DD246263A1

DD246263A1 - Verfahren zum herstellen von metallhuegeln an anschlussflaechen

Info

Publication number: DD246263A1
Application number: DD28630686A
Authority: DD
Inventors: Ralf Buchmann; Bernd Monno
Original assignee: Inst Fuer Nachrichtentechnik
Priority date: 1986-01-20
Filing date: 1986-01-20
Publication date: 1987-06-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Metallhuegeln auf den Anschlussflaechen von Chip-Carriern. Fuer zuverlaessige Loetverbindungen soll der Fertigungsaufwand verringert werden. Ohne Brueckenbildung sollen an den Anschlussflaechen von Chip-Carriern gleichzeitig Metallhuegel hergestellt werden, ohne dabei geformte Teile einzusetzen. Erfindungsgemaess werden die Anschlussflaechen des Bauelements mit einer Metallschicht weichloetfaehig beschichtet, zum Entfernen von Verunreinigungen werden die Anschlussflaechen und das Bauelementegehaeuse einer Waschbehandlung unterzogen und die nunmehr beschichteten Anschlussflaechen werden in eine eine verunreinigungsfreie Oberflaeche aufweisende Schmelze eines Metalls oder einer Metalllegierung getaucht und nach einer Mindestverweildauer senkrecht und parallel zur Schmelzenoberflaeche herausgehoben, vgl. Fig. 1.

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Metallhügeln an den Anschlußflächen hochpoliger elektronischer Bauelmeente in Aufsetzbauweise, insbesondere Chip-Carrier.

Charakteristik bekannter technischer Lösungen

Hoch polige elektronische Bauelemente in Aufsetztechnik, beispielsweise Chip-Carrier, besitzen an ihrer Unterseite eine große Anzahl von Anschlußflächen, die sowohl geringe Flächenausdehnungen als auch geringe Abstände zueinander aufweisen. Diese Bauelemente werden mit den Anschlußflächen auf entsprechende Kontaktierungsflächen eines Leitungssubstrats aufgesetzt und mit diesen beispielsweise durch Reflowlöten mechanisch und elektrisch verbunden. In der Praxis hat sich gezeigt, daß zuverlässige Lötverbindungen, erzielt werden, wenn an den Anschlußflächen ein ausreichender Vorrat an Lötmittel in Form von metallischem Lot oder als Lötpaste vorgesehen ist und wenn bei unterschiedlichem Temperaturausdehnungskoeffizient von Bauelement und Leitungssubstrat ein bestimmter Abstand zwischen beiden zum Mindern mechanischer Beanspruchungen infolge der unterschiedlichen Temperaturausdehnung eingehalten wird.

Um diesen Forderungen nachzukommen, werden nach einem bekannten Verfahren an den Anschlußflächen von Chip-Carriern kleine Zapfen, beispielsweise aus reinem Zinn, angebracht, indem vorgeformte Kugeln in einer beheizbaren Druckform zu Zapfen gepreßt werden. Die Anordnung der Zapfen in der Druckform entspricht der Anordnung der Anschlußflächen an der Chip-Carrier-Unterseite, so daß sich jede Anschlußfläche über einem der Zapfen befindet, wenn ein Chip-Carrier mit seiner Unterseite auf die geöffnete Druckform aufgesetzt wird. Durch weiteres Beheizen der Druckform werden die Anschlußflächen mit dem Zapfen verbunden, so daß beim Anheben des Chip-Carriers jede seiner Anschlußflächen mit einem Zapfen versehen ist. Diese Zapfen aus Zinn mit einem Schmelzpunkt von 232°C dienen zur Verlängerung der Anschlußflächen und unterliegen bei dem Reflowlöten mit einem Lot, beispielsweise LSn 63 mit einem Schmelzpunkt von 183°C keiner Formveränderung, vgl. Fisher, J. R.: Cast Leadsfor Surface Attachment. IEEE Transaction on Components, Hybrids and Manufacturing, Vol. CHMT-7, No. 4, Dec. 1984.

Dieses Verfahren erfordert mit seinen Verfahrensschritten — Formen der Kugeln, Pressen der Zapfen, Aufsetzen des Bauelements auf die Druckform, übertragen der Zapfen an die Anschlußflächen, Entformen und Verputzen der Zapfen —· einen erheblichen fertigungstechnischen Aufwand.

Aus der Praxis des Tauchverzinnens ist bekannt, daß sich beim Tauchverzinnen von Lötfahnen an ihrem Ende Zapfen bilden, sofern die in das Lötmittelbad getauchten Lötfahnen zu rasch herausgezogen werden. Ist die Geschwindigkeit der Lötfahnen größer als die Fließgeschwindigkeit des Lötmittels auf dem gegebenen Grundmetall, reißen die hochgezogenen Lötmittelkuppen in Form von Zapfen ab, die bei eng aneinanderliegenden Lötfahnen zur Brückenbildung führen, vgl. DE-AS 1552976; B23K—1/08.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, zuverlässige Lötverbindungen bei hochpoligen elektronischen Bauelementen in Aufsetzbauweise mit geringerem fertigungstechnischen Aufwand herzustellen.

Wesen der Erfindung . '

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, an allen in einer Ebene liegenden Anschlußflächen eines hochpoligen elektronischen Bauelementes in Aufsetzbauweise ohne Brückenbildung hinreichend gleichgroße Metallhügel gleichzeitig herzustellen, ohne dabei vorgefprmte Teile oder Formen zu benutzen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Anschlußflächen mit einer Metallschicht aus einem ersten Metall oder einer ersten Metallegierung weichlötfähig beschichtet werden, daß zum Entfernen von Verunreinigungen sowohl von den beschichteten Anschlußflächen als auch von dem Bauelementegehäuse das Bauelement mit Waschmitteln behandelt wird, und daß zum Herstellen eines ersten Metallhügels an den zuvor beschichteten Anschlußflächen diese in die auf einen ersten Temperaturwert erwärmte und eine verunreinigungsfreie Überfläche aufweisende Schmelze des ersten Metalls oder der- ersten Metallegierung getaucht und nach einer ersten Mindestverweildauer senkrecht herausgehoben werden, wobei die Ebene der zu behügelnden Anscblußflächen mit einem relativ kleinen Toleranzwert parallel zur Oberfläche der Schmelze ausgerichtet ist. Zum Herstellen der Metallschicht werden die Anschlußflächen unter Anwesenheit eines Flußmittels in die auf einen zweiten Temperaturwert erwärmte Schmelze des ersten Metalls oder der ersten Metallegierung getaucht und nach einer zweiten Mindestverweildauer senkrecht herausgehoben, wobei die Ebene der zu. beschichtenden Anschlußflächen parallel zur Oberfläche der Schmelze ausgerichtet ist. In einer Erweiterung des Verfahrens werden zum Aufsetzen eines zweiten Metallhügels auf die zuvor beflügelten Anschlußflächen diese in die auf einen dritten Temperaturwert erwärmte und eine verunreinigungsfreie Oberfläche aufweisende Schmelze eines zweiten Metalls oder einer zweiten Metallegierung mit einem gegenüber dem ersten Metall oder der ersten Metallegierung niedrigeren Schmelzpunkt getaucht und nach einer dritten Mindestverweildauer senkrecht herausgehoben, wobei die Ebene der zu behügelnden Anschlußflächen mit einem relativ kleinen Toleranzwert parallel zur Oberfläche der Schmelze ausgerichtet ist.

Es ist zweckmäßig, vor dem Aufsetzen der zweiten Metallhügel die Spitzen aller ersten Metallhügel durch Stauchen abzuflachen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt es, in einfacher Weise Metallhügel an den Anschlußflächen von hochpoligen elektronischen Bauelementen herzustellen. Diese Metallhügel können als Lötmittelvorrat, als Anschlußverlängerung oder—wie es nach dem bekannten Verfahren bisher nicht möglich war — in einer Kombination als Anschlußverlängerung mit Lötmittelvorrat verwendet werden. Je nach Verwendung unterscheiden sich die eingesetzten Metalle oder Metallegierungen in ihrem Schmelzpunkt.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 — eine schematische Darstellung des Bauelementes in einzelnen Verfahrensschritten und Fig. 2— eine schematische Darstellung von Bauelement und Schmelze.

Figur 1 zeigt in schematischen Darstellungen a) bis d) ein hochpoliges elektronisches Bauelement 1 in Aufsetzbauweise mit Anschlußelementen 2, deren Anschlußflächen 3 in einer Ebene an der Unterseite des Bauelementes 1 liegen. Der besseren Übersicht wegen sind nur zwei von beispielsweise sechzehn Anschlußflächen an einer Seite des Bauelementes 1 gezeichnet. In der mit b) gekennzeichneten Darstellung sind die Anschlußflächen 3 mit einer Metallschicht 4 versehen. In der Darstellung c) sind an den Anschlußflächen 3 Metallhügel 5 angebracht, deren Spitzen in der Darstellung d) abgeflacht sind und in der'Darstellung

e) sind auf die Metallhügel zweite Metallhügel 6 aufgesetzt.

Die Fig.2 zeigt die Anordnung des Bauelementes 1 mit den Anschlußflächen 3 an seiner Unterseite in bezug auf die Oberfläche?

der Schmelze 8 eines Metalls oder einer Metallegierung.

Der Ablauf des Verfahrens ist folgender.

Das Bauelement 1 wird in eine hier nicht näher beschriebene Vorrichtung gespannt und mit seiner Unterseite, in deren Ebene die Anschlußflächen 3 liegen, parallel zur Oberfläche 7 der Schmelze 8 ausgerichtet. Unter Anwesenheit von Flußmittel, beispielsweise in Äthanol gelöstes Kolpphonium, wird das Bauelement 1 in die auf den zweiten Temperaturwert von beispielsweise 280°C erwärmte Schmelze 8 von reinem Zinn mit einem Schmelzpunkt von 232⁰C derart getaucht, daß die Anschlußflächen 3 etwa 0,5 mm tief in die Schmelze 8 eindringen. Nach der zweiten Mindestverweildauer von zirka 4s wird das Bauelement 1 senkrecht und derart aus der Schmelze gehoben, daß die Ebene der Anschlußflächen 3 parallel zur Oberfläche 7 der Schmelze 8 ausgerichtet ist. Im Ergebnis dieses Verfahrensschrittes sind die Anschlußflächen 3 mit einer an das Grundmetall anlegierten Schicht aus Zinn versehen.

In dem folgenden Verfahrensschritt sind in einer Behandlung mit einem oder mehreren Waschmitteln sowohl die beschichteten Anschlußflächen 3 als auch das Gehäuse des Bauelementes 1 von Flußmittelrückständen zu befreien. In Hinsicht auf das verwendete Flußmittel, das heißt in Äthanol gelöstes Kolophonium, werden hier zum Waschen reines Äthanol und anschließend Azeton verwendet. Bei anderen Flußmitteln sind gegebenenfalls andere Waschmittel zu verwenden.

In dem nächsten Verfahrensschritt wird das Bauelement 1 in die auf den ersten Temperaturwert von etwa 250⁰C erwärmte Schmelze 8 des reinen Zinns mit einer verunreinigungsfreien Oberfläche 7 derart getaucht, daß die beschichteten Anschlußflächen 3 etwa 0,2 mm tief in die Schmelze 8 eindringen. Nach der ersten Mindestverweildauer von zirka 0,2 s wird das Bauelement 1 senkrecht aus der Schmelze 8 gehoben, wobei die Ebene der Anschlußflächen 3 mit einem nur relativ kleinen Toleranzwert parallel zur Oberfläche 7 der Schmelze 8 ausgerichtet ist. Im Ergebnis dieses Verfahrensschrittes sind die Anschlußflächen 3 mit ersten, kegelförmigen Metallhügeln 5 aus reinem Zinn mit einem Schmelzpunkt von 232⁰C und mit einer Höhe von beispielsweise 0,8 ± 0,1 mm versehen.

Sollen auf diese ersten kegelförmigen Metallhügel 5 in einer Erweiterung des Verfahrens zweite Metallhügel 6 aufgesetzt werden, ist es zweckmäßig, die Spitzen aller ersten Metallhügel 5 durch gleichzeitiges Stauchen an einer glatten Fläche abzuflachen, so daß die ersten Metallhügel 5 die Form von Kegelstümpfen annehmen.

In einem weiteren Verfahrensschritt wird dann das Bauelement 1 zum Aufsetzen der zweiten Metallhügel 6 auf die zuvor angebrachten ersten Metallhügel 5 aus reinem Zinn derart in die auf einen dritten Tempetaturwert von beispielsweise 22O⁰C erwärmte Schmelze 8 einer Metallegierung von Zinn und Blei in einer Zusammensetzung von 63:37 mit einem Schmelzpunkt von 183°C getaucht, daß die ersten Metallhügel 5 etwa 0,2 mm in die Schmelze 8 eindringen. Nach einer dritten Mindestverweildauer von zirka 0,2 s wird das Bauelement 1 senkrecht aus der Schmelze 8 gehoben, wobei die Ebene der Anschlußflächen 3 mit einem nur relativ kleinen Toleranzwert parallel zur Oberfläche 7 der Schmelze 8 ausgerichtet ist. Im Ergebnis dieses Verfahrensschrittes sind die Anschlußflächen 3 mit ersten Metallhügeln 5 aus reinem Zinn mit einem Schmelzpunkt von 232°C und mit zweiten Metallhügeln 6 aus einer SnPb-Legierung 63:37 mit einem Schmelzpunkt von 183^CC versehen. Die Gesamthöhe beider Metallhügel 5; 6 beträgt beispielsweise 1,3 ± 0,1 mm.

Bei einem anschließenden Reflow-Löten des Bauelementes 1 mit einer Löttemperatur von beispielsweise 200⁰C bleiben die ersten, nunmehr kegelstumpfförmigen Metallhügel 5 erhalten und dienen als Anschlußverlängerung, während das Metall der zweiten Metallhügel 6 als Lötmittelvorrat dient und in die flüssige Phase übergeht. Besteht bei Gleichheit der Temperaturausdehnungskoeffizienten von Bauelement 1 und Leitungssubstrat keine Notwendigkeit für Anschlußverlängerungen an den Anschlußflächen 3, sind schon die ersten Metallhügel 5 in einem Metall oder einer Metallegierung mit einem Schmelzpunkt unter der Löttemperatur auszuführen. In diesem Fall ist das Abflachen des ersten · Metallhügel 5 nicht notwendig.

Die in diesem Ausführungsbeispiel angegebenen Temperaturwerte und Werte der Verweildauern sind, wie an sich bekannt, abhängig von den Abmessungen der Anschlußelemente 2, des Bauelementes 1 und der Schmelze 8 sowie von den dafür eingesetzten Werkstoffen. Sie können aus diesem Grund nur die gegenseitigen Verhältnisse beschreiben und sind für jeden Anwendungsfall neu zu bestimmen.

Es ist an sich bekannt, die Metallschicht 4 auf die Anschlußflächen 3 weichlötfähig durch andere Technologien aufzubringen, beispielsweise durch ein galvanisches Abscheiden, durch Bedampfen, Sputtern oder durch Walzplattieren. Dabei ist die aufgebrachte Metallschicht 4 entweder von sich aus gut weichlötfähig oder die Weichlötfähigkeit wird durch eine anschließende Wärmebehandlung verbessert.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von Metallhügeln an in einer Ebene liegenden Anschlußflächen voh hochpoligen elektronischen Bauelementen in Aufsetzbauweise, insbesondere Chip-Carrier, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußflächen (3) mit einer Metallschicht (4) aus einem ersten Metall oder einer ersten Metallegierung gut weichlötfähig beschichtet werden, daß zum Entfernen von Verunreinigungen sowohl von den beschichteten Anschlußflächen (3) als auch von dem Bauelementegehäuse das Bauelement (1) mit Waschmitteln behandelt wird, und daß zum Herstellen eines ersten Metallhügels (5) an den zuvor beschichteten Anschlußflächen (3) diese in die auf einen ersten Temperaturwert erwärmte und eine verunreinigungsfreie Oberfläche (7) aufweisende Schmelze (8) des ersten Metalls oder der ersten Metallegierung getaucht und nach einer ersten Mindestverweildauer senkrecht herausgehoben werden, wobei die Ebene der zu behügelnden Anschlußflächen (3) mit einem relativ kleinen Toleranzwert parallel zur Oberfläche (7) der Schmelze (8) ausgerichtet ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Herstellen der Metallschicht (4) die Anschlußflächen (3) unter Anwesenheit eines Flußmittels in die auf einen zweiten Temperaturwert erwärmte Schmelze (.8) des ersten Metalls oder der ersten Metallegierung getaucht und nach einer zweiten Mindestverweildauer senkrecht herausgehoben werden, wobei die Ebene derzu beschichtenden Anschlußflächen (3) parallel zur Oberfläche (7) der Schmelze (8) ausgerichtet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufsetzen eines zweiten Metallhügels (6) auf die zuvor behügelten Anschlußflächen (3) diese in die auf einem dritten Temperaturwert erwärmte und eine verunreinigungsfreie Oberfläche (7) aufweisende Schmelze (8) eines zweiten Metalls oder einer zweiten Metallegierung mit einem gegenüber dem ersten Metall oder der ersten Metallegierung niedrigerem Schmelzpunkt getaucht und nach einer dritten Mindestverweildauer senkrecht herausgehoben werden, wobei die Ebene der zu behügelnden Anschlußflächen (3) mit einem relativ kleinen Toleranzwert parallel zur Oberfläche (7) der Schmelze (8) ausgerichtet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufsetzen der zweiten Metallhügel (6) die Spitzen aller ersten Metallhügel (5) durch Stauchen abgeflacht werden.