliche Epoxy-Katalysatoren mit Anhydridhärtung haben gezeigt, dass sie für das Löten nachteilig sind, wie in Beispiel 5 detailliert wurde, wenn Blends von Bisphenol A-Harzen und MTHPA zur Anwendung gelangen.
  • Zinnoctoat als der Katalysator der Wahl bei diesen Systemen ist ein Metallsalz von Zinn und 2-Ethylhexansäure. Obgleich nicht daran gebunden sein zu wollen, wird davon ausgegangen, dass sich die Aktivität des Katalysators aus der Oxidation des Zinns von Sn+2 zu Sn+4 und der Dissoziation des Zinns von der 2-Ethylhexansäure ergibt. Wenn das Zinnoctoat unter Anwendung der Differentialscanningkalorimetrie getestet wird, lässt sich eine Exotherme bei 185° bis 190°C feststellen. Es ist beobachtet worden und wird daher angenommen, dass die Temperatur, bei der die Exotherme auftritt, mit der Temperatur korreliert, bei der die Katalyse des Vernetzens eintritt. Dementsprechend entspricht eine der Methoden der Bewertung des Einsetzens der katalytischen Aktivität, wo der Katalysemechanismus des Katalysators eingeschätzt werden muss derjenigen von Zinnoctoat, bei der die Exotherme des Katalysators mit der Temperatur in Korrelation zu bringen ist, bei der die Katalyse des Vernetzens eintritt.
  • Bei Verwendung in Kombination mit MTHPA und Bisphenol A-Harzen hat sich Zinn(II)-octoat als wirksam erwiesen, für die erforderliche Latenzzeit zu sorgen, die benötigt wird, um eine vorzeitige Gelbildung des Polymers vor dem Löten zu verhindern.
  • Die Wahl von Zinn(II)-octoat als ein Beschleuniger (vernetzender Katalysator) verhindert eine signifikante Gelbildung des Epoxids während der Rampen- und Eindringstufen, um zu ermöglichen, dass das Löten stattfinden kann, wenn ein Temperaturprofil des Aufschmelzens für Sn/37Pb-Lot oder Legierungen mit ähnlichen Schmelzpunkten angewendet wird.
  • Ein anderes Beispiel für ein geeignetes Verkapselungsmittel umfasst (1) ein Epoxyharz, Diglycidylether von Bisphenol A mit einem Epoxid-Äquivalentgewicht von 185 bis 192, (2) MTHPA als Vernetzungsmittel und Flussmittel sowie (3) Zinnoctoat als Katalysator. Das Vernetzungsmittel ist ein Anhydrid-Vernetzungsmittel, welches auch als Flussmittel wirkt. Das MTHPA-Vernetzungsmittel wird mit dem Zinnoctoat-Katalysator zusammengebracht, der das Vernetzen bei einer Temperatur bei oder oberhalb von etwa der Löttemperatur katalysiert, wodurch eine vorzeitige Gelbildung vor der Erzeugung des/der elektrischen Verbindungen) während des Aufschmelzlötens verhindert wird.
  • Die Katalysatormenge in der Zusammensetzung liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 0,1% bis etwa 10 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht des Verkapselungsmittels. Im Fall von Zinnoctoat liegt die bevorzugte Menge bei etwa 2,5% bis etwa 7 Gew.-% und die optimale Menge beträgt etwa 5 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht des Verkapselungsmittels.
  • Optionale Additive
  • Eine Komponente, die wahlweise und vorteilhaft in das Verkapselungsmittel der vorliegenden Erfindung einbezogen werden kann, ist ein Mittel zum Verringern der Oberflächenspannung. Dieses gelangt zur Anwendung, um den Kontaktwinkel an den Bondierungsflächen zu verringern. Das die Oberflächenspannung verringernde Mittel kann ein Tensid sein. Unter den geeigneten Tensiden sind TWEEN®, verfügbar bei der ICI, Wilmington, Delaware, und Kaliumperfluoralkylsulfonate. Sofern vorhanden, wird das Additiv zur Verringerung der Oberflächenspannung vorzugsweise in Mengen von etwa 0,1% bis etwa 1 Gew.-% des Gesamtgewichts des Verkapselungsmittels zugesetzt.
  • Eine andere Komponente, die wahlweise der Zusammensetzung des Verkapselungsmittels der vorliegenden Erfindung zugesetzt werden kann, ist ein Haftvermittler, der über die Fähigkeit verfügt, die Bindung von Epoxid an Metall zu verstärken. Geeignete Haftvermittler schließen organische Silane und Titanate ein. Ein geeignetes Organosilan ist 6040, 3-Glycidoxypropyltrimethoxysilan, verfügbar bei der Dow Corning Corp. of Midland, Michigan. Ein geeignetes Titanat ist LICA 38, Neopentyl(diallyl)oxy-tri(dioctyl)pyrophosphatotitanat, verfügbar bei Kenrich Petro Chemicals, Inc., in Bayonne, New Jersey. Der Haftvermittler wird vorzugsweise in Mengen von etwa 0,1% bis etwa 1 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht des Verkapselungsmittels zugesetzt.
  • Eine noch andere Komponente, die wahlweise in der Zusammensetzung des Verkapselungsmittels der vorliegenden Erfindung zur Anwendung gelangen kann, ist ein Schaumverhütungsmittel, wie beispielsweise FORM BLASTTM 1326, ein Alkoxylat von Fettestern, verfügbar bei Ross Chemicals. Das Schaumverhütungsmittel wird vorzugsweise in Mengen von etwa 0,1% bis etwa 1 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht des Verkapselungsmittel zugesetzt.

Claims (11)

  1. Mittel zum Verkapseln zum elektrischen Verbinden einer Metallbondierungsstelle eines ersten elektrischen Bauelementes mit einer Metallbondierungsstelle eines zweiten elektrischen Bauelementes mit Lot und zum Erzeugen einer mit Kapselmasse eingeschlossenen elektrischen Lötverbindung zwischen dem ersten und zweiten Bauelement unter Lötmittelaufschmelzbedingungen, aufweisend: a) ein warmhärtendes Epoxyharz; b) ein Vernetzungsmittel für das Harz, welches auch als ein Flussmittel wirkt, das von der Oberfläche der ersten und zweiten elektrischen Bauelemente unterhalb der Lot-Schmelztemperatur des Lötmittels Sauerstoffüberzüge entfernt; und c) einen Zinnoctoat-Katalysator zum Katalysieren des Vernetzens des warmhärtenden Harzes mit dem Vernetzungsmittel, wobei die Peak-Exotherme der Mischung von Katalysator, warmhärtendem Harz und Vernetzungsmittel, gemessen unter Anwendung der DSC bei einer stufenweisen Anstiegsgeschwindigkeit von 10° pro Minute bei oder oberhalb des Lötmittelschmelzpunktes liegt, wodurch der Gelbildungspunkt des vernetzten, warmhärtenden Harzes nach dem Schmelzen des Lotes erreicht wird.
  2. Mittel zum Verkapseln nach Anspruch 1, bei welchem das erste elektrische Bauelement ein elektrisches Bauelement ist, das über eine Mehrzahl von elektrischen Anschlüssen verfügt und in jeden Anschluss ein Löthöcker einbezogen ist; bei welchem das zweite elektrische Bauelement ein Bauelement tragendes Substrat mit einer Mehrzahl von elektrischen Anschlüssen ist, die den Anschlüssen des elektrischen Bauelementes entsprechen; wobei das Material zum Erzeugen des Verkapselung, welches Oxidüberzüge von der Mehrzahl der elektrischen Anschlüsse des Bauelementes und der Mehrzahl der elektrischen Anschlüsse des Substrates entfernt, beim Erhitzen bis zu einer Löttemperatur aufweist: ein warmhärtendes Epoxyharz; einen Zinnoctoat-Katalysator und ein Vernetzungsmittel, das als ein Flussmittel zum Entfernen der Oxidüberzüge von den Anschlüssen des Bauelementes oder den Anschlüssen des Substrates wirkt, wenn es bis zu der Löttemperatur erhitzt wird, und in Gegenwart des Katalysators mit dem Harz unter Erzeugung eines Gels bei oder oberhalb der Löttemperatur bei Profil-Lötmittelaufschmelzbedingungen bei Oberflächenmontage reagiert.
  3. Mittel zum Verkapseln nach Anspruch 2, bei welchem das Material zum Verkapseln zwischen dem elektrischen Bauelement und dem Substrat angeordnet ist und diese bondet und der Löthöcker zum Aufschmelzen kommt und das elektrische Bauelement mit dem Substrat elektrisch verbindet.
  4. Mittel zum Verkapseln nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei welchem das Vernetzungsmittel ein Polyanhydrid ist.
  5. Mittel zum Verkapseln nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, bei welchem das Anhydrid ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Succinsäureanhydrid, Methyltetrahydrophthalsäureanhydrid, Polyadipinsäurepolyanhydrid, Tetrahydrophthalsäureanhydrid, Hexahydrophthalsäureanhydrid, Polyacelainsäurepolyanhydrid und Zumischungen davon.
  6. Mittel zum Verkapseln nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welchem das Vernetzungsmittel Methyltetrahydrophthalsäureanhydrid ist.
  7. Mittel zum Verkapseln nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welchem das Harz ein Bisphenol A-Epoxyharz ist.
  8. Mittel zum Verkapseln nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welchem das Epoxyharz DGEBA-Harz oder Novolakharz ist.
  9. Verfahren zum Erzeugen eines elektrischen Zusammenbaus durch Verkapseln und elektrisches Verbinden mit Lötmittel eines elektrischen Bauelementes, das eine Mehrzahl von Anschlüssen von Metallbondierungsstellen mit einem Bauelement tragenden Substrat hat, das eine Mehrzahl von Metall-Anschlussstellen hat, die den Anschlüssen des elektrischen Bauelementes entsprechen, und zwar unter Profil-Lötmittelaufschmelzbedingungen bei Oberflächenmontage, wie sie in 4 aufgeführt sind, mit einem Mittel zum Verkapseln, das ein warmhärtendes Epoxyharz aufweist und ein Vernetzungsmittel, welches unterhalb der Schmelztemperatur des Lotes als ein Flussmittel wirkt, welches Oxidüberzüge von der Oberfläche der Metallbondierungsstellen auf dem elektrischen Bauelement und auf dem Bauelement tragenden Substrat entfernt, wenn es bis zu der Schmelztemperatur des Lötmittels erhitzt wird, sowie einen Zinnoctoat-Katalysator zum Katalysieren des Vernetzens des warmhärtenden Harzes mit dem Vernetzungsmittel, wobei die Kombination von warmhärtendem Harz und dem Vernetzungsmittel einen Gelbildungspunkt bei oder oberhalb der Schmelztemperatur des Lötmittels hat, welches Verfahren die Schritte umfasst: a) Entfernen des Oxidüberzuges von der Oberfläche der Metallbondierungsstellen, während sich das Mittel zum Verkapseln in flüssigem Zustand befindet; b) Schmelzen des Lötmittels, um das elektrische Bauelement, das eine Mehrzahl von Anschlüssen von Metallbondierungsstellen hat, mit dem Bauelement tragenden Substrat elektrisch zu verbinden, das eine Mehrzahl von Anschlüssen von Metallbondierungsstellen hat, die den Anschlüssen des elektrischen Bauelementes entsprechen, während sich das Mittel zum Verkapseln in flüssigem Zustand befindet und bevor das Mittel zum Verkapseln seinen Gelbildungspunkt erreicht; sodann c) Erzeugen eines Gels der Verkapselungsmasse; und sodann d) Härten des Gels.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem das Vernetzungsmittel ein Polyanhydrid oder ein Carboxy-terminierter Polyester ist.
  11. Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem die elektrische Baugruppe eine Baugruppe mit geringer thermisch wirksamer Masse ist, welches Verfahren anstelle der Profil-Lötmittelaufschmelzbedingungen der Oberflächenmontage die stufenweise Erhöhung der Baugruppe mit geringer thermisch wirksamer Masse bei einer Geschwindigkeit von etwa 1°C bis etwa 4°C pro Sekunde für eine Zeitdauer umfasst, die ausreichend ist, um ein Schmelzen des Lötmittels und eine elektrische Zusammenschaltung zu erzielen, und während dieser stufenweisen Erhöhung die Schritte nach Anspruch 9 ausführen.
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