CH707125A1 - Werkzeug zum Verteilen von Lot auf einem Substrat und Werkzeug zum Auftragen und Verteilen von Lot auf ein Substrat. - Google Patents

Abstract

Ein längliches Werkzeug (1) zum Verteilen von Lot auf einem Substrat weist ein erstes Ende (2), das zum Beaufschlagen mit Ultraschall ausgebildet ist, und ein zweites gegenüberliegendes Ende (3) mit einer Arbeitsfläche (4) zum Verteilen des Lots auf dem Substrat auf. Das Werkzeug (1) besteht aus einem ersten Material, das Ultraschall vergleichsweise gut leitet, und zumindest die genannte Arbeitsfläche (4) ist mit einem zweiten Material beschichtet, das verschieden von dem ersten Material und vergleichsweise gut mit Lot benetzbar ist. Das Werkzeug kann auch zweiteilig ausgebildet sein, wobei ein erstes Teil (5) das genannte erste Ende (2) des Werkzeugs (1) umfasst und aus einem ersten Material besteht, das Ultraschall vergleichsweise gut leitet, und wobei das zweite Teil (6) die genannte Arbeitsfläche (4) umfasst und entweder aus dem ersten Material besteht und die genannte Arbeitsfläche (4) mit einem zweiten Material beschichtet ist oder aus einem zweiten Material besteht, das vergleichsweise gut mit Lot benetzbar ist.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zum Verteilen von Lot auf einem Substrat und ein Werkzeug zum Auftragen und Verteilen von Lot auf ein Substrat.

[0002] Lötverfahren dieser Art werden typischerweise – jedoch nicht ausschliesslich – bei der Montage von Halbleiterchips auf einem metallischen Substrat, einem sogenannten Leadframe, angewendet. Hauptsächlich Leistungshalbleiter werden in der Regel mit dem Substrat, das üblicherweise aus Kupfer besteht, mittels Weichlötung verbunden, um über die Lötverbindung eine im Vergleich zur Montage mittels Klebstoff wirksamere Ableitung der beim Betrieb entstehenden Verlustwärme aus dem Halbleiterchip zu gewährleisten. Allerdings werden, vor allem bei gesteigerter Leistungsdichte, hohe Anforderungen an die Homogenität der Lötverbindung gestellt, d.h. es werden definierte Dicke, gleichmässige Verteilung und einwandfreie Benetzung der Lotschicht über die ganze Chipfläche, bzw. völlige Blasenfreiheit sowie Reinheit der Lötstelle verlangt; andererseits soll aber das Lot möglichst nicht aus dem Lotspalt seitlich austreten und sich neben dem Halbleiterchip ausbreiten, was wiederum eine genaue Dosierung und Positionierung der Lotportionen erfordert.

[0003] Im Anwendungsbereich der Halbleiterchip-Montage ist ein Verfahren im praktischen Einsatz weit verbreitet, bei dem das Ende eines Lötmetall-Drahtes mit dem über die Schmelztemperatur des Lotes erhitzten Substrat in Berührung gebracht wird, um ein Stück des Drahtes abzuschmelzen. Dieses Verfahren ist aufgrund seiner Einfachheit und Flexibilität für die Massenproduktion an sich gut geeignet. Die entstehende, etwa kreisförmige Benetzungsfläche ist allerdings schlecht an die rechteckige oder quadratische Gestalt der Halbleiterchips angepasst. Aus der US 6 056 184 ist zudem ein Formstempel bekannt, mit dem die auf dem Substrat deponierte Lotportion in eine flache, der rechteckigen Gestalt der Halbleiterchips angepasste Form gebracht werden kann. Bekannt ist auch, das Ende des Lötmetall-Drahtes mit einem Schreibkopf entlang einer vorbestimmten Bahn zu bewegen, wobei das erhitzte Substrat laufend Lot abschmilzt. Auf diese Weise wird auf dem Substrat eine Lotbahn deponiert.

[0004] Aus der US 5 878 939 ist ein Verfahren bekannt, bei dem flüssiges Lot in eine zwischen einem Formstempel und dem Substrat gebildete Kavität gespritzt wird.

[0005] Diese bekannten Verfahren haben einige Nachteile. Die Form des deponierten Lotes ist entweder rund oder es muss für jede rechteckförmige Form ein spezifischer Formstempel hergestellt werden. Ein solcher Formstempel hat Seitenwände, die einen Teil des Substrates belegen. Das Lot kann somit nicht bis zum Rand der den Halbleiterchip aufnehmenden Chipinsel aufgebracht werden. Zudem muss das Substrat über die Schmelztemperatur des Lotes aufgeheizt werden und das deponierte Lot muss vom Auftragen bis zum Aufbringen des Halbleiterchips in flüssiger Form gehalten werden. Nachteilig ist auch, dass die mit dem flüssigen Lot in Berührung kommenden Teile regelmässig gereinigt werden müssen, wozu die Produktion unterbrochen werden muss.

[0006] Aus den US 4 577 398 und US 4 709 849 ist ein Verfahren bekannt, bei dem flache Formlinge aus Lötmetall, sogenannte «solder preforms», deren Abmessungen auf die Halbleiterchips abgestimmt sind, vorfabriziert werden. Die Lot-Formlinge werden dann auf das Substrat aufgelegt und von diesem aufgeschmolzen, um eine Lotschicht in den verlangten Dimensionen zu bilden. Wegen der erforderlichen Vorfabrikation der Lot-Formlinge und den zusätzlichen Montageoperationen ist diese Methode allerdings recht kostspielig und wenig flexibel.

[0007] Aus der US 2 009 145 950 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, bei denen ein Lotdraht durch einen Schreibkopfeines Lotdispensers hindurchgeführt ist, wobei der Draht beim Auftragen des Lots in Kontakt mit dem erhitzten Substrat gebracht wird, so dass Lot am Drahtende schmilzt, und wobei der Schreibkopf entlang einer vorbestimmten Bahn parallel zur Oberfläche des Substrats bewegt wird. Der Lotdispenser schreibt auf diese Art eine Lotbahn auf das Substrat. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass das Substrat ohne vorgängige Reinigung nur ungenügend benetzbar ist.

[0008] Die vorliegende Erfindung betrifft einerseits ein Werkstück, das geeignet ist, um eine auf einem Substrat aufgetragene Lotportion auf dem Substrat zu verteilen. Das Werkzeug wird dazu in die Lotportion eingetaucht und abgesenkt, bis eine Arbeitsfläche des Werkzeugs die Lotportion berührt und auf das Substrat drückt. Um die Benetzbarkeit des Substrats für das Lot zu verbessern, wird das Werkzeug derart mit Ultraschall beaufschlagt, dass im Werkzeug Ultraschallwellen erzeugt werden, die senkrecht zu seiner Arbeitsfläche und damit auch senkrecht zur Oberfläche des Substrats gerichtet sind. Dann wird das Werkzeug entlang einer vorbestimmten Bahn bewegt, um das Lot zu verteilen. Die Behandlung mit Ultraschall verbessert lokal die Benetzbarkeit des Substrats. Die Temperatur des Werkzeugs ist vorzugsweise tiefer als die Schmelztemperatur des Lots. Die vorliegende Erfindung betrifft andererseits ein Werkstück, das geeignet ist, das Auftragen und Verteilen von Lot auf dem Substrat gleichzeitig durchzuführen.

[0009] Das Werkzeug besteht aus einem Ultraschall gut leitenden Material wie beispielsweise rostfreiem Stahl. Die verteilte Lotportion soll rechteckförmig und der Grösse eines Halbleiterchips angepasst sein, der anschliessend auf dem Substrat montiert wird. Untersuchungen der Erfinder haben gezeigt, dass bei Loten, die Blei enthalten, die Schwankungen von Grösse und Form der verteilten Lotportion die gestellten Genauigkeitsanforderungen übersteigt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dies zu beheben.

[0010] Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch die Merkmale der nebengeordneten Ansprüche 1 und 2. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

[0011] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Figuren sind nicht massstäblich gezeichnet. <tb>Fig. 1 – 4<SEP>zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele eines Werkzeugs zum Verteilen von Lot auf einem Substrat, und <tb>Fig. 5<SEP>zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Werkzeugs zum Auftragen und Verteilen von Lot auf einem Substrat.

[0012] Die Fig. 1 bis 4 zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele eines Werkzeugs 1 zum Verteilen von Lot auf einem Substrat. Das Werkzeug 1 ist länglich und hat zwei einander gegenüberliegende Enden 2 und 3. Das erste Ende 2 des Werkzeugs 1 ist zum Beaufschlagen mit Ultraschall ausgebildet. Das zweite Ende 3 des Werkzeugs weist eine Arbeitsfläche 4 zum Verteilen des Lots auf.

[0013] Das in der Fig. 1 dargestellte Werkzeug 1 ist ein einteiliges Werkzeug, das aus einem ersten Material besteht, das Ultraschall vergleichsweise gut leitet. Zumindest die Arbeitsfläche 4 ist mit einem zweiten Material beschichtet, das vergleichsweise gut mit Lot benetzbar ist.

[0014] Die in den Fig. 2 bis Fig. 4 dargestellten Werkzeuge 1 sind zweiteilige Werkzeuge, wobei die beiden Teile 5 und 6 lösbar oder fest miteinander verbunden sind. Das erste Teil 5 des Werkzeugs 1 umfasst das mit Ultraschall beaufschlagbare Ende 2 und besteht aus einem ersten Material, das Ultraschall vergleichsweise gut leitet. Das zweite Teil 6 umfasst die Arbeitsfläche 4.

[0015] Das erste Teil 5 des in der Fig. 2 dargestellten Werkzeugs 1 enthält ein Gewinde 7, in das das zweite Teil 6 hineingeschraubt ist. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass das zweite Teil 6 auf einfache Weise ausgewechselt werden kann, beispielsweise weil eine Auswechslung infolge Abnutzung erforderlich ist. Das zweite Teil 6 besteht entweder ebenfalls aus dem ersten Material und die Arbeitsfläche 4 ist mit einem zweiten Material beschichtet oder das zweite Teil 6 besteht aus einem zweiten Material, das vergleichsweise gut mit Lot benetzbar ist.

[0016] Bei den in den Fig. 3 und 4 dargestellten Werkzeugen 1 enthält das erste Teil 5 ein Sackloch 8, in dem das zweite Teil 6 mit Presssitz befestigt ist. Das zweite Teil 6 besteht aus einem zweiten Material, das vergleichsweise gut mit Lot benetzbar ist.

[0017] Bei dem in der Fig. 3 dargestellten Werkzeug 1 ragt das zweite Teil 6 aus dem ersten Teil 5 heraus und ist, fakultativ, mit einer Spitze 9 ausgebildet, deren Durchmesser geringer ist als der Durchmesser des Endes des ersten Teils 5. das das Sackloch 8 enthält. Die Spitze 9 ist typischerweise rechteckförmig und enthält die Arbeitsfläche 4.

[0018] Bei dem in der Fig. 4 dargestellten Werkzeug 1 ist das zweite Teil 6 als Einschub vollständig in das Sackloch 8 des ersten Teils 5 eingeführt, so dass die Arbeitsfläche 4 bündig mit einer an sie angrenzenden und sie umschliessenden Fläche 10 des ersten Teils 5 ist.

[0019] Die Fig. 5 zeigt ein Werkzeug 1, das geeignet ist zum Auftragen und Verteilen von Lot auf einem Substrat. Die Spitze des Werkzeugs 1 ist mit einer von einer Seite zugänglichen Kavität 11 versehen, so dass von einem Drahtzuführungsmechanismus ein Lotdraht in schräger Richtung zuführbar ist, dessen Ende innerhalb der Kavität 11 das Substrat berührt und infolge des Kontakts mit dem heissen Substrat schmilzt. Die Arbeitsfläche 4 zum Verteilen des Lots umgibt die Kavität 11 auf drei Seiten. Das Werkzeug 1 kann wie eines der oben angegebenen Ausführungsbeispiele ausgeführt sein. Das in der Fig. 5 dargestellte Werkzeug 1 ist zweiteilig, wobei das erste Teil 5 aus einem ersten Material besteht, das Ultraschall vergleichsweise gut leitet, und das zweite Teil 6 aus einem zweiten Material besteht, das Lot vergleichsweise gut benetzt.

[0020] Um zu verhindern, dass sich im Betrieb zunehmend Lot anlagert an die an die Arbeitsfläche 4 angrenzende Fläche bzw. die Seitenwände beim Ende 3 des Werkzeugs 1, ist mit Vorteil die an die Arbeitsfläche 4 angrenzende Fläche mit einem dritten Material beschichtet, das Lot vergleichsweise schlecht benetzt.

[0021] Das oben genannte erste Material und das oben genannte zweite Material sind unterschiedliche Materialien. Ein Material, das Ultraschall gut leitet, ist beispielsweise rostfreier Stahl. Rostfreier Stahl benetzt bleihaltige Lote relativ schlecht. Materialien, die Lot vergleichsweise gut benetzen, sind Kupfer und Kupferlegierungen, z.B. Bronze, Messing, etc. Ein Beispiel für das dritte Material ist Chrom oder Phosphor- oder Bor haltiges Nickel.

Claims (7)

1. Längliches Werkzeug (1) zum Verteilen von Lot auf einem Substrat, wobei ein erstes Ende (2) des Werkzeugs (1) zum Beaufschlagen mit Ultraschall ausgebildet ist und ein zweites gegenüberliegendes Ende (3) des Werkzeugs (1) eine Arbeitsfläche (4) zum Verteilen des Lots auf dem Substrat aufweist und wobei das Werkzeug (1) aus einem ersten Material besteht, das Ultraschall vergleichsweise gut leitet, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die genannte Arbeitsfläche (4) mit einem zweiten Material beschichtet ist. das verschieden von dem ersten Material und vergleichsweise gut mit Lot benetzbar ist.

2. Längliches Werkzeug (1) zum Verteilen von Lot auf einem Substrat, wobei ein erstes Ende (2) des Werkzeugs (1) zum Beaufschlagen mit Ultraschall ausgebildet ist und ein zweites gegenüberliegendes Ende (3) des Werkzeugs (1) eine Arbeitsfläche (4) zum Verteilen des Lots auf dem Substrat aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (1) aus zwei Teilen (5, 6) besteht, wobei das erste Teil (5) das genannte erste Ende (2) des Werkzeugs (1) umfasst und aus einem ersten Material besteht, das Ultraschall vergleichsweise gut leitet, und wobei das zweite Teil (6) die genannte Arbeitsfläche (4) umfasst und wobei das zweite Teil (6) entweder aus dem ersten Material besteht und die genannte Arbeitsfläche (4) mit einem zweiten Material beschichtet ist oder aus einem zweiten Material besteht, das vergleichsweise gut mit Lot benetzbar ist.

3. Werkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Teil (5) ein Gewinde (7) aufweist und das zweite Teil (6) in das Gewinde (7) hineingeschraubt ist.

4. Werkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Teil (6) aus dein zweiten Material besteht und mit Presssitz am ersten Teil (5) befestigt ist.

5. Werkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Teil (6) aus dem zweiten Material besteht und als Einschub in ein Sackloch (8) des ersten Teils (5) eingeführt ist.

6. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine an die genannte Arbeitsfläche (4) angrenzende Fläche (10) des Werkzeugs (1) aus dem ersten Material besteht und/oder mit einem dritten Material beschichtet ist, das vergleichsweise schlecht mit Lot benetzbar ist.

7. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitze (9) des Werkzeugs (1) eine zu einer Seitenwand des Werkzeugs (1) hin offene Kavität (11) aufweist.