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DE19907276A1 - Verfahren zur Herstellung einer Lötverbindung zwischen einem elektrischen Bauelement und einem Trägersubstrat - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer Lötverbindung zwischen einem elektrischen Bauelement und einem Trägersubstrat

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Lötverbindung zwischen wenigstens einem elektrischen/elektronischen Bauelement und einem Trägersubstrat vorgeschlagen, welches Trägersubstrat wenigstens eine metallische Landefläche zur Aufbringung des Bauelementes aufweist, wobei auf die metallische Landefläche eine Lötschicht aufgebracht wird und das Bauelement mit einer metallischen Anschlußfläche auf die Lötschicht aufgesetzt und ohne Flußmittel in einer Formiergasatmosphäre mit der Landefläche verlötet wird und wobei die Lötschicht aus einer auf die metallische Landefläche aufgebrachten reinen Zinnschicht mit einer Schichtdicke von weniger als 10 Mikrometern besteht. Aufgrund der sehr dünnen Zinnschicht bildet sich durch einen Diffusionsprozeß in kurzer Zeit eine dünne Schicht einer intermetallischen Phase zwischen der Landefläche des Trägersubstrats und der Anschlußfläche des Bauelementes aus, welche in wenigen Sekunden erstarrt. Vorteilhaft können durch das rasche Erstarren der Lötschicht die Taktzeiten bei der Bestückung der Trägersubstrate erheblich reduziert werden.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Lötverbindung zwischen einem elektrischen Bauelement und ei­ nem Trägersubstrat mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 an­ gegebenen Merkmalen.
Die Entwicklung moderner elektrischer bzw. elektronischer Bauelemente mit hohem Integrationsgrad führt zu immer größe­ ren Anforderungen an die Präzision bei der Aufbringung dieser Bauelemente auf ein Trägersubstrat, beispielsweise eine Lei­ terplatte oder ein Keramiksubstrat. Um eine mechanisch stabi­ le Verbindung der Bauelemente mit dem Trägersubstrat und eine verbesserte Wärmeableitung der von den Bauelementen erzeugten Wärme zu erreichen, werden elektrische bzw. elektronische Bauelemente, wie beispielsweise ungehäuste Leistungshalblei­ ter auf metallische Landeflächen des Trägersubstrats aufgelö­ tet. Da die Bauelemente ungehäust sind, darf beim Verlöten kein Flußmittel verwandt werden. Bei den bekannten Verfahren werden spezielle Lötschichten bzw. Lotdepots, sogenannte Lot- Preforms, welche aus zugeschnittenen Folienstücken einer Gold-Zinn-Lötfolie bestehen, auf die den Bauelementen zuge­ ordneten Landeflächen des Trägersubstrats aufgelegt. Nach der Aufbringung der recht empfindlichen und teuren Lot-Preforms werden die Bauelemente auf die Lot-Preforms aufgesetzt. Falls erforderlich, können auf die gleich Weise noch weitere elek­ trische und/oder elektronische Bauelemente in einer Art Schichtbauweise mittels weiterer Lot-Preforms auf die Ober­ seite der bereits aufgebrachten Bauelemente aufgesetzt wer­ den, falls die Oberseiten dieser Bauelemente mit entsprechend ausgebildeten Landeflächen versehen sind. Anschließend werden die Bauelemente in einer Lötkammer mit den zugeordneten Lan­ deflächen in einer Atomsphäre aus Formiergas verlötet. Da oh­ ne Flußmittel gearbeitet werden muß, besteht beim Auflöten die Schwierigkeit, daß die Bauelemente auf den geschmolzenen großflächigen Lötschichten "wegschwimmen" können. Daher muß das Bauelement mit einer speziellen Haltevorrichtung präzise in seiner Position gehalten werden, bis das Lot weitgehend erstarrt ist. Durch die große Anzahl der aufzubringenden Bau­ elemente und die zum Abkühlen und Erstarren der Lotschichten benötigte Zeit wird der Aufwand bei der Bestückung des Trä­ gersubstrats sehr groß. Die langen Abkühlperioden führen in einer automatischen Linienfertigung zu langen Taktzeiten, die sich sehr nachteilig auf die Herstellungskosten auswirken. Oft müssen teure Abkühlvorrichtungen eingesetzt werden, um die Lötschichten schneller abkühlen zu können.
Vorteile der Erfindung
Durch das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1, werden die bekannten Probleme bei der Herstellung einer Lötverbindung zwischen Bauelemente und Trägersubstrat vermieden. Dies wird durch eine Beschichtung der metallischen Landeflächen auf dem Trägersubstrat mit ei­ ner reinen Zinnschicht erreicht, deren Schichtdicke kleiner als 10 Mikrometer ist. Im geschmolzenen Zustand diffundiert dann das Zinn sowohl in die metallischen Landeflächen des Trägersubstrats als auch in die metallischen Anschlußflächen des Bauelementes. Aufgrund der sehr dünnen Zinnschicht bil­ det sich durch den Diffusionsprozeß sehr schnell eine dünne Schicht einer intermetallischen Phase zwischen der Ländeflä­ che des Trägersubstrats und der Anschlußfläche des Bauele­ mentes. Die Ausbildung der intermetallischen Phase führt zu einer raschen Erhöhung des Schmelzpunktes, wodurch die dünne Lötschicht innerhalb von nur wenigen Sekunden erstarrt.
Vorteilhaft können durch das rasche Erstarren des Lotes die Taktzeiten bei der Herstellung det bestückten Trägersubstra­ te erheblich reduziert werden. Dies führt insbesondere in einer automatischen Linienfertigung zu erheblichen Kosten­ einsparungen.
Weiterhin kann das Verfahren vorteilhaft mit am Markt er­ hältlichen Präzisionsbestückern durchgeführt werden. Es wird lediglich ein Heiztisch und eine Formiergaszuführung im Be­ stückungsbereich des Trägersubstrats benötigt. Abkühlvor­ richtungen sind nicht erforderlich. Außerdem entfällt die Verwendung der teuren und empfindlichen Lot-Preforms.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können auch kleine Bau­ elemente mit Kantenlängen von etwa 250 µm auf ein Trägersub­ strat aufgelötet werden.
Weiterhin ist vorteilhaft, daß die Zinnschicht auf lediglich 235°C erwärmt werden muß, um schmelzflüssig zu werden. Die sich beim Erstarren ausbildende intermetallische Phase weist einen sehr viel höheren Schmelzpunkt auf, so daß durch das erfindungsgemäße Verfahren hochschmelzende Lötverbindungen mit geringen Prozeßtemperaturen hergestellt werden können, wodurch die thermische Belastung der Bauelemente vorteilhaft verringert werden kann.
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfin­ dung werden durch die in den Unteransprüchen enthaltenen Merkmale ermöglicht.
Besonders vorteilhaft ist, wenn zunächst die Zinnschicht verflüssigt wird und anschließend das Bauelement mit einer Bestückungsvorrichtung auf die verflüssigte Zinnschicht auf­ gebracht wird. Sobald die metallische Anschlußfläche des Bauelementes in Kontakt mit der verflüssigten Lötschicht ge­ rät kommt es sehr schnell durch Diffusion des Zinns zur Aus­ bildung der intermetallischen Phase und zum Erstarren des Lotes.
Vorteilhaft kann das Bauelement bis zum Erstarren des Lotes von der Bestückungsvorrichtung präzise in seiner Position auf dem Trägersubstrat gehalten werden. Auf diese Weise kön­ nen Bauelemente mit Genauigkeiten von unter 10 µm mit be­ kannten Bestückungsautomaten auf einfache und preiswerte Weise auf dem Trägersubstrat plaziert und befestigt werden.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung nä­ her erläutert.
Es zeigt
Fig. 1. Schematisch einen Querschnitt durch ein Trägersub­ strat mit einem aufzulötenden Bauelement nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 einen Querschnitt durch ein Trägersubstrat mit einem aufzulötenden Bauelement nach dem erfindungsgemäßen Verfah­ ren.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Fig. 1 zeigt ein im Stand der Technik bekanntes Verfahren zur Verlötung eines Bauelementes mit einem Trägersubstrat. Die Darstellung ist nicht maßstabsgetreu und beschränkt sich auf die für die Erfindung wesentlichen Komponenten. Auf der Be­ stückungsseite eines Trägersubstrats 2, das beispielsweise eine Leiterplatte, ein Keramikträger oder ein anderes geeig­ netes Substrat sein kann, ist eine metallische Landeflächen 6 zur Aufbringung eines elektrischen/elektronischen Bauelemen­ tes 3 vorgesehen. Die Landefläche 6 besteht aus Gold und weist eine Dicke von etwa 3 µm auf. Das Bauelement 3 ist ein ungehäustes Halbleiterbauelement, das auf seiner Unterseite mit einer metallischen Anschlußfläche 7 versehen ist. Die me­ tallische Anschlußfläche besteht ebenfalls aus Gold und weist eine Dicke von beispielsweise 10 µm oder mehr auf. Zur Verlö­ tung des Bauelementes 3 mit der Landefläche 6 wird eine spe­ zielle Lötschicht bzw. ein Lotdepot, ein sogenanntes Lot- Preform 4, welches aus einem zugeschnittenen Folienstück ei­ ner Gold-Zinn-Lötfolie besteht, auf die Landefläche 6 aufge­ legt. Anschließend wird das Bauelement 3 mit der Anschlußflä­ che 7 auf das Gold-Zinn-Lotdepot 4 aufgesetzt und das Träger­ substrat 2 in einem Lötofen erwärmt bis das Gold-Zinn-Lot des Lotdepots 4 flüssig wird. Der große Zinnanteil des geschmol­ zenen, relativ dicken Lotdepots 4 verhindert dabei ein ra­ sches Erstarren der Lötschicht. Während sich das Lot in der schmelzflüssigen Phase befindet, hält eine nicht dargestellte Haltevorrichtung das Bauelement 3 in seiner Position auf dem Trägersubstrat und verhindert ein "Wegschwimmen". Nach dem allmählichen Abkühlen und Erstarren des geschmolzenen Lotes ist das Bauelement 3 mit der Landefläche 6 fest verbunden. Die elektrische Kontaktierung des Bauelementes 3 mit dem Trä­ gersubstrat 2 kann über nicht dargestellte Bonddrähte erfol­ gen, welche von der Oberseite des Bauelementes 3 zu nicht ge­ zeigten Leiterbahnanschlüssen des Trägersubstrats 2 geführt sind.
In Fig. 2 ist ein Querschnitt durch ein Trägersubstrat 2 ge­ zeigt, welches die Aufbringung eines Bauelementes 3 auf ein Trägersubstrat nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zeigt. Das Trägersubstrat 2, beispielsweise eine Keramik, ist mit einer metallischen Landefläche 6 aus einer etwa 3 µm dicken Goldschicht versehen. Die Landefläche kann aber auch aus ei­ nem anderen Material, beispielsweise auf Kupfer gefertigt sein. Auch ist denkbar, daß die metallische Landefläche durch die Oberseite eines Metallträgers gebildet wird. Weiterhin können auch mehrere Landeflächen auf dem Trägersubstrat zur Aufbringung eines Bauelementes vorgesehen sein, daß mit meh­ reren Anschlußflächen auf die zugeordneten Landeflächen auf­ gesetzt wird. Auf die Landefläche 6 ist eine Lötschicht 5 aus reinem Zinn aufgebracht. Vorzugsweise weist die Zinnschicht 5 in diesem Ausführungsbeispiel eine Dicke von 3 Mikrometern auf. Sie kann aber auch etwas dicker oder dünner sein, sollte aber in keinem Fall dicker als 10 Mikrometer ausgebildet sein. Die Zinnschicht 5 kann beispielsweise galvanisch auf die Landefläche 6 aufgebracht werden. Aber auch andere Ver­ fahren sind möglich. Mit einem Heiztisch wird die Zinnschicht 5 in einer Formiergasatmosphäre erhitzt und verflüssigt und anschließend ein Bauelement 3 mit seiner metallischen An­ schlußfläche 7 in das schmelzflüssige Zinn unter einem loka­ len Strom aus Formiergas bestückt und vom Bestückungsarm der Bestückungsvorrichtung zunächst in seiner Position gehalten. Die Bestückvorrichtung kann ein bekannter Präzisionsbestücker sein. Während der Bestückung kann das Bauelemente mit einer Reibebewegung in die geschmolzene Lötschicht eingedrückt wer­ den. Die Anschlußfläche 7 des Bauelementes besteht aus einer 10 µm Gold- oder Kupferschicht oder einer vergleichbaren Me­ tallisierung beispielsweise aus Kupfer oder einem anderen ge­ eigneten Material. Durch Diffusion des Zinns in der Landeflä­ che 6 und insbesondere in der relativ dicken Anschlußfläche 7 entsteht zwischen Anschlußfläche und Landefläche eine nur we­ nige Mikrometer dicke Schicht einer hochschmelzenden interme­ tallischen Phasenverbindung von Zinn und Gold, die nach weni­ gen Sekunden ohne eine Änderung der Temperatur erstarrt. Die Diffusion des Zinns muß nicht abgeschlossen sein, um die zum Halten des Bauelementes benötigte Festigkeit der Lötverbin­ dung zu erreichen. Gegebenenfalls kann in einzelnen Fällen ein Nachhärten der Verbindung durchgeführt werden. Auf Grund des schnellen Erstarrens der Lötverbindung kann der Bestückungsarm der Bestückungsvorrichtung nach wenigen Sekunden mit dem Bestückungsvorgang eines weiteren Bauelemente beginnen. Auf diese Weise lassen sich sämtliche Bauelemente auf der Be­ stückungsseite des Trägersubstrats ohne Temperaturänderung präzise an den vorgesehenen Positionen aufbringen und verlö­ ten. Ein versehentliches Verschieben oder Dejustieren eines Bauelemente beim Verlöten eines anderen Bauelementes ist nicht möglich.
Falls dies vorgesehen sein sollte, können in gleicher Weise weitere elektrische/oder elektronische Bauelemente auf die Oberseite des Bauelementes 3 aufgelötet werden, falls die Oberseite des Bauelementes 3 mit metallischen Landeflächen versehen ist. Auf diese Weise ist mit dem oben beschriebenen Verfahren auch ein Schichtaufbau von Bauelementen auf einem Trägersubstrat möglich.
Durch die kurze Zeitspanne bis zum Erstarren des Lotes ist das Verfahren besonders vorteilhaft in einer automatischen Linienfertigung zur Bestückung zahlreicher elektrischer/elektro­ nischer SMD- oder Halbleiter-Bauelemente auf Leiter­ platten oder Keramiksubstrate einsetzbar. Durch die Reduzie­ rung der Taktzeiten zur Bestückung eines einzelnen Substrats läßt sich der Bestückungsprozeß optimieren.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung einer Lötverbindung zwischen wenigstens einem elektrischen/elektronischen Bauelement (3) und einem Trägersubstrat (2), welches Trägersubstrat (2) we­ nigstens eine metallische Landefläche (6) zur Aufbringung des Bauelementes (3) aufweist, wobei auf die metallische Landefläche (6) eine Lötschicht (4, 5) aufgebracht wird und das Bauelement (3) mit einer metallischen Anschlußfläche (7) auf die Lötschicht aufgesetzt und ohne Flußmittel in einer Formiergasatmosphäre mit der Landefläche (6) verlötet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötschicht aus einer auf die metallische Landefläche (6) aufgebrachten reinen Zinnschicht (5) mit einer Schichtdicke von weniger als 10 Mikrometern besteht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst durch Wärmezufuhr die Zinnschicht (5) auf der Lan­ defläche (6) verflüssigt wird und anschließend das Bauele­ ment mit einer Bestückungsvorrichtung auf die verflüssigte Zinnschicht aufgesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (3) mit der Bestückungsvorrichtung beim Verlöten so lange in seiner vorbestimmten Position auf der Landefläche (6) gehalten wird, bis durch Eindiffundieren des Zinns in die Anschlußflächen (7) des Bauelementes (3) und/­ oder die Landeflächen (6) des Trägersubstrats (2) eine Er­ starrung des Lotes eintritt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in einer automatischen Linienfertigung mehrere elektrische Bauelemente (3) mit zugeordneten Lande­ flächen (6) des Trägersubstrats (2) verlötet werden.
5. Baugruppenträger, hergestellt nach dem Verfahren aus ei­ nem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwi­ schen der Anschlußfläche (7) des Bauelementes (3) und der Landefläche (6) des Trägersubstrats (2) eine nur wenige Mi­ krometer dicke Schicht einer intermetallischen Phase von Zinn und dem Metall der Anschlußfläche und/oder Landefläche ausgebildet ist.
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