DE19535622C1

DE19535622C1 - Verfahren zum Aufbringen von kugelförmigen Lothöckern auf flächig verteilte Anschlußflächen eines Substrats

Info

Publication number: DE19535622C1
Application number: DE19535622A
Authority: DE
Inventors: Hans-Juergen Dipl Ing Hacke; Helmut Dipl Ing Korodi; Manfred Dipl Ing Wosler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1995-09-25
Filing date: 1995-09-25
Publication date: 1996-09-12
Anticipated expiration: 2015-09-26

Description

Bei gekapselten integrierten Schaltkreisen (Ics) für die Oberflächenmontage führen die steigende Anschlußzahl und der Zwang zur Miniaturisierung zu immer kleinerem Anschlußraster. Hierdurch ergeben sich Schwierigkeiten mit der Montage vom definierten Auftrag der Lotpaste bis zum kurzschlußfreiem Lö ten mit dem Lötbügel.

Im Hinblick auf die vorstehend erwähnten Schwierigkeiten kom men zunehmend sowohl für Einzelchips, als auch für Multichip module sogenannte Ball Grid Arrays (BGAs) zum Einsatz, bei denen sich die Anschlüsse flächig verteilt und damit im we sentlich gröberen Raster als bei den konventionellen Bauele menteformen auf der Unterseite des Gehäuses befinden. Jede Anschlußfläche trägt kugelförmige Lothöcker, die sogenannten Balls, die in einem Aufschmelzprozeß für die Verbindung mit der Verdrahtung sorgen.

Die Herstellung der kugelförmigen Lothöcker bzw. Balls für Ball Grid Arrays erfolgt durch Siebdruck von Lotpaste auf die Anschlußflächen und ihr anschließendes Umschmelzen zu Lotku geln oder durch die Applikation von Kugeln, die ebenfalls nachfolgend umgeschmolzen werden. Es ist auch möglich, Lot durch galvanische Metallabscheidung auf die Anschlußflächen aufzubringen und anschließend umzuschmelzen.

Die Herstellung von kugelförmigen Lothöckern durch Lotpasten druck ist in Abhängigkeit vom Format und von der Struktur mit Toleranzen behaftet und erfordert den apparativen Aufwand für den Siebdruck. Außerdem ist die Lotpaste relativ teuer.

Bei der beispielsweise aus der US-A 5,284,287 bekannten Ap plikation von Kugeln werden vorgefertigte Lotkugeln von einem Sauggreifer, dessen Saugöffnungen in der Konfiguration der aufzuneh menden Lotkugeln angeordnet sind, aufgenommen, in ein Flußmittel getaucht und dann auf den Anschlußflächen abgesetzt und umgeschmolzen. Auch hier muß mit Toleranzen der vorgefertigten Lotkugeln gerech net werden, deren Herstellung außerdem mit relativ hohen Ko sten verbunden ist.

Aus der US-Z IBM Technical Disclosure Bulletin, Bd. 34, Nr. 11, 1992, Seiten 449 bis 450 ist es auch bereits bekannt, mit einem ge eigneten Schnittwerkzeug aus einer Lotfolie scheibchenförmige Lotformteile in der Konfiguration der Anschlußflächen eines Substrats auszuschneiden und die Lotformteile am unteren Ende des Schnitthubes direkt auf die zugeordneten Anschlußflächen des Substrats aufzusetzen. Bei einem derartigen direkten Auf setzen der ausgeschnittenen Lotformteile auf die Anschlußflä chen wird jedoch ein starker Druck auf das Substrat ausgeübt, so daß diese Methode für empfindliche Substrate oder für be reits mit Bauelementen bestückte Substrate weniger geeignet ist.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zu grunde, ein einfaches und wirtschaftliches Verfahren zum Auf bringen von kugelförmigen Lothöckern bzw. Balls auf flächig verteilte Anschlußflächen eines Substrats zu schaffen, bei welchem die Lothöcker in verschiedenen Legierungen und mit definiertem Volumen erzeugt werden können. Das Verfahren soll insbesondere auch das Aufbringen von kugelförmigen Lothöckern bzw. Balls auf empfindliche Substrate oder auf bereits mit Bauelementen bestückte Substrate ermöglichen.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß aus einer Lotfolie scheibchenförmige Lotformteile ausgeschnitten werden können, die nach ihrer Positionierung auf den Anschlußflächen des Substrats auf einfache Weise zu kugelförmigen Lothöckern oder Balls umgeschmolzen werden können. Die ausgeschnittenen Lotformteile werden dabei zunächst in der Konfiguration des gewünschten Anschlußmusters angeordnet, worauf diese Anord nung in der Gesamtheit der endgültigen Anschlußkonfiguration von einem Vielfach-Sauggreifer aufgenommen und auf die zuge ordneten Anschlußflächen des Substrats abgesetzt wird.

Der Vielfach-Sauggreifer kann in der Konfiguration seiner Saugöffnungen auf die jeweilige Anwendung abgestimmt sein oder alle im Raster möglichen Saugöffnungen enthalten und spezielle Konfigurationen durch Zu- oder Abschalten speziel ler Saugkreisläufe realisieren. Der Vielfach-Sauggreifer kann ferner als eine Lochplatte oder eine Lochplatte mit einge setzten Saugnadeln ausgebildet sein. Jedenfalls hängen nach der Übernahme alle benötigten Lotformteile durch Saugluft in ihrer Position und werden zu ihrer Positionierung auf die zu geordneten Anschlußflächen des Substrats abgesetzt. Das Ab setzen der Lotformteile kann sehr schonend durch leichten An druck und Abschalten der Saugluft oder mit Unterstützung durch Druckluft erfolgen. Damit ist das erfindungsgemäße Ver fahren insbesondere für empfindliche Substrate oder solche Substrate geeignet, die auf der Oberseite bereits mit erhabe nen Bauelementen bestückt sind.

Es ist auch möglich, die Lotformteile in einer Konfiguration anzuordnen, die nur einem Teil der Konfiguration der An schlußflächen des Substrats entspricht. In diesem Fall werden die Schritte der Bereitstellung der Lotformteile in einer Teilkonfiguration, der Übernahme der Teilkonfiguration und der Positionierung der Teilkonfiguration auf dem Substrat zwei- oder mehrfach durchgeführt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un teransprüchen angegeben.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 2 ermöglicht durch die Kombi nation zylindrischer Schnittstempel mit kreisrunden Schnitt plattenlöchern die Herstellung sehr genauer Lotformteile. Das hält gleichzeitig die Werkzeugkosten gering, da die Schnitt platte des Schnittwerkzeugs auf einfache Weise durch Bohren hergestellt werden kann.

Die Weiterbildung nach Anspruch 3 ermöglicht es gezielt, ku gelförmige Anschlußhöcker bzw. Balls mit einem genau defi nierten Volumen bzw. Durchmesser zu erzeugen. So sind bei spielsweise Lote unterschiedlicher Legierungen als eng tole rierte Folien in verschiedenen Stärken in Bandform erhältlich oder können mit einfachen Mitteln zu solchen kalibriert wer den. Damit ist selbst bei nur einem Durchmesser der Schnitt stempel schon ein Spektrum späterer Lothöcker bzw. Balls ver schiedenen Durchmessers möglich.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 4 ermöglicht mit einfachen Mitteln die Bereitstellung von scheibchenförmigen Lotformtei len in einer gewünschten Konfiguration. Die benötigte Menge an Lotformteilen wird dabei in die Aufnahme-Löcher einer Ra sterplatte eingerüttelt, so daß sie dort locker im Raster der späteren Anordnung vorliegen und von dem Vielfach-Sauggreifer im gleichen Raster übernommen und auf das Substrat übertragen werden können.

Die besonders bevorzugte Weiterbildung nach Anspruch 5 begün stigt die Übertragung der ausgeschnittenen Lotformteile von dem Vielfach-Sauggreifer auf die zugeordneten Anschlußflä chen, da die Lotformteile am dort aufgebrachten Flußmittel lagerichtig kleben bleiben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 ein Schnittwerkzeug zur Herstellung von scheibchen förmigen Lotformteilen,

Fig. 2 das Einrütteln der gemäß Fig. 1 hergestellten Lot formteile in eine Rasterplatte,

Fig. 3 die Übernahme sämtlicher in der Rasterplatte gemäß Fig. 2 bereitgestellten Lotformteile mit einem Viel fach-Sauggreifer,

Fig. 4 das Positionieren der von dem Vielfach-Sauggreifer gemäß Fig. 3 aufgenommenen Lotformteile auf den zugeordne ten Anschlußflächen eines Substrats und

Fig. 5 das Substrat gemäß Fig. 4 mit den auf die Anschluß flächen abgesetzten und anschließend zu kugelförmigen Lothöckern umgeschmolzenen Lotformteilen.

Fig. 1 zeigt in stark vereinfachter schematischer Darstel lung einen Längsschnitt durch ein Schnittwerkzeug SW, welches aus einer Vielzahl von in einem Stempelhalter SH befestigten, zylindrischen Schnittstempeln SS und einer mit kreisrunden Löchern versehenen Schnittplatte SP besteht. Zwischen den Schnittstempeln SS und der Schnittplatte SP befindet sich ei ne bandförmige Lotfolie LF, die nach jedem Schnitthub in Richtung des Pfeiles PF1 vorwärts getaktet wird. Die Durch messer der Schnittstempel SS sind mit d bezeichnet, während die Stärke der Lotfolie LF mit s bezeichnet ist. Die in Viel fachanordnung mit engem Abstand angeordneten Schnittstempel SS schneiden bei jedem durch einen Doppelpfeil DPF1 angedeu teten Schnitthub eine Vielzahl von scheibchenförmigen Lot formteilen LT der Lotfolie LF aus. Die Lotformteile LT werden also bei guter Materialausnutzung mit geringen Materialkosten hergestellt.

Fig. 2 zeigt ebenfalls in stark vereinfachter schematischer Darstellung das Einrütteln der Lotformteile LT in die Aufnah me-Löcher einer mit RP bezeichneten Rasterplatte. Die im dar gestellten Beispiel in Form eines Haufens auf einer Platte P bereitgestellten Lotformteile LT fallen auf die vorstehend bereits erwähnte Rasterplatte RP, die zusammen mit einer Un terlage U in Richtung des Pfeiles PF2 einseitig angehoben ist und in Richtung des Doppelpfeiles DPF2 hin- und herbewegt wird. Durch die Schwingungen werden die Lotformteile LT in die Aufnahme-Löcher der Rasterplatte RP eingerüttelt, so daß sie dort locker im gesamten Anschlußraster eines herzustel lenden Ball Grid Arrays vorliegen. Die überschüssigen Lot formteile LT rutschen nach unten und können von Zeit zu Zeit wieder auf die Platte P gelegt werden.

Anschließend wird gemäß Fig. 3 die Rasterplatte RP zusammen mit der Unterlage U wieder horizontal ausgerichtet, so daß die in den Aufnahme-Löchern bereitgestellen Lotformteile LT in der Gesamtheit des endgültigen Musters von einem Vielfach-Saug greifer VSG aufgenommen werden können. Die Saugöffnungen SO des Vielfach-Sauggreifers sind dabei in der Konfiguration der aufzunehmenden Lotformteile LT bzw. der Anschlußkonfigu ration des herzustellenden Ball Grid Arrays angeordnet. Die durch einen Pfeil PF3 angedeutete Saugluft bewirkt, daß an jeder einzelnen Saugöffnungen SO ein Lotformteil LT hängen bleibt und sämtliche Lotformteile LT unter Beibehaltung die ser Konfiguration transportiert werden können.

Gemäß Fig. 4 werden die vom Vielfach-Sauggreifer VSG aufge nommenen Lotformteile LT auf die mit einem Flußmittel be schichteten Anschlußflächen eines Substrats S abgesetzt. Das Absetzen auf die Anschlußflächen wird dabei sehr schonend mit Unterstützung durch Druckluft vorgenommen, die durch einen Pfeil PF4 angedeutet ist. Wird nun der Vielfach-Sauggreifer VSG angehoben, so bleiben die Lotformteile LT an dem auf die Anschlußflächen aufgebrachten Flußmittel kleben. In diesem Zustand ist das Substrat S bzw. der Gehäuseboden des Einzel chips oder des Multichipmoduls bereit zum Umschmelzen der Lotformteile LT. Das Aufbringen der zum Umschmelzen der Lot formteile LT erforderlichen Wärme kann beispielsweise über Laser, Infrarotenergie oder im Ofen erfolgen. Wichtig ist da bei lediglich, daß für eine gute Benetzung die Anschlußflä chen des Substrats S die Schmelztemperatur des Lotes errei chen. Beim Umschmelzen der Lotformteile LT nehmen diese gemäß Fig. 4 die Form von kugelförmigen Lothöckern LH an, die meist auch als Balls bezeichnet werden und das gewünschte Ball Grid Array BGA auf dem Substrat S bilden.

Bei dem vorstehend anhand der Fig. 1 bis 4 erläuterten Verfahren zum Aufbringen von kugelförmigen Lothöckern LH auf flächig verteilte Anschlußflächen eines Substrats S wird das Volumen der Lothöcker LH durch die Stärke s der Lotfolie LF und/oder durch den Durchmesser d der Schnittstempel SS defi niert. Bei den nach dem geschilderten Verfahren herstellbaren Ball Grid Arrays BGA kommt man mit einer Rasterplatte RP und einem Vielfach-Sauggreifer VSG je Rastermaß aus, wobei Raster von 2 mm, von 1,5 mm und von 1,27 mm üblich sind.

Claims

1. Verfahren zum Aufbringen von kugelförmigen Lothöckern (LH) auf flächig verteilte Anschlußflächen eines Substrats (S), insbesondere zur Herstellung von Ball Grid Arrays (BGA) mit folgenden Schritten:

a) Ausschneiden von scheibchenförmigen Lotformteilen (LT) aus einer Lotfolie (LF);
b) Bereitstellung der scheibchenförmigen Lotformteile (LT) in einer Konfiguration, die zumindest einem Teil der Kon figuration der Anschlußflächen des Substrats (S) ent spricht;
c) Übernahme sämtlicher im Schritt b) bereitgestellten Lot formteile (LT) mit einem Vielfach-Sauggreifer (VSG), des sen Saugöffnungen (SO) in der Konfiguration der aufzuneh menden Lotformteile (LT) angeordnet sind;
d) Positionieren der im Schritt c) übernommenen Lotformtei le (LT) auf den zugeordneten Anschlußflächen des Substrats (S);
e) Umschmelzen der Lotformteile (LT) zu kugelförmigen Lothöckern (LH).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausschneiden der scheibchenförmigen Lotformteile (LT) ein Schnittwerkzeug (SW) verwendet wird, das zylindrische Schnittstempel (SS) und eine Schnittplatte (SP) mit kreisrun den Löchern besitzt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der kugelförmigen Lothöcker (LH) durch die Stärke (s) der Lotfolie (LF) und/oder den Durchmesser (d) der Schnittstempel (SS) beeinflußt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lotformteile (LT) im Schritt b) in die Aufnahme-Löcher einer Rasterplatte (RP) eingerüttelt werden, deren Lochkonfiguration zumindest einem Teil der Konfiguration der Anschlußflächen des Substrats (S) entspricht.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lotformteile (LT) im Schritt d) auf den zuvor mit Flußmittel beschichteten Anschlußflächen des Substrats (S) abgesetzt werden.