DE68905001T2

DE68905001T2 - Verfahren zum flussmittelfreien loeten.

Info

Publication number: DE68905001T2
Application number: DE8989110545T
Authority: DE
Inventors: Harry R Bickford; Raymond R Horton; Ismail C Noyan; Michael J Palmer; John C Zyzo
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1988-07-29
Filing date: 1989-06-10
Publication date: 1993-09-16
Anticipated expiration: 2009-06-11
Also published as: JPH0241772A; EP0352454A3; EP0352454A2; EP0352454B1; DE68905001D1; US4937006A

Description

Diese Erfindung stellt ein Verfahren zum flussmittelfreien Löten dar.
Das Löten ist ein allgemein bekanntes Verfahren zum Zusammenfügen zweier Gegenstände. Durch das Löten werden sowohl physikalische als auch elektrische Verbindungen erzeugt. Es ist beim Löten allgemein üblich, daß die miteinander zu verbindenden Gegenstände mit einem chemischen Flussmittel beschichtet werden. Dabei wird festes Lötmittel zwischen die beiden flussmittelbeschichteten Gegenstände gebracht. Das Lötmittel wird bis zum Schmelzen erhitzt. Das geschmolzene Lötmittel bedeckt die Teile des Gegenstands, die mit Flußmittel überzogen waren. Danach wird das Lötmittel abgekühlt und stellt eine physische Verbindung zwischen den beiden Gegenständen her. Das Flussmittel wird eingesetzt, um Oxide auf die Oberflächen der zu verbindenden Gegenständen und des geschmolzenen Lötmittels chemisch zu reduzieren. Wenn sich Oxide auf den Oberflächen dar zu verbindenden Gegenständen befinden, verhindern sie die Benetzung der Oberflächen durch das geschmolzene Lötmittel. Oxide auf der Oberfläche des geschmolzenen Lötmittels verhindern auch die Benetzung der Oberflächen der zu verbindenden Gegenständen durch das geschmolzene Lötmittel. Beim Erwärmen des festen Lötmittels, um eine geschmolzene Lötmittelmasse herzustellen, verdampft das chemische Flussmittel und brennt ab. Die Verdampfung des Flussmittels hat aber unerwünschte Auswirkungen. Aber auch Flussmittel, das nicht vollständig verdampft ist, hat unerwünschte Auswirkungen.
Das während des Verdampfens des Flussmittels entstehende Gas kann in das geschmolzene Lötmittel eingeschlossen werden und so beim Abkühlen Hohlräume erzeugen. Diese Hohlräume schwächen die physische Verbindung der miteinander verlöteten Gegenstände.
Stellt zudem die Lötverbindung eine elektrische Verbindung zwischen zwei elektrischen Leitern dar, verringern Hohlräume den Querschnitt der elektrischen Verbindung und erhöhen so den elektrischen Widerstand zwischen den beiden verbundenen elektrischen Leitern.
Flussmittelreste, die nicht vollständig verdampft sind, können zu Fällen von Korrosion an den Lötverbindungen und an den Gegenständen führen, die durch die Lötverbindungen miteinander verbunden wurden. Diese Korrosion kann mit der Zeit zunehmen und zur weiteren Schwächung der physischen Verbindung zwischen den Gegenständen führen, die durch die Lötverbindung miteinander verbunden wurden. Bei gelöteten elektrischen Verbindungen können Flussmittelreste zu Korrosion an Lötverbindungen und mit der Zeit zu erhöhtem Widerstand führen. Stellen Lötverbindungen elektrische Verbindungen dar, können Hohlräume durch Elektromigrationseffekte vom Inneren der Lötverbindung zur Grenzfläche der Lötverbindung mit einem der verbundenen Gegenstände wandern. Ist ein Hohlraum groß genug, so kann eine elektrische Unterbrechung in der Lötverbindung entstehen.
Lötverbindungen werden häufig bei mikroelektronischen Anwendungen zur Herstellung elektrischer Verbindungen verwendet, zum Beispiel zwischen Halbleiterchips und Packungsstrukturen von Halbleiterchips. In einer typischen Anwendung wird ein Halbleiterchip in einer Flip-Chip-Konfiguration auf einem Packungssubstrat angebracht. In einer Flip-Chip-Konfiguration wird die mit Kontaktpunkten versehene Oberfläche des Halbleiterchips auf die mit Kontaktpunkten versehene Oberfläche des Packungssubstrates angebracht. Die Kontaktpunkte des Chips und des Substrates werden elektrisch durch Lotkugeln miteinander verbunden, die häufig als C4-Lotkugeln (controlled collapse chip connection) bezeichnet werden. C4-Lotkugeln werden typischerweise im Vakuum auf die Kontaktpunkte des Chips aufgebracht. In anderen typischen Anwendungen werden Leiter und Drähte an lötmittelbeschichtete Kontaktpunkte auf einem Chip oder einem Packungssubstrat angelötet. Typischerweise wird das Lötmittel im Vakuum auf den Kontaktpunkt entweder des Chips oder des Packungssubstrates gebracht.
Der allgemeine Trend in der Mikroelektronik geht zur Verkleinerung der elektrischen Verbindungen zwischen Chips und Packungssubstraten. Zudem wird ständig der Abstand zwischen den Kontaktpunkten auf einem Chip oder auf Packungssubstraten verringert. Durch die Abnahme von Größe und Abstand der Kontaktpunkte auf einem Halbleiterchip und Packungssubstraten kann eine größere Anzahl elektrischer Verbindungen zwischen dem Packungssubstrat und dem Halbleiterchip hergestellt werden. Folglich haben die C4-Verbindungen eines Chips, der in Flip- Chip-Konfiguration auf einem Packungssubstrat angebracht ist, kleinere Abmessungen und sind dichter aneinander gepackt. Außerdem führt die Verkleinerung der C4-Verbindungen zu einem noch kleineren Abstand zwischen dem Halbleiterchip und dem Packungssubstrat. Das Zusammentreffen von kleinerem Abstand zwischen Chip und Packungssubstrat und zwischen den C4-Verbindungen selbst verringert auch den Raum zwischen den Chips, der für das Entweichen des verdampften Flussmittels zur Verfügung steht. Diese Situation verschlimmert das Problem der Entfernung von Flussmittelresten bei Halbleiterchips, die in Flip-Chip-Konfiguration auf Packungssubstraten angebracht sind. Die Situation ist beim Anlöten von Leitern und Drähten an dicht gepackte Kontaktpunkte auf einem Halbleiterchip oder einem Packungssubstrat ähnlich. Der dichte Abstand der Leiter und Drähte verringert den Raum, der sowohl für das Entweichen des verdampften Flussmittels als auch zum Entfernen von Flussmittelresten von solchen Stellen zur Verfügung steht, an denen Lötverbindungen entstehen sollen.
Durch die Verkleinerung der Lötverbindungen in mikroelektronischen Anwendungen nimmt die Bedeutung von unerwünschten Effekten wie Hohlräumen und Korrosion zu. Der Querschnitt der Lötverbindungen nimmt ab; folglich nimmt der Einfluß von Hohlräumen auf deren elektrischen Widerstand zu. Zudem nimmt die Anfälligkeit der Lötverbindungen für die negativen Auswirkungen von Korrosion mit abnehmender Größe zu.
Es ist wünschenswert, Lötverbindungen für mikroelektronische und andere Anwendungen ohne den Einsatz chemischer Flussmittel erzeugen zu können.
In der Patentschrift US-A-4 646 958 wird ein flussmittelfreies Lötverfahren beschrieben, das eine Silanatmosphäre verwendet. Das Reflow-Löten oder das Verlöten von Chips werden in einem flussmittelfreien System so durchgeführt, daß das Reflow-Lötverfahren zum Verbinden der Chips unter einem Trägergas erfolgt, das ungefähr 0,1 bis ungefähr 10 Volumenprozent Silan (SiH&sub4;) enthält. Ein bevorzugtes Trägergas für das Reflow-Löten ist Wasserstoff, und ein bevorzugtes Trägergas für das Verbinden der Chips Stickstoff. Die Gegenstände, die das Lötmittel enthalten, das umgeschmolzen werden soll, oder der Halbleiterchip auf dem Substrat, mit dem er verbunden werden soll, werden in einen Ofen gestellt, der von der Aussenwelt isoliert ist. Der Ofen wird dann mit dem Trägergas gefüllt, das Silan enthält. Das Lötmittel wird umgeschmolzen oder das Verfahren zum Verbinden der Chips wird durchgeführt. Das Trägergas enthält Silan, um die sich auf der Oberfläche des Lötmittels befindenden Oxide, z.B. Zinnoxid oder Bleioxid, zu metallischem Zinn oder Blei zu reduzieren.
Silan ist ein hochexplosives und toxisches Gas. Für ein Großproduktionsverfahren ist es sehr wünschenswert, den Einsatz von Silan zu vermeiden. Dieses Verfahren bedingt, daß die Gegenstände, die das Lötmittel enthalten und verlötet werden sollen, sich in einem geschlossenen Ofen mit Spezialatmosphäre befinden müssen. Dies wiederum setzt voraus, daß der Ofen geöffnet und geschlossen werden muß, um die Gegenstände in den Ofen zu stellen und aus dem Ofen zu entnehmen.
Eine Anwendung der vorliegenden Erfindung ist auf dem Gebiet der automatisierten Bandiöt- (tape-automated-bonding) Technologie (TAB). Bei der TAB-Technologie wird eine Reihe von Leitergruppen mit festen Abständen auf langen, flexiblen Trägerfilmen hergestellt, welche für die automatische Herstellung von elektrischen Bauteilen auf Rollen und von Rollen gewickelt werden können. Die Leiter jeder Leitergruppe sind nach innen auf eine zentrale Öffnung in dem flexiblen Band gerichtet, in die sie vorspringend hineinragen. Die inneren Enden der in die Öffnung hineinragenden Leiter können mit den Kontaktpunkten auf einem Halbleiterchip elektrisch verbunden werden. Die inneren Enden der Leiter können mit den Verfahren dieser Erfindung flussmittelfrei mit den Kontaktpunkten von Chips verlötet werden. Die äußeren Enden der Leiter ragen über andere Öffnungen in den Trägerfilm hinein. Die äußeren Enden der Leiter können mit den Verfahren dieser Erfindung flussmittelfrei mit Kontaktpunkten auf einem Substrat, wie einer Leiterplatte, verlötet werden. Die Verwendung von TAB-Band ermöglicht die Verwendung eines automatischen Verfahrens zur Herstellung der inneren und äußeren Verbindungen.
Es ist festgestellt worden, daß die in den folgenden Schriften beschriebenen Verfahren, die alle erhitztes Gas zum Löten einsetzen, flussmittelfreies Löten nicht ermöglichen: U.S. 3.912.153, U.S. 4.564.135, U.S. 4.552.300, U.S. 4.295.596, U.S. 4.605.152, U.S. 4.426.571, U.S. 3.754.698, japanische Patentschrift 55-86037 und IBM TDB Bd. 11, Nr. 10; März 1969; Seite 1298.
Einzig in der Patentschrift US-A-4 552 300, die den nächstliegenden Stand der Technik enthält, wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Anlöten und Ablöten von bleifreien Halbleitermodulen, welche Kontaktpunkte auf ihrer Unterseite besitzen, an und von verbleiten Kontaktpunkten von Leiterplatten beschrieben. Das Gerät enthält ein Gehäuse mit Bohrung, in der ein Saugkopf verschiebbar angebracht ist. Der Saugkopf wird dazu verwendet, das Modul relativ zu den Anschlüssen zu heben und zu senken. Der Saugkopf enthält einen Vakuumanschluß, um sowohl das Modul relativ zum Kopf festzuhalten als auch die erwärmte Luft abzusaugen, die von einer Quelle aus auf die verbleiten Anschlüsse gerichtet wird, um diese zu schmelzen. Diese Erfindung kann nur bei Leiterplatten angewendet werden.
Folglich ist es, wie in Anspruch 1 beschrieben, ein Gegenstand dieser Erfindung, diese Nachteile zu beheben. Diese Erfindung bietet ein verbessertes Verfahren zum flussmittelfreien Löten ohne den Einsatz von Silan, das auch bei verschiedenen Trägern angewendet werden kann.
Da nach dieser Erfindung die zu verbindenden Gegenstände nicht in einer Spezialatmosphäre eingeschlossen werden müssen, können Reflow-Löten und das Löten von Gegenständen flussmittelfrei durchgeführt und automatisiert werden.
Im Verfahren der vorliegenden Erfindung wird ein Gas auf eine feste Lotkugel gerichtet, die zwischen den zu verbindenden Gegenständen gehalten wird. Das Gas hat eine Temperatur, die ausreicht, das feste Lötmittel zu schmelzen, und einen Impuls, der ausreicht, Oberflächenoxide, die auf dem geschmolzenen Lötmittel entstehen, zu dispergieren. Das Lötverfahren kann in einer oxidierenden Atmosphäre wie Luft durchgeführt werden.
Es ist daher ein Vorteil dieser Erfindung, ein Verfahren zum flussmittelfreien Löten in einer oxidierenden Atmosphäre anbieten zu können.
In ihrer weitesten Auslegung ist diese Erfindung ein Verfahren zum flussmittelfreien Löten einer Lotkugel an eine mit Lot benetzbare Oberfläche. Eine Lotkugel wird an die mit Lot benetzbare Oberfläche gebracht. Ein Gasstrom wird gegen die Lotkugel gerichtet. Das Gas wird auf eine vordefinierte Temperatur erwärmt, die ausreicht, um die feste Lotkugel in eine flüssige Lotmasse zu verwandeln. Es befinden sich Oxide auf der Oberfläche des geschmolzenen Lotes. Das Gas besitzt genügend Impuls an der Kontaktstelle mit den Oxiden, um diese Oxide zu dispergieren, wodurch das nicht-oxidierte geschmolzene Lot in der Lage ist, die mit Lot benetzbare Oberfläche ohne Flussmittel zu benetzen. Das geschmolzene Lot wird abgekühlt und bildet dabei eine Lötverbindung zwischen der Lotkugel und der mit Lot benetzbaren Oberfläche aus.
In einer bestimmten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird das erwärmte Gas verwirbelt, bevor es auf die feste Lotkugel gerichtet wird. Das verwirbelte, erwärmte Gas besitzt dann ein Temperaturprofil, das ausreicht, ein im wesentlichen gleichmäßiges Schmelzen der Lotkugel herbeizuführen.
Diese und andere Ziele, Eigenschaften und Vorteile werden aus der folgenden, ausführlicheren Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen unter Bezug auf die bei liegenden Zeichnungen deutlich; dabei ist
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Lotkugel, die zwischen zwei Gegenstände gehalten wird, und gegen die ein erwärmter Gasstrom gerichtet ist;
Fig. 2 zeigt das Ergebnis des Verfahrens nach Fig. 1;
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung des Verfahrens nach Fig. 1, wobei das erwärmte Gas verwirbelt wird, bevor es auf die Lotkugel gerichtet wird;
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung eines Gegenstandes, der gegen einen lotbeschichteten Kontaktpunkt eines Substrates gehalten wird, während ein erwärmter Gasstrom gegen den lotbeschichteten Kontaktpunkt gerichtet wird;
Fig. 5 zeigt das Ergebnis des Verfahrens nach Fig. 4;
Fig. 6 stellt einen Abschnitt eines TAB-Bandes dar, welcher eine Vielzahl von Leitern aufweist, die nach innen auf eine Öffnung des flexiblen Film dieses TAB-Bandes gerichtet sind, wobei ein elektronisches Bauteil elektrisch mit den inneren Enden der Leiter verbunden ist;
Fig. 7 ist eine schematische Darstellung eines Querschnittes entlang der Linie AA durch die Struktur in Fig. 6;
Fig. 8 ist eine schematische Darstellung einer Lötvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung;
Fig. 9 und Fig. 10 sind alternative Darstellungen der Vorrichtung in Fig. 8 entlang der Linie BB;
Fig. 11 stellt die in zwei Hauptteile zerlegte Vorrichtung nach Fig. 8 dar;
Fig. 12 zeigt einen Teilquerschnitt der Vorrichtung nach Fig. 8 bei der Herstellung einer äußeren Leiterverbindung;
Fig. 13 zeigt eine Explosionsdarstellung des vergrößerten Teilquerschnittes eines Teils der Vorrichtung nach Fig. 8, die durch den gepunkteten Kreis in Fig. 8 markiert ist; und
Fig. 14 zeigt einen Teilquerschnitt der Vorrichtung nach Fig. 8 bei der Herstellung einer inneren Leiterverbindung.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Lotkugel 2, die zwischen Gegenstand 4 und Gegenstand 6 gehalten wird. Lotkugel 2 berührt die Oberfläche 8 des Gegenstandes 4 und die Oberfläche 10 des Gegenstandes 6. Die Oberflächen 8 und 10 können mit Lot benetzt werden. Die mit Lot benetzbaren Oberflächen können zum Beispiel aus Palladium, Platin, Kobalt, Silber und Gold hergestellt werden. Der Gasstrom 12 wird gegen einen Heizkörper 14 gerichtet, um den Gasstrom 12 zu erwärmen. Das erwärmte Gas wird durch die Düse 16 auf die Lotkugel 2 gerichtet. Die Lotkugel 2 besitzt einen Kern aus nicht-oxidiertein Lötmittel 18 und eine äußere Ummantelung aus oxidiertem Lötmittel 20. Lötmittel bestehen im allgemeinen aus Blei in Verbindung mit anderen Metallen wie Zinn, Antimon und Indium. Lötmittel werden auch aus mindestens einem der folgenden Materialien hergestellt, zum Beispiel: Cd, Cu, Bi, Zn, Ag, Al, Ge, Au, Hg, Ni, Ge, P und Si. Materialien, aus denen Lötmittel hergestellt wird1 werden leicht in einer oxidierenden Atmosphäre wie Luft oxidiert. Typischerweise besitzen diese Oxide Dicken von etwa 254 nm (0,01 mil) bis etwa 12,7 um (0,5 mil). Die Oberflächenoxide auf Lotkugel 2 müssen entfernt werden, um eine Lötverbindung zwischen der Lotkugel 2 und den mit Lot benetzbaren Oberflächen 8 und 10 herzustellen. Weiterhin sind die mit Lot benetzbaren Oberflächen 8 und 10 oxidfrei. Die Oberflächen von Gold, Palladium, Platin und Kobalt werden nicht oxidiert.
Es ist ein technisch allgemein angewendetes Verfahren, vor dem Schmelzen der Lotkugel 2 ein Flussmittel auf Lotkugel 2 und die Oberflächen 8 und 10 aufzutragen, um Oxide auf die Lotkugel und Oberflächen chemisch zu reduzieren. Das feste Lot wird zum Schmelzen erwärmt. Das oxidfreie, geschmolzene Lot kann dann die Oberflächen 8 und 10 benetzen.
In Fig. 1 ist der erwärmte Gasstrom 22 warm genug, um Lotkugel 2 zu schmelzen. Wenn die Lotkugel 2 schmilzt ist, schwimmen die Oxide des festen Lötmittels auf die Oberfläche des geschmolzenen Lötmittels. Der Gasstrom 22 ist mit einem ausreichend hohen Impuls auf das geschmolzene Lötmittel gerichtet, sodaß die schwimmenden Oxide beim Auftreffen auseinanderbrechen, und die Oberflächenoxide homogen im nicht-oxidierten Lötmittel verteilt werden. Dadurch kann das nicht-oxidierte, geschmolzene Lötmittel die mit Lot benetzbaren Oberflächen 8 und 10 benetzen. Es ist überraschenderweise festgestellt worden, daß ein oxidierendes Gas, wie atmosphärische Luft, wenn es mit genügend hohem Impuls auf die geschmolzene Lotkugel 2 gerichtet wird, die Oberflächenoxide auseinander bricht und so ermöglicht, daß die Oberflächen 8 und 10 vom geschmolzenen Lötmittel benetzt werden. Gasstrom 12 besteht vorzugsweise aus einem reduzierenden Gas, etwa ein Wasserstoff enthaltendes Gas, wie zum Beispiel: Formiergas, das eine Mischung aus Wasserstoff und Stickstoff ist (die bevorzugte Mischung ist 10% H&sub2; und 90% N&sub2;); oder ein inertes Gas wie ein Edelgas (zum Beispiel, Argon, Neon, Helium und ähnliches). Jedes Gas, das nicht chemisch mit den Bestandteilen des Lötmittels reagiert, wie Stickstoff, kann eingesetzt werden. Das bevorzugte Gas ist ein Gas, das Wasserstoff enthält. Der Impuls des Gases an der Oxidoberfläche hängt vom Molekulargewicht und der Geschwindigkeit des Gases an der Oxidoberfläche ab.
Nachdem Lotkugel 2 geschmolzen ist, und die Oberflächenoxide dispergiert worden sind, benetzt das geschmolzene Lötmittel die mit Lot benetzbaren Oberflächen 8 und 10. Das Objekt wird abgekühlt und bildet das in Fig. 2 dargestellte Objekt, wobei Gegenstände 4 und 10 durch eine Lötverbindung 24 miteinander verbunden sind.
Fig. 3 stellt ein Verfahren dar, das dem von Fig. 1 ähnelt. Alle Zahlen, die in Fig. 1, Fig. 2 und Fig. 3 erscheinen, markieren die gleichen Gegenstände. In Fig. 3 wird das erwärmte Gas 22 durch einen Verwirbelungskammer 26 geleitet. Durch die Verwirbelung entsteht ein Gasstrom 28, der auf die Oxidoberfläche 20 gerichtet ist, und der ein Temperaturverteilungsprofil besitzt, das ausreicht, um die Lotkugel 2 im wesentlichen gleichmäßig zu schmelzen. Fig. 2 zeigt das Objekt, das durch das Verfahren und den Apparat, der in Fig. 3 schematisch dargestellt ist, hergestellt wird.
Fig. 4 zeigt ein Substrat 30 und einen darauf angebrachten Kontaktpunkt 32. Der Kontaktpunkt 32 ist mit einer Lotkugel 34 beschichtet. Die Lotkugel 34 besitzt einen nicht-oxidierten Kern 33 und eine oxidierte Oberfläche 35. Das Lötmittel kann auf den Kontaktpunkt 32 durch Verfahren wie Verdampfung, Sputtern und ähnliches aufgetragen werden. Im allgemeinen wird das Lötmittel so durch eine Maske auf den Kontaktpunkt 32 aufgetragen, daß das Lötmittel nur auf den Kontaktpunkt 32 und nicht auf andere Teile des Substrates 30 aufgetragen wird. Die mit Lot benetzbare Oberfläche 36 des Gegenstandes 38 wird gegen die Lotkugel 34 gehalten. Ein Gasstrom 40 wird, in der Art und Weise wie in den Erklärungen zu Fig. 1 und Fig. 3 beschrieben, gegen die Lotkugel 34 gerichtet. Die Lotkugel 34 schmilzt. Die Oberflächenoxide werden dispergiert und benetzen die mit Lot benetzbare Oberfläche 36. Das geschmolzene Lot wird abgekühlt und erstarrt. Das in Fig. 4 schematisch dargestellt Verfahren erzeugt ein Objekt, wie es in Fig. 5 gezeigt wird. Alle Zahlen, die in Fig. 4 und Fig. 5 erscheinen, markieren die gleichen Gegenstände. Die Zahl 42 in Fig. 5 markiert das erstarrte Lot, das den Gegenstand 32 mit dem Gegenstand 38 verbindet.
Die Verfahren und die Vorrichtung, die in Fig. 1 bis 5 schematisch dargestellt und in deren Legenden beschrieben sind, können allgemein auf das Verlöten aller verlötbaren Gegenstände angewendet werden. Die Schmelzpunkte der allgemein verwendeten Lötmittel sind auch allgemein bekannt.
Im weiteren wird diese Erfindung der Einfachheit halber mit Beispielen aus der Mikroelektronik beschrieben. Diese Erfindung ist jedoch nicht auf diese Anwendungen beschränkt.
In der TAB-Technologie werden Sätze von Leitern mit festem Abstand auf langen, flexiblen Bändern hergestellt. Dieses flexible Band kann auf Rollen und von Rollen gewickelt werden, um in einem automatischen Herstellungsverfahren die Leitersätze elektrisch mit elektronischen Bauteilen zu verbinden, und die Verbindung von Bauteil und Leitersatz elektrisch mit einem Trägersubstrat zu verbinden.
Fig. 6 stellt einen Leitersatz 50 auf einem flexiblen Film 52 dar. Jeder Leiter besitzt ein inneres Leiterverbindung-(ILB)- Ende 54 und ein äußeres Leiterverbindungs-(OLB)-Ende 56. Die ILB-Enden sind nach innen auf eine zentrale Steile gerichtet und mit den Kontaktpunkten auf einem elektronischen Bauteil 58 verlötet. Im Abschnitt 74 des Bandes, der in Fig. 6 dargestellt ist, ragen die ILB-Enden über die Kante 60 der Öffnung 62 des Filmes 52 hinweg. An den OLB-Enden ragen die Leiter über die Öffnungen 64 hinweg. Öffnung 64 stellt eine Öffnung im Film 52 dar, durch welche Verbindungen mit den OLB-Enden hergestellt werden können. Der flexible Film 52 besitzt eine Reihe von Transportlöchern 66 an den äußeren Rändern des Filmes. Diese Transportlöcher erlauben eine Ausrichtung der Leiter mit den Kontaktpunkten, mit denen die ILB- und OLB-Enden elektrisch verbunden werden. Im allgemeinen erlauben die Transportlöcher jeweils nur eine grobe Ausrichtung der ILB- und OLB-Enden mit den Kontaktpunkten am Chip oder Substrat. Die Feinjustierung der ILB- und OLB-Enden mit den Kontaktpunkten am Chip oder Substrat wird durch optische Systeme vorgenommen, die in allgemeiner Verwendung sind.
Fig. 6 stellt ein Beispiel nur einer Art metallischer Träger für Leitersätze oder Leitergruppen mit festem Abstand dar. Ein anderer, in allgemeinem Gebrauch befindlichen Leiterträger besitzt nur eine Metallschicht, in welcher Sätze von Leiterbahnen gebildet werden. Die Leiter und die Metallschicht sind eine einheitliche Struktur. Die Leiter werden durch das Ätzen von Leiterbahnen im Band erzeugt. Die Leiter können aber auch unter Anwendung photolithographischer Verfahren durch Beschichtung strukturiert werden.
Nachdem ein Halbleiterchip mit den ILB-Enden der Leiter verlötet ist, werden die Leiter durch allgemein bekannte Verfahren vom metallbeschichteten Film im Gebiet der OLB-Enden im Gebiet der Öffnung 64 in Fig. 6 getrennt.
Allgemein bekannte TAB-Bänder können Leitermuster mit ILB-Enden von 25,4 um (1 mil) Größe und ILB-Abstände von 50,8 um (2 mil) anbieten. Folglich erlauben TAB-Bänder, Strukturen herzustellen, bei denen die Kontaktpunkte der Chips 25,4 um (1 mil) groß sind, und der Abstand zwischen den Kontaktpunkten 50,8 um (2 mil) beträgt.
Fig. 7 stellt einen schematischen Querschnitt von Fig. 6 entlang der Linie AA von Fig. 6 dar. Alle in Fig. 6 und Fig. 7 erscheinenden Zahlen markieren die gleichen Gegenstände. In Fig. 7 werden die Kontaktpunkte 68 dargestellt, die mit den ILB-Enden 54 verbunden sind. Die Kontaktpunkte 68 werden in Fig. 6 nicht dargestellt. Die Kontaktpunkte 68 stellen die elektrische Verbindung mit den elektrischen Schaltungen innerhalb des elektronischen Bauteils 58 her.
Ein Querschnitt des Werkzeuges zur Herstellung der inneren und der äußeren Leiterverbindungen, das zur Durchführung der Verfahren dieser Erfindung geeignet ist, ist in Fig. 8 dargestellt und mit der Zahl 110 markiert. Das Werkzeug 110 besitzt ein Gehäuse 112. Das Gehäuse 112 enthält einen zentral gelegenen Vakuumhohlraum 114, der physisch über eine nicht dargestellte Schnittstelle mit einer Vakuumquelle verbunden ist. Der Hohlraum 114 wird von einem weiteren Hohlraum 116 umgeben, der vom Hohlraum 114 physisch isoliert ist. In 116 gibt es einen nicht dargestellten Lufteinlaß für Hohlraum 116. Der untere Abschnitt des Hohlraums 116 enthält eine Anzahl von Teilchen 118. Der mit Teilchen gefüllte Abschnitt des Hohlraums 116 stellt eine Gasverwirbelungskammer 117 dar. Die Teilchen werden aus Materialien mit hoher Wärmekapazität wie Edelstahl, Nickel, Kupfer, Keramiken mit hoher Wärmekapazität und so weiter hergestellt. Diese Aufstellung zählt nur Beispiele auf und stellt keine Einschränkung dar. Die bevorzugten Teilchen sind kugelförmig und besitzen einen Durchmesser von etwa 2,38 mm (3/32 Zoll) bis etwa 3,97 mm (5/32 Zoll). Der mit Teilchen gefüllte Abschnitt des Hohlraums 116 ist im wesentlichen von einem Heizkörper 120 umgeben. Der Heizkörper 120 kann den unteren Abschnitt des Hohlraums 116 ganz oder nur teilweise umschließen. Der Heizkörper 120 kann eine elektrische Heizspirale, ein auswechselbares Heizelement oder jeder andere allgemein verwendete Heizkörper sein. Der Heizkörper 120 befindet sich im Hohlraum 122 im Gehäuse 112. Der Hohlraum 122 ist vom Gashohlraum 116 und vom Vakuumhohlraum 114 physisch isoliert. Der untere Abschnitt von Hohlraum 116 ist mit einer mit Öffnungen versehene Membrane oder mit einem Gitter 124 versehen. Die Gasverwirbelungskammer 117 ist der untere Abschnitt des Hohlraums 116. Die Membrane oder das Gitter 124 trennt die Gasverwirbelungskammer 117 von der Laminarströmungskammer 126, und die Schlitze oder Öffnungen erlauben dem erwärmten Gas, von der Gasverwirbelungskammer in die Laminarströmungskammer zu gelangen. Schlitze oder Öffnungen in der Membrane oder im Gitter 124 sollen das erwärmte Gas, das in die Gasverwirbelungshohlraum 116 gedrückt wird, in die Laminarströmungskammer 126 gelangen lassen. Der Vakuumhohlraum 114 reicht durch Laminarströmungskammer 126 hindurch. Das Gas, das durch den Einlaß für nichterwärmtes Gas im oberen Abschnitt des Hohlraums 116 eintritt, passiert die Gasverwirbelungskammer 117. An der äußeren Wand des Hohlraums 116 in der Nähe der Heizkörper 122 wird Wärme zwischen den Heizkörpern und dem Gas ausgetauscht. Das Gas wird in der äußeren Peripherie des Hohlraums 116 erwärmt. Die Verwirbelungskammer 117, die als ein mit Teilchen 118 gefüllter, unterer Abschnitt von Hohlraum 116 dargestellt wird, führt dazu, daß das erwärmte Gas an der Peripherie des Hohlraums 116 so verwirbelt wird, daß an der Membrane 124 das Wärmeprofil des durch die Membrane 124 passierenden Gases im wesentlichen gleichmäßig ist. In der Laminarströmungskammer 126 kann der Strömungsdurchmesser des durch die Membrane 124 passierenden Gases vergrößert oder verkleinert werden. Die Membrane 124, welche die Gasverwirbelungskammer 117 von der Laminarströmungskammer trennt, verhindert, daß die Teilchen 118 in die Laminarströmungskammer 126 fallen. An dem Ende der Laminarströmungskammer, das der Membrane 124 gegenüber liegt, befindet sich das Abschlußstück 128 der Laminarströmungskammer, das entweder mit einer Anzahl von Öffnungen 127, wie in Fig. 9 dargestellt, oder mit einem Schlitz 170, wie in Fig. 10 dargestellt, versehen ist. Fig. 9 und Fig. 10 sind nur Beispiele, Änderungen sind für jeden Fachmann offensichtlich. Das Abschlußstück 128 erlaubt es, die Gasströmung durch die Membrane 124 in die Laminarströmungskammer 126 so zu regulieren, daß das erwärmte Gas beim Eintritt in die Laminarströmungskammer 126 ausreichend verwirbelt ist und sich am Abschlußstück 128 eine im wesentlichen gleichmäßige Verteilung des erwärmten Gases ergibt. Das Abschlußstück 128 trennt die Laminarströmungskammer 126 vom Lötkopf 130. Am äußeren Rand des Lötkopfes 130 befindet sich der Düsenhohlraum 132. Der Düsenhohlraum mündet in Düsenöffnungen 134, welche einen geringeren Querschnitt als den des Düsenhohlraums 132 haben können. In Fig. 8 wird die horizontale Querschnittsfläche des Düsenhohlraums 132 als Rechteck dargestellt, dessen unterer Abschnitt eine kleinere vertikale Querschnittsfläche aufweist. Die Verkleinerung der vertikalen Querschnittsfläche vergrößert die Ausströmgeschwindigkeit des Gases beim Verlassen der Öffnung 134. Dies kann auch durch die Verwendung einer anderen Geometrie wie zum Beispiel durch eine dreieckige oder ovale vertikale Querschnittsfläche erreicht werden. Der Düsenhohlraum 132 und die Düsenöffnung 134 können eine beliebige vertikale Querschnittsfläche besitzen. Lötkopf 130 besteht normalerweise aus einem einzigen Stück des Materials 129, zum Beispiel aus Aluminium. Das Abschlußstück der Laminarströmungskammer 128 stellt auch das eine Ende des Lötkopfes 130 dar. Die Düsenspitze 135 stellt das andere Ende des Lötkopfs 130 dar. Der Düsenhohlraum kann aus einem einzigen Hohlraum oder einer Anzahl von Hohlräumen bestehen. Die bevorzugte Länge der Laminarströmungskammer 126, d.h. von der Membrane 124 bis zum Abschlußstück 128, beträgt etwa 33,02 mm (1,30 Zoll) bis etwa 38,1 mm (1,50 Zoll).
Diese Werte sind nur als Beispiele zu verstehen. Die Länge hängt im allgemeinen von der jeweiligen Lötanwendung ab.
Die Anordnung der Düsenöffnungen 134 in der Düsenspitze 135 entspricht normalerweise der Anordnung der Öffnungen im Anschlußstück 128 der Laminarströmungskammer. Die Form und die Größe der Düsenöffnungen 134 sind so gewählt, daß sie einen Gasstrom mit einem gewünschten Impuls und einer gewünschten Richtung erzeugen. Soll eine Lötverbindung zwischen einem Substrat und einem darauf angebrachten, elektronischen Bauteil erzeugt werden, so sollten die Gasdüsen parallel zur Substratoberfläche ausgerichtet sein und eine innere Krümmung im Düsenhohlraum 132 vor dem Gasauslass der Düsenöffnungen 134 aufweisen. Diese Situation tritt zum Beispiel dann auf, wenn ein J- Leiter eines Plastleiterchipträgers mit Lot auf der Oberfläche eines Substrates angebracht werden soll, oder wenn ein Halbleiterchip mit Lotkugeln, die sich zwischen Chip und Substrat befinden, elektrisch auf einem Substrat in Flip-Chip- Konfiguration angebracht werden soll. Größe und Abstand der Düse von der Lotkugel sowie Gasart, Gaseinlaßgeschwindigkeit und Druck bestimmen den Impuls des Gases an der Lotkugel. Es gibt allgemein bekannte Verfahren, um diese Parameter so zu regulieren, daß sie den gewünschten Effekt erzielen. Der Vakuumhohlraum 114 durchquert den Lötkopf 130 und endet im Vakuumstück 137, das einen Vakuumanschluß darstellt.
In Fig. 11 wird der gleiche Apparat wie in Fig. 8 dargestellt. Alle in Fig. 11 und Fig. 8 erscheinenden Zahlen markieren die gleichen Gegenstände. In Fig. 11 wird der Apparat aus Fig. 8 in zwei Teile 150 und 152 zerlegt dargestellt. Teil 150 enthält die Heizkörper 122 und die Gasverwirbelungskammer 117. Teil 152 enthält die Mischkammer für heiße Gase und den Lötkopf 130. Die Teile 150 und 152 werden durch die Klammer 154 zusammengehalten. Die Klammer 154 gleitet über den Flansch 156 von Teil 150 und über den Flansch 158 von Teil 152, wenn der Flansch 156 auf den Flansch 158 ausgerichtet wird und ihn berührt. Jeder allgemein verwendete Flansch kann dazu verwendet werden, die Teile 150 und 152 zusammenzuschließen. Der untere Abschnitt des Vakuumhohlraums 114, der in Fig. 11 mit 160 markiert ist, wird in den Hohlraum 162 des Lötkopfes 130 von Teil 152 geschoben. Die in Fig. 8 und Fig. 11 schematisch dargestellte Vorrichtung stellt nur ein Beispiel dar.
Teil 150 wird vorzugsweise aus Edelstahl hergestellt. Es können aber auch andere Materialien verwendet werden. Zumindest der in der Nähe der Düsenöffnungen 134 von Teil 152 gelegene Teil wird aus einem Material hergestellt, das nicht von Lot benetzbar ist, wie zum Beispiel Edelstahl, Titan, Aluminium oder aus einem Kunststoff wie Polyimid. Besteht das Teil 152 aus einem Polymer, so wird das Abschlußstück 128 der Laminarströmungskammer vorzugsweise mit einem Isolationsmaterial, wie zum Beispiel Keramik, abgedeckt, um Beschädigungen des Abschlußstücks 128 durch die heißen Gase zu vermeiden.
In Fig. 9 wird ein Querschnitt von Fig. 8 entlang der in Fig. 8 gezeigten Linie BB dargestellt. In Fig. 9 gibt es eine Anzahl von runden Öffnungen 127 um die Peripherie 168 des Abschlußstücks 128 der in Fig. 8 dargestellten Vorrichtung. Die Öffnungen 127 können beliebige geometrische Formen, wie quadratisch, rechteckig, dreieckig und so weiter, besitzen. Bevorzugt werden runde Öffnungen mit einem Durchmesser von etwa 381 um (0,015 Zoll) bis etwa 787,4 um (0,031 Zoll).
In Fig. 10 wird eine weitere Ausführungsform des Gegenstandes in Fig. 9 dargestellt. Es gibt einen einzigen Schlitz 170, der entlang dem Umfang 168 verläuft. Der Schlitz kann eine Breite zwischen etwa 381 um (0.015 Zoll) und etwa 787,4 um (0.031 Zoll) aufweisen.
In Fig. 12 wird die Vorrichtung aus Fig. 8 und Fig. 11 dargestellt, die dazu verwendet wird, den Gegenstand aus Fig. 7 auf ein Substrat 171 zu löten. Zahlen, die in Fig. 7, Fig. 8, Fig. 11 und Fig. 12 erscheinen, markieren die gleichen Gegenstände. In Fig. 12 wird nur Teil 152 der Vorrichtung in Fig. 11 dargestellt. Der Chip 58 wird in einer Vertiefung 172 am Fuß des Lötkopfes 130 von Teil 152 gehalten. Vakuum wird durch den Hohlraum 114 geleitet und an der Rückseite des Chips 58 bei 162 angelegt. Es können auch andere Vakuumanordnungen verwendet werden, bei denen der Rahmen in der Chip-up Konfiguration nicht verlötet werden muß. Das Düsenendstück 139 mit den Düsenöffnungen 134 ist an das äußere Leiterende 56 des Leiters 50 geordnet. Die äußeren Leiterenden 56 werden normalerweise vor dem Löten hergestellt. Die äußeren Leiterenden 56 der Leiter 50 werden auf die Lotkugeln 178 justiert, die sich an der Oberfläche der Kontaktpunkte 180 befinden. Die Kontaktpunkte 180 befinden sich auf der Oberfläche des Substrates 170. Die Kontaktpunkte 180 sind elektrisch mit Leitern im Substrat 171 oder auf der Oberfläche 182 von Substrat 171 verbunden. Das Substrat 171 wird in der Vertiefung 184 der Fassung 186 gehalten. Das Substrat 171 kann durch einen allgemein verwendeten Vakuumanschluß fixiert werden, der in Fig. 12 nicht dargestellt wird. Entweder wird Fassung 186 auf das Teil 152 oder das Teil 152 wird auf die Fassung 186 zu bewegt. Die Düsenendstücke 139 drücken die Leiterenden 56 gegen die Lotkugeln 178. Erwärmtes Gas fließt durch die Laminarströmungskammer 126, durch den Hohlraum 132 und verläßt die Düsenöffnungen 134, um die Lotkugeln 178 zu schmelzen. Wie oben beschrieben, verläßt das Gas die Düsenöffnungen 134 und besitzt einen definierten Impuls an dem Oxid auf der Lotkugel, um das Oberflächenoxid auf der Oberfläche der geschmolzenen Lotkugeln 178 zu dispergieren. Das Lötmittel wird danach entweder durch das Abstellen des heißen Gasstroms oder durch die Verwendung eines kalten Gasstroms abgekühlt, dabei bildet sich die Lötverbindung zwischen dem äußeren Leiterende 36 des Leiters 50 und dem Kontaktpunkt 180 aus.
Fig. 13 ist eine vergrößerte Darstellung des Gebietes 133, der in Fig. 8 durch einen gestrichelten Kreis markiert ist. Zahlen, die in Fig. 8 und Fig. 13 erscheinen, markieren die gleichen Gegenstände. Die Düsenöffnungen 134 besitzen eine Seitenwand 192 und eine Seitenwand 190. Die Seitenwand 190 ist länger als die Seitenwand 192. Beim Lötvorgang, der in Fig. 13 dargestellt wird, drückt die Spitze 134 der Seitenwand 190 gegen das äußere Leiterende 56, um das äußere Leiterende 56 gegen die Lotbeschichtung 178 zu drücken. Danach wird der heiße Gasstrom 196 am Berührungspunkt der Spitze 134 der Seitenwand und des Leiterendes 56 vom elektronischen Bauteil 58 weggelenkt (durch die 198 dargestellt). Die Ablenkung des Gasstroms 196 vom elektronischen Bauteil 58 kann wichtig werden, wenn der Gasstrom eine Temperatur besitzt, die ausreicht, um das elektronische Bauteil 58 oder die elektrischen Verbindungen 68 zwischen Leiter 50 und dem Bauteil 58 zu beschädigen. Eine Ablenkvorrichtung für heiße Gase, mit der 200 in Fig. 13 markiert, wird nicht immer notwendig sein. Die Ablenkvorrichtung 200 kann notwendig werden, wenn die Lotkugel 178 aus 95/5 Pb/Sn Lot (mit einem Schmelzpunkt von etwa 400ºC) besteht, oder wenn das elektronische Bauteil einen Galliumarsenidchip enthält.
In Fig. 14 wird der Gegenstand aus Fig. 7 vor dem Verlöten der inneren Leiterenden 54 mit den Kontaktpunkten 68 dargestellt. Das elektronische Bauteil 58 ist in der Vertiefung 210 der Fassung 212 angeordnet, die mit einem Vakuumanschluß 214 ver-sehen ist, um das elektronische Bauteil 58 in der Vertiefung 210 zu fixieren. Die inneren Leiterenden 54 der Leiter 50 werden auf die Lotbeschichtung 67 der Kontaktpunkte 68 justiert. Diese Ausrichtung kann mit allgemein verwendeten optischen Justiersystemen durchgeführt werden. Die Düsenenden 139 werden an die inneren Leiterenden 54 herangeführt; es wird gerade so viel Druck ausgeübt, daß die inneren Leiterenden 54 gegen die Lotbeschichtung 67 gedrückt werden. Ein erwärmtes und durchmischtes Gas fließt durch Hohlraum 132 und trifft auf die Lotbeschichtung 67 mit ausreichender Temperatur und Impuls, um das Lot zu schmelzen und die Oxide auseinanderzubrechen. Das geschmolzene Lot benetzt die inneren Leiterenden 54. Das Lot wird abgekühlt und bildet eine Lötverbindung zwischen den inneren Leiterenden 54 und den Kontaktpunkten 68 aus. In Fig. 13 wird der Vakuumanschluß von Hohlraum 114 aus Fig. 8 nicht benötigt. Die Ablenkvorrichtung 200 aus Fig. 13 kann in Fig. 14 am Düsenende 139 verwendet werden, falls dies gewünscht wird. Um eine Lötverbindung zu erzeugen, werden entweder das Düsenende 139 auf die Leiter 54 oder die Fassung 212 mit Chip 58 auf das Düsenende 139 zu bewegt.
Die Düsenöffnung 134 kann auf einen Abstand von weniger als 457,2 um (18 mil) von einer Lotkugel gehalten werden, mit der ein Leiter verlötet werden soll. Hervorragende äußere Leiterverbindungen werden, wie in Fig. 12 dargestellt, zwischen eutektischem Lot und Kupfer-, verzinntem Kupfer- oder vergoldetem Kupferleiter erzeugt, wenn Wasserstoff bei 34,5 - 48,3 mPa (5- 7 psi), 3 L/min. und einer Temperatur von 235 - 305 ºC - in der Verwirbelungskammer 118 erwärmt - mit Stickstoff, Helium, Formiergas oder Druckluft eingesetzt wird.

Claims

1. Verfahren zum flussmittelfreien Löten einer Lotkugel (2) an eine benetzbare Oberfläche (8, 10), das folgende Schritte umfaßt:

Heranführung der Lotkugel an die mit Lot benetzbare Oberfläche;

das Richten eines Gasstroms gegen die Lotkugel, wobei das Gas eine definierte Temperatur und einen definierten Impuls besitzt, und die Temperatur ausreicht, um die Lotkugel zu einer geschmolzenen Masse zu schmelzen, an deren Oberfläche sich ein Oxid befindet, und der Impuls an den Oxiden ausreicht, um das Oxid auf der Oberfläche zu verteilen, wodurch das nicht-oxidierte, geschmolzene Lot die mit Lot benetzbare Oberfläche benetzen kann; und

Abkühlung des geschmolzenen Lots, um die Lotkugel mit der mit Lot benetzbaren Oberfläche zu verlöten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Löten in einer oxidierenden Atmosphäre durchgeführt wird.

3. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das erwärmte Gas durchmischt wird, bevor es auf die Lotkugel gerichtet wird, um ein Temperaturprofil zu erzeugen, das ausreicht, um ein im wesentlichen gleichmäßiges Schmelzen der Lotkugel zu erreichen.

4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Gas aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus einem oxidierenden Gas, einem reduzierenden Gas und einem inerten Gas besteht.

5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Gas Wasserstoff enthält.

6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die mit Lot benetzbare Oberfläche aus der Gruppe Gold, Palladium und Platin ausgewählt wird.

7. Vorrichtung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche 3 bis 6, wobei die Durchmischung des erwärmten Gases durch Verwirbelung des erwärmten Gases und Laminarizierung des verwirbelten Gases erreicht wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das erwärmte Gas durch Teilchen eines Materials in der Größe von etwa 2,38 mm (3/32 Zoll) bis etwa 3,97 mm (5/32 Zoll) verwirbelt wird.

9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das erwärmte Gas in eine bevorzugte Richtung abgelenkt wird, bevor es auf die Lotkugel gerichtet wird.