DE69203089T2 - Anordnung für die oberflächenmontage von vorrichtungen mit leitfähigen klebstoff-verbindungen. - Google Patents

Anordnung für die oberflächenmontage von vorrichtungen mit leitfähigen klebstoff-verbindungen.

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Description

    Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Oberflächenmontage von Bauteilen unter Verwendung von elektrisch anisotrop leitfähigen Klebverbindungen.
    • Hintergrund der Erfindung
  • In der elektronischen Industrie sind elektrisch leitfähige Klebstoffe weit verbreitet. Wichtige Anwendungen umfassen das Anbringen von Chips und die Bestückung von Leiterplatten oder gedruckten schaltungsplatinen (printed wiring boards = PWBS). Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Beispiel eines Bauteils oder Bauelementes 2 mit einer quadratischen Anordnung von Zuleitungen oder Anschlüssen 3, die auf der Oberfläche einer Leiterplatte 4 mit einer entsprechenden Vielzahl von Anschlußflächen 5 verbunden sind. Die Anschlußflächen sind umgekehrt wiederum mit Leiterbahnen 6 auf der Leiterplatte 4 verbunden, die Teil einer größeren Anordnung 1 ist. Mit abnehmender Größe der Bauelemente nimmt die Anzahl von Zuleitungen auf den Bauelementen zu, die mit den Leiterplatten zu verbinden sind, und der (als "Rastermaß" oder "pitch") bekannte Mittenabstand zwischen benachbarten Leitern oder Anschlußflächen nimmt ab, so daß es immer schwieriger wird, elektrisch isotrop leifähige Klebstoffe so genau aufzubringen, daß keine benachbarten Leitungen kurzgeschlossen werden. Ein alternatives Verfahren besteht in der Verwendung von elektrisch anisotrop leitfähigen Klebstoffen, die den Strom lediglich in einer Richtung senkrecht zu der Leiterplatte (der Z-Richtung) leiten.
  • Bei elektrisch anisotrop leitfähigen Klebstoffen oder Klebern, die im folgenden AdCons (für leitfähige Kleber) genannt werden, handelt es sich um eine Klasse von elektrisch leitfähigen Klebstoffen, die auf dem "Brückenbildungskonzept" basieren. Die Klebstoffe werden dadurch hergestellt, daß elektrisch leitfähige Partikel in einer isolierenden Polymermatrix dispergiert werden, die eine Klebstoffmischung bildet. Die Klebstoffmischung wird typischerweise mittels Schablonendruck, Siebdruck oder durch Auflaminieren eines Klebstoffilms auf die Oberfläche einer Leiterplatte aufgebracht. Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils einer Leiterplatte 4 mit Anschlußflächen 5 und mit einem auf der Leiterplatte aufgebrachten elektrisch leitfähigen Kleber 6. Dargestellt ist ferner ein Bauelement 2 mit Zuleitungen 3, die mit den Anschlußflächen zu verbinden sind. Nach dem Plazieren des Bauelementes auf der Leiterplatte wird durch Aufbringen einer Bestückungskraft der leitfähige Kleber (AdCon) zwischen den Anschlußflächen des Leiterplattensubstrats und den Zuleitungen für das Bauelement entfernt, so daß zwischen jeder Zuleitung und der zugehörigen Anschlußfläche eine Schicht aus elektrisch leitfähigem Kleber verbleibt, deren Dicke dem Durchmesser einzelner Partikel entspricht, so wie es in Fig. 3 schematisch dargestellt ist. Die Lücke zwischen dem Bauelement und der Leiterplatte wird durch einzelne Partikel überbrückt, durch die eine elektrische Verbindung hergestellt wird. Auf vergleichbare Art und Weise können auch mit Anschlußflächen versehene Halbleiterchips auf der Oberfläche der Leiterplatte montiert werden.
  • In der Vergangenheit wurden AdCon-Verbindungen typischerweise durch serienmäßige Verfahren hergestellt, bei denen jede Baugruppe ausgerichtet, unter Druck gesetzt und einzeln in einem Aushärtungs- oder Trockenofen ausgehärtet wurde. Beispiele für solche Verfahren können den amerikanischen Patenten Nr. 4,667,410 und 4,868,637 entnommen werden, die am 26. Mai 1987 bzw. am 19. September 1989 für James R. Clements et al. ausgegeben wurden. Ein weiteres Beispiel findet sich in dem Artikel "The Paste Connector - Vertically Conductive Adhesive", von Brian Sun in Connection Technology, August 1988, Seiten 31 und 32. Diese Verfahren führen jedoch zu einer unzulänglichen Steuerung des anliegenden Druckes, der von ungenügend hohen Werten, bei denen keine leitfähigen Verbindungen gebildet werden, bis zu überhöhten Werten schwankt, die zu einer Beschädigung von Anschlußflächen und Zuleitungen führen. Diese Verfahren sind sowohl für hohe oberflächenmontierte Eingabe/Ausgabe (I/O)-Baugruppen als auch für sehr kleine Chips nur sehr schwer praktisch durchzuführen, was nicht nur an ihrem geringen Durchsatz liegt, sondern auch daran, daß sich bei den Montageverfahren die Leiterplatte, die Baugruppe und das Montagewerkzeug in einer Ebene befinden müssen. Ein System, das nicht eben angeordnet ist, kann zu Problemen mit der Ausbeute und mit der Betriebszuverlässigkeit oder Funktionssicherheit führen. Bei sehr kleinen Halbleiterchips müssen zudem hohe Kräfte auf kleine Flächen aufgebracht werden, ohne den Chip zu beschädigen. Es besteht daher ein Bedarf an einer effizienten Lösung der oben beschriebenen Probleme. Dieser Bedarf besteht sowohl an einem Verfahren zum Aufbringen eines gleichmäßigen Druckes auf eine Vorrichtung oder auf Vorrichtungen unterschiedlicher Abmessungen und Höhen als auch an einer Vorrichtung zur praktischen Durchführung dieses Verfahrens.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist durch Anspruch 1 definiert, während ein erfindungsgemäßes Verfahren durch Anspruch 13 definiert ist. Diese Vorrichtung und dieses Verfahren, d.h. eine Vorrichtung und ein Verfahren für eine chargenweise Montage von verkapselten und nicht verkapselten Bauelementen mit verschiedenen Zuleitungen oder Anschlußflächen auf einer Leiterplatte (PWB), weisen sowohl im Hinblick auf die Herstellbarkeit als auch im Hinblick auf die Funktionssicherheit beträchtliche Verbesserungen auf. Bei einer Ausführungsform der Erfindung ermöglicht eine Druckrahmen-Montagevorrichtung während des Aushärtens des Adcons, daß auf eine Reihe von mit Zuführungsdrähten versehenen Baugruppen und mit Anschlußflächen versehenen Halbleiterchips ein gleichmäßig verteilter Druck angelegt wird, wodurch die Veränderungen des anfänglichen Verbindungswiderstandes verringert und die Funktionssicherheit oder Zuverlässigkeit der AdCon- Verbindungen verbessert wird. Der Druck wird durch äußere Einwirkung eines unter Druck stehenden Fluids auf eine flexible, elastisch dehnbare Membran auf die Vorrichtungen aufgebracht, wobei die Membran die äußeren Umrisse der Vorrichtungen und benachbarte Bereiche der Leiterplatte gleichförmig umhüllt. Durch das Anlegen eines äußeren Druckes wird die zum Aushärten des leitfähigen Klebers benötigte Wärmeleitfähigkeit erhöht, der für dieses Verfahren nutzbare Bereich der Prozeßparameter wird erweitert und die Montagezeit wird verringert. Bei einer Reihe von oberflächenmontierten Baugruppen werden Montageausbeuten von 100% beobachtet, woraus sich schließen läßt, daß das System sehr zuverlässig ist.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Leiterplatte und eines auf der Oberfläche der Leiterplatte montierten quadratischen Bauelements;
  • Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung einen Schnitt durch eine Leiterplatte, auf der sich eine dünne Schicht eines leitfähigen Klebers befindet, und durch ein mit Zuleitungen versehenes leitfähiges Bauelement vor der Montage;
  • Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der Anordnung gemäß Fig. 2, wobei die leitfähigen Teile (Anschlußflächen) auf der Leiterplatte über leitfähige Partikel in dem leitfähigen Kleber (AdCon) nach dem Anlegen eines Druckes in elektrischem Kontakt mit Zuleitungen des Bauelementes stehen;
  • Fig. 4 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Querschnitt durch die zur chargenweise Montage von Adcon-Verbindungen verwendete Druckrahmenvorrichtung mit voneinander getrennten und auseinandergezogenen Bauteilen;
  • Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnittes der Druckrahmenvorrichtung gemäß Fig. 4, die jedoch in einer geschlossenen Betriebsstellung dargestellt ist;
  • Fig. 6 zeigt in schematischer Darstellung eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 4 mit voneinander getrennten und auseinandergezogenen Bauteilen;
  • Fig. 7 zeigt in schematischer Darstellung eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 5;
  • Fig. 8 zeigt in schematischer Darstellung eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Leiterplatte, auf deren Oberfläche ein quadratisches Bauelement montiert ist, und eine Verbindung dieses Bauelementes mit einem Anschlußkabel (cable pigtail);
  • Fig. 9 zeigt in schematischer Darstellung eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 6, einschließlich einer Verbindung mit einem Anschlußkabel.
    • Ausführliche Beschreibung
  • Die Montage elektronischer Schaltungen mittels elektrisch anisotrop leitfähiger Kleber (AdCons) weist sowohl bei der Herstellung von Leiterplatten als auch im Hinblick auf die Umwelteinflüsse im Vergleich zur Löttechnologie viele Vorteile auf. Durch die zum Aushärten der Kleber erforderlichen geringen Temperaturen werden sowohl thermische als auch physische Beschädigungen der Baugruppen und Leiterplatten minimiert. Klebstoffsysteme ermöglichen die Montage von Komponenten mit einem feinen Rastermaß, ohne daß hierbei Lötkurzschlüsse oder sonstige Unzulänglichkeiten auftreten und führen so zu geringeren Montagekosten. Ökologisch gesehen, machen anisotrop leitfähige Klebstoffe eine Reinigung von Flußmittelresten mit für die Umwelt schädlichen Chemikalien, wie z.B. mit Chlorfluorkohlenwasserstoffen (CFCs), überflüssig und verringern das Ausmaß, in dem Arbeiter Blei aus Schwallötbädern oder Aufschmelzöfen ausgesetzt sind.
  • Die Vorrichtung zur Durchführung der Erfindung ist in den Fig. 4 und 5 schematisch dargestellt. Die Fig. 6 und 7 zeigen entsprechende perspektivische Ansichten dieser Vorrichtung. Zur besseren Übersichtlichkeit sind die Teile der Vorrichtung und die Bauelemente nicht maßstabsgerecht gezeichnet. Die in Fig. 4 mit voneinander getrennten und auseinandergezogenen Bauteilen dargestellte Vorrichtung, die mit dem allgemeinen Bezugszeichen 11 versehen ist, umfaßt ein Basisteil oder eine Basis 12, ein Abstandsstück 13, eine Membran 14 und einen Deckel 15, der mit einem Einlaß 16 versehen ist, um ein unter Druck stehendes geeignetes Fluid, wie z.B. Luft, auf die Oberseite der Abdeckung 14 einzuleiten. Die Membran 14 besteht aus einem flexiblen, elastisch dehnbaren Material, wie z.B. einem Polysiloxangummi, das zwischen dem Abstandsstück und dem Deckel entlang der Peripherie befestigt ist. Wenn die Membran durch Einleiten eines Fluids in den beschränkten Raum, der durch die Membran und den Deckel begrenzt wird, einem Druck ausgesetzt wird, paßt sich die Membran den Umrissen des Bauelementes, der Zuleitungen und der benachbarten Oberflächen der Leiterplatte auf der Basis 12 an. Es sollte darauf geachtet werden, daß sich die Membran vor dem Anlegen eines Druckes gleichmäßig über die Bauelemente erstreckt, wobei sie vorzugsweise angespannt sein sollte und keine Knicke und Falten aufweisen sollte, die die Gleichmäßigkeit der Abdeckung der Leiterplatte und der Bauelemente beeinträchtigen könnten. Das Abstandsstück 13 ist mit zumindest einer Auslaßöffnung 18 versehen, die es ermöglicht, daß unterhalb der Abdeckung 14 Luft ausströmt. Das Abstandsstück 13 ist als entfernbare Einheit ausgebildet, und zwar hauptsächlich deshalb, um die Bodenfläche 19 der Basis 12 besser reinigen zu können. Das Abstandsstück 13 kann jedoch auch dauerhaft oder auch entfernbar an der Basis 12 befestigt sein. Auf oder in der Bodenfläche 19 der Basis 12 kann sich wahlweise ein (nicht dargestelltes) Gitter befinden. Das Gitter kann in Form eines Siebs oder Rasters vorliegen, es kann aus einer Anordnung von Stäben auf der Bodenfläche bestehen, es kann ein Gitter sein, das in oder auf der Bodenfläche der Basis ausgebildet ist, oder es kann auch in anderen Formen vorliegen. Der Hauptzweck des Gitters besteht darin, die Bildung von Luftblasen zwischen dem Boden der Leiterplatte und der Bodenfläche der Basis zu verringern und nach dem Anlegen eines Druckes und der Einwirkung von Hitze die Leiterplatten von der Basis besser entfernen zu können.
  • Das Einleiten eines unter Druck stehenden Fluids bewirkt, daß die Bauteile der Vorrichtung 11, d.h. die Basis 12 und der Deckel 15, auseinanderstreben. Die Vorrichtung sollte daher mit einer Einrichtung zum Zusammenhalten der Vorrichtungsteile versehen sein. Die Vorrichtung kann durch eine Klemmeinrichtung, durch Bolzen oder durch eine andere Sicherungsvorrichtung zusammengehalten werden. Diese können jedoch umständlich zu verwenden und zu montieren sein und die Gefahr eines Ausfalls oder Versagens mit sich bringen. Eine praktikablere Alternative besteht in der Verwendung einer einfachen Presse, wie z.B. einer Buchbinderpresse, die auf geeignete Art und Weise, d.h. mittels einer vertikalen Schraube oder eines Hebels, betätigt werden kann. Eine noch praktikablere Alternative stellt die Verwendung einer industriellen Presse, wie z.B. einer Laminierpresse dar.
  • Bei der bevorzugten Ausführungsform kann die Vorrichtung 11 zwischen der oberen und der unteren Platte 20 bzw. 21 einer (nicht dargestellten) typischen Laminierpresse angeordnet werden. Der von der Presse quer zur Vorrichtung ausgeübte Druck sollte ausreichend hoch sein, um die Teile der Vorrichtung zusammenzuhalten und ein Austreten des Fluids zwischen der Membran und dem Deckel zu verhindern, er sollte jedoch nicht so groß sein, um Teile der zwischen benachbarten Bereichen des Abstandsstückes und des Deckels angeordneten Membran zu beschädigen. Die Basis 12, das Abstandsstück 13 und die flexible Membran 14 können aus der Presse entfernt werden, um die zu verarbeitenden Grundgegenstände einlegen und die verarbeiteten Gegenstände entfernen zu können. Der Deckel 15 kann zusammen mit dem Rest der Vorrichtung ebenfalls aus der Presse entfernt werden. Alternativ hierzu kann der Deckel 15 an der oberen Platte 20 der Presse befestigt sein, so daß er in senkrechter Richtung mit der Platte bewegbar ist. Zudem kann die Basis 12 an der unteren Platte 21 befestigt sein. Bei der bevorzugten Ausführungsform kann das Abstandsstbck 13 von der Basis 12 entfernt werden; das Abstandsstück 13 kann jedoch auch an der Basis befestigt sein. Alternativ hierzu kann das Abstandsstück 13 an der oberen Platte 20 angebracht sein, so daß es in senkrechter Richtung mit dem Deckel bewegbar ist. In diesem Fall sollten Vorkehrungen getroffen werden, um die Membran 14 zwischen dem Abstandsstück und dem Deckel befestigen zu können oder um die Membran bei Bedarf ersetzen zu können. Hierzu kann es erforderlich sein, daß das Abstandsstück 13 entfernbar an den Deckel angebracht wird.
  • Die Größe der Vorrichtung 11 kann so bemessen sein, daß sie lediglich zur Aufnahme einer Leiterplatte geeignet ist. Alternativ hierzu kann sie jedoch auch so bemessen sein, daß sie mehrere Leiterplatten oder Leiterplattenbögen (PWB- sheets) aufnehmen kann, die in ihrer Größe jeweils einem mehrfachen der Größe einer Standardleiterplatte entsprechen. Die Größe der Vorrichtung 11 wird lediglich durch die Größe der Laminierpresse begrenzt.
  • Beim Betrieb wird eine Leiterplatte, auf dessen Anschlußflächen ein elektrisch anisotrop leitfähiger Kleber aufgebracht wurde, und zumindest ein Bauelement (oder ein Halbleiterchip), dessen Zuleitungen (oder Anschlußflächen) sich in Kontakt mit dem elektrisch anisotrop leitfähigen Kleber befinden, auf der Bodenfläche 19 der Basis 12 angeordnet. Nun wird das Abstandsstück 13 auf der Basis 12 entlang der Peripherie angeordnet, während die Membran 14 so auf dem Abstandsstück 13 angeordnet wird, daß sie eine durch die Basis und das Abstandsstück gebildete Kammer abschließt. Schließlich wird der Deckel 15 so auf der Membran 14 angeordnet, daß die Membran entlang ihres Umfanges zwischen dem Abstandsstück und dem Deckel befestigt ist. Anschließend wird die Vorrichtung 11 auf der unteren Platte 21 angeordnet und die Presse wird aktiviert, um die Platte 20 in Kontakt mit dem Deckel zu bringen. Auf der Oberseite der Membran 14 wird über die Einlaßöffnung 16 ein unter Druck stehendes geeignetes Fluid, wie z.B. Luft, eingeleitet, so daß die Abdeckung 14 in einen gleichförmigen Kontakt mit dem Bauelement oder mit den Bauelementen und mit der freiliegenden Oberfläche der Leiterplatte und der Basis 12 gebracht wird. Der Druck wird vorher so ausgewählt, daß die Bauelemente so gegen die Leiterplatte gedrückt werden, daß überschüssiger Klebstoff zwischen den sich in Kontakt befindenden Oberflächen der Zuleitungen oder Anschlußflächen 3 auf den Bauelementen und den Zuleitungen 5 auf der Leiterplatte beseitigt wird und lediglich eine dünne Schicht aus Klebstoff verbleibt, die in ihrer Dicke dem Durchmesser eines einzigen Partikels entspricht. Die Partikel in der Klebstoffschicht bilden hierbei eine elektrische Verbindung zwischen den in Kontakt stehenden Oberflächen. Der Druck sollte jedoch nicht so groß sein, daß ein Bauelement beschädigt wird, d.h., daß keine der Zuleitungen plattgedrückt, gebogen oder sogar zerbrochen wird.
  • Das Fluid wird über die Einlaßöffnung 16, die mit einer (nicht dargestellten) geeigneten Quelle eines unter Druck stehenden Fluids, wie z.B. Luft, verbunden ist, auf die Membran 14 aufgebracht, so daß diese gegen die Leiterplatte und die sich darauf befindlichen Bauelemente gedrückt wird. Die von der Membran auf die Bauelemente ausgeübte Kraft sollte lediglich so stark sein, daß die Zuleitungen (oder Anschlußflächen) in Kontakt mit den Metallpartikeln in dem elektrisch anisotrop leitfähigen Kleber gebracht wird, um dadurch zwischen den Zuleitungen (oder Anschlußflächen) des Bauelementes und der Metallisierung auf der Leiterplatte zusammenhängende Strompfade zu schaffen, ohne daß eine Beschädigung der Baugruppe auftritt. Als Quelle für den Luftdruck kann ein kommerziell erhältlicher Luftkompressor verwendet werden, der den für das Bonden erforderlichen Druck erzeugt. Auf die Membran kann ein Fluiddruck im Bereich zwischen 5 und 500 psi (1 psi = 6,89476 x 10³ Pa) aufgebracht werden. Der über die Membran tatsächlich auf die Bauelemente einwirkende Druck ist etwas größer als der angelegte Druck, da sich der tatsächliche Druck aus dem angelegten Druck und dem Druck zusammensetzt, der durch die beim Dehnen der Membran auftretenden Kräfte entsteht. Typische Fluiddrücke liegen im Bereich zwischen 5 und 25 psi, vorzugsweise jedoch bei 15 psi (1 psi = 6,89476 x 10³ Pa). Diese Drücke sind für die meisten Anwendungen bei IC- Baugruppen ausreichend. Eine Ausnahme könnten außerordentlich kleine Baugruppen bilden, wie z.B. nicht verkapselte Halbleiterchips, mit einer Größe von 1/8 inch² (1 inch = 2,54 cm) oder kleiner, die höhere Drücke im Bereich zwischen 200 und 300 psi (1 psi = 6,89476 x 10³ Pa) erforderlich machen.
  • Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird die Polymermatrix des bei den Experimenten verwendeten elektrisch anisotrop leitfähigen Klebers aus Diglycidylether aus Bispehnol F (Dainippon Ink and Chemical Co., Epiclon 830 ) hergestellt. In dem Expoxidharz wird mit einer Waring - Mischeinrichtung ein Quarzstaubthixotrop (Cabot, TS-720) mit einer Konzentration von 5 Teilen auf 100 Teilen Kunstharz (parts per hundred resin = phr) dispergiert. Die Konzentration des Thixotrops liegt im Bereich zwischen 1 und 10 phr. Zu aliquoten Teilen dieser Mischung werden 10 phr eines Aushärtemittels aus 2-Ethyl,4-Methylimidazol (Pacific Anchor Chemical, EMI-24) zusammen mit leitfähigen Partikeln hinzugefügt. Bei elektrisch anisotrop leitfähigen Klebstoffen, die in der Praxis erfolgreich sein sollen, muß die Konzentration der Metallpartikel so gesteuert werden, daß in der Klebstoffmischung eine ausreichend hohe Anzahl von Partikeln vorhanden ist, um zwischen einer Leiterplatte und den Zuleitungen oder Anschlußflächen eines Bauelementes (in Z-Richtung) eine zuverlässige elektrische Verbindung sicherzustellen und gleichzeitig die elektrische Isolation zwischen benachbarten Anschlußflächen und Zuleitungen (in X- Y-Richtung) beizubehalten. Eigentlich sollte man die Volumenkonzentration der Metallpartikel in der Klebstoffmischung so wählen, daß eine möglichst große Menge an leitfähigen Partikeln vorhanden ist, ohne daß zwischen benachbarten Zuleitungen 3 oder Anschlußflächen 5 ein Kurzschluß entsteht. Zusätzlich hierzu ist auch eine entsprechende Qualität des Klebers erforderlich, um mechanisch robuste Verbindungen zu erzeugen. Die Mischungsansätze wurden per Hand gemischt und vor ihrer Verwendung für 30 Minuten im Vakuum (15 um Quecksilbersäule) entgast. Bei der bevorzugten Ausführungsform bestehen die Partikel aus mit Silber plattierten Glaskugeln (die von Potters Industries erhältlich sind), mit einem Durchmesser von 8 bis 20 um und einem durchschnittlichen Durchmesser von 14 um. Diese Glaskugeln wurden in einer Menge zwischen 10 und 15 Vol.-% (26 bis 32 Gew.-%), vorzugsweise jedoch in einer Menge von 12,5 Vol.-% (29 Gew.-%) zugesetzt.
  • Die Montage von Baugruppen auf Testleiterplatten erfolgt mittels eines Mehrstufenverfahrens. Der elektrisch anisotrop leitfähige Kleber wird gemischt, entgast und mittels einer Schablone auf eine Leiterplatte aufgebracht, wobei die Dicke bei Verwendung eines Rakels und von Ausgleichsscheiben (Shims) etwa 2 x 10&supmin;³ inch (5,08 x 10&supmin;³ cm) und bei Verwendung eines manuell betätigbaren Schablonendruckers (Henry Mann AP-810) etwa 5 x 10&supmin;³ inch (12,7 x 10&supmin;³ cm) beträgt. Einige der Baugruppen werden manuell auf den mittels Schablonen mit einem elektrisch anisotrop leitfähigen Kleber versehenen Leiterplatten angeordnet, während bei anderen ein geeignetes Werkzeug (wie z.B. eine Manix oder aber eine Single Site- Lötvorrichtung (SSSM)) verwendet wird. Bestückte Leiterplatten wurden in der Vorrichtung 11 angeordnet, die anschließend, wie in Fig. 5 dargestellt ist, zwischen den Platten 20 und 21 angeordnet wird, um dort unter Einwirkung von Hitze und Druck die Klebverbindungen auszuhärten.
  • Die Leiterplatte wird hauptsächlich über den Boden der Basis 12 erhitzt, wobei die Temperaturen zwischen 100 und 350ºC, vorzugsweise jedoch bei 125ºC, liegen. In Abhängigkeit von den verwendeten Komponenten, der Zusammensetzung der Klebstoffmatrix und den Anforderungen an die Aushärtungsgeschwindigkeit können auch höhere Temperaturen verwendet werden. Die Hitze kann auf verschiedene Arten erzeugt werden, wie z.B. a) durch heiße Platten, die zwischen der Basis 12 und der unteren Platte 21 angeordnet sind, b) durch Heizspulen oder Heizspiralen, die in der Basis eingebettet sind oder c) durch eine sich in der unteren Platte befindende geeignete Heizeinrichtung, wie z.B. Heizspulen, eine elektrische Heizeinrichtung, oder aber eine Heizung mittels heißen Wassers oder Dampf, die die benötigte Hitze in dem gewünschten Bereich zu erzeugt. Von der Oberseite der Vorrichtung aus, kann entsprechend der Heizung des Unterteils der Vorrichtung eine zusätzliche Heizung erfolgen. Die von oben erfolgende Heizung muß jedoch nur einen Bruchteil so stark sein wie die Bodenheizung. Sie dient hauptsächlich dazu, ein Abkühlen der Basis 12 und der unteren Platte 21 durch Teile der Vorrichtung, wie z.B. den Deckel und die obere Platte 20, und eine damit verbundene Zunahme der Aushärtungszeit zu verhindern. Bei der von oben erfolgenden Heizung liegt die Temperatur zwischen 30ºC und 350ºC, vorzugsweise jedoch bei 55ºC. Alternativ hierzu kann die Heizeinrichtung auch umgekehrt betrieben werden, wobei die bevorzugten höheren Temperaturen von der Oberseite der Vorrichtung 11 aus aufgebracht werden, während die tieferen Temperaturen von der Unterseite aus aufgebracht werden.
  • Der Druck wird über eine flexible, dehnbare Membran 14, die über der durch die Basis 12 und des Abstandsstücks 13 gebildeten Kammer angeordnet ist, auf die Baugruppe aufgebracht. Infolge des durch das Fluid auf die Membran 14 aufgebrachten Druckes dehnt sich die Membran so, daß sie in gleichförmigen Kontakt mit der Baugruppe tritt. Die Membran sollte ausreichend stark dehnbar sein, um sich unter Druck gleichmäßig an die Abmessungen der einzelnen Baugruppen anpassen zu können, so daß sichergestellt ist, daß in der Richtung senkrecht zu der Leiterplatte ein gleichmäßiger Druck aufgebracht wird. Das Material der Membran sollte so elastisch sein, daß sie nach einem Abklingen der durch das Fluid aufgebrachten Kräfte wieder in ihre ursprüngliche ungedehnte Stellung zurückkehrt. Durch ein Drahtgitter, das als Trenngitter zwischen der Leiterplatte und der erhitzten Basis verwendet wird, wird die Membran daran gehindert, den Zugang zu der Auslaßöffnung 18 in dem Abstandsstück 13 abzudichten. Die Aushärtungszeiten liegen bei jedem Aushärtungsvorgang zwischen 30 s und 60 min., wobei der Durchschnittswert zwischen 2 und 4 min. liegt.
  • Die vielseitige Verwendbarkeit der oben beschriebenen Vorrichtung wurde mit Bauelementen getestet, die eine Reihe von Abschlüssen oder Verbindungen aufweisen. Die Bauelemente umfassen 100 diskrete Widerstände mit jeweils zwei Anschlüssen, 12 Kleinprofil-ICs (Small Outline integrated Circuit = SOICs) mit jeweils 14 mit Lötmittel plattierten Anschlüssen in Mövenflügelform mit einem Rastermaß von 50 x 10&supmin;³ Inch (127 x 10&supmin;³ cm) und 45 seriell verkettete quadratische Kunststoffflachgehäuse (plastic quad flat packages = PQFPs) mit 132 mit Lötmittel plattierten Anschlüssen in Mövenflügelform mit einem Rastermaß von 25 x 10&supmin;³ Inch (63,5 x 10&supmin;³ cm) (insgesamt 3148 Verbindungen). Bei den verwendeten Leiterplatten handelt es sich um feuerbeständige Leiterplatten der Stufe 4 (FR-4), die aus einem glasfaserverstärkten Epoxidharz bestehen, das mit Kupferfolie plattiert und mit Lötmittel beschichtet ist.
  • Die Widerstände, SOICs und PQFPs, die auf die oben beschriebene Art und Weise montiert und ausgehärtet wurden, wurden im Hinblick auf Kurzschlüsse und Zwischenkontraktierungen getestet. Bei allen Baugruppen wurden Ausbeuten von 100% an funktionsfähigen Verbindungen beobachtet. Eine funktionsfähige Verbindung ist hierbei als eine Verbindung definiert, die bei den mit zwei Anschlüssen versehenen Widerständen und den mit 14 Anschlüssen versehenen SOICs einen Widerstand von weniger als 100 mΩ aufweist und für jeweils 16 Anschlüssen des mit 132 Anschlüssen versehenen PQFPs einen Widerstand von weniger als 1 Ω aufweist (einschließlich der Widerstandbeiträge durch die Leiterplatte und durch die interne serielle Verkettung der Baugruppen). Zwischen den benachbarten Zuleitungen und Anschlußflächen wurde kein Kurzschluß beobachtet.
  • Die vorliegende Erfindung kann auch für eine Verbindung eines flexiblen flachen Kabels (oder Kabelendstückes = cable pigtail) mit den Leiterflächen auf einer Leiterplatte verwendet werden. Wie in den Fig. 8 und 9 dargestellt ist, kann beispielsweise ein Endabschnitt eines Flachkabels 17, der mit (nicht dargestellten) Kontakten versehen ist, mittels eines auf einer Leiterplatte aufgebrachten elektrisch anisotrop leitfähigen Klebers mit den Leiterbahnen 6 auf der Leiterplatte verbunden werden. Fig. 8 zeigt eine solche Verbindung mit einem einzigen Bauelement, während das Kabel in Fig. 9 mit zumindest zwei Bauelementen verbunden ist. Wenn das Kabel so lang ist, daß es sich über den Umf ang der Vorrichtung 11 hinaus erstreckt, wird das Abstandsstück 13 anstatt mit der Auslaßöffnung 18 oder zusätzlich zu dieser Öffnung mit einer länglichen Öffnung 22 versehen, durch die sich das Kabel über die Vorrichtung 11 hinaus erstrecken kann.

Claims (21)

1. Vorrichtung zur Oberflächenmontage von Bauteilen, umfassend:
eine Basis (12), ein Abstandsstück (13), das an einem umfänglichen Abschnitt der Basis angeordnet ist und mit der Basis einen Raum definiert, in welchem eine Baugruppe einer gedruckten Schaltungsplatine angeordnet wird, wobei ein elektrisch anisotrop leitfähiger Kleber (6) und wenigstens ein Bauteil (2) Leitungen (3) oder Anschlußflächen hat, die elektroleitfähig durch den elektrisch anisotrop leitfähigen Kleber an die Anschlußfläche (5) oder Leiter an der gedruckten Schaltungsplatine (4) angeschlossen werden, eine elastisch dehnbare Membran (14), welche den Raum schließt und am Umfang mit dem Abstandsstück (13) in Kontakt steht, und einen festen Deckel (15), der über der Membran liegt und die Membran am Umfang zwischen dem Abstandsstück und dem umfänglichen Bereich des Deckels sichert, wobei der Deckel mit einem Einlaß (16) für das Einführen eines Fluids unter Druck zwischen den Deckel und die Membran versehen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, in welcher die Einrichtung zum Sichern bereitgestellt ist, um Teile der Vorrichtung davon abzuhalten, sich unter dem Einfluß von unter Druck stehendem Fluid zu trennen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, in welcher die Einrichtung zum Sichern eine Druckeinrichtung mit Platten (20) umfaßt, um Teile der Vorrichtung davon abzuhalten, sich unter auf das Obere der Membran aufgebrachtem Druck zu trennen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, in welcher das Material der flexiblen elastischen Membran Polysiloxan umfaßt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher eine Heizeinrichtung bereitgestellt ist zum Erhitzen von wenigstens der Basis, um das Aushärten des elektrisch anisotrop leitenden Klebers zu fördern.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, in welcher die Heizeinrichtung bereitgestellt ist zum Heizen der Basis auf eine Temperatur von 100 bis 350ºC.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, in welcher die Temperatur ungefähr 125ºC beträgt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, in welcher die Heizeinrichtung zum Erhitzen des Deckels auf eine Temperatur von 30 bis 350ºC bereitgestellt ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, in welcher die Deckelheiztemperatur ungefähr 55ºC beträgt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1, in welcher das Fluid unter Druck in einem Bereich von 34,47 x 10³ Pa bis 34,47 x 10&sup5; Pa (5 bis 500 Psi) zugeführt wird.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, in welcher der Druck von 34,47 x 10³ Pa bis 172,37 x 10³ Pa (5 bis 25 Psi) reicht.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1, in welcher das Fluid Luft umfaßt.
13. Verfahren zur Oberflächenmontage wenigstens eines Bauteils mit einer leitfähigen Leitung oder mit einer Anschlußfläche an gedruckte schaltungsplatinen, umfassend:
das Aufbringen eines elektrisch anisotrop leitenden Klebers (6) über den Leiteranschlußflächen (5) an der gedruckten Schaltungsplatine (4), das Montieren wenigstens eines Bauteils (2) mit leitenden Leitungen (3) oder Anschlußflächen in Kontakt mit dem elektrisch anisotrop leitenden Kleber, wobei die Leitungen oder Anschlußflächen an dem wenigstens einen Bauteil in Ausrichtung zu den Leiteranschlußflächen an der gedruckten Schaltungsplatine (4) stehen, Anordnen der Baugruppe in einem Raum, der definiert ist durch eine Basis (12) und ein Abstandsstück (13), das in einem umfänglichen Abschnitt an der Basis angeordnet ist,
Schließen des Raumes mit einer Membran (14) aus schmiegsamem, elastisch dehnbarem Material,
Aufbringen eines gleich verteilten Fluiddrucks auf das =bere der Membran, um so die Membran zu dehnen und diese in einen gleichförmigen Kontakt mit dem wenigstens einen Bauteil zu zwingen, und
Härten des elektrisch anisotrop leitenden Klebers, um so Leiter an den Bauteilen und an der gedruckten Schaltungsplatine in elektrisch leitender Verbindung zu halten.
14. Verfahren nach Anspruch 13, in welchem die Membran Polysiloxan enthält.
15. Verfahren nach Anspruch 13, in welchem das Aushärten durch Heizen der Baugrüppe gefördert wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, in welchem das Heizen durch Heizen der Baugruppe vom Boden her bei einer Temperatur im Bereich von 100 bis 350ºC durchgeführt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, in welchem die Temperatur ungefähr 125ºC beträgt.
18. Verfahren nach Anspruch 15, in welchem das Heizen zusätzlich durch Heizen der Baugruppe von oben bei einer Temperatur im Bereich von 30 bis 350ºC durchgeführt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, in welchem die Temperatur ungefähr 55ºC beträgt.
20. Verfahren nach Anspruch 13, in welchem der Fluiddruck mit einem Druck im Bereich von 34,47 x 10³ Pa bis 34,47 x 10&sup5; Pa (5 bis 500 Psi) angelegt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20, bei welchem der Druck von 34,47 x 10³ Pa bis 172,37 x 10³ Pa (5 bis 25 Psi) reicht.
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