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DE4324479A1 - Verfahren zur Herstellung von lötfähigen Strukturen zur Kontaktierung von elektrischen Modulen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von lötfähigen Strukturen zur Kontaktierung von elektrischen Modulen

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DE4324479A1 DE4324479A DE4324479A DE4324479A1 DE 4324479 A1 DE4324479 A1 DE 4324479A1 DE 4324479 A DE4324479 A DE 4324479A DE 4324479 A DE4324479 A DE 4324479A DE 4324479 A1 DE4324479 A1 DE 4324479A1
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von lötfähigen Strukturen zur Kontaktierung von elektrischen Modulen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Komplexe elektrische Schaltungen werden häufig in Teilbereiche unterteilt, die auch mechanisch voneinander separiert werden, zum Beispiel aus Gründen der separaten Testbarkeit oder der Austauschbarkeit von Teilbereichen der Schaltung. Diese Teilbereiche werden Module genannt. Ein Beispiel für solche Module sind auf Keramik gedruckte Dickschichten, die mit SMD-Bauele­ menten und ggf. unverpackten ICs bestückt sind - sogenannte Hybride. Ein Modul könnte im Extremfall auch nur ein einziges Bauelement umfassen, zum Beispiel einen integrierten Schaltkreis. Die elektrische und mechanische Verbindung von Modulen mit dem Rest der elektrischen Schaltung, der "Mutter-Leiterplatte", erfolgt über die Anschlüsse des Moduls.
Bei randständiger Anordnung der Anschlüsse am Modul ist durch die Länge des Modulrandes entweder die Anzahl der Anschlüsse beschränkt (für gegebe­ nes Raster), oder das Raster wird sehr fein ("Fine Pitch", bei hoher Anschlußzahl). Beispiele für Module mit randständigen Anschlüssen sind Hybride, Small-Outline-ICs (SO-ICs), Quad Flat Packs (QFPs).
Es sind jedoch auch Module bekannt, die wesentlich größere Abstände zwischen den Anschlußkontakten zulassen, wobei die Anschlußkontakte auf der Unterseite der Module flächig angeordnet sind und jeder einzelne Anschluß von einer lötfähigen Metallstruktur gebildet wird (Ball Grid Array (BGA)). Zur Herstellung der Metallstrukturen werden aus Blei-Zinn- Lot oder anderen Loten hergestellte Lotkugeln sequentiell (langsam, hoher Zeitaufwand) oder parallel (sehr teure Maschinen) aus einem Vorrat aufge­ nommen, die Kugeln oder das Substrat (Keramik, Modulleiterplatte usw.) mit einem Flußmittel benetzt, die Kugeln auf die zur Kontaktierung vorgesehe­ nen Stellen aufgesetzt und in einem Reflow-Prozeß umgeschmolzen. Ein derartiges Herstellungsverfahren erfordert eine sehr hohe Genauigkeit der Kugelgrößen, einen hohen Maschinenaufwand oder lange Bestückungszeiten und eine hohe Bestückungsgenauigkeit. Für jedes Anschlußmuster sind zudem teure Werkzeuge erforderlich. Der Verlust einer einzigen Kugel führt bereits zu einem fehlerhaften Modul.
Die Hauptanmeldung Az.: P 43 16 007.7 bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von lötfähigen Metall-Strukturen zur Kontaktierung von elektri­ schen Modulen, bei dem die zur elektrischen und mechanische Verbindung mit einer Mutter-Leiterplatte vorgesehenen lötfähigen Strukturen auf der Unterseite des Moduls angeordnet werden (Ball Grid Arrays), und bei dem ferner auf kreisförmig ausgebildete, an der Unterseite des Moduls vorgese­ hene Leiterbahnen-Pads aus einer Lotpaste bestehende, die Leiterbahnen- Pads überdeckende Lotpasten-Pads aufgetragen werden, wobei der Durchmesser der Lotpasten-Pads wesentlich größer als der Durchmesser der Leiterbahnen- Pads ist und die Durchmesser der Pads und die Lotpasten-Schichtdicke derart aufeinander abgestimmt sind, daß bei einem anschließenden, durch Wärmeeinwirkung erzielten Aufschmelzen der Lotpasten-Pads diese in annä­ hernd kugelförmig oder warzenartig ausgebildete lötfähige Strukturen umgeformt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren nach der Hauptan­ meldung so zu verbessern, daß die lötfähigen Strukturen mit einer sehr hohen Zuverlässigkeit hergestellt werden können.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß beim Aufschmelzen der Lotpasten-Pads ein Abwandern und damit ein Verloren­ gehen einzelner Lotkugeln weitgehend ausgeschlossen wird. Mit den im Anspruch 2 angegebenen Maßnahmen wird das Einfangen und Anstechen der aufgeschmolzenen Lotkugeln zusätzlich erleichtert.
In den Fig. 1 bis 5 sind Skizzen eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren der Hauptanmeldung mit lötfähigen Metallstrukturen versehenen elektrischen Moduls dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 die Draufsicht,
Fig. 2 eine Seitenansicht und
Fig. 3 die Unteransicht eines nach dem vorgeschlagenen Verfahren mit lötfähigen Anschlüssen versehenen Moduls,
Fig. 4 eine geschnittene Seitenansicht mit aufgebrachten Lotpasten-Pads und
Fig. 5 eine geschnittene Seitenansicht mit aufgeschmolzenen Lotpasten-Pads.
Ferner zeigen, stark vergrößert dargestellt:
Fig. 6 einen Ausschnitt einer geschnittenen Seitenansicht mit einem aufgebrachten Lotpasten-Pad,
Fig. 7 den Ausschnitt mit dem zu einer Kugel aufgeschmolzenen flüssigen Lötzinn und
Fig. 8 den Ausschnitt mit einer auf einem Leiterbahnen-Pad erstarrten kugelförmig ausgebildeten Lötstruktur gemäß dem Zusatz zur Hauptanmeldung.
Eine als Substrat 1 dienende Leiterplatte eines elektrischen Moduls ist auf ihrer Unterseite beispielsweise mit einer 12×12 Kontaktstellen umfassenden Anschlußmatrix 3 versehen. Die von der Modulbauform erfaßten Bauelemente befinden sich auf der Oberseite des Substrats, unter einer Kappe 4. Die Kontaktstellen werden durch Leiterbahnen-Pads 5 bestimmt, die in einem Rasterabstand A von beispielsweise 2 mm auf der Unterseite des Substrats 1 angeordnet sind.
Zur Herstellung von lötfähigen Metallstrukturen 6 auf der Unterseite des Substrats 1 wird wie folgt verfahren: Auf die kreisförmig ausgebildeten Leiterbahnen-Pads 5 werden diese überdeckende kreisförmig ausgebildeten Lotpasten-Pads 7 aufgetragen. Das Auftragen kann durch Dispensen von Lotpaste oder durch Lotpastendruck (Sieb, Schablone, . . . ) erfolgen. Anschließend werden die gegebenenfalls noch feuchten Lotpasten-Pads bei einem durch Wärmeeinwirkung erzielten Aufschmelzen zu den kugelförmig bis warzenartig ausgebildeten lötfähigen Strukturen 6 umgeformt. Für das vorgenannte Ausführungsbeispiel, bei dem die Leiterbahnen-Pads 5 einen Durchmesser D von 0,5 mm aufweisen, wurden Lotpasten-Pads 7 mit einem Durchmesser D₂ von 1,2 mm und einer Lotpastenschichtdicke S von 0,28 mm als sehr vorteilhaft für die Bildung von kugelförmigen Metallstrukturen 6 ermittelt. Bei einer derartigen Abstimmung und bei einer Lotpaste mit Sn60 Pb40 entstehen durch die Oberflächenspannung des Lotes annähernd kugelförmige Strukturen mit einer Höhe von etwa 0,4 mm.
Um zu verhindern, daß die beim Aufschmelzen während einer Übergangsphase aus den Lotpasten-Pads 7 sich bildenden Kugeln 7′ aus flüssigem Lötzinn die Leiterbahnen-Pads 5 verlassen, sind die einzelnen Leiterbahnen-Pads 5 einerseits mit einer scharf ausgebildeten Kante 8 versehen und anderer­ seits in einem vorgegebenen Abstand von einer Schicht Lötstopplack 9 umgeben. Der die Kante 8 des Leiterbahnen-Pads 5 ringförmig umgebende lötstopplackfreie Zwischenraum 10, der von dem Lotpasten-Pads 7 überragt wird, ist derart ausgelegt, daß er die beim Aufschmelzen des zugehörigen Lotpasten-Pads 7 sich bildende Kugel 7′ aus flüssigem Lötzinn derart auffängt, daß sie einen von der scharf ausgebildeten Kante 8 des Leiterbahnen-Pads 5 hervorgerufenen Anstich ihrer durch die Oberflächen­ spannung bedingten Außenhaut erfährt, der bewirkt, daß die noch flüssige Kugel 7′ auf das Leiterbahnen-Pad 5 aufspringt, dieses benetzt und dort zu einer kugelförmig oder warzenartig ausgebildeten Struktur 6 erstarrt. Um das Einfangen und Anstechen der aufgeschmolzenen Lotkugel 7′ noch sicherer zu machen, sind die die lötstopplackfreien Zwischenräume 10 umgebenden inneren Wandungen der Lötstopplackschicht 9 als trichterförmige Schrägen 11 ausgebildet.

Claims (2)

1. Verfahren zur Herstellung von lötfähigen Metall-Strukturen zur Kontaktierung von elektrischen Modulen, bei dem die zur elektrischen und mechanischen Verbindung mit einer Mutter-Leiterplatte vorgesehe­ nen lötfähigen Strukturen auf der Unterseite des Moduls angeordnet werden (Ball-Grid-Arrays), nach Patentanmeldung Az.: P 43 16 007.7, und bei dem auf kreisförmig ausgebildete, an der Unterseite des Moduls vorgesehene Leiterbahnen-Pads aus einer Lotpaste bestehende, die Leiterbahnen-Pads überdeckende Lotpasten-Pads aufgetragen werden, wobei der Durchmesser der Lotpasten-Pads wesentlich größer als der Durchmesser der Leiterbahnen-Pads ist und die Durchmesser der Pads und die Lotpasten-Schichtdicke derart aufeinander abgestimmt sind, daß bei einem anschließenden, durch Wärmeeinwirkung erzielten Auf­ schmelzen der Lotpasten-Pads diese in annähernd kugelförmig oder warzenartig ausgebildete lötfähige Strukturen umgeformt werden, dadurch gekennzeichnet, daß bei jedem der vorgesehenen Lötpunkte ein die Kante (8) eines Leiterbahnen-Pads (5) ringförmig umgebender lötstopplackfreier Zwischenraum (10) vorgesehen ist, welcher eine beim Aufschmelzen des zugehörigen Lotpasten-Pads (7) sich bildende Kugel (7′) aus flüssigem Lötzinn derart auffängt, daß sie einen von der scharf ausgebildeten Kante (8) des Leiterbahnen-Pads (5) hervorgerufenen Anstich ihrer Außenhaut erfährt, der bewirkt, daß die noch flüssige Kugel (7′) auf das Leiterbahnen-Pad (5) aufspringt, dieses benetzt und dort zu einer kugelförmig oder warzenartig ausgebildeten lötfähigen Struktur (6) erstarrt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die lötstopplackfreien Zwischenräume (10) umgebenden inneren Wandungen der Lötstopplackschicht (9) als trichterförmige Schrägen (11) ausgebildet sind.
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