DE69432010T2

DE69432010T2 - Mit Lötkugeln Verbindensverfahren damit versehen

Info

Publication number: DE69432010T2
Application number: DE69432010T
Authority: DE
Inventors: John Acocella; Donald Ray Banks; Joseph Angelo Benenati; Thomas Caulfield; John Saunders Corbin Jr.; Karl Grant Hoebener; David P. Watson
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: Adeia Semiconductor Technologies LLC
Priority date: 1993-10-28
Filing date: 1994-09-16
Publication date: 2003-09-25
Anticipated expiration: 2014-09-17
Also published as: DE69434160T2; KR950013337A; US6504105B1; EP1002611A1; EP1008414B1; TW261556B; CA2134019C; ATE231042T1; EP1002610A1; DE69434160D1; EP1008414A3; JPH07183652A; DE69432010D1; EP0650795A2; ATE283136T1; US5675889A; US5591941A; CA2134019A1; EP0650795A3; KR0167808B1

Description

GEBIET DIESER ERFINDUNG

Diese Erfindung bezieht sich auf oberflächenmontierte Lötverbindungen (surface mount solder connections) unter Verwendung von HMT(hohe Schmelztemperatur)-Metallkugeln (high melting temperature metall balls) zwischen einem Gitter von Kontakten auf einer Komponente und einem Spiegelbildfeld von Kontakten einer elektrischen Zwischenverbindungsstruktur und speziell auf die Zusammensetzung der HMT-Lötkugeln (HMT solder balls) und eines LMT(niedrige Schmelztemperatur)-Lötmittels (low melting temperature solder), das die Kugeln mit den Kontakten verbindet, die spezifische Geometrie der Verbindungen, FR-4(Glas und Epoxid)-Leiterplatten und MLC(Mehrschichtkeramik)-Chipträger für derartige Zwischenverbindungen (interconnections), die Verfahren zur Herstellung der Platten und Träger sowie auf das Verfahren zum Anbringen der Träger an den Platten.

HINTERGRUND DIESER ERFINDUNG

Lötkugelverbindungen wurden zur Anbringung von ICs (integrierten Computerchips) unter Verwendung der C- 4(Chipverbindung mit gesteuertem Kollaps)-Technologie (controlled collapse chip connection technology) verwendet, seit diese zuerst in den US-Patenten 3 401 126 und 3 429 040 von Miller beschrieben wurde. Elektronische Packungssysteme von Dally (McGraw-Hill 1990, Seite 113) beschreibt Flip-Chip- oder C-4-Verbindungen. In Dally: "Chip-Bondkontaktflächen werden in einem flächigen Feld über die Oberfläche des Chips hinweg verteilt.... Diese Bondkontaktflächen weisen einen Durchmesser von 5 Milli-Inch bei Mittelpunkten von 10 Milli- Inch auf. Auf einem Keramiksubstrat werden passende Bondkontaktflächen erzeugt, so dass die Kontaktflächen auf dem Chip und der Keramik zusammenfallen. Kugeln aus Lötmittel mit einem Durchmesser von 5 Milli-Inch werden auf den Kontaktflächen des Keramiksubstrats platziert... und der Chip wird relativ zu dem Substrat positioniert und justiert. Der Aufbau wird erwärmt, bis die Lötkugeln beginnen, weich zu werden, und ein kontrollierter Kollaps der Kugel stattfindet, wenn das Lötmittel gleichzeitig beide Kontaktflächen benetzt. Zahllose Lötmittelstrukturen wurden zum Anbringen von IC-Chips ebenso wie für eine Zwischenverbindung zu anderen Ebenen des Schaltungsaufbaus und der elektronischen Packung vorgeschlagen."
"Ball Grid Arrays: The Hot New Package" von Terry Costlow und "Solder Balls Make Connections" von Glenda Derman, beide in Electronic Engineering Times, 15. März 1993, beschreiben eine Verwendung von Lötkugeln, um keramische oder flexible Chipträger mit Leiterplatten zu verbinden.
Das US-Patent 4 132 341 von Bratschum beschreibt die Selbstzentrierwirkung (self-centering action) von Leitern, die sich zwischen Lötkontaktflächen (solder pads) von zwei Komponenten erstrecken, wenn beide Kontaktflächen gleichzeitig aufgeschmolzen (reflowed) werden. Das US-Patent 4 831 724 beschreibt die Selbstzentrierung einer Komponente, wenn sie während des Aufschmelzens in Vibration versetzt wird.
Die Herstellung von keramischen Mehrschicht-Chipträgern ist in den US-Patenten 3 518 756, 3 988 405, und 4 202 007 ebenso wie in "A fabrication Technique For Multi-Layer Ceramic Modules" von H. D. Kaiser et al., Solid State Technology, Mai 1972, Seiten 35 bis 40 und "The Third Dimension in Thick-Films Multilayer Technology" von W. L. Clough, Microelectronics, Bd. 13, Nr. 9 (1970), Seiten 23 bis 30 beschrieben.
Die Herstellung von Mehrschicht-Leiterplatten ist in den US- Patenten 3 554 877, 3 791 858 beschrieben. Dünnfilmtechniken sind in dem US-Patent 3 791 858 beschrieben.
Das US-Patent 4 604 644 von Beckham beschreibt Materialien und Strukturen zum Einkapseln (encapsulating) von C-4- Verbindungen. Die US-Patente 4 701 482 von Itoh und 4 999 699 von Christie et al. offenbaren Epoxide und eine Anleitung zur Auswahl von Epoxiden für elektronische Anwendungen.
Chipträger aus flexiblen Filmen (auf dem Fachgebiet als ATAB bekannt) sind in den US-Patenten 4 681 654, 4 766 670 und 5 159 535 beschrieben. Beim ATAB ("area tape automated bonding") wird ein flexibler Leiterplatten-Chipträger auf einer Leiterplatte unter Verwendung einer Lötkugelverbindung montiert.
Das US-Patent 5 147 084 von Behun beschreibt die Verwendung einer HMP(hoher Schmelzpunkt)-Lötkugel in Verbindung mit einem LMP(niedriger Schmelzpunkt)-Lötmittel. Figur lA jenes Patents ist ähnlich zu Fig. 4 dieser Anmeldung. "Ein Teil 10 ist mit einer Platte 11 zu verbinden. Das Teil 10 weist eine interne Metallurgie 14 auf, die an der Oberfläche bei Bond- Kontaktflächen 12 endet. Ein ... LMP-Lötmittel 16 wird an einer Bond-Kontaktfläche 12 angebracht. Eine ... HMP-Lötkugel 18 wird in Kontakt mit LMP-Lötmittel 16 platziert, und der Aufbau wird erwärmt, um das LMP-Lötmittel aufzuschmelzen, das dann die nicht geschmolzene HMP-Lötkugel benetzt .... Außerdem ist die Platte 11 mit einer internen Metallurgie 15 dargestellt, die auf der Oberflächen-Bondkontaktfläche 17 endet .... Das zusammengebaute Teil 10 ... wird mit dem Teil 11 in Kontakt gebracht, das eine Kontaktfläche 17 und LMP- Lötmittel 13 aufweist, und die beiden werden auf eine Temperatur erwärmt, die ausreichend ist, um das LMP-Lötmittel aufzuschmelzen, die jedoch nicht ausreichend ist, um die HMP- Lötkugel zu schmelzen. Das LMP-Lötmittel 13 auf der Platte 11, das an der Bond-Kontaktfläche 17 angebracht ist, benetzt die HMP-Kugel, und es wird eine Verbindung erzielt."

AUFGABEN DIESER ERFINDUNG

Daher besteht eine Aufgabe dieser Erfindung darin, ein Verfahren zum Fertigen eines zuverlässigen Zwischenverbindungsaufbaus unter Verwendung einer Kugelverbindung bereitzustellen.
Spezieller besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, zwei starre, sich gegenüberstehende Substrate unter Verwendung von HMT-Lötkugelverbindungen zu verbinden, um eine elektronische Packungsstruktur zu bilden.
Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Aufschmelzlöten bereitzustellen, um Lötkugelverbindungen zu erzeugen.

ZUSAMMENFASSUNG DIESER ERFINDUNG

In dieser Erfindung der Anmelder, wie in Anspruch 1 definiert, wurde entdeckt, dass Lötkugelverbindungen zwischen gegenüberliegenden Metallkontaktgittern auf starren Substraten, die unter Verwendung eines Prozesses ähnlich jenem, der für ATAB verwendet wurde, aufgrund einer thermischen Ermüdung (thermal fatigue) der Lötverbindungspunkte zwischen den Kugeln und den Kontakten nicht zuverlässig waren. Es wurde festgestellt, dass die Verbindungen aufgrund einer Fehlausrichtung (mis-registration) von Kontakten (erlaubte Toleranzen hinsichtlich des Kontaktortes) nicht alle symmetrisch waren, was eine Fehljustierung zwischen gegenüberliegenden Kontakten verursachte, und dass die Verbindungen durch gleichzeitiges Aufschmelzen der oberen und unteren LMT-Lötverbindungen zwischen jeder HMP-Metallkugel und beiden jeweiligen Kontakten der Kugel symmetrischer und zuverlässiger gemacht werden konnten. Dies ermöglicht, dass sich die Kugeln durch Oberflächenspannung des geschmolzenen Lötmittels in symmetrischere Positionen zwischen den Mittelpunkten der Kontakte innerhalb der durch das Feld der Lötkugeln definierten Ebene bewegen.
Es wurde entdeckt, dass eine Vergrößerung der Kugeln die Ermüdung reduziert, dass jedoch die Abmessung der Kugeln durch den spezifizierten Zwischenverbindungsabstand und einen nominellen Abstand zwischen Kugeln begrenzt ist, der notwendig ist, um die Entwicklung einer elektrischen Verbindung zwischen den Kugeln zuverlässig zu verhindern. In ähnlicher Weise wurde festgestellt, dass eine Vergrößerung der Kontakte die Ermüdung reduziert, dass jedoch die Abmessung der Kontakte durch den spezifizierten Zwischenverbindungsabstand und den nominellen Abstand zwischen Kontakten begrenzt ist, der notwendig ist, um die Entwicklung einer elektrischen Verbindung zwischen Kontakten (z. B. eine Lötbrückenverbindung) zuverlässig zu verhindern. Für zuverlässige Zwischenverbindungen ist die Ermüdung minimiert, indem die Kugeln etwas kleiner als der Abstand zwischen den Kontakten gemacht wird und die Kontakte etwas kleiner als die Kugeln gemacht werden. Es wurde festgestellt, dass die Zuverlässigkeit der Verbindungen durch die relative Abmessung zwischen den Kontakten auf jeder Seite jeder Kugel beeinflusst wurde und dass die Ermüdung minimiert werden konnte, indem die Kontakte mit gleicher Abmessung hergestellt wurden. Es wurde festgestellt, dass die Ermüdung für Kontakte mit verschiedener Abmessung auf jeder Seite der Kugel minimiert werden konnte, indem das Lötmittelvolumen für die Verbindung mit dem kleineren Kontakt größer gemacht wurde.
Es wurde festgestellt, dass eine Erhöhung des Querschnitts der Lötverbindungen die Ermüdung reduzierte, dass jedoch die Volumenerhöhung durch die Notwendigkeit begrenzt ist, die Entwicklung einer Lötbrückenverbindung zwischen benachbarten Kugeln und zwischen benachbarten Kontakten zuverlässig zu verhindern. Schließlich wurde festgestellt, dass eine Reduzierung des Querschnitts der Lötverbindungen auf unter etwa 2/3 des Durchmessers der Kugel einen beträchtlich nachteiligen Effekt auf die Ermüdungs-Lebensdauer der Verbindung hat.
Anstelle von Metallkugeln ist es möglich, Metallsäulen (metalcolumns) zu verwenden (Anspruch 5).
Diese Erfindung wird detaillierter unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Prozessdiagramm, das die Erzeugung eines keramischen Mehrschicht-Chipträgers (MLC) dieser Erfindung darstellt.
Fig. 2 stellt den Prozess zur Erzeugung einer Fiberglas- Epoxid-Leiterplatte (FR-4) (fiberglass-epoxy circuit board) dieser Erfindung dar.
Fig. 3 stellt den Prozess zur Erzeugung der Zwischenverbindungen zwischen dem MLC und der FR-4 in dieser Erfindung dar.
Fig. 4 ist ein schematischer Teilquerschnitt einer spezifischen Ausführungsform dieser Erfindung, die einen Teil eines MLC-Chipträgers mit Lötkugeln zeigt, die an Kontakten und gegenüberliegenden Spiegelbildkontakten einer FR-4- Leiterplatte angebracht sind.
Fig. 5 zeigt die Positionierung von Lötkugeln auf den Lötkontakten vor einer Anbringung an dem MLC von Fig. 4.
Fig. 6 zeigt den MLC und die FR-4 von Fig. 4 aneinander positioniert.
Fig. 7 zeigt die Aufschmelzverbindungen (reflow connections) des MLC mit der FR-4 von Fig. 4, wobei lediglich die Verbindungsstelle zwischen den Lötkugeln und der FR-4 während des Aufschmelzens geschmolzen wird.
Fig. 8 stellt die Aufschmelzverbindungen des MLC mit der FR-4 von Fig. 4 dar, wobei beide Verbindungsstellen jeder Verbindung gleichzeitig geschmolzen werden, um eine symmetrischere Verbindung bereitzustellen.
Fig. 9 ist ein schematischer Querschnitt durch Linie 9-9 von Fig. 10, welche die "Hundeknochen"-Verbindung zwischen plattierten Durchkontaktlochverbindungen dieser Erfindung darstellt.
Fig. 10 ist eine schematische Draufsicht, die einen Teil des Feldes von Metallkontakten und "Hundeknochen"-Verbindungen zwischen den plattieren Durchkontaktlöchern und Kontakten darstellt.
Fig. 11 ist eine vergrößerte Ansicht der "Hundeknochen"- Anordnung von Fig. 10.
Fig. 12 ist eine weitere Ausführungsform dieser Erfindung mit Kontakten verschiedener Abmessung und umgekehrt proportionalen Lötmittelvolumina.
Fig. 13 ist eine Draufsicht auf einen Kontakt dieser Erfindung zur Bereitstellung ausreichender Lötmittelvolumina für diese Erfindung.
Fig. 14 ist ein Querschnitt des Kontakts von Fig. 13 durch die Linie 14-14.
Fig. 15 bis 18 stellen Zwischenverbindungsaufbauten dar, die Lötmittelsäulen anstelle von Lötmittelkugeln verwenden.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN EINSCHLIESSLICH DER BESTEN AUSFÜHRUNGSFORM

In dieser Erfindung, wie in Fig. 4 dargestellt, wird ein erstes Substrat 10 mit einem planaren Feld von Kontakten 12 und Durchkontakten 14 hergestellt. In dieser Anmeldung bezieht sich Substrat auf irgendeine Komponente mit einer flachen Oberfläche für eine Zwischenverbindung, die im Gegensatz zu einer schmalen Kantenoberfläche als eine Hauptoberfläche bezeichnet wird. Wenngleich die Erfindung die Zuverlässigkeit einer Verbindung flexibler Leiterplatten erhöht, wie ATAB("area tape automated bonding")-Komponenten, besteht das erste Substrat vorzugsweise aus einer Komponente wie einem FR- 4-, einem Kunststoff- oder einem keramischen Chipträger und bevorzugter einem MLC(Mehrschichtkeramik)-Chipträger, für den diese Erfindungen dieser Anmeldung besonders gut geeignet sind.
Wie in Fig. 1 dargestellt, werden in Schritt 101 bei der Herstellung von keramischen Chipträgern keramische Pulver mit Bindemitteln, Lösungsmitteln und Plastifizierungsmitteln gemischt und gegossen, um Rohschichten zur Bildung dielektrischer Schichten zu erzeugen. In Schritt 102 werden Durchkontakte vorzugsweise durch Stanzen hergestellt, und in Schritt 103 wird eine leitfähige Tinte oder Paste (z. B. Mo- Fritte und Lösungsmittel) siebgedruckt, um die Durchkontakte zu füllen. Die Verdrahtungsstruktur kann zu diesem Zeitpunkt auch auf die Oberfläche siebgedruckt werden, und/oder äußere Verdrahtungsschichten können später unter Verwendung eines Dünnfilmprozesses hergestellt werden. Für eine Mehrschichtkeramik werden in Schritt 104 Rohschichten gestapelt und unter Wärme und Druck in eine monolithische Struktur laminiert. Dann wird/werden die Rohschicht(en) in Schritt 105 durch Brennen in einem Ofen mit einer reduzierenden Atmosphäre gesintert. Nach dem Sintern wird das freiliegende Metall zum Schutz beschichtet (nicht gezeigt). Ein Dünnfilmprozess kann dazu verwendet werden, eine äußere Verdrahtungsschicht (nicht gezeigt) zu erzeugen. Zum Beispiel kann leitfähiges Metall auf das Substrat aufgedampft oder aufgesputtert werden, gefolgt von einer photolithographischen Strukturierung, der eine dielektrische Beschichtung und eine zusätzliche Dünnfilmschichtbildung folgen kann.
Die Kontakte 12 (Fig. 4) können quadratisch oder bevorzugter rund sein, um zu der Form der Kugel zu passen und einen kleineren Abstand zu ermöglichen, der ausreicht, eine Lötbrückenbildung zuverlässig zu verhindern. Die Kontakte können aus irgendeiner leitfähigen Substanz bestehen, vorzugsweise einem Metall wie Al oder Ti, und bestehen bevorzugter aus Cu, Ni, Au, Pd oder Legierungen derselben, oder sind mit diesen bedeckt. Das Material kann durch Siebdrucken aufgebracht werden, oder an ein photolithographisches Verfahren können sich chemische und/oder elektrische Depositionsprozesse anschließen.
In Schritt 106 (Fig. 1) werden die Kontakte 12 mit einem Volumen aus einem ersten Verbindungsmaterial 13 beziehungsweise 16 bedeckt, wie einem leitfähigen thermoplastischen Material oder einer Lötmittellegierung, die Sn, Pb, Bi, In, Ag enthält, um Lötkontakte oder Löthügel zu bilden. In der bevorzugten Ausführungsform besteht das Verbindungsmaterial aus Pb/Sn-Lötmittel mit 20% bis 75% Sn und dem Rest hauptsächlich Pb, und es besteht am bevorzugtesten eutektisch aus etwa 63% Sn und 37% Pb. Das Lötmittel kann in dem geschmolzenen Zustand durch ein Serienlötverfahren aufgebracht werden, wie Schwall-Löten (wave soldering), oder kann als Lötmittelpaste (Metallpartikel in einem organischen Träger) siebgedruckt werden oder kann nach einem photolithographischen Prozess elektrisch und/oder chemisch auf den Kontakten aufgebracht werden.
In Schritt 107, wie in Fig. 5 gezeigt, werden Metallkugeln an den Löthügeln vorzugsweise durch Anwenden einer Schicht aus einem klebenden Flussmittel 20 angebracht, auf der die Kugeln positioniert werden. Die Kugeln können durch Transfer aus einer Vakuumhaltevorrichtung (vacuum die) gleichzeitig platziert werden. Das Flussmittel (flux) kann genau auf den Kontakten oder indem gesamten Gebiet der Substratzwischenverbindungen angewandt werden. Die Kugeln 18 können aus Kupfer bestehen, vorzugsweise beschichtet, um eine Oxidation zu verhindern, oder bestehen bevorzugter aus einer HMT-Lötmittellegierung mit einer Schmelztemperatur, die deutlich höher als jene des Verbindungsmaterials ist, so dass die Kugeln durch Aufschmelzen mit den Kontakten in Schritt 108 verbunden werden können, ohne die Kugeln zu schmelzen. Die Kugeln bestehen vorzugsweise aus Sn und 80% bis 97% Pb, am bevorzugtesten 90% bis 95% Pb. Die Anbringung wird vorzugsweise durch Aufschmelzerwärmung zuverlässig gemacht, um die Kugel mit dem Kontakt zu verbinden, so dass die Kugel während der weiteren Verarbeitung nicht abfällt. Während des Aufschmelzens des ersten Verbindungsmaterials 16 richtet die Oberflächenspannung des geschmolzenen Verbindungsmaterials die Kugeln 18 präzise zu den Kontakten 12 aus. Eine Zentrierung der Kugeln auf den Kontaktflächen des ersten Substrats hilft bei der Justierung der Kugeln bezüglich der Kontaktflächen des zweiten Substrats.
Für Lötverbindungsmaterialien gehen während des Aufschmelzens Metallelemente in Lösung oder werden zwischen dem LMT- Lötmittel und den Metallkugeln transportiert. Um dies zu verhindern, sollte die Aufschmelzanbringung der Kugeln 18 am Substrat 10 bei der niedrigsten Temperatur und in der kürzesten Zeit erfolgen, die zur Zentrierung der Kugeln und zur Verhinderung eines Loslösens der Kugeln während der nachfolgenden Verarbeitung erforderlich ist.
In Schritt 109 wird das Substrat abgekühlt, um das Verbindungsmaterial zu verfestigen.
Ein zweites Substrat 11 wird erzeugt, das ebenfalls Durchkontakte 15 und eine planare Anordnung von Kontakten 17 aufweist. Die Anordnung von Kontakten 17 ist ungefähr ein Spiegelbild der Anordnung der Kontakte 12. Das zweite Substrat kann eine flexible Leiterplatte (z. B. dünne Polyimid- und Kupferschichten) oder bevorzugter eine starre Platte, wie eine Keramik, oder am bevorzugtesten eine Mehrschicht-FR-4- Leiterplatte sein. Diese Erfindungen dieser Anmeldung sind insbesondere für Anwendungen gut geeignet, bei denen ein signifikanter Unterschied der thermischen Koeffizienten zwischen einem starren ersten und zweiten Substrat vorliegt.
Fig. 2 stellt den Prozess zur Herstellung von Fiberglas- Epoxid-Leiterplatten (FR-4) dar. In Schritt 120 werden eine oder mehrere Schichten aus Fiberglasgewebe mit einer Epoxidharzlösung imprägniert, um eine dielektrische Schicht zu bilden. Für Platten mit mehreren FR-4-Schichten werden die Schichten nur teilweise gehärtet, um stabile Schichten im B- Zustand zu bilden. In Schritt 121 werden wenigstens die inneren Schichten verschaltet. Die Fig. 9 bis 11 stellen die Oberflächenverdrahtung dieser Erfindung dar, die später detaillierter erörtert wird. Dieser Schritt beinhaltet die Bildung einer rechteckigen Anordnung von vorzugsweise runden Kontakten, die Anschlussflächen zur Verbindung mit den Durchkontakten in den Mittelpunkten von Quadraten bilden, die durch Vier umgebende Kontakte definiert sind, und die Bildung von Verbindungen zwischen den Anschlussflächen und den Kontakten. Üblicherweise werden die Schichten im B-Zustand vor einem Bohrvorgang für Durchkontakte, die durch alle Schichten hindurchgehen, in Schritt 122 mit Wärme und Druck laminiert, um die Schichten zusammenzuschmelzen und die Platte vollständig zu härten. Jede Schicht wird durch Siebdrucken oder durch einen photolithographischen Prozess verschaltet, bei dem eine Metallfolienabdeckung subtraktiv entfernt wird oder Metall selektiv chemisch und/oder elektrisch hinzugefügt wird, um eine Verdrahtungsschicht auf der Oberfläche der Schicht zu bilden. In Schritt 123 werden Öffnungen bei den Anschlussflächen durch eine oder mehrere Schichten gebohrt, und in Schritt 124 werden die Öffnungen innen mit Metall (vorzugsweise Kupfer) plattiert, um Durchkontakte zur elektrischen Zwischenverbindung zwischen den Verdrahtungsschichten auf jeder Seite der dielektrischen Schichten zu bilden.
In Schritt 125 wird Verbindungsmaterial auf Kontakten in einer ähnlichen Weise aufgebracht, wie zuvor für Schritt 106 in dem Prozess zur Erzeugung einer MLC beschrieben.
In Schritt 131 werden die Substrate 10, 11 in eine gegenüberliegende Position verbracht, wie in Fig. 4 gezeigt, und in Schritt 132 werden sie zusammengebracht, wie in Fig. 6 gezeigt. Die Genauigkeit der Platzierungsmaschine ist begrenzt, so dass die Substrate nicht präzise ausgerichtet sind.
Fig. 7 zeigt die Ergebnisse des Aufschmelzens nur des Verbindungsmaterials 13, was das Substrat 10 in Richtung des Pfeils 40 relativ zu dem Substrat 11 in eine präzise Ausrichtung zwischen den Substraten bewegt. Wie dargestellt, sind die Verbindungen, wie auf jeder Seite der Kugel 42, aufgrund von Toleranzen in den Positionen der Kontakte nicht symmetrisch. Daher werden in Schritt 133, wie in Fig. 8 gezeigt, beide Verbindungsmaterialien 13 und 16 auf jeder Seite der Lötkugeln 18 gleichzeitig aufgeschmolzen, um symmetrischere Verbindungen zu erzeugen. Wenn beide Verbindungsstellen 51 und 52 gleichzeitig aufgeschmolzen werden, bewegt die Oberflächenspannung des Verbindungsmaterials die Kugel in der Ebene 53 der Kugeln in Richtung einer Position auf halbem Wege zwischen den Mittelpunkten 54, 55 der Kontakte, was zu einer symmetrischeren Verbindung führt. Derartige symmetrische Verbindungen haben eine längere Haltbarkeit als die nicht- symmetrischen Verbindungen von Fig. 7.
In Schritt 134 werden die Substrate abgekühlt, um das Verbindungsmaterial der Verbindungen zu verfestigen. In Schritt 135 wird das Gebiet zwischen dem ersten und zweiter Substrat um die Metallkugeln herum mit einem Verkapselungsmittel wie Epoxid gefüllt. Für die Lötverbindungskonfiguration der Erfindung der Anmelderin ist es entscheidend, dass die Verbindungen bis nach einem gleichzeitigen Aufschmelzen der oberen und unteren Lötverbindungen nicht verkapselt werden, so dass sich die Lötkugeln zwischen den Kontakten in eine ausgerichtete Lage bewegen können. Nach einer derartigen Ausrichtung reduziert ein Verkapseln des Gebiets zwischen den Substraten um die Kugeln herum mechanische Ermüdungsbelastung während eines thermischen Zyklusablaufs.
Wenn die Kugeln 18 an die Kontakte 12 durch Aufschmelzen angebracht wurden, wird einiges Material zwischen der Kugel und dem Verbindungsmaterial 16 ausgetauscht. Wenn zum Beispiel die Kugel aus 10/90 Sn/Pb besteht und das Verbindungsmaterial eutektisches 63/37 Sn/Pb ist, dann weist das Verbindungsmaterial nach dem Aufschmelzen einen höheren Pb- Gehalt und daher eine höhere Schmelztemperatur auf. Wenn das Verbindungsmaterial 13 ebenfalls eutektisches Sn/Pb-Lötmittel ist, dann müssen die Verbindungen während des Aufschmelzens zum Verbinden der Substrate auf die höhere Temperatur aufgeheizt werden, um gleichzeitig zu schmelzen. Um eine minimale Temperatur zum Aufschmelzen zu verwenden, kann das Verbindungsmaterial 16 einen Bleigehalt aufweisen, der unter eutektische Mengen reduziert ist, so dass es während des ersten Aufschmelzens eutektisch wird, und dann wird das gleichzeitige Schmelzen während des zweiten Aufschmelzens bei minimalen Temperaturen erreicht.
Am bevorzugtesten sind die Kugeln in den Fig. 1 bis 5 so groß wie möglich, um mechanische Ermüdungsbelastung in den Verbindungen zu minimieren, lediglich begrenzt durch die Anforderung einer zuverlässigen Verhinderung von Brückenbildung zwischen den Kugeln. Mechanische Spannungen in den Verbindungen auf jeder Seite der Kugeln würden minimiert werden, indem die Kontakte mit der gleichen Abmessung wie die Kugeln hergestellt würden, die Kontakte müssen jedoch signifikant kleiner als die Kugeln sein, um Brückenbildung zwischen den Kontakten zuverlässig zu verhindern. Wie in Fig. 8 gezeigt, ist vorzugsweise ein Lötmaskenmaterial 53, 54, das flüssiges Lötmittel abweist, zwischen den Kontakten angeordnet, um Lötbrückenbildung zu reduzieren, so dass die Kontakte in ihrer Abmessung so gut wie möglich derjenigen dar Kugeln entsprechend hergestellt werden können. Zum Beispiel können Verbindungen mit Kugeln von 9 mm und runden Kontakten mit einem Durchmesser von 7 mm, deren Mittelpunkte um 1,25 mm beabstandet sind, zuverlässig ohne Brückenbildung hergestellt werden.
Lötmittelvolumina sollten so groß wie möglich sein, um Ermüdung zu reduzieren, sie sind jedoch durch die Anforderung, Brückenbildung zuverlässig zu verhindern, und die Kosten oder die Schwierigkeit einer Aufbringung großer Volumina an Lötmittel beschränkt. Am bevorzugtesten ist, wie in Fig. 9 gezeigt, der Durchmesser, der in einer Ebene 62 als der Querschnitt minimalen Durchmessers der Verbindung 64 definiert ist, wenigstens 2/3 des Durchmessers der Kugel 66. Wenn die Kugel zum Beispiel einen Durchmesser von 9 mm aufweist, sollte die Verbindung einen Durchmesser von wenigstens 6 mm in der Ebene 62 und bevorzugter mehr aufweisen.
Für keramische Substrate sind Durchkontaktlöcher üblicherweise mit einem HMP-Metall gefüllt, und für Dünnfilmschichten auf keramischen, flexiblen oder FR-4-Substraten sind Durchkontakte üblicherweise gefüllt oder sind im Vergleich zu Kontakten, die sich nicht auf Durchkontakten befinden, etwas vertieft. Für flexible und FR-4-Mehrschichtsubstrate enthalten Verdrahtungsschichten üblicherweise runde Anschlussflächen aus Metall, durch welche die Durchkontaktöffnungen gebildet werden und die zwischen Verdrahtungsschichten durch Plattieren der Öffnung verbunden werden. Einige der Kontakte auf FR-4- und flexiblen Substraten können auf derartigen plattierten Durchkontakten auftreten. Da der Durchmesser der Lötverbindung kritisch ist, ist das Volumen des Lötmittels kritisch, das Volumen kann jedoch an derartigen Öffnungen nicht ohne Weiteres gesteuert werden (selbst wenn sie zuvor mit Lötmittel gefüllt wurden).
Fig. 10 zeigt schematisch eine Anordnung von plattierten Durchkontaktöffnungen 71, die jeweils mit einem Lötkontakt 72 verbunden sind. Diese "Hundeknochen"-Anordnung verhindert, dass das Lötmittel auf dem Kontakt 72 in die Durchkontaktöffnung 73 fließt. In dieser spezifischen Ausführungsform liegen die Mittelpunkte der Kontakte etwa bei den Schnittpunkten von mehreren äquidistanten parallelen Linien 74 und mehreren äquidistanten parallelen Linien 75, die senkrecht zu den Linien 74 verlaufen. Die Durchkontakte 71 befinden sich in den Mittelpunkten von Quadraten 76, die durch die vier Kontakte 72 um den Durchkontakt 71 herum definiert sind. Die Durchkontakte sind mit den Kontakten durch eine Verdrahtung 77 verbunden, die sich unter einer Schicht einer Lötmaske 78 erstreckt.
Fig. 11 stellt schematisch einen einzelnen "Hundeknochen" 80 dieser Erfindung vor der Aufbringung von Verbindungsmaterial auf einem Kontakt 82 dar. Eine Öffnung 81 (versteckt) wird durch mechanisches oder Laser-Bohren in das Substrat wenigstens bis zu einer anderen Verdrahtungsschicht hergestellt, und Metall wird aufgebracht, um den Kontakt 82, eine Anschlussfläche 83 und eine Verbindungsverdrahtung 84 zu bilden und die Öffnung 85 zu plattieren, wobei eine Öffnung 86 zurückbleibt. Eine Lötmaske 87 bedeckt den größten Teil der Verbindungsverdrahtung 87 und der Außenkante der Anschlussfläche 83, wie durch gestrichelte Linien angezeigt, um Lötbrückenbildung zu verhindern.
Fig. 12 stellt schematisch eine alternative Ausführungsform dar, bei der ein Metallkontakt 91 größer als ein Metallkontakt 92 ist. In diesem Fall wird ein größeres Volumen an Verbindungsmaterial 93 zwischen einer Kugel 94 und dem kleineren Kontakt 92 als das Volumen an Lötmaterial 95 zwischen der Lötkugel und dem größeren Kontakt 91 platziert, um Ermüdung zu reduzieren und die Lebensdauer der Verbindung zu erhöhen. Somit können die minimalen Querschnitte der Verbindungen auf jeder Seite der Lötkugel etwa gleich groß gemacht werden, um eine Ermüdung an jedem Punkt der Verbindung Zu kompensieren.
Die Fig. 13 und 14 stellen eine Technik dar, um höhere Niveaus an Lötmittel bereitzustellen, die auf einem Kontakt aufgebracht werden, als üblicherweise durch Schwalllöten oder elektrische oder chemische (stromlose) Deposition aufgebracht werden können. Eine Flash-Schicht (flash layer) 130 erstreckt sich von der Kontaktfläche 132 weg über die Schicht aus Lötmittelresist 134 hinaus, wobei die Dicke der Flash-Schicht zwecks Illustration übertrieben dargestellt ist. Das Lötmittel 136 wird elektrisch, chemisch oder vorzugsweise durch Schwalllöten aufgebracht. Die Flash-Schicht besteht aus einer leitfähigen Substanz für elektrische Deposition, Kristallkeimmaterialien (seed materials) wie Palladium für stromloses Plattieren, und kann aus einem lötmittelbenetzbaren (solder wettable) Material für Schwalllöten bestehen. Das Flash-Material wird so gewählt, dass es sich während des Aufschmelzens auflöst, was dazu führt, dass das gesamte Lötmittel auf die Kontaktfläche wandert. Für Schwalllöten besteht das Flash-Material vorzugsweise aus Kupfer-Zinn, das ausreichend dick ist, um während der Deposition zu überleben, jedoch ausreichend dünn, um sich während des Aufschmelzens vollständig aufzulösen. Die Dicke des durch Schwalllöten aufgebrachten Lötmittels nimmt im Allgemeinen zu, wenn die Abmessung der Flash-Fläche zunimmt.
Fig. 15 stellt Lötsäulen 165 dar, die den Lötkugeln 18 (Fig. 4) ähnlich sind, und die vorige Erörterung hinsichtlich Materialien, Geometrien und Verfahren zur Platzierung, Aufschmelzverbindung mit den Modulen und Aufschmelzverbindung mit den Substraten ist anwendbar. Sie weisen ungefähr halbkreisförmige Enden auf und sind vorzugsweise zwischen 1 bis 20 Mal länger als ihre Durchmesser. Ermüdung wird reduziert, indem die Säulen länger gemacht werden, längere Säulen resultieren jedoch in höheren Modulprofilen, reduzierter Leitungskühlung und Handhabungsproblemen, die dagegen sprechen, dass die Länge jene übersteigt, die für eine zuverlässige Verhinderung von Ausfällen aufgrund thermischer Ermüdung notwendig ist. In dieser Anmeldung beinhaltet der Ausdruck Lötkugel Lötsäulen mit halbkugelförmigen Enden. Um die Säulen mit dem Modul zu verbinden, können die Säulen zum Aufschmelzen erhitzt werden, während sie an der Unterseite des Moduls angebracht werden (d. h. invertierte Position). Dies führt dazu, dass die Säulen dicht auf den Kontakten zentriert und vertikal sehr präzise ausgerichtet sind.
In Fig. 16 weisen Säulen 171 quadratische Enden auf, die zum Beispiel durch Schneiden eines extrudierten Lötmitteldrahtes (extruded solder wire) gebildet wurden. Eine Vakuumhaltevorrichtung 172 beinhaltet eine flache Seite 173 mit Vertiefungen, welche die Lötkugel oder Lötsäule aufnehmen. Die Vertiefungen stehen mit einem Vakuumbehälter 175 über Kanäle 176 in Verbindung, die signifikant kleiner als die Lötkugeln oder -säulen sind, um zuverlässig zu verhindern, dass die Säulen in den Vakuumbehälter 175 eindringen, und um ein Blockieren zu verhindern. Die Vakuumhaltevorrichtung wird verwendet, um die Kugeln oder Säulen auf den Kontakten eines Substrats entweder wie in Fig. 16 gezeigt oder in einer invertierten Position zu positionieren. Säulen mit entweder runden oder quadratischen Enden können durch Aufschmelzen in invertierter Position wie in Fig. 15 oder durch Halten der Säulen vertikal während des Aufschmelzens vorzugsweise unter Verwendung der Vakuumhaltevorrichtung verbunden werden. Das Vakuum kann ausgeschaltet werden oder während des Aufschmelzens sogar umgekehrt werden, was ermöglicht, dass die Säulen gegen die Lötkontakte anliegen.
Wenn die runden oder quadratischen Säulen während der Aufschmelzverbindung mit den Kontakten des Substrats 178 in Position gehalten werden, werden die Säulen nicht so gut auf den Kontakten zentriert oder vertikal ausgerichtet oder vertikal positioniert wie die hängend gebildeten Verbindungen. Wie in Fig. 17 gezeigt, sind die Verbindungen nicht symmetrisch, wenn das Modulsubstrat mit einem anderen Substrat 181 verbunden wird. Wenn das gleichzeitige Aufschmelzen der Erfindung angewendet wird, wie in Fig. 18 gezeigt, werden die Verbindungen viel symmetrischer und zuverlässiger.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Zwischenverbindungsaufbaus, das die Schritte umfasst:

Herstellen eines ersten Substrates (10) mit einer ungefähr planaren Struktur aus mehreren Metallkontakten (12) auf einer Hauptoberfläche;

Aufbringen eines Volumens aus einem ersten Verbindungsmaterial (16) auf jedem der Kontakte des ersten Substrats;

Verbinden einer leitfähigen Metallkugel (18) mit dem ersten Verbindungsmaterial auf jedem der Kontakte auf dem ersten Substrat, um eine Ebene aus Metallkugeln zur Aufrechterhaltung eines vorgegebenen Abstands zwischen dem ersten Substrat und einem zweiten Substrat zu definieren, wenn eine Verbindung besteht;

Herstellen eines zweiten Substrats (11) mit einer Hauptoberfläche mit einer ungefähr planaren Struktur aus mehreren Metallkontakten, die ungefähr ein Spiegelbild der Struktur von Kontakten des ersten Substrats sind;

Aufbringen eines Volumens aus einem zweiten Verbindungsmaterial (13) zur Positionierung zwischen den Metallkugeln und jedem jeweiligen Kontakt des zweiten Substrats;

paralleles Positionieren der Substrate aneinander zur Zwischenverbindung mit Kontaktstrukturen derart, dass sich Spiegelbildpaare von Kontakten in ungefährer Ausrichtung gegenüberstehen und jedes Volumen des zweiten Verbindungsmaterials ungefähr in Kontakt mit einer jeweiligen Metallkugel und einem jeweiligen Kontakt des zweiten Substrates ist; und

gleichzeitiges Schmelzen des ersten und des zweiten Verbindungsmaterials, während die Substrate aneinander positioniert sind, bei einer Temperatur, bei der die Metallkugeln fest bleiben, um die vorgegebene Beabstandung zwischen Substraten bereitzustellen, um die Metallkugeln durch Oberflächenspannung des geschmolzenen Verbindungsmaterials zu Richtungen in der Ebene der Verbindungsmetallkugeln in Positionen ungefähr zwischen den Paaren von ungefähr ausgerichteten Kontakten zu bewegen;

Abkühlen der Substrate unter die Schmelztemperaturen der Verbindungsmaterialien, um elektrische Zwischenverbindungen zwischen den Kontaktpaaren zu bilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Verbindens einer Metallkugel (18) mit den ersten Volumina des Verbindungsmaterials (16) die Schritte umfasst:

Positionieren einer Metallkugel (18) auf jedem Volumen des ersten Verbindungsmaterials (16);

Aufheizen des ersten Substrats (10), um die Metallkugeln mit den Kontakten (12) des ersten Substrats (10) zu verbinden, indem das erste Verbindungsmaterial (16) aufgeschmolzen wird, ohne die Metallkugeln (18) aufzuschmelzen; und

Abkühlen des ersten Substrats (10), um eine mechanische Verbindung zwischen den Metallkugeln (18) und den Kontakten (12) des ersten Substrats (10) vor dem Schritt der Positionierung der Substrate (10, 11) aneinander zur Zwischenverbindung zu erzeugen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem es ein Metallelement gibt, das zwischen den Metallkugeln und dem ersten Verbindungsmaterial wandern und die Schmelztemperatur des ersten Verbindungsmaterials erhöhen kann, und während des Schritts der Aufheizung des ersten Substrates das Substrat auf eine minimale Temperatur und während einer minimalen Zeitdauer erwärmt wird, um eine Migration eines Metallelements zwischen den Metallkugeln und dem ersten Verbindungsmaterial zu minimieren, um die Erhöhung der Schmelztemperatur des ersten Verbindungsmaterials zu minimieren.

4. Verfahren nach Anspruch 3, das des Weiteren den Schritt des Wählens eines unterschiedlichen Verbindungsmaterials für das erste und das zweite Verbindungsmaterial umfasst, um eine Migration des Metallelements zwischen den Metallkugeln und dem ersten Verbindungsmaterial zu kompensieren, damit das erste und das zweite Verbindungsmaterial während des Schritts der Aufheizung der Substrate, während sie aneinander positioniert sind, gleichzeitig schmelzen.

5. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Metallsäulen (165, 171) anstelle von Metallkugeln verwendet werden.