DE69113187T2 - Verfahren zur Herstellung einer elektronische Dünnschichtanordnung. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bildung elektronischer Packungen und insbesondere auf ein Verfahren zur Bildung elektronischer Packungen, die Dünnfilmschaltkreiselemente als Teil derselben verwenden. Noch spezieller bezieht sich die Erfindung auf derartige Strukturen, in denen die Dünnfilmelemente unter Verwendung von Lötmittel elektrisch verbunden sind.
• In US-A-4 937 707 ist eine flexible Kabelstruktur mit einem elektronischen Bauelement (Halbleiterchip) beschrieben, das mit derselben elektrisch verbunden ist. Das flexible Kabel ist als eine dreischichtige Struktur definiert, in der sich zwei leitfähige Schichten auf entgegengesetzten Seiten einer dielektrischen Zwischenschicht befinden.
• In EP-A-352 454 ist eine Vorrichtung zur Durchführung von Lötverbindungen ohne Flußmittel beschrieben, bei der ein heißes Gas auf Lötmittelhügel geleitet wird, um zu bewirken, daß diese schmelzen und sich nachfolgend mit verschiedenen Leitungsstrukturen verbinden.
• Elektronische Packungen, die ein Dunnfilmschaltkreiselement als integralen Teil derselben beinhalten, sind in der Industrie bekannt, wobei Beispiele in den US-Patenten 4 849 856 (J. Funari et al.) und 4 914 551 (M. Anschel et al.) aufgezeigt werden. Wie in denselben erwähnt, besteht ein Hauptziel beim Entwurf derartiger elektronischer Packungen darin, diese innerhalb eines Minimums an Raum mit so hohen Stromdichten wie möglich zu versehen. Derartige Miniaturisierungsanstrengungen werfen aber, wenngleich sie verschiedene äußerst vorteilhafte Merkmale bereitstellen, sowohl bei der Eertigung als auch beim Betrieb dieser Strukturen verschiedene technologische Probleme auf. In den zuvor erwähnten US-Patenten 4 849 856 und 4 914 551 sind zum Beispiel Lösungen zur Gewährleistung sowohl einer effektiven Abführung der Wärme von der Packung während des Betriebs als auch einer Erleichterung der Packungsmontage dargelegt.
• Weitere Verfahren zur Bildung elektronischer Packungen sind in IBM Tech. Disc. Bull. Bd. 31, Nr. 6, Nov. 88, Seiten 335 bis 336 und Bd. 31, Nr. 3, Aug. 88, Seiten 451 bis 452 offenbart.
• Ein spezielles Problem, das sich Konstrukteuren von elektronischen Packungen, die Dünnfilmschaltkreisstrukturen enthalten, stellt, besteht in der wesentlichen Anforderung, brauchbare elektrische Verbindungen zwischen der relativ großen Anzahl äußerst kleiner leitfähiger Elemente (Signal-, Masse- und/oder Stromversorgungsleiter) und den jeweiligen Kontaktstellen (z.B. an dem Halbleiterchip und anderen Schaltkreisstellen, wie auf einer Leiterplatte oder einem entsprechenden Substrat) bereitzustellen, mit denen der Chip elektrisch gekoppelt ist. Die vorliegende Erfindung definiert sowohl eine derartige Packung als auch ein Verfahren zur Bildung derartiger Verbindungen in einem Filmelement und einem darin verwendeten elektronischen Bauelement, wobei vergleichsweise hohe Schaltkreisdichten erzielt werden.
• Wie bekannt ist, stellt Löten eine übliche Technik zum Zusammenfügen verschiedener Objekte, einschließlich Dünnfilmschaltkreise und andere elektronische Bauelemente, dar. Typischerweise wurden die leitfähigen Teile dieser Strukturen (üblicherweise metallische, z.B. aus Kupfer) vor dem Zusammenfügen mit einem chemischen Elußmittel überzogen. Dann wird ein festes Lötmittel zwischen die mit Flußmittel überzogenen Objekten plaziert, oder eine mit Flußmittel gefüllte Lötmittelpaste wird durch Siebdruck auf einen der leitfähigen Teile aufgebracht und bis zu einem geschmolzenen Zustand erwärmt, so daß das geschmolzene Lötmittel die Teile dieser Objekte überzieht, die ihrerseits mit einem derartigen Elußmittel überzogen wurden. Danach wird das geschmolzene Lötmittel abgekühlt, um eine Verbindung zwischen den zwei Objekten zu bilden.
• Bekanntermaßen dient das Flußmittel dazu, ein Oxid, das auf der Oberfläche der zusammenzufügenden metallischen Objekte und auch auf der Oberfläche des geschmolzenen Lötmittels vorhanden sein kann, chemisch zu reduzieren. Ein derartiges Oxid verhindert eine Benetzung mit Lötmittel zwischen diesen Oberflächen, was zu einer ineffektiven Bindung führt. Bei Verwendung von Elußmittel verflüchtigt sich dieses Material und wird während des Verbindungsvorgangs abgebrannt, was bestimmte unerwünschte Effekte, wie Erzeugung von Gas, verursacht, das wiederum in das geschmolzene Lötmittel eingebaut werden kann. Dies kann des weiteren zu Hohlräumen in dem Verbindungsgebiet führen, die wiederum die endgültige physische Verbindung schwächen können. Derartige Hohlräume verkleinern des weiteren die Querschnittsfläche einer derartigen Verbindung, was folglich, wenn sie für die Bereitstellung einer elektrischen Verbindung vorgesehen ist, die Leitfähigkeit zwischen den zwei Leitern, die zusammengefügt werden, reduzieren kann. Außerdem kann ein Elußmittelrückstand, der sich nicht vollständig verflüchtigt hat, sowohl die resultierenden Lötverbindungen als auch die Objekte, die zusammengefügt werden, korrodieren.
• Bei mikroelektronischen Anwendungen (z.B. für elektronische Pakkungsstrukturen, wie sie hierin definiert sind), werden gewöhnlich Lötverbindungen verwendet. Bei einer Technik wird ein elektronisches Bauelement (Halbleiterchip) auf einem Verkapselungssubstrat (Dünnfilmstruktur) in einer "Flip-Chip"-Orientierung angebracht. In dieser Orientierung ist die Oberfläche des Chips mit Kontaktstellen so angeordnet, daß sie dem Dünnfilmschaltkreiselement gegenüberliegt. Die Kontaktstellen auf dem Chip und die jeweiligen leitfähigen Dünnfilmelemente werden unter Verwendung von Lötmittelstrukturen, die auch als Chipverbindungen durch gesteuerte Erweichung (C4's) bezeichnet werden, elektrisch verbunden.
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Technik elektronischer Verkapselung zu verbessern und den Miniaturisierungsanforderungen in der heutigen Verkapselungsindustrie durch Bereitstellen eines Verfahrens zur Bildung von effektiven brauchbaren elektrischen Verbindungen zwischen flexiblen Filmträgern und einem elektronischen Bauelement für eine eventuelle Verwendung innerhalb einer elektronischen Packung, bei dem derartige Verbindungen in einer sicheren und raschen Weise ausgeführt werden können, und einer jeweiligen elektronischen Packung zu entsprechen.
• Gemäß einem Aspekt der Erfindung, wie sie beansprucht wird, ist ein Verfahren zur Bildung einer Mehrzahl elektrischer Verbindungen zwischen einem flexiblen Dünnfilmträger und einem elektronischen Bauelement dargelegt, wobei das Verfahren folgende Schritte beinhaltet: Bereitstellen eines elektronischen Bauelementes mit darauf befindlichen Kontaktstellen, Positionieren eines Lötmittelhügels auf jeder dieser Stellen, Justieren eines flexiblen Filmträgers bezüglich dieser Lötmittelhügel und Andrücken des Eilnträgers unter Verwendung eines siebartigen Elementes, um zu bewirken, daß Teile von jeder der leitfähigen Leitungen, die jeweilige Öffnungen innerhalb der dielektrischen Schicht des Filmträgers überbrücken, mit einem jeweiligen der Lötmittelhügel in Kontakt gebracht werden und eine vorgegebene Kraft auf diesen ausüben, so daß jede dieser Leitungen über den jeweiligen Lötmittelhügel gebogen wird. Ein heißes Gas wird auf jede der leitfähigen Leitungen, die gegen diese Lötmittelhügel andrücken, geleitet, um die Leitungen auf eine Temperatur zu erwärmen, die ausreicht, um zu bewirken, daß wenigstens ein Teil der kontaktierten Lötmittelhügel schmilzt. Die geschmolzenen Lötmittelhügel werden danach abgekühlt, um die gewünschte Lötverbindung zu bilden und somit eine effektive elektrische Verbindung zu gewährleisten.
• Die vorliegende Erfindung stellt eine signifikante Verbesserung gegenüber gegenwärtig bekannten Löttechniken zur Herstellung elektrischer Verbindungen in miniaturisierten elektronischen Packungen bereit. Das Verfahren, wie es hierin definiert ist, gewährleistet effektive brauchbare elektrische Verbindungen zwischen äußerst kleinen Schaltkreiselementen. Das Verfahren ist relativ sicher und kann auf Serienproduktionstechniken angepaßt werden, womit die Gesamtkosten der endgültigen Packungsstruktur reduziert werden.
• Es wird angenommen, daß ein Verfahren zur Bildung elektrischer Verbindungen zwischen den verschiedenen Elementen zur Verwendung in einer Packung, das die hierin beschriebenen, vorteilhaften Merkmale besitzt, einen signifikanten Fortschritt auf dem Fachgebiet darstellt.
• Für ein besseres Verständnis der Erfindung zusammen mit anderen und weiteren Aufgaben und Vorteilen derselben wird auf die folgende Offenbarung und die beigefügten Ansprüche in Verbindung mit den Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
• Fig. 1 bis 6 die verschiedenen Schritte zur Bildung einer Mehrzahl elektrischer Verbindungen zwischen einem flexiblen Filmträger und einem elektronischen Bauelement gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung darstellen;
• Fig. 7 eine elektronische Packung, wie sie unter Verwendung des in den Fig. 1 bis 6 dargestellten Verfahrens hergestellt werden kann, mit zusätzlicher Struktur (z.B. einem Kühlkörperelement) darstellt, das einen Teil derselben bildet; und
• Fig. 8 bis 10 die Schritte bei einem Verfahren zur Bildung elektrischer Verbindungen zwischen einem flexiblen Filmträger und einem mit Schaltkreisen versehenen Substrat (z.B. einer Leiterplatte) darstellen, mit dem der flexible Filmträger auch elektrisch gekoppelt werden kann.
• In den Fig. 1 bis 6 sind die Schritte zur Bildung einer Mehrzahl elektrischer Verbindungen zwischen einem Schaltkreisträger 11 aus einem flexiblen Film und einem elektronischen Bauelement 13 (z.B. einem Halbleiterchip) gezeigt. Die resultierende Untereinheit (Bauelement-Träger) ist in eine elektronische Packung einzubauen, wie sie in den zuvor erwähnten US-Patenten 4 849 856 und 4 914 551 definiert ist. Eine Teilansicht einer derartigen Packung ist in Fig. 7 wiedergegeben.
• In Fig. 1 ist ein Bauelement 13 gezeigt, das in einem Halte(Trage-)element 15 positioniert ist. Wenngleich lediglich ein derartiger Chip in Fig. 1 gezeigt ist, versteht es sich, daß zusätzliche derartige Bauelemente gleichzeitig innerhalb jeweiliger Aufnahmestellen (z.B. Kanälen) innerhalb des Halters 15 positioniert und in einer entsprechenden Weise behandelt werden können. Vor dieser Positionierung werden ausgewählte Kontaktstellen (17 in Fig. 2), die einen Teil des Bauelementes bilden, mit einzelnen Lötmittelhügeln 19 versehen. Jeder Hügel besteht aus einer Zinn-Blei-Lötmittelzusammensetzung von 3:97, es versteht sich jedoch, daß auch andere Zusammensetzungen hier ohne weiteres verwendet werden können. Mit dem Ausdruck Zinn-Blei- Lötmittelzusammensetzung von 3:97 ist die Definition einer Lötmittelzusammensetzung gemeint, die etwa 3 Prozent Zinn und etwa 97 Prozent Blei beinhaltet. Dies ist eine übliche Prozedur zur Definition von Lötmittelzusammensetzungen und wird an weiteren Stellen hierin verwendet werden. Jeder Lötmittelhügel wird unter Verwendung von auf dem Fachgebiet bekannten Techniken angebracht, und es wird angenommen, daß keine weitere Definition notwendig ist. Bemerkenswerterweise nimmt jeder Hügel vorzugsweise die in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Konfiguration ein, wobei er einen im wesentlichen kuppelförmigen oberen Teil 21 beinhaltet. Dies ist ebenfalls nicht so aufzufassen, daß es die Erfindung beschränkt, vielmehr sind auch andere Konfigurationen selbstverständlich akzeptabel. Ist die Mehrzahl (z.B. von etwa 250 bis 350) der Lötmittelhügel mit der entsprechenden Anzahl jeweiliger Kontaktstellen 17 verbunden, wird das Bauelement 13 innerhalb des Halters 15 positioniert. Der Halter 15 ist vorzugsweise metallisch (z.B. aus Edelstahl) . Sobald er auf diese Weise positioniert ist, wird der Halter vorzugsweise auf eine vorgegebene Temperatur (z.B. ungefähr 100 Grad Celsius (C) bis 150 Grad Celsius) erwärmt, um seinerseits das Bauelement 13 (auf etwa die gleiche Temperatur) zu erwärmen. Eine derartige Vorerwärmung des Bauelements 13 ist bevorzugt, um einen nachfolgenden thermischen Schock für das Bauelement 13, der daraus resultiert, daß dasselbe dem heißen Gas ausgesetzt wird, das auf diesen Teil der Struktur geleitet wird, im wesentlichen zu eliminieren, wie im folgenden weiter beschrieben werden wird.
• Der flexible Filmträger 11 umfaßt eine erste Schaltkreisschicht 23, die in der in den Fig. 1 bis 6 dargestellten Orientierung so gezeigt ist, daß sie sich am unteren Teil des Trägers befindet und dem Bauelement 13 gegenüberliegt. Gegebenenfalls können der Träger 11 und das befestigte Bauelement 13 auch umgekehrt angeordnet werden, so daß sie die in Fig. 7 dargestellte Position einnehmen. Mit dem Ausdruck Träger, wie er hierin verwendet wird, ist die Definition eines mit Schaltkreisen versehenen Dünnfilmelenentes gemeint, das dafür ausgelegt ist, wenigstens ein elektronisches Bauelement des hierin definierten TYPS aufzuweisen, das an dasselbe elektrisch gekoppelt ist. Der Träger 11 umfaßt des weiteren eine zentrale dielektrische Schicht 25 (z.B. aus Polyimid), die eine darauf befindliche erste leitfähige Schicht 23 beinhaltet. Die Schicht 23 besteht vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupfer-Chrom-Zusammensetzung und kann in einer auf dem Fachgebiet bekannten Weise an der dielektrischen Schicht angebracht werden. In einem Beispiel besaß die erste Schaltkreisschicht 23 eine Gesamtdicke im Bereich von etwa 27,94 um (0,0011 Inch) bis etwa 43,18 um (0,0017 Inch). Die entsprechende dielektrische Schicht 25 besaß eine Dicke im Bereich von etwa 45,72 um (0,0018 Inch) bis etwa 55,88 um (0,0022 Inch). Auf der zu der ersten Schicht 23 entgegengesetzten Seite der dielektrischen Schicht 25 ist eine zweite leitfähige Schicht 27 positioniert, wobei die Schicht 27 ebenfalls vorzugswelse aus Kupfer oder einer Kupfer-Chrom-Zusammensetzung besteht. Diese Schicht kann ebenfalls unter Verwendung bekannter Techniken an dem dielektrischen Material 25 angebracht sein und besitzt vorzugsweise eine Dicke im Bereich von etwa 27,94 um (0,0011 Inch) bis etwa 45,72 um (0,0018 Inch). Mit dem Ausdruck Schicht, wie er hierin verwendet wird, ist gemeint, daß sowohl eine im wesentlichen feste (kontinuierliche) Struktur als auch eine Struktur umfaßt ist, die aus mehreren einzelnen Linien besteht, die entsprechend einem vorgegebenen, planaren Muster mit Abstand voneinander auf dem Dielektrikum angeordnet sind. Somit kann eine Schicht, wie sie hierin definiert ist, in Abhängigkeit von den gewünschten Betriebseigenschaften der Packung Signal-, Stronversorgungs- oder Erdungsfunktionen ausführen.
• Der Filmträger 11 beinhaltet eine Mehrzahl von Öffnungen 29, die an vorgegebenen Stellen innerhalb der dielektrischen Schicht 25 ausgebildet sind. Diese Öffnungen, wie sie gezeigt sind, erstrecken sich durch die gesamte Dicke der Schicht 25 hindurch. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wurde eine Gesamtzahl von 344 derartiger Öffnungen innerhalb eines flexiblen Filmträgers mit einer Gesamtdicke von etwa 50,8 um (0,002 Inch) und einer Kontaktstellenfläche (jene Fläche, die dafür ausgelegt ist, durch das hierin definierte Verbindungsverfahren mit der Struktur von Kontaktstellen 17, die innerhalb/auf dem Bauelement 13 ausgebildet sind, elektrisch verbunden zu werden) von etwa 1,7419 mm² (0,0027 Quadratinch) bereitgestellt. Die Öffnungen 19 sind innerhalb der dielektrischen Schicht 25 derart ausgebildet, daß ein Durchtritt von heißem Gas durch den flexiblen Filmträger ermöglicht wird, um die im folgenden definierten einzigartigen Lötverbindungen auszuführen. Wie weiter in den Fig. 2 bis 6 gezeigt, erstrecken sich Teile der leitfähigen Schaltkreisschicht 23 (als Brücke) über wenigstens eine dieser Öffnungen hinweg, wobei die Teile anschließend mit einem der jeweiligen Lötmittelhügel 19 physisch verbunden werden. Es liegt ebenfalls innerhalb des Umfangs der Erfindung, Öffnungen wie jene durch die Bezugszeichen 29 dargestellten zu verwenden, um ausgewählte Pfade für Verbindungen zwischen den entgegengesetzt liegenden Schaltkreisschichten 23 und 27 bereitzustellen. Es kann zum Beispiel wünschenswert sein, ausgewählte der einzelnen Schaltkreisleiterbahnen innerhalb der ersten Schaltkreisschicht 23 mit einer im wesentlichen festen zweiten Schicht 27 elektrisch zu verbinden, wobei die zweite Schicht als elektrische Masse in der endgültigen Packung dienen kann. Eine derartige Verbindung ist durch das Bezugszeichen 31 in Fig. 1 und ebenfalls durch den sich nach links erstreckenden Teil des leitfähigen Elementes 33 in den Fig. 2 bis 5 dargestellt.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung stellt die erste Schicht 23 eine Signalschicht dar und umfaßt folglich eine Mehrzahl einzelner leitfähiger Leitungen 33, die in einem vorgegebenen Muster auf dem Dielektrikum 25 mit Abstand voneinander angeordnet sind. Siehe speziell Fig. 6 im Vergleich zu Fig. 5. Verständlicherweise entsprechen diese Signal leitungen 33 der Struktbr von Lötmittelhügeln (und somit Kontaktstellen) auf dem Bauelenent 13. Derartige Signalleiterbahnen können, wie dargestellt, in dem Kontaktbereich zum Bauelement 13 enden und sich von dort im wesentlichen nach außen erstrecken (z.B. die längeren Signalleiterbahnen, die sich in Fig. 1 nach links und rechts erstrecken). Verständlicherweise ist die in Fig. 1 dargestellte Konfiguration nicht dazu gedacht, die Erfindung zu beschränken, vielmehr können mehrere andere für den Träger 11 ohne weiteres verwendet werden.
• Der Träger 11 wird strategisch derart über den Bauelement 13 ausgerichtet, daß alle beschriebenen überbrückenden Leiter bezüglich dem jeweils zugeordneten Lötmittelhügel, mit dem sie verbunden werden, präzise ausgerichtet sind. Eine derartige Ausrichtung wird unter Verwendung einer Präzisionskameratechnik erzielt, um die erforderliche Genauigkeit zu gewährleisten. Ein siebartiges Element 41 wird dann abgesenkt, um gegen die oberste Oberfläche der zweiten Schicht 27 zu drücken. Mit dem Ausdruck siebartiges Element, wie er hierin verwendet wird, ist die Definition einer jeglichen Struktur gemeint, die ein positives Andrücken gegen den Träger 11 bereitstellen kann und die außerdem einen Durchtritt der gewünschten heißen Gase (untenstehend definiert) durch dieselbe hindurch erlaubt. In einem Beispiel der Erfindung bestand das siebartige Element 41 aus einem siebartigen Edelstahlgitter und besaß eine Dicke im Bereich von etwa 762 um (0,03 Inch) bis etwa 1,524 um (0,06 inch). Ein derartiges Element kann auch aus einem gesinterten Metall (z.B. Edelstahl) bestehen, wobei das Metall aufgrund dieser internen Struktur den Durchtritt von heißem Gas durch dasselbe hindurch ermöglicht.
• In Fig. 2 ist das siebartige Element 41 so gezeigt, daß es gegen den Träger 11 andrückt, um zu bewirken, daß er nach unten bewegt wird, damit die Lötmittelhügel 19 physisch kontaktiert werden. Das durchlässige Element 41 übt vorzugsweise eine ausreichende Kraft nach unten auf den Träger 11 derart aus, daß durch die einzelnen überbrückenden, leitfähigen Leitungen 33 eine Gesamtkraft im Bereich von etwa 3 Gramm bis etwa 10 Gramm auf jeden Lötmittelhügel angewendet wird. Bei Vergleich der Fig. 2 und 3 wird deutlich, daß zwei derartige Leitungen 33 gezeigt sind, eine hinter der anderen, so daß jede einen jeweiligen der Lötmittelhügel 19 physisch kontaktiert. Beim weiteren Vergleich dieser Fig. mit Fig. 6 wird ersichtlich, daß sich mehr als zwei derartiger Leitungen über die Öffnung 29 hinweg innerhalb des Trägers 11 befinden können. Demgemäß ist es bei der Erfindung nicht notwendig, daß jede einzelne Leitung eine jeweilige einzelne Öffnung überbrückt. In den Fig. 2 bis 5 versteht es sich, daß die leitfähige Leitung 33, die sich am nächsten zum Betrachter hin befindet und im Schnitt gezeigt ist, den links gelegenen Lötmittelhügel 19 physisch kontaktiert. Demgemäß kontaktiert die verbleibende Leitung 33, die in diesen Zeichnungen hinter der geschnittenen Leitung 33 liegend gezeigt ist, physisch den rechts gelegenen Lötnittelhügel 19. Und, wie erwähnt, ist in diesem Beispiel der Erfindung die im Schnitt gezeigte Leitung mit der zweiten Schicht 27 durch die Öffnung 29 hindurch elektrisch verbunden. Die Leitung kann sich selbstverständlich auch entlang der Schicht 23 nach außen erstrecken, wie in Fig. 1 angedeutet.
• Während die zuvor definierte Kraft durch die Leitungen 33 auf die jeweiligen Lötmittelkugeln 19 angewendet wird, wird heißes Gas durch das siebartige Element 41 und durch die Öffnungen 29 hindurchgeführt, um direkt auf die überbrückenden Teile jeder Leitung 33 zu gelangen. Wie in Fig. 3 gezeigt, hat die angewendete Kraft bewirkt, daß diese überbrückenden Teile über ihre jeweiligen Lötnittelhügel gebogen werden. Die zuvor erwähnte Kraftanwendung und der Durchtritt von heißem Gas erfolgen vorzugsweise gleichzeitig. Ein bevorzugtes heißes Gas zur Verwendung in der Erfindung ist Stickstoff, wenngleich es sich versteht, daß andere, einschließlich Argon und Wasserstoff, ebenfalls verwendet werden können. Stickstoff wird aufgrund seiner leichteren Verfügbarkeit, reduzierten Kosten etc. bevorzugt. Heiße Gase wie Stickstoff und Argon werden außerdem aus Sicherheitsgründen mehr bevorzugt. Bei der Erfindung ist es außerdem möglich, Gase zu verwenden, die aus verschiedenen Kombinationen dieser Elemente bestehen, einschließlich eines Gases, das aus etwa 10 % Wasserstoff, 80 % Stickstoff und weiteren ausgewählten Bestandteilen besteht.
• Das heiße Gas wird bevorzugt bei einer Temperatur im Bereich von etwa 400 Grad C bis etwa 500 Grad C angewendet, wenn es auf die Leitungen 33 geleitet wird. Als Folge davon werden die Leitungen 33 auf eine Temperatur im Bereich von etwa 350 Grad C bis etwa 400 Grad C erwärmt, was ausreicht, um zu bewirken, daß die physisch kontaktierten, oberen kuppelförmigen Teile jedes Lötmittelhügels in wesentlichen schmelzen. Das beschriebene Zinn-Blei- Lötmittel von 3:97 besitzt eine Schmelztemperatur von etwa 318 Grad C, so daß es ohne weiteres schmilzt, wenn die erwärmten Leitungen so gegen es andrücken. Das heiße Gas wird nur während etwa 0,2 Sekunden bis etwa 2,0 Sekunden angewendet, in Abhängigkeit von der Anzahl von Leitungen und Lötmittelhügeln, den Materialdicken etc..
• Es versteht sich außerdem, daß unter Bezugnahme auf die Ausführungsform der Erfindung, wie sie in den Fig. 2 bis 5 dargestellt ist, ein Teil des heißen Gas auch direkt die verschiedenen Lötmittelhügel kontaktiert (ebenso wie die überbrückenden Leitungen, welche gegen die Hügel andrücken). Somit liefert das Gas auch eine gewisse direkte Erwärmung der Hügel, um eine schnelle Erwärmung derselben zur Erzielung des gewünschten geschmolzenen Zustands noch weiter zu erleichtern.
• In Fig. 4 sind die oberen Teile jedes Lötmittelhügels geschmolzen gezeigt, wodurch sie sich entlang der Außenseiten der jeweiligen leitfähigen Leitungen im wesentlichen nach oben bewegen. Eine derartige Seitenbewegung ist auch in Fig. 6 dargestellt, wobei dies die Ansicht entlang der Linie 6-6 in Fig. 5 ist. Bedeutsamerweise resultiert dieser Schmelzvorgang in Kombination mit der nach unten gerichteten Kraft und der Anwendung des heißen Gases in einer Reduktion der gesamten Biegung jeder Leitung, wie in Fig. 4 gezeigt. Jede Leitung 33 wird somit im wesentlichen gerade und nimmt im wesentlichen wieder ihre ursprüngliche Position vor dem Andrücken gegen den Lötmittelhügel ein. Diese endgültige Leitungskonfiguration ist am deutlichsten in Fig. 5 dargestellt. Wie des weiteren in Fig. 5 gezeigt, wurde das siebartige Element 41 entfernt. Vor einer derartigen Aufwärtsbewegung des siebartigen Elementes 41 wird jedoch ein abkühlendes Gas (z.B. Stickstoff) auf die Lötmittelhügel und die kontaktierenden Leitungsstrukturen geleitet, um eine Abkühlung derselben und der endgültigen Lötverbindung zu erleichtern. Dieses Gas wird vorzugsweise mit Raumtemperatur und während einer relativ kurzen Zeitspanne (z.B. von nur etwa 0,3 Sekunden bis etwa 4,0 Sekunden) eingeleitet. Anschließend wird das siebartige Element 41 angehoben.
• Die Teile der leitfähigen Leitungen 33, welche die jeweiligen Lötmittelhügel 19 physisch kontaktieren, umfassen vorzugsweise jeweils eine sehr dünne Schicht (z.B. 0,508 um) aus Nickel mit einer darauf befindlichen weiteren sehr dünnen Schicht (z.B. 0,508 um) aus hoch leitfähigem Edelmetall (z.B. Gold). Während der Bildung der jeweiligen Lötverbindungen verbindet sich der Zinnanteil des Lötnittelhügels mit dem dünnen Gold und bildet so bei einer bestimmten Temperatur (z.B. 280 Grad C) eine Zinn- Gold-Legierung. Dies führt zur Bildung einer flüssigen Schmelze, was bewirkt, daß sich das Blei in dem Lötmittel ebenfalls verflüssigt, wodurch eine einzige Legierung gebildet wird. Wie gezeigt und beschrieben, schmilzt vorzugsweise lediglich der obere Teil jedes Lötmittelhügels, um die beschriebene Bindung mit der jeweiligen Leitung 33 zu erzeugen.
• Somit wird eine Lötverbindung zwischen einzelnen Paaren von leitfähigen Leitungen und Chipkontaktstellen in einer einfachen, effektiven Weise gebildet. Es sind unter Verwendung der Lehren der Erfindung Verbindungen zwischen Leitungen und Kontakten von äußerst kleinen Abmessungen möglich. In einem Beispiel wurden leitfähige Leitungen mit einer Gesamtbreite von lediglich etwa 55,88 um (0,0022 Inch) und lediglich etwa 66,04 um (0,0026 Inch) voneinander beabstandet erfolgreich mit Chipkontaktstellen verbunden. Als weiteres Beispiel besaß eine derartige Chipkontaktfläche Abmessungen von lediglich etwa 50,8 um (0,002 Inch) mal etwa 102 um (0,004 inch) und umfaßte darin eine Gesamtzahl von 344 derartiger Kontaktstellen.
• In Fig. 7 ist der flexible Filmträger 11, der in der oben festgelegten Weise mit Lötmittel mit dem Bauelement 13 verbunden ist, mit einem mit Schaltkreisen versehenen Substrat (z.B. einer Leiterplatte) 51 elektrisch verbunden und bildet so einen Teil einer elektronischen Packung 53. Der Träger 11 ist in Fig. 7 illustrativ als eine Einzelschichtstruktur dargestellt, es versteht sich jedoch selbstverständlich, daß dieses Element die zuvor definierten drei einzelnen Schichten, die in den Fig. 1 bis 6 beschrieben sind, beinhaltet. Der Träger 11 und das Bauelement 13 wurden nach dem Verbinden bezüglich der in Fig. 1 dargestellten Orientierung vor einer Verbindung mit den Kontaktstellen (Schaltungsaufbau) 61 auf einem Substrat 51 umgedreht. Folglich befindet sich die bevorzugte Signalschicht 23 (Fig. 1) auf der nach oben gelegenen Seite des Trägers 11 in Fig. 7. In einer derartigen Anordnung ist es bevorzugt, daß die Endbereiche der äußeren Kontakte für die Leitungen, die den Schaltungsaufbau in der ersten Schicht 23 bilden, mit jeweiligen Kontaktstellen 61 (Fig. 8 bis 10), die als Teil des Substrates 51 ausgebildet sind (z.B. auf der Oberseite desselben), elektrisch gekoppelt sind. In der Ausführungsform von Fig. 7 ist es außerdem möglich, die zweite Schaltkreisschicht 27 bis im wesentlichen zu den am weitesten außen gelegenen Endstellen des Trägers 11 auszudehnen und außerdem ausgewählte Bereiche dieser Schicht mit jeweiligen Kontaktstellen 61 zu verbinden. Des weiteren liegt es innerhalb des Umfangs der Erfindung, die zweite Schicht (z.B. wenn sie als Erdungsschicht verwendet wird) lediglich bis zu dem Bereich des Trägers 11 auszudehnen, der in wesentlichen jenem des Bauelements 13 gegenüberliegt, um einen oder mehrere Teile dieser Erdungsschicht mit einer oder mehreren leitfähigen Leiterbahnen elektrisch zu verbinden, die einen Teil der ersten Schicht 23 bilden, um somit eine Masseverbindung zu einem jeweiligen Schaltungsaufbau in dem Substrat 51 auf der gleichen Seite des Trägers 11 wie die erste Schicht 23 bereitzustellen.
• In den Fig. 8 bis 10 ist ein bevorzugtes Verfahren zur Bereitstellung elektrischer Verbindungen zwischen den jeweiligen Kontaktstellen 61 auf dem Substrat 51 und verschiedenen leitiähigen Leitungen gezeigt, die sich zu den äußeren Bereichen des Trägers 11 erstrecken. In Fig. 8 ist die zweite Schicht 27 so gezeigt, daß sie sich von rechts und über eine Öffnung 29' innerhalb der dielektrischen Schicht 25 des Trägers hinweg erstreckt. Eine weitere Öffnung 29' ist ebenfalls innerhalb der Schicht 25 ausgebildet und beinhaltet einen überbrückenden Bereich aus einer leitfähigen Leitung 33, die sich darüber hinweg erstreckt. Bei der Ausführungsform von Fig. 8 wird das siebartige Element 41 abgesenkt, um gegen den Träger 11 anzudrücken, um eine Abwärtsbewegung desselben und ein Andrücken gegen die Lötmittelelemente 19' zu bewirken. Die Elemente 19' bestehen vorzugsweise aus einem Zinn-Blei-Lötmittel von 60:40, und sie sind vorzugsweise etwas größer als die entsprechenden Lötmittelelemente 19 in den Fig. 1 bis 6. Wie in Fig. 8 gezeigt, besitzt jedes Lötmittelelement eine im wesentlichen gleichmäßige Höhe, dies ist jedoch nicht so zu verstehen, daß es die Erfindung beschränkt, da akzeptable Toleranzen erlaubt sind, wenn die Lehren dieser Erfindung verwendet werden. Derartige Toleranzen sind außerdem bei der Bildung der inneren Leitungsstrukturen (Fig. 1 bis 6), die oben beschrieben sind, akzeptabel, und ein derartiges Verfahren kompensiert folglich ohne weiteres variierende Höhen der Lötmittelhügel, was deshalb ein signifikantes Merkmal der Erfindung darstellt. Das heißt, die zuvor erwähnte Biegung der jeweiligen leitfähigen Leitungen gewährleistet ausreichende Toleranzen für eine Kompensation variierender Höhen der Lötmittelhügel, während sie einen effektiven Kontakt mit allen Lötmittelhügeln sicherstellt.
• In Fig. 9 wurde die sich erstreckende Leitung der zweiten Schicht 27 als Folge der durch das siebartige Element 41 angewendeten Kraft (die jener in den Fig. 1 bis 6 angewendeten entsprechen kann) ausreichend gebogen. Bedeutsamerweise biegt sich der überbrückende Teil der Leitung 33 in der ersten Schicht 23, der sich in einem Abstand über der Leitung der zweiten Schicht (entsprechend der Dicke der dielektrischen Schicht 25) befindet, während der Verbindung dieser äußeren Leitung nicht. Es wird jedoch weiterhin durch das siebartige Element 41 hindurch heißes Gas auf diese Leitung 33 geleitet, ebenso wie es durch die Öffnung 29V hindurch auf das Lötmittelelement 19' geleitet wird, was dieses möglicherweise mit der Leitung der zweiten Schicht verbindet. Folglich verursacht jede erwärmte, überbrückende Leitung eine nachfolgende Erwärmung des jeweiligen Lötmittelelementes und bewirkt so ein teilweises Schmelzen desselben und eine effektive Lötverbindung. Eine derartige endgültige Struktur ist in Fig. 10 dargestellt, bei der das (nicht gezeigte) siebartige Element 41 entfernt wurde.
• Als ein weiterer Schritt in der Erfindung ist außerdem bevorzugt, ein Epoxidharz 60 auf der Oberseite des Substrates 51 anzubringen, um jede der jeweiligen Kontaktstellen 61 im wesentlichen zu umgeben. Die Kontaktstellen 61 bestehen vorzugsweise aus Kupfer und weisen eine Dicke von lediglich etwa 102 um (0,004 Inch) auf.
• Ist der Träger 1l sowohl mit dem Bauelement 13 als auch dem Substrat 51 elektrisch verbunden, wird das Bauelement dann bevorzugt thermisch mit einem Kühlkörper 71 gekoppelt. Dies wird vorzugsweise unter Verwendung eines Epoxidharzes 73 des Typs ausgeführt, der in dem US-Patent 4 849 856 ("Scotchcast", das ein thermisch leitfähiges Füllmittel aus Zinkoxid beinhaltet) definiert ist. Andere Epoxidharze sind ohne weiteres zur Verwendung in der Erfindung möglich, und die Erfindung ist folglich nicht auf diesen speziellen Typ beschränkt. Ein ähnliches Epoxidharz wird auch für das sich auf der Oberseite des Substrates 51 befindliche Epoxidharz verwendet. Das Kühlkörperelement 71 kann zum Beispiel aus dem gleichen Material und der gleichen Konfiguration bestehen, wie sie in den US-Patenten 4 849 856 und 4 914 551 dargelegt sind.
• Wenngleich das zuvor erwähnte Verfahren, wie es dargelegt ist, die Überbrückung einzelner leitfähiger Leitungen über ausgewählte Öffnungen hinweg und den Durchtritt von heißem Gas durch dieselben hindurch, um diese Leitungen zu erwärmen, um nachfolgend eine Erwärmung über den kontaktierten Lötmittelhügeln zu bewirken, darstellt, versteht es sich, daß zusätzliche Verbindungen unter Verwendung der Lehren der Erfindung gebildet werden können, wobei nichtüberbrückende Typen von Leitungsbereichen, die jenen, die direkt von heißem Gas beaufschlagt sind, benachbart (angrenzend) sind, ebenfalls erwärmt werden, während sie gegen jeweilige Lötmittelhügel andrücken. Das heißt, es liegt innerhalb des Umfangs der Erfindung, derartige zusätzliche Verbindungen mittels Durchtritt eines derartigen heißen Gases durch die bereits bereitgestellten Öffnungen hindurch zu erzeugen, wobei das heiße Gas des weiteren zu derartigen zusätzlichen, benachbarten Leitungsstrukturen hingelangen kann, die sich in der Nachbarschaft derartiger Öffnungen befinden (sich jedoch nicht über diese hinweg erstrecken), um diese Leitungen ausreichend zu erwärmen und eine aktive Lötverbindung zu bewirken. Somit kann jede derartige nichtüberbrückende Leitung, wenn sie bezüglich Öffnungen innerhalb des Trägers 11 geeignet positioniert ist, ausreichend Wärme von dem heißen Gas empfangen, das durch diese Öffnungen hindurchtritt, so daß bewirkt wird, daß das mit derselben kontaktierte Lötmittel schmilzt, wie es bei jenen Lötmittelelementen auftrat, die in den Zeichnungen als direkt kontaktierende überbrückende Leitungen gezeigt sind. Folglich ist eine Kombination von Lötverbindungen zwischen überbrückenden und nichtüberbrückenden Leitungen unter Verwendung der einzigartigen Lehren der vorliegenden Erfindung möglich.
• Als noch weiterer Schritt wird ein einkapselndes Material (z.B. mit einem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten) bevorzugt verwendet, um die gebildeten Lötverbindungen auf dem Bauelement 13 im wesentlichen einzukapseln. Es hat sich herausgestellt, daß ein derartiges Einkapselungsmittel, das aus auf dem Fachgebiet bekannten Einkapselungsmitteln ausgewählt werden kann, eine zusätzliche mechanische Verbindungsunterstützung, insbesondere während nachfolgenden thermischen und Lebensdauerprüfungen derartiger Lötverbindungen, bereitstellt.
• Somit wurde ein Verfahren zur Herstellung von brauchbaren elektrischen Verbindungen zwischen einem flexiblen Filmträger und einem elektronischen Bauelement gezeigt und beschrieben, wobei der Träger und das Bauelement innerhalb einer elektronischen Packungseinheit zu verwenden sind. Das Verfahren, wie es hierin definiert ist, kann in einer sicheren, einfachen Weise ausgeführt werden und ist ohne weiteres auf Serienproduktion anpaßbar. Die Packung, wie sie unter Verwendung dieses Verfahrens erzeugt wird, besitzt somit relativ hohe Schaltkreisdichten, wie dies in der heutigen Industrie äußerst erwünscht ist.

Claims (10)

1. Verfahren zur Bildung einer Mehrzahl elektrischer Verbindungen zwischen einem flexiblen Filmträger (11) und einem elektronischen Bauelement (13) mit einer Mehrzahl von darauf befindlichen Kontaktstellen (17) und einem Lötmittelhügel (19) auf jeder der Kontaktstellen (17), wobei der flexible Filmträger (11) zu den Lötmittelhügeln (19) ausgerichtet ist, der Träger eine dielektrische Schicht (25) und eine Mehrzahl leitfähiger Leitungen (33) umfaßt und jede der Leitungen wenigstens eine Öffnung (29) innerhalb der dielektrischen Schicht (25) überbrückt, gekennzeichnet durch Andrücken des flexiblen Filmträgers (11) mittels eines siebartigen Elementes (41) derart, daß bewirkt wird, daß jede der leitfähigen Leitungen (33), die auf beiden Oberflächen der dielektrischen Schicht (25) angeordnet sind, einen jeweiligen der Lötmittelhügel (19) kontaktiert und eine vorgegebene Kraft auf ihn ausübt, so daß jede der Leitungen (33) über den jeweiligen Lötmittelhügel (19) gebogen wird, Führen eines heißen Gases auf jede der leitfähigen Leitungen (33), welche gegen die Lötmittelhügel (19) andrücken, um die Leitungen auf eine Temperatur zu erwärmen, die ausreicht, um zu bewirken, daß wenigstens die Bereiche (21) der Lötmittelhügel, welche gegen die Leitungen andrücken, schmelzen, und Abkühlen der leitfähigen Leitungen (33) und der Lötmittelhügel (19), um die Lötmittelhügel durch Löten an die Leitungen zu bonden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die vorgegebene Kraft, die durch jede der leitfähigen Leitungen auf den jeweiligen Lötmittelhügel ausgeübt wird, im Bereich von etwa 3 Gramm bis etwa 10 Gramm liegt.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das heiße Gas während des Andrückens durch das siebartige Element hindurchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich das heiße Gas auf einer Temperatur im Bereich von etwa 400 Grad Celsius bis etwa 500 Grad Celsius befindet, wenn es auf die leitfähigen Leitungen geführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei jede der Leitungen auf eine Temperatur im Bereich von etwa 350 Grad Celsius bis etwa 450 Grad Celsius erwärmt wird, wobei die Temperatur ausreicht, um zu bewirken, daß die Teile (21) der Lötmittelhügel schmelzen.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gas aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Argon, Wasserstoff, Helium, Stickstoff oder Kombinationen derselben besteht.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das des weiteren den Schritt zur Erwärmung des elektronischen Bauelementes auf eine vorgegebene Temperatur beinhaltet, bevor das heiße Gas auf die Leitungen geführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Bauelement auf eine Temperatur im Bereich von etwa 100 Grad Celsius bis etwa 150 Grad Celsius erwärmt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Andrücken des flexiblen Films und das Führen des heißen Gases im wesentlichen gleichzeitig erfolgen.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrischen Verbindungen ohne die Verwendung eines Löt-Flußmittels oder eines ähnlichen Materials erzeugt werden.