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DE102011002538A1 - Schaltungsträger für elektronische Bauelemente und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Schaltungsträger für elektronische Bauelemente und Verfahren zu dessen Herstellung Download PDF

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DE102011002538A1
DE102011002538A1 DE102011002538A DE102011002538A DE102011002538A1 DE 102011002538 A1 DE102011002538 A1 DE 102011002538A1 DE 102011002538 A DE102011002538 A DE 102011002538A DE 102011002538 A DE102011002538 A DE 102011002538A DE 102011002538 A1 DE102011002538 A1 DE 102011002538A1
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Germany
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plastic
solder bumps
circuit carrier
solder bump
contacting surface
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DE102011002538A
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English (en)
Inventor
Stefan Geyer
Bernd Grünler
Andreas Heft
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JENAER LEITERPLATTEN GmbH
Innovent eV Technologieentwicklung
Original Assignee
JENAER LEITERPLATTEN GmbH
Innovent eV Technologieentwicklung
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schaltungsträger für elektronische Bauelemente, der eine Kontaktierungsoberfläche (2) aufweist, auf der Lothügel (3) zur elektrischen Kontaktierung elektronischer Bauelemente angeordnet sind. Jeder Lothügel (3) ist in eine auf die Kontaktierungsoberfläche (2) aufgebrachte Kunststofffassung derart eingebettet, dass ein Oberflächenbereich (5) des Lothügels (3) freiliegt. Dabei bilden die Kunststofffassungen eine zusammenhängende Kunststoffschicht (4). Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung derartiger Schaltungsträger.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Schaltungsträger für elektronische Bauelemente gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
  • Unter einem Schaltungsträger für elektronische Bauelemente wird hier eine Grundplatte (Substrat) verstanden, auf der elektronische Bauelemente, beispielsweise integrierte Schaltkreise, angeordnet sind oder angeordnet werden können. Der Begriff Schaltungsträger umfasst dabei insbesondere Wafer für sogenannte Wafer Level Packages und rekonfigurierte (künstliche) Wafer für sogenannte Embedded Wafer Level Packages.
  • Derartige Schaltungsträger werden häufig auf einer Kontaktierungsseite mit Lothügeln zur elektrischen Kontaktierung der elektronischen Bauelemente versehen, wobei die Lothügel beispielsweise als Kugelgitter (Ball Grid Array) angeordnet werden.
  • Die US 6 578 755 B1 offenbart ein Verfahren zur Erzeugung einer Lothügelstruktur auf eine Oberfläche eines Schaltungsträgers. Dabei wird für jeden Lothügel zunächst ein Lotsockel auf die Oberfläche aufgebracht. Über die Lötpad wird sodann jeweils eine Portion ungehärtetes polymeres Material aufgetragen. Danach wird in jede Portion des aufgetragenen polymeren Materials eine vorgeformte Lotkugel gedrückt bis diese den Lötpad berührt. Schließlich wird der Schaltungsträger auf die Schmelztemperatur der Lotkugeln erwärmt, um die Lotkugeln jeweils mit einem Lötpad zu verbinden und das polymere Material wenigstens teilweise zu härten. Im Ergebnis entstehen dabei Lothügel, die jeweils in einem Sockelbereich ring- oder kragenartig in wenigstens teilweise gehärtetes polymeres Material eingefasst sind.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Schaltungsträger für elektronische Bauelemente anzugeben, der Lothügel zur Kontaktierung der elektronischen Bauelemente aufweist. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines derartigen Schaltungsträgers anzugeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des Schaltungsträgers durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich des Verfahrens durch die in Anspruch 7 angegebenen Merkmale gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Ein erfindungsgemäßer Schaltungstrger für elektronische Bauelemente weist eine Kontaktierungsoberfläche auf, auf der Lothügel zur elektrischen Kontaktierung elektronischer Bauelemente angeordnet sind. Jeder Lothügel ist in eine auf die Kontaktierungsoberfläche aufgebrachte Kunststofffassung derart eingebettet, dass ein Oberflächenbereich des Lothügels freiliegt. Dabei bilden die Kunststofffassungen eine zusammenhängende Kunststoffschicht.
  • Die Kunststoffschicht stützt die Lothügel und erhöht dadurch vorteilhaft die Zuverlässigkeit des Schaltungsträgers, verglichen mit Schaltungsträgern mit nicht gestützten Lothügeln. Schaltungsträger mit durch Kunststofffassungen gestützten Lothügeln sind bereits aus der US 6 578 755 B1 bekannt. Der wesentliche Unterschied eines erfindungsgemäßen Schaltungsträgers zu diesen bekannten Schaltungsträgern besteht darin, dass die Lothügel in eine zusammenhängende Kunststoffschicht eingebettet sind und nicht in einzelne Kunststofffassungen. Wie unten erläutert werden wird, ermöglicht dies einerseits eine einfachere und kostengünstigere Herstellung von Schaltungsträgern mit kunststoffgestützten Lothügeln und andererseits auch die Herstellung von Schaltungsträgern, die nicht nur kugelförmige sondern auch längliche kunststoffgestützte Lothügel aufweisen. Mittels des aus der US 6 578 755 B1 bekannten Verfahrens lassen sich nämlich nur kugelförmige kunststoffgestützte Lothügel erzeugen, da die Lothügel bei diesem Verfahren erst nach dem Kunststoff aufgebracht werden und beim anschließenden Aufschmelzen des Lotes notwendig eine Kugelform annehmen. Längliche Lothügel ermöglichen eine besonders hohe Board-Level-Zuverlässigkeit von Schaltungsträgern, insbesondere für große integrierte Schaltkreise. Daher eignen sich erfindungsgemäße Schaltungsträger insbesondere vorteilhaft als Schaltungsträger für große integrierte Schaltkreise.
  • Vorzugsweise ist ein erfindungsgemäßer Schaltungstrager ein mit den Lothügeln und der Kunststoffschicht versehener Wafer für Wafer Level Packages oder rekonfigurierter Wafer für Embedded Wafer Level Packages. Derartige Schaltungsträger ermöglichen vorteilhaft die Einbringung in besonders kompakte und platzsparende Gehäuse (Packages).
  • Die die Lothügel stützende Kunststoffschicht ist vorzugsweise eine Epoxidharzschicht. Die Verwendung von Epoxidharz ermöglicht vorteilhaft eine hohe Festigkeit und chemische Beständigkeit der Kunststoffschicht.
  • Die freiliegenden Oberflächenbereiche der Lothügel sind vorzugsweise planar und, besonders bevorzugt, zueinander planparallel ausgebildet.
  • Derartige freiliegende Oberflächenbereiche können mit dem unten beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren leicht hergestellt werden, indem zunächst Lotpastenhügel auf die Kontaktierungsoberfläche aufgebracht und diese mit Kunststoff beschichtet werden, und anschließend obere Bereiche der Lotpastenhügel abgetragen werden. Dadurch können die Lothügel in einfacher Weise aus Lotpaste hergestellt werden, statt aus hochwertigen und teuren vorgeformten Lotkugeln mit einer geringen Streuung von Durchmesser und Lothügelhöhe, wie bei dem aus der US 6 578 755 B1 bekannten Verfahren. Dies reduziert weiter die Herstellungskosten der Schaltungsträger.
  • Ferner erhöht die Planarität der freiliegenden Oberflächenbereiche die Kontaktierungssicherheit der Lothügel, insbesondere wenn diese länglich ausgebildet sind, und damit die Zuverlässigkeit des Schaltungsträgers.
  • Weiterhin weisen vorzugsweise alle Lothügel eine gleiche Höhe auf und eine maximale Dicke der Kunststoffschicht ist kleiner als diese Höhe der Lothügel. Dabei wird unter der Höhe eines Lothügels das Maximum der Abstände der Punkte auf seiner Oberfläche von der Kontaktierungsoberfläche des Schaltungsträgers verstanden. Die gleiche Höhe der Lothügel ermöglicht es, alle Lothügel in gleicher Weise zu kontaktieren und erleichtert so vorteilhaft die Kontaktierung des Schaltungsträgers. Dass diese Höhe größer als die maximale Dicke der Kunststoffschicht ist, verhindert ein Überstehen der Kunststoffschicht über die Lothügel und verbessert weiter die Kontaktierbarkeit des Schaltungsträgers, beispielsweise mittels einer planen Leiterplatte, die auf die freiliegende Oberflächenbereiche der Lothügel platziert wird.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Schaltungsträgers wird dessen Kontaktierungsoberfläche folgendermaßen mit den Lothügeln und der Kunststoffschicht versehen. Zunächst werden in einem ersten Verfahrensschritt die Lothügel auf die Kontaktierungsoberfläche aufgebracht. Danach werden in einem zweiten Verfahrensschritt die freiliegenden Bereiche der Lothügeloberflächen und der Kontaktierungsoberfläche vollständig mit Kunststoff beschichtet. Schließlich wird nach der Aushärtung des Kunststoffes in einem dritten Verfahrensschritt von jedem Lothügel ein kunststoffbeschichteter Bereich abgetragen.
  • Der entscheidende Vorteil des Verfahrens gegenüber aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus der US 6 578 755 B1 , bekannten Verfahren zur Erzeugung kunststoffgestützter Lothügel ist seine Einfachheit und die daraus resultierende Kosteneffizienz. Der zweite und der dritte Verfahrensschritt sind sehr einfach und effizient, da sie jeweils in einem Arbeitsschritt vollzogen werden können. Im zweiten Verfahrensschritt braucht nämlich nur eine einzige zusammenhängende Kunststoffschicht aufgetragen werden, im Unterschied zu einzelnen Kunststofffassungen wie z. B. im aus der US 6 578 755 B1 bekannten Verfahren, und im dritten Verfahrensschritt können alle Lothügel ebenfalls effizient in einem Arbeitsschritt bearbeitet werden. Auch das Auftragen der Lothügel im ersten Verfahrensschritt kann wesentlich einfacher gestaltet werden als z. B. in dem aus der US 6 578 755 B1 bekannten Verfahren. Wie bereits oben erwähnt wurde, brauchen insbesondere keine aufwändig vorgeformten Lotkugeln verwendet werden, sondern die Lothügel können beispielsweise einfach durch Auftragen von Lotpaste erzeugt werden. Dabei braucht im ersten Verfahrensschritt keine präzise Höhe der Lothügel eingehalten werden, da die endgültige Höhe der Lothügel erst im dritten Verfahrensschritt durch das Abtragen kunststoffbeschichteter Bereiche der Lothügel erzeugt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert weder teure Materialen oder Präprodukte noch teure Anlagen und alle Verfahrensschritte können schnell und unkompliziert gestaltet werden.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird der Kunststoff im zweiten Verfahrensschritt mittels eines Rotationsbeschichtungsverfahrens (eines sogenannten Spin-Coating-Verfahrens) aufgetragen. Dadurch kann die gesamte Kunststoffschicht in einem Arbeitsschritt erzeugt werden und es kann auf bekannte und bewährte Techniken zurückgegriffen werden.
  • Ferner wird im zweiten Verfahrensschritt aus oben bereits genannten Gründen als Kunststoffvorzugsweise Epoxidharz verwendet und eine Kunststoffschicht aufgetragen, deren maximale Dicke kleiner als die Höhe jedes Lothügels ist.
  • Die im dritten Verfahrensschritt abgetragenen Bereiche der Lothügel werden vorzugsweise durch Läppen, Schleifen, Fräsen, Hobeln oder mechanisches und/oder chemisches Polieren abgetragen. Dadurch können alle Lothügel vorteilhaft in einem Arbeitsschritt bearbeitet werden. Insbesondere können in diesem Arbeitsschritt in einfacher Weise plane und zueinander planparallele Oberflächenbereiche der Lothügel mit oben bereits genannten Vorteilen freigelegt werden. Das Abtragen kunststoffbeschichteter Bereiche der Lothügel ist nicht nur einfach sondern auch zuverlässig und praktisch unabhängig von dem verwendeten Kunststoff sowie der Art von verwendeten Kunststofffillstoffen oder Kunststoffhaftvermittlern.
  • Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen beschrieben.
  • Darin zeigen:
  • 1 schematisch einen Längsschnitt durch einen Schaltungsträger nach dem ersten Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens,
  • 2 schematisch einen Längsschnitt durch einen Schaltungsträger nach dem zweiten Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens, und
  • 3 schematisch einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Schaltungsträger nach dem dritten Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 bis 3 zeigen jeweils schematisch einen Längsschnitt durch einen Schaltungsträger in verschiedenen Stadien seiner Herstellung mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Schaltungsträgers.
  • 1 zeigt das Ergebnis eines ersten Verfahrensschrittes, in dem Lothügel 3 auf eine Kontaktierungsoberfläche 2 eines Wafers 1 für Wafer Level Packages aufgebracht werden. Der Wafer 1 trägt nicht dargestellte elektronische Bauelemente, beispielsweise integrierte Schaltkreise.
  • 2 zeigt das Ergebnis eines zweiten Verfahrensschrittes, in dem die freiliegenden Bereiche der Lothügeloberflächen und der Kontaktierungsoberfläche 2 vollständig mit einer Kunststoffschicht 4 beschichtet werden. Die erfolgt mittels eines Rotationsbeschichtungsverfahrens (Spin-Coating-Verfahrens), bei dem der Kunststoff in flüssiger Form auf die Kontaktierungsoberfläche 2 und/oder Lothügeloberflächen aufgetragen wird und durch Rotation des Schaltungsträgers verteilt wird. Dabei wird eine Kunststoffschicht 4 aufgetragen, deren maximale Dicke kleiner als die Höhe jedes im ersten Verfahrensschritt aufgetragenen Lothügels 3 ist, so dass eine Kunststoffschicht 4 mit einer welligen Oberfläche entsteht, die der Kontaktierungsoberfläche 2 abgewandt ist.
  • 3 zeigt das Ergebnis eines dritten Verfahrensschrittes, in dem von jedem Lothügel 3 ein kunststoffbeschichteter Bereich abgetragen wird. Je nach Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens können diese Bereiche der Lothügel 3 durch Läppen, Schleifen, Fräsen, Hobeln oder mechanisches und/oder chemisches Polieren abgetragen werden.
  • Durch die Abtragung der kunststoffbeschichteten Bereiche der Lothügel 3 entsteht ein erfindungsgemäßer Schaltungstrager mit planen und planparallelen freiliegenden Oberflächenbereichen 5 der Lothügel 3, die jeweils in die zusammenhängende Kunststoffschicht 4 eingebettet sind.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Wafer
    2
    Kontaktierungsoberfläche
    3
    Lothügel
    4
    Kunststoffschicht
    5
    freiliegender Oberflächenbereich eines Lothügels
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 6578755 B1 [0004, 0009, 0009, 0013, 0017, 0017, 0017]

Claims (11)

  1. Schaltungsträger für elektronische Bauelemente, der eine Kontaktierungsoberfläche (2) aufweist, auf der Lothügel (3) zur elektrischen Kontaktierung elektronischer Bauelemente angeordnet sind, wobei jeder Lothügel (3) in eine auf die Kontaktierungsoberfläche (2) aufgebrachte Kunststofffassung derart eingebettet ist, dass ein Oberflächenbereich (5) des Lothügels (3) freiliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststofffassungen eine zusammenhängende Kunststoffschicht (4) bilden.
  2. Schaltungsträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger ein mit den Lothügeln (3) und der Kunststoffschicht (4) versehener Wafer (1) für Wafer Level Packages oder rekonfigurierter Wafer für Embedded Wafer Level Packages ist.
  3. Schaltungsträger nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffschicht (4) eine Epoxidharzschicht ist.
  4. Schaltungsträger nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die freiliegenden Oberflächenbereiche (5) der Lothügel (3) planar ausgebildet sind.
  5. Schaltungsträger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die freiliegenden Oberflächenbereiche (5) der Lothügel (3) zueinander planparallel sind.
  6. Schaltungsträger nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Lothügel (3) eine gleiche Höhe aufweisen und eine maximale Dicke der Kunststoffschicht (4) kleiner als die Höhe der Lothügel (3) ist.
  7. Verfahren zur Herstellung eines Schaltungsträgers gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Kontaktierungsoberfläche (2) mit den Lothügeln (3) und der Kunststoffschicht (4) versehen wird, indem in einem ersten Verfahrensschritt die Lothügel (3) auf die Kontaktierungsoberfläche (2) aufgebracht werden, in einem auf den ersten Verfahrensschritt folgenden zweiten Verfahrensschritt die freiliegenden Bereiche der Lothügeloberflächen und der Kontaktierungsoberfläche (2) vollständig mit Kunststoff beschichtet werden, und nach der Aushärtung des Kunststoffes in einem auf den zweiten Verfahrensschritt folgenden dritten Verfahrensschritt von jedem Lothügel (3) ein kunststoffbeschichteter Bereich abgetragen wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff im zweiten Verfahrensschritt mittels eines Rotationsbeschichtungsverfahrens aufgetragen wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Verfahrensschritt als Kunststoff Epoxidharz verwendet wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Verfahrensschritt eine Kunststoffschicht (4) aufgetragen wird, deren maximale Dicke kleiner als die Höhe jedes Lothügels (3) ist.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die im dritten Verfahrensschritt abgetragenen Bereiche der Lothügel (3) durch Läppen, Schleifen, Fräsen, Hobeln oder mechanisches und/oder chemisches Polieren abgetragen werden.
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