DE19610112A1 - Auflöten von Halbleiterchips - Google Patents

Description

Das technische Gebiet der Erfindung sind Lötverfahren zur Befestigung von insbesondere großflächigen Halbleiterchips (z. B. Leistungshalbleitern) auf Substraten.

Bekannte Verfahren zum Löten von Leistungshalbleitern sind:

• 1. Reflowlöten mit Lotpaste und aggressiven Flußmitteln.
• 2. Löten im Vakuum.
• 3. Einsetzen der Chips in ein flüssiges Lot.

Großflächige Halbleiterchips (Leistungshalbleiter) müssen gut gekühlt werden. Hierzu werden sie in metallische Gehäuse, auf Leiterplatten mit metallischem Kern, Dickschichtschaltungen auf keramischen Substraten oder DCB (Direct Copper Bonding) Substraten gelötet. Die Hauptschwierigkeit beim Löten von großen Halbleitern (Kantenlänge größer 4mm) ist es, die Lötung lunkerfrei und mit definierter Schichtdicke des Lotes zu gewährleisten und einer - durch das beim Schwimmen der Chips auf dem Lot beeinflußte - Positionsgenauigkeit zu erreichen, mit der erst eine hohe Packungsdichte möglich ist.

Die immer komplexeren Schaltungen und die Miniaturisierung von Systemen erfordert immer bessere, prozesstabilere und wirtschaftlichere Lötverfahren für Leistungshalbleiter mit erhöhter Positioniergenauigkeit. In einem integrierten Frequenzumrichter befinden sich heute auf einem Substrat zwischen 18 und ca. 100 Leistungshalbleiter. Die Qualität des Lötverfahrens und dessen Reproduzierbarkeit sind damit von entscheidender Bedeutung für die Qualität des Produktes. Auch schon geringe Lunkeranteile können die Gesamtschaltung mit einem hohen Wert unbrauchbar, zumindest aber störanfällig machen.

Allen obigen Verfahren haften als Problemkreise die genaue Einhaltung einer Vielzahl von Parametern an, wie der Bestandteile und die Mischung der Pasten, das Aufbringen der Lotpaste und die Temperaturprofile der Oberflächen.

Die Sicherheit und Genauigkeit des Lötprozesses wird erfindungsgemäß dadurch verbessert, daß der Lötvorgang im Vakuum In das flüssige bot hinein erfolgt und die Chips durch das sich aufbauende Vakuum auf den zu lötenden Träger (das Substrat) gedrückt werden (Anspruch 1). Das Verfahren ermöglicht sichere lunkerfreie Lötungen auch von Substraten mit vielen Chips. Das Verfahren läßt sich leicht automatisieren, da keine Batchprozesse erforderlich sind, und kann leicht in Bestückungs- und Bondeinrichtungen integriert werden, da die Zykluszeiten kurz sind.

Eine Vorrichtung zum Ausführen des vorgenannten Verfahrens besteht aus einem Oberteil (Deckel) mit einer Aufnahme für die Chips in ihrer Bestückposition, einem Unterteil (Heizplatte), wenigstens einem Vakuumanschluß, einem Gasanschluß zum Kühlen und einem flexiblen Dichtungssystem zwischen Oberteil und Unterteil (Anspruch 6).

Ein weiterer Gasanschluß zum Fluten mit Schutzgas kann vorgesehen sein (Anspruch 9).

Die Größe des Lötraums ist gering (Anspruch 8).

Erfindungsgemäß können auch die Probleme der Schichtdickeneinstellung des Lotes durch im Lot befindliche Kugeln mit einer Schmelztemperatur, die höher als die Löttemperatur ist, gelöst werden (Anspruch 10). In Lateralrichtung werden die Chips von Saugern oder einer Lochmatte unter Vakuum gehalten (Anspruch 7).

Durch erzwungene sehr schnelle Kühlung kann die Kornbildung und damit Zyklenfestigkeit beim Erstarren des Lotes verbessert werden (Anspruch 11, Anspruch 9).

Anwendungsgebiete der Erfindung liegen beim Auflöten von Leistungshalbleitern und großen Chips mit hoher Verlustleistung, insbesondere bei Multi-Chip-Systemen. Die Substrate werden im folgenden allgemein auch mit "Leiterplatte" bezeichnet.

Vakuumlötverfahren gem. der eingangs erwähnten Ziffer 2 werden im Batch gefahren. Die Lötzeiten sind sehr lang. Die Ergebnisse bezüglich der Lotschichtdicken sind ungenau und nicht sicher reproduzierbar. Die Chips schwimmen auf dem Lot, was die Positioniergenauigkeit reduziert.

Mit der Erfindung wird dagegen sowohl die Prozesstabilität erhöht, wie auch die Konstanz der Eigenschaften der Lötung deutlich verbessert. Außerdem kann die Positioniergenauigkeit durch das Verfahren deutlich erhöht werden, da die Chips nicht mehr auf dem Lot schwimmen. Als Nebeneffekt ergibt sich ein geringerer Energieverbrauch gegenüber üblichen Lötmaschinen, trotz deutlich reduzierter Prozeßzeit.

Erfindungsgemäß wird die Schichtdicke des Lotes durch in der flüssigen Phase des Lotes feste Bestandteile definierter Größe garantiert. Solche Bestandteile können zum Beispiel Kupferkügelchen, wie sie in Sinterprozessen verwendet werden, sein. Auch Siliziumkugeln eignen sich wegen der angepaßten Ausdehnung gegenüber dem Lotpartner gut. Hierzu werden in das Lot geringe Prozente von "Abstandshaltern" (z. B. Kupferkugeln) eingebunden. Um eine gleichmäßige Schichtdicke zu erhalten, müssen wenigstens 3 feste "Abstandshalter" unter jedem zu lötenden Chip sein. Die obere Grenze ist dadurch bestimmt, daß das Lot sich zu einer Schicht mit nur einer Lage "Abstandshalter" zusammenpressen lassen muß. Typische Verhältnisse sind 10% bis 20% feste Bestandteile im Lot. Die Eigenschaften des Lotes können zudem positiv durch das Beimengen geeigneter Materialien eingestellt werden.

Die Erfindung(en) werden nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele erläutert und ergänzt.

Fig. 1 schematisiert den Ausgangspunkt eines Lötvorgangs zwischen Chip 1 und Substrat 20 mit entspannter Dichtung 11 am Gehäuse 3, 4.

Fig. 2 verdeutlicht die Abwärtsbewegung x₁ des Oberteils 3, das Absenken des seitenstabil gehaltenen Chips 1 und die Kompression der Dichtung 11.

Fig. 3 veranschaulicht das Aufwärtsbewegen x₂ des Chips 1 mit gelötetem Substrat 20 und die Kühlung 5 unter dem Substrat, bei sich entspannender Dichtung 11.

Der Prozeß beginnt in Fig. 1 mit dem Einsetzen einer Leiterkarte 20 auf die Heizplatte 4. Auf der Leiterkarte 20 ist das Lot 9 mit nichtschmelzenden Füllteilchen 10 mittels Siebdruck oder Preforms aufgebracht. Die Heizplatte 4 bringt die Leiterkarte 20 je nach Basismaterial in einigen Sekunden bis zu einigen 10 Sekunden auf Löttemperatur. Während dieser Zeit kann zur Reduzierung der Oxidation Schutzgas in die Kammer 30 zwischen Oberteil 3 und Unterteil 4 eingeblasen werden. Das sehr geringe Volumen läßt es zu, mit geringen Gasvolumina geringe Restsauerstoffgehalte zu erzielen. Ob Schutzgas eingesetzt werden muß, hängt von den Löttemperaturen und den Oberflächen der Lötpartner ab. Die kurzen Lötprozeßzeiten, die mit dem Verfahren möglich sind (ca. 60sec gegenüber 1800sec im Stand der Technik) reduzieren schon die Gefahr der Oxidation ganz wesentlich. In vielen Fällen kann daher eine Schutzgasatmosphäre sogar entfallen, was die Wirtschaftlichkeit des Prozesses weiter verbessert.

Im zweiten Prozeßschritt gemäß Fig. 2 wird durch das Einschalteten des Vakuums V der Deckel 3 mit den Chips 1 langsam auf die inzwischen mit flüssigem Lot benetzte Platte 20 gedrückt. Die durch temperaturfeste Siliconsauger 2b gehaltenen und in Vertikalrichtung leicht elastisch oder federnd an den Deckel gebundenen Chips 1 werden durch das entstehende Vakuum auf die "Leiterplatte" 20 gedrückt. Das gesteuerte Vakuum sorgt für ein langsames lunkerfreies Aufsetzen der Chips 1 mit durch die beschriebenen "Abstandshalter" 10 garantiertem Abstand von dem Substrat 20. Die Chips werden durch den Deckel permanent seitlich geführt und gehalten und können daher auch nicht, wegschwimmen. Die Positioniergenauigkeit wird verbessert.

Im folgenden, dritten Prozeßschritt gemäß Fig. 3 wird das noch flüssige Lot 9 durch Einblasen von kaltem Gas B in sehr kurzer Zeit (möglichst unter 10s) unter die Erstarrungstemperatur abgekühlt. Neben dem Vorteil der hierdurch verbesserten Gefügeeigenschaften ergibt sich eine sehr kurze Prozeßzeit durch das Gaspolster 5, das sich unter dem Chip und dem Substrat 1, 20 bildet und dies kühlend anhebt.

Der Deckel 3 hat eine Aufnahmevorrichtung 2 für zumindest einen, bevorzugt aber viele Chips 1 in den Bestückpositionen (z. B. Siliconmatte mit Löchern 2c oder kleine Sauger mit Innenkanal 2c). Die Heizplatte 4 mit wenigstens einer Öffnung 4c zum Einblasen des Kühlmediums und eine Vorrichtung zum Aufsetzen des Deckels 3 und zur Bestückung der Heizplatte mit der "Leiterkarte" 20 sind ergänzend vorgesehen. Letztere Vorrichtung kann eine Handhabungseinrichtung, z. B. ein Scara Roboter, sein, der die nötigen Handhabungen ausführt.

Ein typischer Prozeßablauf in einem Fertigungsprozeß zur Herstellung von Substraten mit gelöteten Leistungshalbleitern ist:

• 1. Einsetzen der Leiterplatten? 20 auf die Heizplatte (ca. 250°C)
• 2. Ansaugen der Leistungshalbleiter 1 über Vakuum V1 aus einem Bestücknest mit dem "Deckel" 3 und seitenstabile Halterungen der mehreren Chips 1, wobei sie in Vertikalrichtung elastisch oder federnd nachgiebig positioniert sind, z. B. über eine Siliconmatte oder einzelne (individuelle) Sauger 2.
• 3. Aufsetzen des Deckels 3 über der beiterplatte (mechanisch zentriert), um einen umfänglich abgedichteten Vakuumraum 30 zu bilden.
• 4. Mit Schutzgas spülen.
• 5. Vakuum V2 einschalten nach Erreichen der Schmelztemperatur des Lotes 9 und Evakuieren des Vakuumraums 30 (Lötraum) Deckel mit Chips wird durch das Vakuum V2 zwischen der Heizplatte 4 und dem Deckel 3 abgesenkt in das flüssige Lot. Keine seitliche Verrückung der Chips tritt beim vakuum­ forcierten Ansaugen des Deckelteils auf, allenfalls beim Aufdrücken des Chips 1 tritt eine elastische Komponente in Bewegungsrichtung hinzu, die die Chips 1 gegen die Kornbestandteile 10 im Lot 9 drückt und damit großflächig für einen gleichmäßigen Abstand ohne Beschädigung des Halbleiterchips 1 sorgt.
• 7. Löten.
• 8. Kaltes Gas B unter die Leiterkarte blasen und damit die Leiterkarte auf einem Gaspolster 5 abkühlen, gleichzeitig wird das Vakuum im Lötraum 30 kontinuierlich beendet und der Deckel 3a, 3b entfernt sich ebenso kontinuierlich von der Heizplatte 4 in eine Endlage, die er vor Einschalten des Vakuums eingenommen hatte. Dabei werden die Chips 1 mit dem angelöteten Substrat 20 mitgenommen. Auch das Substrat hebt also von der Heizplatte 4 ab.
• 9. Deckel mit gelöteter Leiterkarte 20 abnehmen und Leistungshalbleiter mit Leiterkarte (Substrat; 20) freigeben.

In konstruktiver Natur ist der Deckel in den Figuren als Haube gezeichnet mit einem mittleren Deckelabschnitt 3a und Seiten-Flanschabschnitten 3b, die über eine umlaufende elastische Dichtung 11, die temperaturstabil ist, mit der Heizplatte 4 abdichtend in Verbindung steht. Durch die elastische Dichtlippe 11 ist eine Bewegungsmöglichkeit des Deckels 3 gegeben. Er kann sich, veranlaßt durch das Vakuum im Lötraum 30, aufwärts und abwärts bewegen, was zum Eindrücken des Leistungschips 1 in das Lot 9 mit seinen Kügelchen 10 eingesetzt wird.

Das Chip 1 ist in Fig. 1 über einen Einzelsauger 2 gehalten, noch oberhalb dem dort schon erwärmten Lot 9. Der Einzelsauger 2 besteht aus einem zylindrischen Abschnitt, durch den ein Mittenkanal 2c hindurchführt, der in einen erweiterten Saugraum 2a mündet, über den das Chip 1 angesaugt wird. Eine umlaufende Greifklaue, die abdichtend mit dem Chip in Verbindung steht, ist an die Abmessung des Chips 1 angepaßt. Diese Greifklaue 2b hat im wesentlichen konische Gestalt und ist sehr flach verlaufend ausgebildet. Der erwähnte Kanal 2c im zylindrischen Rumpf mündet in einen Durchtritt 3c am Deckelteil, so daß von außen das Vakuum zum Halten der Chips 1 aufgebracht und gelöst werden kann.

Fig. 2 veranschaulicht das Hereindrücken des Leistungshalbleiters 1 in das flüssige Lot, wobei die Abstandshalter 10 Kugeln den definierten Abstand des Halbleiters 1 von dem Substrat 20 festlegen. Der Einzelhalter 2 begründet eine seitenstabile Positionierung des Chips 1, er kann leicht nachgiebig in Vertikalrichtung gehalten sein, sei es durch eine Federlagerung oder durch Unterlegen von Siliconmatten oder -scheiben zwischen seinem zylindrischen Rumpf und dem Deckel 3a.

In der Fig. 2 ist die Abwärtsbewegung des Deckels mit x₁ angedeutet. Der Dichtungsrichtung 11 ist komprimiert gegenüber der Fig. 1, gleichzeitig aber abdichtend. Der Lötraum 30 steht unter Vakuum V2. Erst durch Lösen dieses Vakuums gemäß Fig. 3 hebt sich der Deckel 3 wieder an, was durch die Bewegungsrichtung x₂ angedeutet ist.

Das einströmende Gas B durch ein im Bodenbereich (in der Heizplatte 4) vorgesehenen Kanal 4c erlaubt eine gleichmäßige und sichere Kühlung des Chips 1 über das Substrat 20. Das Substrat 20 schwebt dabei auf einem Gaspolster, ist aber gleichzeitig gehalten von dem Halter 2, über das erstarrende Lot 9. Die Zufuhr des Kühlgases B ist gleichzeitig das Aufheben des Vakuums V2, während das Vakuum V zur Halterung des Chips 1 mit nun daran angelötetem Substrat 20 erhalten bleibt, bis die Kühlwirkung des Gases B ausreichend war, um das Lot sicher und vollständig zu erstarren.

Nicht dargestellt ist die Entnahme des fertig gelöteten Chips 1 - oder der mehreren Chips 1 mit genau definiertem Abstand auf dem Substrat 20 -, wozu der Deckel 3 abgehoben werden kann oder die Heizplatte 4 seitlich verschoben werden kann, unter Mitnahme des Dichtungsrings 11.

Claims (13)

1. Verfahren zum positionsgenauen Auflöten von flächigen Halbleiterchips (1) auf ein Substrat (20), bei dem ein Vakuum (V2) in einem Lötraum (30) ein Oberteil (3) gegenüber einem Unterteil (4) relativbewegt und die an dem Oberteil (3) seitenstabil gehaltenen - eines oder mehrere - Chips (1) in das erwärmte Lot (9, 10) hineindrückt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die flächigen Chips (1) großflächige Leistungs-Halbleiter sind.

3. Verfahren nach einem der erwähnten Ansprüche, bei dem der Lötraum (30) von einem haubenartigen Oberteil oder Deckel (3; 3a, 3b) gebildet wird, dessen Seitenwandteile (3b) einen komprimierbaren Dichtungsring (11) unter Einfluß des Vakuums zusammendrücken, bis die Chips (1) ihre Lötlage mit definiertem Abstand (10) von dem Substrat (20) erreicht haben.

4. Verfahren nach einem der erwähnten Ansprüche, bei dem der Lötraum (30) vor Aufschmelzen des Lotes (9) auf das Substrat (20) mit Schutzgas geflutet oder gespült wird.

5. Verfahren nach einem der erwähnten Ansprüche, bei dem nach Absenken der Chips in das Lot (9) ein Kühlgas (B) von unten (für 4c) gegen das Substrat (20) gedrückt wird, um ein gleichmäßig kühlendes Luftpolster (5) auszubilden.

6. Einrichtung zum Ausführen des vorgenannten Verfahrens, bestehend aus einem Deckel (3; 3a, 3b) mit einer Aufnahmevorrichtung (2) für Chips (1) in den Bestückpositionen;
einer Heizplatte (4) mit wenigstens einer Öffnung (4c) zum Einblasen von Kühlmedium (B);
einer Vorrichtung zum Aufsetzen des Deckel (3) und zur vorherigen Bestückung der Heizplatte (4) mit einer Leiterkarte (Substrat).

7. Einrichtung nach einem der erwähnten Vorrichtungsansprüche, bei der die Aufnahmevorrichtung (2) eine Siliconmatte mit Löchern (2c, 3c) ist oder aus kleinen individuellen Saugern besteht.

8. Einrichtung nach einem der erwähnten Vorrichtungsansprüche, bei dem der Lötraum (30) klein hinsichtlich seines Volumens ausgebildet ist, indem er eine horizontale Erstreckung hat, die etwa der Größe der Leiterplatte (Substrat; 20) entspricht und in Vertikalrichtung nur geringfügig höher ausgebildet ist, als für die Unterbringung von Substrat (20), Lotschicht (9, 10) und Chip (1) sowie Chiphalter (2; 2a, 2b, 2c) erforderlich ist.

9. Einrichtung nach einem der erwähnten Vorrichtungsansprüche, bei dem eine oder zwei Öffnungen zum Fluten und Abziehen bzw. Spülen mit Schutzgas zum Lötraum (30) führen.

10. Lotmaterial zur Anbringung von großen Halbleiterchips, insbesondere Leistungshalbleitern (1), mit einem bei einer Schmelztemperatur flüssig werdenden Lötbestandteil (9) und einer Vielzahl von Körnern (10), die gegenüber dem Lötmaterial resistent sind und eine Schmelztemperatur haben, die höher liegt, als die Schmelztemperatur des Lotbestandteils (9).

11. Lotmaterial nach Anspruch 10, bei dem die Schmelztemperatur der Körner (10) deutlich oberhalb der Schmelztemperatur des Lötbestandteils (9) liegt.

12. Lotmaterial nach Anspruch 10 oder 11, bei dem die Körner Kugeln, insbesondere aus Glas, Kupfer oder Silicium sind.

13. Lotmaterial nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem

• a) die Körner im Durchmesser auf den zu erreichenden Abstand zwischen einem Substrat (20) und dem Halbleiterchip (1) abgestimmt sind; und/oder
• b) der Anteil der Körner gegenüber dem Lotbestandteil wenige Gewichtsprozente beträgt, insbesondere unter 20% liegt.