EP0951734A1 - Process for selective application of solder - Google Patents

Process for selective application of solder

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Publication number
EP0951734A1
EP0951734A1 EP97937439A EP97937439A EP0951734A1 EP 0951734 A1 EP0951734 A1 EP 0951734A1 EP 97937439 A EP97937439 A EP 97937439A EP 97937439 A EP97937439 A EP 97937439A EP 0951734 A1 EP0951734 A1 EP 0951734A1
Authority
EP
European Patent Office
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solder material
depot
template
substrate
spaces
Prior art date
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Ceased
Application number
EP97937439A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Jürgen SCHREDL
Paul Kasulke
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Pac Tech Packaging Technologies GmbH
Original Assignee
Pac Tech Packaging Technologies GmbH
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Filing date
Publication date
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Ceased legal-status Critical Current

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    • H01L21/48—Manufacture or treatment of parts, e.g. containers, prior to assembly of the devices, using processes not provided for in a single one of the subgroups H01L21/06 - H01L21/326
    • H01L21/4814—Conductive parts
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    • H01L24/11—Manufacturing methods
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    • H05K3/1216—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern using thick film techniques, e.g. printing techniques to apply the conductive material or similar techniques for applying conductive paste or ink patterns by screen printing or stencil printing

Definitions

  • the present invention relates to the selective formation of solder material shaped pieces on a substrate, in which the surface of the substrate is covered with a template
  • Stencil soldering processes are generally known in connection with the production of boards used in SMD (Surface-Mounted Devices) technology.
  • the templates used serve on the one hand to position solder deposits at the desired surface locations on the board and on the other hand to define the shape of the solder deposits About the stencil openings designed to correspond to the shape of the solder depots.
  • the solder material is often applied in a pasty manner to the surface of the stencil and filled into the depot spaces by means of a suitable displacement device.
  • the stencil is removed - Melt the solder deposits to produce an electrically conductive and mechanically safe connection of components on the board only after the corresponding components with their connecting conductors in the still pasty solder Depots have been used
  • the form the remelted solder deposits are insignificant, as long as the aforementioned electrically conductive and mechanically safe connection is secured
  • solder deposits which are essentially used in the field of SMD technology
  • increased contact metallizations which are also known in technical terms as "bump" and which are formed from molded pieces of solder material which are connected to connection surfaces of a substrate, also have a spacing function
  • Bumps which are generally used for the direct connection of components via their connection surfaces, have an increased level of this, which
  • the shaping is of particular importance for the formation of bumps.
  • the liquid meniscus which essentially forms in the molten state independently of the solder material and which defines the shape through the surface tension of the molten solder material , in which the solder material solidifies after cooling.
  • the solder material is already applied to the connection surfaces to be wetted in the molten state. This proves to be particularly the case with a large number of flat distribution connection surfaces very complex
  • galvanic or chemical deposition methods which involve the formation of a lost mask with mask openings over the connection surfaces on the substrate surface assumes, for example, in the electrodeposition process it is customary to arrange a mask formed from a photoresist on the substrate surface, the photoresist mask being removed after formation or deposition of the bumps on the connection surfaces and thus becoming unusable, so that it is used in the known masks or stencils Processes required to form a new template or mask for each substrate to be provided with contact metallizations
  • the present invention has for its object to propose a method for the selective formation of solder material pieces on a substrate, which enables a selective formation of the solder material pieces with comparatively little effort
  • the surface of the substrate is covered with a template such that stencil openings forming depot spaces are arranged above the connection surfaces and subsequently the depot spaces are filled with a solder material.
  • the formation of the contact metallizations the melted solder material then takes place in the depot spaces which inhibit or cannot wet at least in contact areas with the solder material
  • the use of a template when applying the solder material to the connection surfaces and the melting of the solder material filled into the depot spaces while the arrangement of the template on the substrate surface enables the use of solder material with a largely arbitrary consistency, since the positioning of the solder material in relation to the individual connection areas is defined by the template at least until the formation of a liquid meniscus through the melting liquid solder material on the wettable connection surfaces, on the one hand, adhesion of the solder material on the connection surfaces and, on the other hand, dimensional stability of the contact metallizations has been achieved.
  • the non-wettable design of the contact areas of the depot spaces ensures that, even in the molten state, the
  • the stencil used in the method according to the invention can be reused after removal from the substrate surface in the selective formation of contact metallizations on a subsequent substrate. Furthermore, the stencil can be removed after Melting of the contact metallizations, immediate contacting of the substrate provided with contact metallizations in this way, for example using the flip-chip method, without a template, for example consisting of a photoresist varnish, having to be elaborately removed by means of an etching process or the like as long as the contact areas with the solder material have a wetting-inhibiting or non-wetting-capable surface. This can also be done by means of appropriate coatings in the contact area Rigid plastics are basically suitable as template material, as are flexible foils. For example, the use of semiconductor materials, in particular the use of anisotropically etched semiconductors, is also possible
  • solder material shaped pieces connected to connection surfaces referred to here as contact metallizations
  • the idea of using a template for applying solder material to a substrate surface as a position National aid to use during the melting. of the solder material also use to form freely manageable solder material pieces that are not connected to connecting surfaces.
  • the surface of a substrate is covered with a stencil such that stencil openings forming depot spaces do not exist wettable depot surfaces are arranged, and the depot spaces are filled with a solder material. Then, the solder material is melted to form the solder material shaped pieces in the depot spaces that inhibit or not wetting at least in contact with the solder material
  • the alternative to the subject matter of claim 1 differs from the first alternative method only in that instead of the wettable substrate surface, which is formed by connecting surfaces in the first method variant, non-wettable substrate surfaces are provided.
  • Both method variants make use of a template as a positioning aid the formation of solder material pieces using the surface tension given in the melt state of the solder material (meniscus effect) Use
  • the wettable design of the substrate surfaces designed as connection surfaces creates a connection between the solder material form pieces and the connection surfaces to form so-called Bumps created
  • solder material can be filled into the depot space as pasty or particulate material
  • solder material is formed as a mixture of a liquid, organic medium and solder particles arranged therein.
  • This type of composition of the solder material forms the particular advantage that, on the one hand, the solder particles melt in a liquid organic medium formed decorative or even inert atmosphere, on the other hand, the special wetting ability of a liquid, organic medium, especially if it is a medium with a long-chain molecular structure, such as a polyalcohol and especially glycerin, improves the adhesion to a wettable substrate surface
  • solder material pieces are formed by melting
  • the solder material for filling the depot spaces is arranged on the surface of the template and with a displacement device is filled into the depot space The displacement device enables the depot space to be filled evenly
  • Squeegees or rollers can be used as the displacement device, with particularly good and uniform filling of the depot spaces being shown, in particular when using rollers, which is essentially due to the rolling movement resulting from a superposition of a longitudinal movement of the roller axis on the surface of the stencil of the circumferential movement component which is opposed in the region of the template surface of the longitudinal movement as a result of the rotation of the roller. This results in an entrainment effect of the solder material which at least partially adheres to the roller against the longitudinal movement of the roller
  • solder material shaped pieces melted in the depot spaces of the template it is possible either before the solder material shaped pieces have melted or after the transfer of the Solder material in the melting state.
  • To arrange the form plate on the surface of the template opposite the substrate both simple flats on the solder material shaped pieces and profiles in the top of the solder material shaped pieces can be introduced. Profiles of this type, which can be V-shaped, for example, can then be used, for example, for simplified relative positioning of wire conductors compared to the solder material pieces. This is particularly advantageous when positioning wire conductors on bumps before contacting them
  • 1 is a substrate provided with pads, which is covered with a template
  • FIG. 6 shows a substrate provided with a non-wettable or anti-wetting surface which is covered with a template
  • Fig. 10 is a Fig. 2 corresponding representation with a different
  • Fig. 1 1 a Fig. 8 corresponding representation with a different embodiment of the displacement device.
  • Fig. 1 shows an initial phase in the implementation of a method variant for the formation of elevated contact metallizations 10 (Fig. 3), hereinafter referred to in technical terms as bumps, on pads 11 of a substrate 12.
  • the substrate 12 can be, for example, a chip or Also act as a wafer.
  • the basic principle is that the method explained below on the basis of different method variants can always be used when it is a matter of selective soldering of connection pads of any distribution on any substrate
  • a template 14 provided with template openings 13 is placed on the surface of the substrate in this way
  • the stencil openings 13 are assigned to one another in overlapping positions.
  • the stencil openings 13 form storage spaces 15 which are closed at the bottom by the connection surfaces 11 (see also FIG. 2).
  • the stencil openings 13 are provided with walls 16 which are designed to be non-wetting or at least to prevent wetting.
  • the walls 16 can be formed, for example, as coatings that are incapable of wetting
  • FIG. 2 shows how, after the arrangement of the template 14 on the surface of the substrate 12 and subsequent flat arrangement of solder material 17 on the surface of the template 14, a metered filling of the depot spaces 15 takes place by means of a displacement device designed here as a doctor blade 18.
  • the doctor blade 18 serves primarily to solder the solder material 17 arranged in the depot spaces 15 with the surface of the To level the template 14.
  • the amount of solder material provided for producing a bump 10 (FIG. 3) can be exactly defined by appropriate dimensioning of the template openings 13 or the depot spaces 1 5.
  • the solder material 17 shown by way of example in FIG. 2 is a particle-shaped solder material which, in addition to metal alloy particles 21, has fluxing agent particles 22.
  • the liquid medium then takes over the function of the flux, but without, as is the case when using a flux, annoying flux residues remain after melting or remelting, since the liquid
  • the melting behavior of the medium and the alloy particles can be coordinated with one another in such a way that the liquid medium essentially completely volatilizes when it melts
  • Fig. 3 shows a process phase after melting the in the
  • the template 14 remains on the surface of the substrate 12 and during the melting is only removed from the surface of the substrate 12 when the bumps 10 have assumed their stable, meniscus-shaped shape the bumps 10 are still in the liquid state or, after corresponding cooling, are already in the solid state, if the template 14 provided with the wetting-impermeable or the wetting-inhibiting walls 16 can be removed from the substrate while the bumps 10 is still in the melted, still molten state an unimpeded solidification of the bumps in their typical meniscus shape take place. If the template 14 remains on the surface of the substrate 12 until the bumps 10 solidify and is only subsequently removed from the substrate 12, the template 14 can also be used as a molding tool on the outer shape via its walls 16 the bumps 10 act
  • FIG. 4 shows an example of the template 14 remaining on the substrate 12 during the solidification of the bumps 10, the template 14 being covered with a mold plate 24 in addition to further influencing the shape of the bumps 10.
  • the mold plate 24, in contrast to the template 14 no continuous openings, but form depressions 25, which, like the template openings 13 of the template 14, are provided with a wetting-inhibiting or non-wetting wall 26.
  • the molding recesses 25 of the molding plate 24 are congruent with the template openings 13 of the template 14 In the molten state of the bumps 10, their shape can be influenced in such a way that the bumps 10 finally solidify in a flattened shape provided with an essentially flat surface
  • FIG. 5 shows a further possibility for influencing the shape of 15 generated by the solidification of the solder material 17 in the depot spaces
  • Bumps 10 For this, starting from the configuration shown in FIG. 3 with the amount of solder material arranged in the depot spaces 1 5, melted and wetting the connection surfaces 1 5, the substrate is turned together with the template 14 arranged thereon and with the filled depot spaces 1 5 down pointing to a counterplate 40 provided with a wetting-inhibiting or non-wetting surface in so-called "face-down" technology 5 in the case of the still molten bumps 10, so that the bumps 10 finally solidify in a flattened shape provided with an essentially flat surface.
  • the template 14 can also before the still molten solder material quantities 23 are placed on the counterplate 40.
  • the walls 16 of the depot spaces 15 formed in the template can still contribute to the shaping of the bumps 10
  • connection pads 11 of the substrate 12 which are dimensioned differently by way of example here, the method described with reference to FIGS. 1 to 5 can be used particularly advantageously when it comes to correspondingly sized connection surfaces 11 to provide bumps 10 of different sizes
  • the methods illustrated by way of example with regard to the process sequence in FIGS. 1 to 5 it is only necessary to use the - as in FIGS.
  • Figures clearly shows - template openings 13 of the template 14 or the mold recesses 25 of the mold plate 24 to be dimensioned accordingly. Furthermore, it is also particularly clear from FIG. 4 that any profiling of the bumps 1 0 is possible by using a mold plate 24 and the mold 14 having corresponding mold recesses
  • FIGS. 6 to 8 show an alternative to the method explained with reference to FIGS. 1 to 3, which, however, in contrast to the methods shown in FIGS. 1 to 3, does not show the formation of solder material pieces, ie bumps, connected to connection surfaces 10, but rather the formation of arbitrarily manageable solder material shaped pieces 27 (FIG. 8).
  • the alternative shown in FIGS. 6 to 8 differs Process of the previously explained process essentially in that instead of a substrate 12 with wettable connection surfaces 11, a substrate 28 with a design that is either totally unfit for wetting or inhibits wetting Surface 29 or at least in the template openings 13 of the
  • Surface 29 assigned to template 14 is designed to inhibit or prevent wetting from wetting
  • the process sequence starting with the arrangement of the template 14, which in the present exemplary embodiment is identical to the template 14 explained with reference to FIG. 1 and is also provided with walls 16 of the template openings 13 that are non-wetting or unable to be wetted, is identical to that in FIGS. Procedure 1 to 3 shown
  • solder material 17 with a polyalcohol component e.g. B. a glycerin portion to be used in order to produce the highest possible surface tension on the still molten solder material piece 27 which supports the formation of the spherical shape
  • the positioning effect of the template 14, the solidified solder material pieces 27 are separated and arranged with respect to their position, so that, for example, a selective removal of the solder material pieces 27 from the stencil openings 1 3 is possible, or also with Pad-provided substrate, for example a chip, using the flip-chip method can be lowered with the connection surfaces from above onto the solder material shaped pieces 27 in order to produce bumps on the connection surfaces of the chip by a further remelting process.
  • FIG. 9 shows a variant with regard to the filling of the depot spaces 1 5 in the template 14.
  • An already molten solder material 3 1 is used here for filling, which is shielded from the environment during filling by a liquid, organic medium 32, for example glycerine 2 and 7, a displacement device designed as a doctor blade 33 is used here to define quantities of solder material 34 accommodated in the depot spaces 15. If, for example, the displacement devices 33 and / or the substrate 12 are used to cool the in the Depot spaces 1 5 recorded solder material quantities 34 can solidify the solder material quantities 34 to disk-shaped solder material pieces or, as is the case in FIG.
  • the substrate 12 is filled during the filling of the depot spaces 15, as indicated by the arrows 39 in FIG the side opposite the pads 1 1 cooled.
  • the roller 36 can be used initially to fill the depot spaces 1 5 in particulate form or pasty solder material 1 7, as well as, as shown in Fig. 1 1, can be used to fill the depot spaces 15 with already melted solder material 3 1.
  • the rolling movement has the advantage that a superimposed longitudinal movement 37 with the rotation 38 achieves a compression effect, indicated in its direction of action by the arrow 39, for better filling of the depot spaces 15
  • the substrate 12 (arrows 39) can also be cooled when the depot spaces 15 are filled in FIG. 11

Abstract

This invention concerns a process for selectively constructing bumps (10) on connection areas (11) of a substrate (12) in which the surface of the substrate is covered by a mask (14) in such a way that mask openings (13) forming deposit spaces (15) are placed above the connection areas and said deposit spaces are filled with a soldering material (17). Then, the soldering material is melted to form the bumps in the deposit spaces which, at least in areas in contact with the soldering material, cannot be wetted.

Description

Verfahren zur selektiven Belotung Selective soldering process
Die vorliegende Erfindung betrifft die selektive Ausbildung von Lotmate- rialformstucken auf einem Substrat, bei dem die Oberflache des Substrats mit einer Schablone belegt wirdThe present invention relates to the selective formation of solder material shaped pieces on a substrate, in which the surface of the substrate is covered with a template
Schablonenbelotungsverfahren sind grundsatzlich im Zusammenhang mit der Herstellung von in der SMD-(Surface-Mounted Devιces-)Technik verwendeten Platinen bekannt Dabei dienen die verwendeten Schablonen zum einen zur Positionierung von Lotdepots an den gewünschten Oberflachenstellen der Platine und zum anderen zur Definition der Form der Lotdepots über die korrespondierend zur Form der Lotdepots gestalteten Schablonenoffnungen Zur Befullung der durch die Schablonenoffnungen gebildeten Depotraume der Schablone wird das Lotmaterial häufig pastos auf die Schablonenoberflache aufgebracht und mittels einer geeigneten Verdrangungseinrichtung in die Depotraume gefüllt Nach dem Befullen der Depotraume mit Lotmaterial wird die Schablone entfernt Ein Um- schmelzen der Lotdepots zur Herstellung einer elektrisch leitfahigen und mechanisch sicheren Verbindung von Bauelementen auf der Platine erfolgt erst, nachdem die entsprechenden Bauelemente mit ihren Anschlußleitern in die noch pastosen Lotdepots eingesetzt worden sind Dabei ist die Form der umgeschmolzenen Lotdepots unwesentlich, solange die vorstehend erwähnte elektrisch leitfahige und mechanisch sichere Verbindung gesichert istStencil soldering processes are generally known in connection with the production of boards used in SMD (Surface-Mounted Devices) technology. The templates used serve on the one hand to position solder deposits at the desired surface locations on the board and on the other hand to define the shape of the solder deposits About the stencil openings designed to correspond to the shape of the solder depots To fill the depot spaces of the stencil formed by the stencil openings, the solder material is often applied in a pasty manner to the surface of the stencil and filled into the depot spaces by means of a suitable displacement device. After filling the depot spaces with solder material, the stencil is removed - Melt the solder deposits to produce an electrically conductive and mechanically safe connection of components on the board only after the corresponding components with their connecting conductors in the still pasty solder Depots have been used Here is the form the remelted solder deposits are insignificant, as long as the aforementioned electrically conductive and mechanically safe connection is secured
Im Gegensatz zu den vorstehend erwähnten, im wesentlichen im Bereich der SMD-Technik verwendeten Lotdepots kommt erhöhten Kontaktmetallisierungen, die fachsprachlich auch unter dem Begriff „Bump" bekannt sind und aus Lotmaterialformstucken gebildet sind, die mit Anschlußflachen eines Substrats verbunden sind, noch eine Abstandsfunktion zuIn contrast to the above-mentioned solder deposits, which are essentially used in the field of SMD technology, increased contact metallizations, which are also known in technical terms as "bump" and which are formed from molded pieces of solder material which are connected to connection surfaces of a substrate, also have a spacing function
Bumps, die in der Regel zur unmittelbaren Verbindung von Bauelementen über deren Anschlußflachen dienen, weisen hierzu eine erhöhte, dieBumps, which are generally used for the direct connection of components via their connection surfaces, have an increased level of this, which
Oberflache der Bauelemente überragende Ausbildung aus Die Erfüllung der Abstandsfunktion setzt weiterhin eine im wesentlichen unnachgiebige Ausbildung der Bumps voraus Daher sind Bumps im Unterschied zu Lotdepots zum Zeitpunkt ihrer Kontaktierung bereits umgeschmolzen und erstarrt, wohingegen, wie vorstehend bereits ausgeführt, die Lotdepots erst nach der Kontaktierung umgeschmolzen werdenSurface formation of the components outstanding formation The fulfillment of the spacing function still requires an essentially unrelenting formation of the bumps. Therefore, unlike solder deposits, bumps were remelted and solidified at the time they were contacted, whereas, as already explained above, the solder deposits only remelted after the contact become
Aufgrund der vorstehend ausgeführten Abstandsfunktion kommt der Formgebung bei der Ausbildung von Bumps eine besondere Bedeutung zu Zur Formgebung von Bumps ist es bekannt, den sich im wesentlichen unabhängig vom Lotmaterial im erschmolzenen Zustand ausbildenden Flussigkeitsmeniskus zu nutzen, der durch die Oberflachenspannung des geschmolzenen Lotmaterials die Form definiert, in der das Lotmaterial nach dem Abkühlen erstarrt Bei den bekannten Verfahren zur Erzeugung von Bumps, die eine Meniskus-Form aufweisen, wird das Lotmaterial bereits im schmelzflussigen Zustand auf die zu benetzenden Anschlußflachen aufgebracht Dies erweist sich insbesondere bei einer Vielzahl von flachig verteilten Anschlußflachen als sehr aufwendigDue to the above-mentioned spacing function, the shaping is of particular importance for the formation of bumps. For shaping bumps, it is known to use the liquid meniscus which essentially forms in the molten state independently of the solder material and which defines the shape through the surface tension of the molten solder material , in which the solder material solidifies after cooling. In the known methods for producing bumps which have a meniscus shape, the solder material is already applied to the connection surfaces to be wetted in the molten state. This proves to be particularly the case with a large number of flat distribution connection surfaces very complex
Bei anderen bekannten Verfahren zur Ausbildung von Bumps auf Substratanschlußflachen bedient man sich galvanischer oder chemischer Abscheidungsverfahren, die die Ausbildung einer verlorenen Maske mit Maskenoffnungen über den Anschlußflachen auf der Substratoberflache voraussetzt So ist es beispielsweise beim galvanischen Abscheidungsverfahren üblich, eine aus einem Fotoresist gebildete Maske auf der Substratoberflache anzuordnen, wobei die Fotoresist-Maske nach Ausbildung bzw Ablagerung der Bumps auf den Anschlußflachen abgezogen und damit unbrauchbar wird Damit ist es bei den bekannten Masken oder Schablonen verwendeten Verfahren erforderlich, für jedes mit Kontaktmetallisierungen zu versehene Substrat eine neue Schablone oder Maske auszubildenIn other known methods for forming bumps on substrate connection surfaces, galvanic or chemical deposition methods are used which involve the formation of a lost mask with mask openings over the connection surfaces on the substrate surface assumes, for example, in the electrodeposition process it is customary to arrange a mask formed from a photoresist on the substrate surface, the photoresist mask being removed after formation or deposition of the bumps on the connection surfaces and thus becoming unusable, so that it is used in the known masks or stencils Processes required to form a new template or mask for each substrate to be provided with contact metallizations
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur selektiven Ausbildung von Lotmaterialformstucken auf einem Substrat vorzuschlagen, das eine selektive Ausbildung der Lotmaterialformstucke- mit vergleichsweise geringem Aufwand ermöglichtThe present invention has for its object to propose a method for the selective formation of solder material pieces on a substrate, which enables a selective formation of the solder material pieces with comparatively little effort
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 2 gelostThis object is achieved by a method having the features of claim 1 or claim 2
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß dem Anspruch 1 zur selektiven Ausbildung von Kontaktmetallisierungen auf Anschlußflachen eines Substrats wird die Oberflache des Substrats derart mit einer Schablone belegt, daß Depotraume bildende Schablonenoffnungen über den Anschlußflachen angeordnet sind und nachfolgend werden die Depotraume mit einem Lotmaterial befullt Die Ausbildung der Kontaktmetallisierungen aus dem aufgeschmolzenen Lotmaterial erfolgt anschließend, in den zumindest in Kontaktbereichen mit dem Lotmaterial benetzungshemmen- den oder nicht benetzungsfähigen DepotraumenIn the method according to the invention for the selective formation of contact metallizations on connection surfaces of a substrate, the surface of the substrate is covered with a template such that stencil openings forming depot spaces are arranged above the connection surfaces and subsequently the depot spaces are filled with a solder material. The formation of the contact metallizations the melted solder material then takes place in the depot spaces which inhibit or cannot wet at least in contact areas with the solder material
Bei dem erfindungsgemaßen Verfahren ermöglicht die Verwendung einer Schablone bei der Applikation des Lotmaterials auf den Anschlußflachen und das Aufschmelzen des in die Depotraume eingefüllten Lotmaterials noch wahrend der Anordnung der Schablone auf der Substratoberflache die Verwendung von Lotmaterial mit einer weitestgehend beliebigen Konsistenz, da die Positionierung des Lotmaterials gegenüber den einzel- nen Anschlußflachen durch die Schablone zumindest solange definiert ist, bis durch die Ausbildung eines Flussigkeitsmeniskus durch das schmelz- flussige Lotmaterial auf den benetzungsfähigen Anschlußflachen zum einen eine Haftung des Lotmaterials auf den Anschlußflachen und zum anderen eine Formbeständigkeit der Kontaktmetallisierungen erreicht ist Die nicht benetzungsfahige Ausbildung der Kontaktbereiche der De- potraume sorgt dafür, daß schon im aufgeschmolzenen Zustand derIn the method according to the invention, the use of a template when applying the solder material to the connection surfaces and the melting of the solder material filled into the depot spaces while the arrangement of the template on the substrate surface enables the use of solder material with a largely arbitrary consistency, since the positioning of the solder material in relation to the individual connection areas is defined by the template at least until the formation of a liquid meniscus through the melting liquid solder material on the wettable connection surfaces, on the one hand, adhesion of the solder material on the connection surfaces and, on the other hand, dimensional stability of the contact metallizations has been achieved. The non-wettable design of the contact areas of the depot spaces ensures that, even in the molten state, the
Kontaktmetallisierungen oder auch erst nach deren Erstarrung ein Abnehmen der Schablone von der Substratoberflache ermöglicht wird, ohne daß dies durch ein Haften der Kontaktmetallisierungen an der Schablone behindert werden konnteContact metallizations or only after their solidification allows the template to be removed from the substrate surface without this being hindered by the contact metallizations adhering to the template
Im Gegensatz zu den bei den vorbeschriebenen Abscheidungsverfahren verwendeten „verlorenen" Schablonen kann die bei dem erfindungsgema- ßen Verfahren verwendete Schablone nach Abnahme von der Substratoberflache bei der selektiven Ausbildung von Kontaktmetallisierungen auf einem nachfolgenden Substrat wieder verwendet werden Darüber hinaus ermöglicht die Abnahme der Schablone nach dem Aufschmelzen der Kontaktmetallisierungen eine umgehende Kontaktierung des derart mit Kontaktmetallisierungen versehenen Substrats, beispielsweise im Flip- Chip-Verfahren, ohne daß zuvor eine beispielsweise aus einem Fotoresist- Lack bestehende Schablone mittels eines Atzverfahrens oder dergleichen aufwendig beseitigt werden mußte Hinsichtlich des Schablonenmaterials gibt es keine besonderen Einschränkungen, solange die Kontaktbereiche mit dem Lotmaterial eine benetzungshemmende oder nicht benetzungsfahige Oberflache aufweisen. Dies kann auch mittels entsprechender Beschichtungen in den Kontaktbereichen erfolgen Als Schablonenmaterial eignen sich starre Kunststoffe grundsatzlich ebenso wie flexible Folien Weiterhin ist beispielsweise auch die Verwendung von Halbleiter- Materialien, insbesondere die Verwendung anisotrop geatzter Halbleiter möglichIn contrast to the “lost” stencils used in the above-described deposition methods, the stencil used in the method according to the invention can be reused after removal from the substrate surface in the selective formation of contact metallizations on a subsequent substrate. Furthermore, the stencil can be removed after Melting of the contact metallizations, immediate contacting of the substrate provided with contact metallizations in this way, for example using the flip-chip method, without a template, for example consisting of a photoresist varnish, having to be elaborately removed by means of an etching process or the like as long as the contact areas with the solder material have a wetting-inhibiting or non-wetting-capable surface. This can also be done by means of appropriate coatings in the contact area Rigid plastics are basically suitable as template material, as are flexible foils. For example, the use of semiconductor materials, in particular the use of anisotropically etched semiconductors, is also possible
Neben dem vorstehend ausgeführten Verfahren zur selektiven Ausbildung von mit Anschlußflachen verbundenen, hier als Kontaktmetallisierungen bezeichneten Lotmaterialformstucke laßt sich der Gedanke, eine Schablone zum Auftrag von Lotmaterial auf eine Substratoberflache als Positio- nierungshilfe wahrend des Aufschmelzen .des Lotmaterials zu verwenden, auch anwenden zur Ausbildung von frei handhabbaren, nicht mit Anschlußflachen verbundenen Lotmaterialformstucken Bei dem weiteren erfindungsgemaßen Verfahren gemäß dem Anspruch 2 wird die Oberflache eines Substrats mit einer Schablone belegt, derart, daß Depotraume bildende Schablonenoffnungen über nicht benetzungsfähigen Depotflachen angeordnet sind, und die Depotraume werden mit einem Lotmaterial befullt Anschließend erfolgt ein Aufschmelzen des Lotmaterials zur Ausbildung der Lotmaterialformstucke in den zumindest in Kontaktberei- chen mit dem Lotmaterial benetzungshemmenden oder nicht benetzungsfähigen DepotraumenIn addition to the above-described method for the selective formation of solder material shaped pieces connected to connection surfaces, referred to here as contact metallizations, the idea of using a template for applying solder material to a substrate surface as a position Nation aid to use during the melting. of the solder material, also use to form freely manageable solder material pieces that are not connected to connecting surfaces. In the further inventive method according to claim 2, the surface of a substrate is covered with a stencil such that stencil openings forming depot spaces do not exist wettable depot surfaces are arranged, and the depot spaces are filled with a solder material. Then, the solder material is melted to form the solder material shaped pieces in the depot spaces that inhibit or not wetting at least in contact with the solder material
Das zum Gegenstand des Anspruchs 1 alternative Verfahren unterscheidet sich von der ersten Verfahrensalternative lediglich darin, daß statt der benetzungsfähigen Substratflache, die bei der ersten Verfahrensvariante durch Anschlußflachen gebildet werden, nicht benetzungsfahige Substratflachen vorgesehen werden Übereinstimmend machen beide Verfahrensvarianten von der Verwendung einer Schablone als Positionierungshilfe bei der Ausbildung von Lotmaterialformstucken unter Ausnutzung der im Schmelzzustand des Lotmaterials gegebenen Oberflachenspannung (Meniskus-Effekt) Gebrauch Im Fall der ersten Verfahrensvariante wird im Unterschied zur zweiten Verfahrensvariante durch die benetzungsfahige Ausbildung der als Anschlußflachen gestalteten Substratflachen eine Verbindung zwischen den Lotmaterialformstucken und den Anschlußflachen zur Ausbildung sogenannter Bumps geschaffenThe alternative to the subject matter of claim 1 differs from the first alternative method only in that instead of the wettable substrate surface, which is formed by connecting surfaces in the first method variant, non-wettable substrate surfaces are provided. Both method variants make use of a template as a positioning aid the formation of solder material pieces using the surface tension given in the melt state of the solder material (meniscus effect) Use In the case of the first process variant, in contrast to the second process variant, the wettable design of the substrate surfaces designed as connection surfaces creates a connection between the solder material form pieces and the connection surfaces to form so-called Bumps created
Unabhängig von der Wahl der beiden vorstehend geschilderten alternativen Verfahrensvarianten kann das Lotmaterial als pastoses oder partikel- formiges Material in die Depotraume eingefüllt werdenRegardless of the choice of the two alternative process variants described above, the solder material can be filled into the depot space as pasty or particulate material
Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn das Lotmaterial als ein Gemenge aus einem flussigen, organischen Medium und darin angeordneter Lotpar- tikel ausgebildet ist Diese Art der Zusammensetzung des Lotmaterials bildet den besonderen Vorteil, daß zum einen ein Erschmelzen der Lotpartikel in einer durch das flussige, organische Medium gebildeten redu- zierenden oder gar inerten Atmosphäre möglich ist, zum anderen wird durch die besondere Benetzungsfahigkeit eines flussigen, organischen Mediums, insbesondere wenn es sich um ein Medium mit langkettiger Molekulstruktur, wie beispielsweise ein Polyalkohol und hier insbesondere Glyzerin, handelt, die Haftung auf einer benetzungsfähigen Substratoberfläche verbessertIt is also particularly advantageous if the solder material is formed as a mixture of a liquid, organic medium and solder particles arranged therein. This type of composition of the solder material forms the particular advantage that, on the one hand, the solder particles melt in a liquid organic medium formed decorative or even inert atmosphere, on the other hand, the special wetting ability of a liquid, organic medium, especially if it is a medium with a long-chain molecular structure, such as a polyalcohol and especially glycerin, improves the adhesion to a wettable substrate surface
Eine andere Möglichkeit mit einem minimalen Aufwand eine reduzierende oder gar inerte Atmosphäre bei Ausbildung der Lotmaterialformstucke durch Aufschmelzen zu erzeugen, besteht darin, das Lotmaterial als schmelzflussige Masse unter einem Flussigkeitsspiegel eines organischen Mediums auf die Schablonenoberflache aufzubringen und in die Depotraume zu füllen Für eine Befullung der Depotraume mit schmelzflussigem Lotmaterial erweist es sich grundsatzlich als vorteilhaft, wenn das Substrat zur Befullung der Depotraume gekühlt wird Unabhängig von der Beschaffenheit des Lotmaterials erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Lotmaterial zur Befullung der Depotraume auf der Oberflache der Schablone angeordnet wird und mit einer Verdrangungseinrichtung in die Depotraume eingefüllt wird Die Verdrangungseinrichtung ermöglicht eine gleichmaßige Befullung der DepotraumeAnother possibility with minimal effort to create a reducing or even inert atmosphere when the solder material pieces are formed by melting is to apply the solder material as a molten mass under a liquid level of an organic medium to the stencil surface and to fill it into the depot spaces for filling Depot spaces with melt-flowing solder material prove to be advantageous in principle if the substrate is cooled to fill the depot spaces. Regardless of the nature of the solder material, it proves to be advantageous if the solder material for filling the depot spaces is arranged on the surface of the template and with a displacement device is filled into the depot space The displacement device enables the depot space to be filled evenly
Als Verdrangungseinrichtung können Rakel oder Rollen eingesetzt werden, wobei sich insbesondere bei der Verwendung von Rollen eine besonders gute und gleichmaßige Befullung der Depotraume gezeigt hat, was im wesentlichen auf die Abrollbewegung, die sich aus einer Überlagerung einer Langsbewegung der Rollenachse auf der Oberflache der Schablone mit der im Bereich der Schablonenoberflache der Langsbewegung entgegengerichteten Umfangsbewegungskomponente infolge der Rotation der Rolle zusammensetzt Hierdurch wird ein Mitnahmeeffekt des zumindest teilweise an der Rolle haftenden Lotmaterials entgegen der Langsbewegung der Rolle erreichtSqueegees or rollers can be used as the displacement device, with particularly good and uniform filling of the depot spaces being shown, in particular when using rollers, which is essentially due to the rolling movement resulting from a superposition of a longitudinal movement of the roller axis on the surface of the stencil of the circumferential movement component which is opposed in the region of the template surface of the longitudinal movement as a result of the rotation of the roller. This results in an entrainment effect of the solder material which at least partially adheres to the roller against the longitudinal movement of the roller
Zur Beeinflussung der Form der in den Depotraumen der Schablone erschmolzenen Lotmaterialformstucke ist es möglich, entweder vor dem Aufschmelzen der Lotmaterialformstucke oder nach der Überführung des Lotmaterials in den Schmelzzustand eine. Formplatte auf der dem Substrat gegenüberliegenden Oberflache der Schablone anzuordnen Hierdurch können beispielsweise sowohl einfache Abflachungen auf den Lotmaterialformstucken als auch Profilierungen in die Oberseite der Lotmaterial- formstucke eingebracht werden Derartige Profilierungen, die z B v- formig ausgebildet sein können, können dann beispielsweise zur vereinfachten Relativpositionierung von Drahtleitern gegenüber den Lotmaterialformstucken verwendet werden Dies ist insbesondere bei der Positionierung von Drahtleitern auf Bumps vor deren Kontaktierung vorteilhaftIn order to influence the shape of the solder material shaped pieces melted in the depot spaces of the template, it is possible either before the solder material shaped pieces have melted or after the transfer of the Solder material in the melting state. To arrange the form plate on the surface of the template opposite the substrate. For example, both simple flats on the solder material shaped pieces and profiles in the top of the solder material shaped pieces can be introduced. Profiles of this type, which can be V-shaped, for example, can then be used, for example, for simplified relative positioning of wire conductors compared to the solder material pieces. This is particularly advantageous when positioning wire conductors on bumps before contacting them
Nachfolgend werden Beispiele für die erfindungsgemaßen Verfahrensvarianten anhand der Zeichnungen näher erläutert Es zeigenExamples of the method variants according to the invention are explained in more detail below with reference to the drawings
Fig. 1 ein mit Anschlußflachen versehenes Substrat, das mit einer Schablone belegt wird,1 is a substrate provided with pads, which is covered with a template,
Fig. 2 das Befüllen von Depotraumen der Schablone mit Lotmaterial mittels einer Verdrangungseinrichtung,2 the filling of depot spaces of the template with solder material by means of a displacement device,
Fig. 3 das Abheben der Schablone nach dem Aufschmelzen des Lotmaterials,3 the lifting off of the template after the solder material has melted,
Fig. 4 ein Aufschmelzen des Lotmaterials in durch eine Stempelplatte verschlossenen Depotraume der Schablone,4 a melting of the solder material into the depot spaces of the template which are closed by a stamp plate,
Fig. 5 eine Möglichkeit zur Formbeeinflussung des Lotmaterials,5 shows a possibility for influencing the shape of the solder material,
Fig. 6 ein mit einer nicht benetzungsfähigen oder benetzungshemmenden Oberflache versehenes Substrat, das mit einer Schablone belegt wird,6 shows a substrate provided with a non-wettable or anti-wetting surface which is covered with a template,
Fig. 7 das Befüllen der durch Schablonenoffnungen gebildeten Depotraume,7 the filling of the depot spaces formed by template openings,
Fig. 8 das Aufschmelzen des in den Depotraumen angeordneten Lotmaterials,8 the melting of the solder material arranged in the depot spaces,
Fig. 9 das Befüllen von Depotraumen einer Schablone mit flussigem Lotmaterial unter Glyzerin, Fig. 10 eine Fig. 2 entsprechende Darstellung mit einer abweichenden9 the filling of depot spaces of a template with liquid solder material under glycerin, Fig. 10 is a Fig. 2 corresponding representation with a different
Ausführungsform der Verdrangungseinrichtung;Embodiment of the displacement device;
Fig. 1 1 eine Fig. 8 entsprechende Darstellung mit einer abweichenden Ausführungsform der Verdrängungseinrichtung.Fig. 1 1 a Fig. 8 corresponding representation with a different embodiment of the displacement device.
Fig. 1 zeigt eine Anfangsphase bei der Durchführung einer Verfahrensvariante zur Ausbildung von erhöhten Kontaktmetallisierungen 10 (Fig. 3), die nachfolgend fachsprachlich als Bumps bezeichnet werden, auf Anschlußflächen 1 1 eines Substrats 12 Bei dem Substrat 12 kann es sich beispielsweise um einen Chip oder auch um einen Wafer handeln Grund- sätzlich gilt, daß das nachfolgend anhand unterschiedlicher Verfahrensvarianten erläuterte Verfahren immer dann angewendet werden kann, wenn es um die selektive Belotung von beliebig verteilten Anschlußflächen auf einem beliebig ausgebildeten Substrat gehtFig. 1 shows an initial phase in the implementation of a method variant for the formation of elevated contact metallizations 10 (Fig. 3), hereinafter referred to in technical terms as bumps, on pads 11 of a substrate 12. The substrate 12 can be, for example, a chip or Also act as a wafer. The basic principle is that the method explained below on the basis of different method variants can always be used when it is a matter of selective soldering of connection pads of any distribution on any substrate
In der in Fig. 1 dargestellten Anfangsphase wird eine mit Schablonenöff- nungen 13 versehene Schablone 14 derart auf der Oberfläche des SubstratsIn the initial phase shown in FIG. 1, a template 14 provided with template openings 13 is placed on the surface of the substrate in this way
12 angeordnet, daß die Anschlußflächen 1 1 und die Schablonenöffnungen12 arranged that the pads 11 and the template openings
13 in Überdeckungslagen einander zugeordnet sind Dabei bilden die Schablonenoffnungen 13 nach unten durch die Anschlußflächen 1 1 abgeschlossene Depotraume 15 (s. auch Fig. 2). Im Gegensatz zu den An- schlußflächen 1 1 , die eine benetzungsfahige Oberflache aufweisen, sind die Schablonenoffnungen 13 mit Wandungen 16 versehen, die benetzungs- unfähig oder zumindest benetzungshemmend ausgebildet sind. Hierzu können die Wandungen 16 beispielsweise als benetzungsunfähige Beschichtungen ausgebildet sein13 are assigned to one another in overlapping positions. The stencil openings 13 form storage spaces 15 which are closed at the bottom by the connection surfaces 11 (see also FIG. 2). In contrast to the connection surfaces 11, which have a surface capable of wetting, the stencil openings 13 are provided with walls 16 which are designed to be non-wetting or at least to prevent wetting. For this purpose, the walls 16 can be formed, for example, as coatings that are incapable of wetting
Fig. 2 zeigt, wie nach Anordnung der Schablone 14 auf der Oberfläche des Substrats 12 und anschließender flächiger Anordnung von Lotmaterial 1 7 auf der Oberfläche der Schablone 14 mittels einer hier als Rakel 18 ausgebildeten Verdrangungseinrichtung eine dosierte Befullung der Depotraume 15 erfolgt. In der in Fig. 2 mit durchgezogenem Linienverlauf dargestellten Konfiguration dient die Rakel 18 in erster Linie dazu, das in den Depotraumen 1 5 angeordnete Lotmaterial 17 mit der Oberfläche der Schablone 14 zu nivellieren Somit kann .die zur Erzeugung eines Bumps 10 (Fig. 3) vorgesehene Lotmaterialmenge durch entsprechende Bemessung der Schablonenoffnungen 13 bzw der Depotraume 1 5 exakt definiert werden Mit der mit gestricheltem Linienverlauf dargestellten, variierten Konfiguration der Rakel 1 8, die eine zur Oberflache der Schablone 14 hin geneigte Kompressionsflache 19 anstatt einer im wesentlichen senkrecht zur Oberflache der Schablone 14 angeordneten Stirnflache 20 aufweist, kann gleichzeitig mit der vorstehend erläuterten Nivellierung eine Verdichtung einer in den Depotraumen 1 5 aufgenommenen Lotmaterialmenge 23 erfolgen Das Ausmaß der Verdichtung ist dabei im wesentlichen abhangig von der Konsistenz des Lotmaterials 172 shows how, after the arrangement of the template 14 on the surface of the substrate 12 and subsequent flat arrangement of solder material 17 on the surface of the template 14, a metered filling of the depot spaces 15 takes place by means of a displacement device designed here as a doctor blade 18. In the configuration shown in FIG. 2 with a continuous line, the doctor blade 18 serves primarily to solder the solder material 17 arranged in the depot spaces 15 with the surface of the To level the template 14. The amount of solder material provided for producing a bump 10 (FIG. 3) can be exactly defined by appropriate dimensioning of the template openings 13 or the depot spaces 1 5. With the varied configuration of the doctor blade 18 shown with dashed lines, the one Compression surface 19 inclined towards the surface of the template 14 instead of an end face 20 arranged essentially perpendicular to the surface of the template 14, a compression of a quantity of solder material 23 accommodated in the depot spaces 15 can take place at the same time as the leveling explained above essentially depends on the consistency of the solder material 17
Bei dem in Fig. 2 beispielhaft dargestellten Lotmaterial 1 7 handelt es sich um ein partikelformiges Lotmaterial, das neben metallenen Legierungspartikel 21 Flußmitteipartikel 22 aufweist Ebenso ist es jedoch auch möglich, ein Lotmaterial zu verwenden, das Legierungspartikel 21 aufweist, die in einem flussigen, organischen Medium, vorzugsweise einem Polyalkohol, wie beispielsweise Glyzerin, angeordnet sind Dabei übernimmt dann das flussige Medium die Funktion des Flußmittels, ohne daß jedoch, wie es bei Verwendung eines Flußmittels der Fall ist, nach dem Auf- bzw Umschmelzen störende Flußmittelruckstande zurückbleiben, da das flussige Medium und die Legierungspartikel hinsichtlich ihres Schmelzverhaltens so aufeinander abgestimmt werden können, daß sich das flussige Medium beim Aufschmelzen im wesentlichen vollständig verfluchtigtThe solder material 17 shown by way of example in FIG. 2 is a particle-shaped solder material which, in addition to metal alloy particles 21, has fluxing agent particles 22. However, it is also possible to use a solder material which has alloy particles 21 which are in a liquid, organic Medium, preferably a polyalcohol, such as glycerin, are arranged. The liquid medium then takes over the function of the flux, but without, as is the case when using a flux, annoying flux residues remain after melting or remelting, since the liquid The melting behavior of the medium and the alloy particles can be coordinated with one another in such a way that the liquid medium essentially completely volatilizes when it melts
Fig. 3 zeigt eine Verfahrensphase nach dem Aufschmelzen der in denFig. 3 shows a process phase after melting the in the
Depotraumen 1 5 angeordneten Lotmaterialmengen 23 zur Erzeugung der Bumps 10 Um die Lotmaterialmengen 23 wahrend des Aufschmelzens im Übergang von der festen in die flussige Phase exakt hinsichtlich der Anschlußflachen 1 1 zu positionieren, verbleibt die Schablone 14 wahrend des Aufschmelzens auf der Oberflache des Substrats 12 und wird erst dann, wenn die Bumps 10 ihre stabile, meniskusformige Gestalt angenommen haben, von der Oberflache des Substrats 12 entfernt Dabei können sich die Bumps 10 noch im flussigen oder, nach entsprechender Abkühlung auch bereits im festen Zustand befinden Wenn die mit den benetzungsun- fahigen oder den benetzungshemmenden Wandungen 16 versehene Schablone 14 schon wahrend des aufgeschmolzenen , noch schmelzflussigen Zustand der Bumps 10 vom Substrat abgenommen werden, kann eine ungehinderte Erstarrung der Bumps in ihrer typischen Meniskusform erfolgen Verbleibt die Schablone 14 bis zur Erstarrung der Bumps 10 auf der Oberflache des Substrats 12 und wird erst anschließend vom Substrat 12 abgenommen, kann die Schablone 14 über ihre Wandungen 16 auch als Formwerkzeug auf die äußere Gestalt der Bumps 10 einwirkenDepot spaces 1 5 arranged solder material quantities 23 for producing the bumps 10 In order to position the solder material quantities 23 exactly during the melting in the transition from the solid to the liquid phase with respect to the connection surfaces 11, the template 14 remains on the surface of the substrate 12 and during the melting is only removed from the surface of the substrate 12 when the bumps 10 have assumed their stable, meniscus-shaped shape the bumps 10 are still in the liquid state or, after corresponding cooling, are already in the solid state, if the template 14 provided with the wetting-impermeable or the wetting-inhibiting walls 16 can be removed from the substrate while the bumps 10 is still in the melted, still molten state an unimpeded solidification of the bumps in their typical meniscus shape take place. If the template 14 remains on the surface of the substrate 12 until the bumps 10 solidify and is only subsequently removed from the substrate 12, the template 14 can also be used as a molding tool on the outer shape via its walls 16 the bumps 10 act
Fig. 4 zeigt ein Beispiel für das Verbleiben der Schablone 14 auf dem Substrat 12 wahrend der Erstarrung der Bumps 10, wobei zusatzlich zur weiteren Formbeeinflussung der Bumps 1 0 die Schablone 14 mit einer Formplatte 24 bedeckt ist Die Formplatte 24 weist im Gegensatz zur Schablone 14 keine durchgehenden Offnungen, sondern Formvertiefungen 25 auf, die wie die Schablonenoffnungen 13 der Schablone 14 mit einer benetzungshemmenden oder benetzungsunfahigen Wandung 26 versehen sind Wie Fig. 4 weiter zeigt, sind die Formvertiefungen 25 der Formplatte 24 deckungsgleich mit den Schablonenoffnungen 13 der Schablone 14 angeordnet Hierdurch laßt sich im schmelzflussigen Zustand der Bumps 10 deren Form so beeinflussen, daß die Bumps 10 schließlich in einer abgeflachten, mit einer im wesentlichen ebenen Oberflache versehenen Form erstarrenFIG. 4 shows an example of the template 14 remaining on the substrate 12 during the solidification of the bumps 10, the template 14 being covered with a mold plate 24 in addition to further influencing the shape of the bumps 10. The mold plate 24, in contrast to the template 14 no continuous openings, but form depressions 25, which, like the template openings 13 of the template 14, are provided with a wetting-inhibiting or non-wetting wall 26. As FIG. 4 further shows, the molding recesses 25 of the molding plate 24 are congruent with the template openings 13 of the template 14 In the molten state of the bumps 10, their shape can be influenced in such a way that the bumps 10 finally solidify in a flattened shape provided with an essentially flat surface
Fig. 5 zeigt eine weitere Möglichkeit zur Formbeeinflussung von durch die Erstarrung des Lotmaterials 17 in den Depotraumen 1 5 erzeugtenFIG. 5 shows a further possibility for influencing the shape of 15 generated by the solidification of the solder material 17 in the depot spaces
Bumps 10 Hierzu wird, ausgehend von der in Fig. 3 dargestellten Konfiguration mit der in den Depotraumen 1 5 angeordneten, aufgeschmolzenen und die Anschlußflachen 1 5 benetzenden Lotmaterialmenge das Substrat zusammen mit der darauf angeordneten Schablone 14 gewendet und mit den befullten Depotraumen 1 5 nach unten weisend auf eine mit einer benetzungshemmenden oder benetzungsunfahigen Oberflache versehene Gegenplatte 40 in sogenannter „Face-down"-Technιk aufgesetzt Dabei stellen sich die in Fig. 5 dargestellten Abflachungen bei den noch schmelzflussigen Bumps 10 ein, so daß, die Bumps 10 schließlich in einer abgeflachten, mit einer im wesentlichen ebenen Oberflache versehenen Form erstarren Abweichend von der Darstellung gemäß Fig. 5 kann die Schablone 14 auch vor dem Aufsetzen der noch schmelzflussigen Lotmaterialmengen 23 auf die Gegenplatte 40 entfernt werden In dem in Fig. 5 dargestellten Fall können die Wandungen 16 der in der Schablone ausgebildeten Depotraume 1 5 noch zur Formgebung der Bumps 10 beitragenBumps 10 For this, starting from the configuration shown in FIG. 3 with the amount of solder material arranged in the depot spaces 1 5, melted and wetting the connection surfaces 1 5, the substrate is turned together with the template 14 arranged thereon and with the filled depot spaces 1 5 down pointing to a counterplate 40 provided with a wetting-inhibiting or non-wetting surface in so-called "face-down" technology 5 in the case of the still molten bumps 10, so that the bumps 10 finally solidify in a flattened shape provided with an essentially flat surface. Deviating from the illustration according to FIG. 5, the template 14 can also before the still molten solder material quantities 23 are placed on the counterplate 40. In the case shown in FIG. 5, the walls 16 of the depot spaces 15 formed in the template can still contribute to the shaping of the bumps 10
Wie aus den hier beispielhaft unterschiedlich groß bemessenen Anschluß- flachen 1 1 des Substrats 12 deutlich wird, laßt sich das unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 5 geschilderte Verfahren besonders dann vorteilhaft einsetzen, wenn es darum geht, unterschiedlich große Anschlußflachen 1 1 mit entsprechend unterschiedlich groß bemessenen Bumps 10 zu versehen Bei den hinsichtlich des Verfahrensablaufs in den Fig. 1 bis 5 beispielhaft dargestellten Verfahren ist es lediglich notwendig, die - wie aus denAs can be seen from the connection pads 11 of the substrate 12 which are dimensioned differently by way of example here, the method described with reference to FIGS. 1 to 5 can be used particularly advantageously when it comes to correspondingly sized connection surfaces 11 to provide bumps 10 of different sizes In the case of the methods illustrated by way of example with regard to the process sequence in FIGS. 1 to 5, it is only necessary to use the - as in FIGS
Figuren deutlich hervorgeht - Schablonenöffnungen 13 der Schablone 14 bzw die Formvertiefungen 25 der Formplatte 24 entsprechend zu bemessen Weiterhin wird auch insbesondere aus Fig. 4 deutlich, daß beliebige Profilierungen der Bumps 1 0 durch Verwendung einer entsprechende Formvertiefungen aufweisende Formplatte 24 und der Schablone 14 möglich sindFigures clearly shows - template openings 13 of the template 14 or the mold recesses 25 of the mold plate 24 to be dimensioned accordingly. Furthermore, it is also particularly clear from FIG. 4 that any profiling of the bumps 1 0 is possible by using a mold plate 24 and the mold 14 having corresponding mold recesses
In den Fig. 6 bis 8 ist eine Alternative zu dem anhand der Fig. 1 bis 3 erläuterten Verfahren dargestellt, die jedoch abweichend von den in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Verfahren nicht die Ausbildung von mit An- schlußflächen verbundenen Lotmaterialformstucken, also Bumps 10, betrifft, sondern vielmehr die Ausbildung von beliebig handhabbaren Lotmaterialformstucken 27 (Fig. 8) Wie aus einem Vergleich der Fig. 1 bis 3 mit den Fig. 6 bis 8 deutlich wird, unterscheidet sich das in den Fig. 6 bis 8 dargestellte alternative Verfahren von dem vorhergehend erlauter- ten Verfahren im wesentlichen darin, daß anstatt eines Substrats 12 mit benetzungsfähigen Anschlußflachen 1 1 ein Substrat 28 mit einer entweder insgesamt benetzungsunfahig oder benetzungshemmend ausgebildeten Oberflache 29 oder einer zumindest in den Schablonenoffnungen 13 der6 to 8 show an alternative to the method explained with reference to FIGS. 1 to 3, which, however, in contrast to the methods shown in FIGS. 1 to 3, does not show the formation of solder material pieces, ie bumps, connected to connection surfaces 10, but rather the formation of arbitrarily manageable solder material shaped pieces 27 (FIG. 8). As is clear from a comparison of FIGS. 1 to 3 with FIGS. 6 to 8, the alternative shown in FIGS. 6 to 8 differs Process of the previously explained process essentially in that instead of a substrate 12 with wettable connection surfaces 11, a substrate 28 with a design that is either totally unfit for wetting or inhibits wetting Surface 29 or at least in the template openings 13 of the
Schablone 14 zugeordneten Oberflachenbereichen benetzungshemmend oder benetzungsunfahig ausgebildeten Oberflache 29Surface 29 assigned to template 14 is designed to inhibit or prevent wetting from wetting
Der Verfahrensablauf beginnend mit der Anordnung der Schablone 14, die in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel identisch mit der unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläuterten Schablone 14 ist und ebenfalls mit benetzungshemmenden oder benetzungsunfahigen Wandungen 16 der Schablonenoffnungen 13 versehen ist, ist identisch mit dem in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Verfahrensablauf Um, wie in Fig. 8 dargestellt, die Ausbil- düng der Lotmaterialformstucke 27 aus den in den Depoträumen 15 angeordneten Lotmaterialmengen 23 durch Aufschmelzen zu einer zumindest kugelahnlichen Gestalt zu unterstutzen, kann die Schablone 14, wie durch den Pfeil 30 angedeutet, in beliebiger Richtung parallel zur Oberflache 29 bewegt werden Hierdurch wird ausgehend von dem durch die Oberflächenspannung der aufgeschmolzenen, schmelzflussigen Lotmaterialformstücke 27, erzeugten Flussigkeitsmeniskus im Übergang zum Erstarrungszustand der Lotmaterialformstucke 27 zusammen mit einem Abrollen der Lotmaterialformstucke 27 auf der Oberflache 29 des Substrats 28 die Ausbildung einer Kugelform unterstütztThe process sequence, starting with the arrangement of the template 14, which in the present exemplary embodiment is identical to the template 14 explained with reference to FIG. 1 and is also provided with walls 16 of the template openings 13 that are non-wetting or unable to be wetted, is identical to that in FIGS. Procedure 1 to 3 shown In order to support, as shown in FIG. 8, the formation of the solder material pieces 27 from the solder material quantities 23 arranged in the depot spaces 15 by melting to an at least spherical shape, the template 14, as indicated by the arrow 30 indicated that they are moved in any direction parallel to the surface 29. In this way, starting from the liquid meniscus generated by the surface tension of the melted, molten solder material shaped pieces 27 in the transition to the solidification state of the solder material shaped pieces 27 together with a rolling of the solder material shaped pieces 27 on the surface 29 of the substrate 28 supports the formation of a spherical shape
Besonders für die in den Fig. 6 bis 8 dargestellte Verfahrensvariante, die zur Ausbildung von frei handhabbaren Lotmaterialformstucken 27 dient, ist es vorteilhaft, anstatt eines konventionellen Flußmittels ein Lotmaterial 1 7 mit einem Polyalkoholanteil, z. B . einem Glyzerin-Anteil, zu verwenden, um eine die Ausbildung der Kugelform unterstutzende möglichst hohe Oberflachenspannung am noch schmelzflussigen Lotmaterialformstuck 27 zu erzeugenEspecially for the method variant shown in FIGS. 6 to 8, which is used to form freely manageable solder material pieces 27, it is advantageous to use a solder material 17 with a polyalcohol component, e.g. B. a glycerin portion to be used in order to produce the highest possible surface tension on the still molten solder material piece 27 which supports the formation of the spherical shape
Wie weiter aus Fig. 8 deutlich wird, sind durch die positionierende Wirkung der Schablone 14 die erstarrten Lotmaterialformstücke 27 vereinzelt und hinsichtlich ihrer Position definiert angeordnet, so daß beispielsweise eine selektive Entnahme der Lotmaterialformstucke 27 aus den Schablonenoffnungen 1 3 möglich ist, oder auch ein mit Anschlußflachen versehenes Substrat, beispielsweise ein Chip, im Flip-Chip-Verfahren mit den Anschlußflachen von oben auf die Lotmaterialformstücke 27 abgesenkt werden kann, um durch einen weiteren Umschmelzvorgang Bumps auf den Anschlußflächen des Chips zu erzeugen.As is further clear from Fig. 8, the positioning effect of the template 14, the solidified solder material pieces 27 are separated and arranged with respect to their position, so that, for example, a selective removal of the solder material pieces 27 from the stencil openings 1 3 is possible, or also with Pad-provided substrate, for example a chip, using the flip-chip method can be lowered with the connection surfaces from above onto the solder material shaped pieces 27 in order to produce bumps on the connection surfaces of the chip by a further remelting process.
Fig. 9 zeigt eine Variante hinsichtlich der Befullung der Depotraume 1 5 in der Schablone 14 Zur Befullung wird hier ein bereits schmelzflüssiges Lotmaterial 3 1 verwendet, das während der Befullung durch ein flüssiges, organisches Medium 32, beispielsweise Glyzerin, von der Umgebung abgeschirmt ist Übereinstimmend zu den in den Fig. 2 und 7 dargestellten Varianten, wird hier eine als Rakel 33 ausgebildete Verdrängungseinrich- tung zur Definition von in den Depoträumen 15 aufgenommenen Lotmaterialmengen 34 verwendet Wenn beispielsweise über die Verdrangungseinrichtung 33 und/oder das Substrat 12 eine Kühlung der in den Depotraumen 1 5 aufgenommenen Lotmaterialmengen 34 erfolgt, kann ohne weitere Formwerkzeuge eine Erstarrung der Lotmaterialmengen 34 zu scheiben- formigen Lotmaterialformstucken oder, wie es in Fig. 9 wegen der Verwendung eines Substrats 12 mit benetzungsfähigen Anschlußflächen 1 1 der Fall ist, zu scheibenförmig ausgebildeten Bumps 35 erfolgen Unabhängig davon, ob die in Fig. 9 dargestellte Variante zur Herstellung von frei handhabbaren Lotmaterialformstucken oder von Bumps 35 dient, kann auf ein der Befullung der Depotraume 1 5 folgendes Aufschmelzen der Lotmaterialmengen 34 verzichtet werdenFIG. 9 shows a variant with regard to the filling of the depot spaces 1 5 in the template 14. An already molten solder material 3 1 is used here for filling, which is shielded from the environment during filling by a liquid, organic medium 32, for example glycerine 2 and 7, a displacement device designed as a doctor blade 33 is used here to define quantities of solder material 34 accommodated in the depot spaces 15. If, for example, the displacement devices 33 and / or the substrate 12 are used to cool the in the Depot spaces 1 5 recorded solder material quantities 34 can solidify the solder material quantities 34 to disk-shaped solder material pieces or, as is the case in FIG. 9 because of the use of a substrate 12 with wettable connection surfaces 11, to disk-shaped bumps 35 without further shaping tools take place independently there of whether the variant shown in FIG. 9 is used for the production of freely manageable solder material shaped pieces or bumps 35, the melting of the quantities of solder material 34 following the filling of the depot spaces 15 can be dispensed with
Um die Befullung der Depotraume 1 5 mit dem zunächst schmelzflüssigen Lotmaterial zu vereinfachen und eine Entnetzung des Lotmaterials von den Anschlußflächen 1 1 zu verhindern, wird das Substrat 12 während der Befullung der Depotraume 15 , wie durch die Pfeile 39 in Fig. 8 angedeutet, von der den Anschlußflächen 1 1 gegenüberliegenden Seite her gekühlt.In order to simplify the filling of the depot spaces 1 5 with the initially molten solder material and to prevent dewetting of the solder material from the connection surfaces 11, the substrate 12 is filled during the filling of the depot spaces 15, as indicated by the arrows 39 in FIG the side opposite the pads 1 1 cooled.
Die Fig. 10 und 11 zeigen beipielhaft die Verwendung einer abweichend von den Darstellungen gemäß Fig. 2, 7 und 9 als Rolle 36 ausgebildeten Verdrangungseinrichtung Die Rolle 36 kann, wie in Fig. 10 dargestellt, sowohl zur Befullung der Depotraume 1 5 mit zunächst partikelformig oder pastos ausgebildetem Lotmaterial 1 7, als auch, wie in Fig. 1 1 dargestellt, zur Befullung der Depotraume 15 mit bereits geschmolzenem Lotmaterial 3 1 verwendet werden In beiden Fallen bietet die Rollbewegung den Vorteil, daß durch die Überlagerung der Rollenlangsbewegung 37 mit der Rotation 38 ein in seiner Wirkungsrichtung durch den Pfeil 39 angedeuteter Kompressionseffekt zur besseren Befullung der Depotraume 15 erzielt wird Wie bereits unter Bezugnahme auf Fig. 9 ausgeführt, kann auch bei der in Fig. 1 1 dargestellten Befullung der Depotraume 15 eine Kühlung des Substrats 12 (Pfeile 39) erfolgen 10 and 11 show, by way of example, the use of a displacement device which is designed differently from the representations according to FIGS. 2, 7 and 9 as a roller 36. As shown in FIG. 10, the roller 36 can be used initially to fill the depot spaces 1 5 in particulate form or pasty solder material 1 7, as well as, as shown in Fig. 1 1, can be used to fill the depot spaces 15 with already melted solder material 3 1. In both cases, the rolling movement has the advantage that a superimposed longitudinal movement 37 with the rotation 38 achieves a compression effect, indicated in its direction of action by the arrow 39, for better filling of the depot spaces 15 As already explained with reference to FIG. 9, the substrate 12 (arrows 39) can also be cooled when the depot spaces 15 are filled in FIG. 11

Claims

Patentansprücheclaims
Verfahren zur selektiven Ausbildung von Kontaktmetallisierungen auf Anschlußflächen eines Substrats, bei dem die Oberfläche des Substrats mit einer Schablone belegt wird, derart, daß Depotraume bildende Schablonenöffnungen über den Anschlußflächen angeordnet sind, nachfolgend die Depoträume mit einem Lotmaterial befüllt werden, und ein Aufschmelzen des Lotmaterials ( 1 7) zur Ausbildung der Kontaktmetallisierungen ( 10) in den zumindest in Kon- taktbereichen mit dem Lotmaterial ( 1 7) benetzungshemmenden oder nicht benetzungsfähigen Depotraumen ( 1 5) erfolgtProcess for the selective formation of contact metallizations on connection surfaces of a substrate, in which the surface of the substrate is covered with a template, such that template openings forming depot spaces are arranged above the connection surfaces, the depot spaces are subsequently filled with a solder material, and a melting of the solder material ( 1 7) for the formation of the contact metallizations (10) in the depot spaces (1 5) which inhibit or cannot be wetted at least in contact with the solder material (1 7)
Verfahren zur Ausbildung von Lotmaterialformstucken, insbesondere Lotkugeln, bei dem eine zumindest in Teilbereichen benetzungs- hemmende oder nicht benetzungsfahige Oberfläche eines Substrats mit einer Schablone belegt wird, derart, daß Depoträume ( 15) bildende Schablonenoffnungen ( 13) über benetzungshemmenden oder nicht benetzungsfähigen Flächen angeordnet sind, und bei dem die Depotraume ( 1 5) mit einem Lotmaterial (17) befüllt werden, und ein Aufschmelzen des Lotmaterials ( 1 7) zur Ausbildung der Lotma- terialformstucke (27) in den zumindest in Kontaktbereichen mit demMethod for forming solder material shaped pieces, in particular solder balls, in which a surface of a substrate that inhibits or is not capable of wetting at least in some areas is covered with a stencil such that stencil openings (13) forming depot spaces (15) are arranged over surfaces that inhibit wetting or cannot be wetted , and in which the depot spaces (1 5) are filled with a solder material (17), and a melting of the solder material (1 7) to form the solder material shaped pieces (27) in the at least in contact areas with the
Lotmaterial benetzungshemmenden oder nicht benetzungsfähigen Depotraumen (15) erfolgtSoldering material is anti-wetting or non-wetting Depot space (15) takes place
Verfahren nach Anspruch 1 oder zwei, dadurch g ek e n n z e i c h n e t , daß das Lotmaterial (17) als pastoses oder partikelformiges Materi- al in die Depotraume (15) eingefüllt wirdMethod according to claim 1 or two, characterized in that the solder material (17) is filled into the depot space (15) as a pasty or particulate material
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch geke n n z e i c h n e t , daß das Lotmaterial (17) als ein Gemenge aus einem flussigen, organischen Medium (32) und darin angeordneten Lotpartikeln (21) ausgebildet istMethod according to Claim 1 or 2, characterized in that the solder material (17) is designed as a mixture of a liquid, organic medium (32) and solder particles (21) arranged therein
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch geke n n z e i c h n e t , daß das Lotmaterial (31) als schmelzflussige Masse unter einem Flussigkeitsspiegel eines organischen Mediums (32) auf die Scha- blone aufgebracht und in die auf dem Substrat angeordneten Depotraume (15) gefüllt wirdMethod according to Claim 1 or 2, characterized in that the solder material (31) is applied to the stencil as a molten mass under a liquid level of an organic medium (32) and is filled into the depot spaces (15) arranged on the substrate
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch geke n n z e i c h n e t , daß das Substrat (12) zur Befullung der Depotraume (15) mit dem Lotmaterial (31) gekühlt wirdMethod according to Claim 5, characterized in that the substrate (12) is cooled to fill the depot spaces (15) with the solder material (31)
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 5, dadurch g e ke n n z e i c h n e t , daß das Lotmaterial (17, 31) zur Befullung der Depotraume (15) auf der Oberflache der Schablone (14) angeordnet wird mit einer Verdrangungseinrichtung (18, 33, 36) in die Depotraume (15) ver- fullt wird Method according to one or more of claims 3 to 5, characterized in that the solder material (17, 31) for filling the depot spaces (15) is arranged on the surface of the template (14) with a displacement device (18, 33, 36 ) is filled into the depot space (15)
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch g e ke n n z e i c h n et , daß als Verdrangungseinrichtung ein Rakel (18, 33) verwendet wird.8. The method according to claim 7, characterized in that a squeegee (18, 33) is used as the displacement device.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch ge ke n nz e i c h n e t , daß als Verdrängungseinrichtung eine auf der Oberfläche der Schablone (14) abrollende Rolle (36) verwendet wird.9. The method according to claim 7, characterized in that a roller (36) rolling on the surface of the template (14) is used as the displacement device.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e ke n n z e i c h n e t , daß das Aufschmelzen des Lotmaterials (17) in den Depotraumen (15) nach Abdeckung der Depotraume (15) mit einer Formplatte (24) erfolgt. 10. The method according to one or more of the preceding claims, characterized in that the melting of the solder material (17) in the depot spaces (15) takes place after covering the depot spaces (15) with a molding plate (24).
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