Reflow-Löten mit Diodenlasern

| Autor / Redakteur: Markus Rütering * / Dr. Anna-Lena Gutberlet

Anlage zum Laserbonden: Links steht das 19‘‘-Rack mit integriertem LDM-Diodenlaser.
Anlage zum Laserbonden: Links steht das 19‘‘-Rack mit integriertem LDM-Diodenlaser. (Bild: Protec)

Bei der Fertigung hochfiligraner COB-Baugruppen ist das klassische Reflow-Löten im Konvektionsofen problematisch. Als zuverlässige und materialeffiziente Alternative bietet sich Bonden mit Diodenlasern an.

Bei mikroelektronischen Baugruppen ist ein klarer Trend zu immer flacheren Bauweisen zu erkennen. Treiber dieser Entwicklung sind vor allem Geräte, die sich im Grenzbereich von Gebrauchs- und Unterhaltungselektronik bewegen. Smartphones oder Smartwatches, bei denen auf engstem Raum eine Fülle von Funktionen abgebildet werden muss, sind ohne Bauelemente mit Materialstärken im Mikrometerbereich nicht denkbar.

Die klassischen Chip-on-Board-Baugruppen (COB) weisen aktuell Höhen von 0,5 mm und weniger auf und ermöglichen so den Aufbau extrem flacher Elektroniken, die auf dem Bauraum einer schlanken Armbanduhr quasi einen vollwertigen Rechner zur Verfügung stellen. Für Halbleiterspezialisten ist die Fertigung solcher hochfeinen COB-Baugruppen freilich alles andere als trivial. Eine der größten technischen Herausforderungen stellt das Chipbonden oder Direct Chip Attachment dar – jener Fügeprozess, bei dem der Halbleiterchip auf die gedruckte Leiterplatte montiert wird (mechanisch und elektrisch).

Dieser Prozess wird bei hochfiligranen COB-Baugruppen meist als Flip-Chip-Montage ausgeführt. Der Chip wird dabei mit der aktiven Kontaktierungsseite direkt auf die Leiterplatte aufgebracht. Die Verbindung zur Platte erfolgt über sogenannte Bumps – kleine Kontaktierhügel aus Weichlot, die in minimalem Abstand zueinander über die gesamte Fläche des Chips verteilt sind und durch Aufschmelzen mit den Kontakten der Leiterplatte verbunden werden. Diese Verbindungstechnik macht es möglich, auf engstem Raum mehrere Tausend Kontakte mit einem Raster < 30 µm zu realisieren und so auch in Kleinstgeräten hochkomplexe Schaltkreise zur Unterstützung vielfältigster Funktionen aufzubauen.

Probleme beim ofenbasierten Reflow-Löten

Die Anbindung der Bumps an die Leiterplatte – und damit das eigentliche Bonden – wird heute üblicherweise unter Reinraumbedingungen per Reflow-Löten umgesetzt. Bei diesem Weichlötverfahren werden die Bumps im ersten Schritt mit einem Flussmittel benetzt, das für oxidfreie Lötflächen sorgt und durch Reduktion der Oberflächenspannung des Lots eine harmonische Anbindung gewährleistet. Anschließend wird das Weichlot der Bumps durch Erwärmung des gesamten Aufbaus aufgeschmolzen und so die Verbindung zur PCB hergestellt.

Dieser Lötprozess wird in den allermeisten Fällen im Konvektionsofen durchgeführt. Dabei durchlaufen Leiterplatten und Chips typischerweise vier Ofenkammern, in denen nacheinander Vorwärmen, Flussmittelaktivierung, Peakzone und Abkühlung realisiert werden. Der gesamte Vorgang nimmt eine Ofenstrecke von mehreren Metern und herkömmlicherweise einen Zeitraum von etwa sechs bis sieben Minuten in Anspruch.

Auch wenn das Bonden via Konvektionsofen heute weithin etabliert ist und alternativen Verfahren wie etwa dem Dampfphasenlöten den Rang abgelaufen hat, besitzt es indessen eine Reihe von Nachteilen. Zum einen beansprucht der Konvektionsofen sehr viel Platz im Reinraum und kostet damit wertvolle Produktionsfläche. Zum anderen ist das ofenbasierte Reflow-Löten für immer filigranere Bauteile technisch ungeeignet. Grund ist die langanhaltende Wärmeeinwirkung im Konvektionsofen:

Sie setzt die Baugruppen einer hohen thermischen Belastung aus, was bei sehr dünnen Chips und Leiterplatten ganz erhebliche Verformungen verursachen kann – mit der Folge, dass die Kontaktierung teilweise misslingt. Je nachdem, ob der Verzug eher konvex oder konkav ausfällt, werden die Bumps dann in der Mitte bzw. an den Rändern der Baugruppe nicht kontaktsicher oder überhaupt nicht an die Leiterplatte angebunden (Bild 1).

Bild 1: Die hohe thermische Belastung im Konvektionsofen verursacht starke Verformungen und lässt die Kontaktierung teilweise scheitern.
Bild 1: Die hohe thermische Belastung im Konvektionsofen verursacht starke Verformungen und lässt die Kontaktierung teilweise scheitern. (Bild: Protec)

Die Baugruppe ist dann nicht verwendbar und muss im Endeffekt als Produktionsausschuss entsorgt werden. Wird der Fehler nicht entdeckt, wird möglicherweise auch ein fehlerhaftes Chipboard ausgeliefert – mit allen nachteiligen Konsequenzen für Anwender und Hersteller. Um dieses Risiko zu minimieren und die Verformungseffekte in den Griff zu bekommen, wird mittlerweile mit verlängerten Laufzeiten im Reflow-Ofen bei gleichzeitig reduzierter Wärmeeinwirkung experimentiert. Die Prozessdauer wird dadurch jedoch nahezu verdreifacht: Statt der üblichen 6 bis 7 Minuten verbleiben die Baugruppen bis zu 18 Minuten im Reflow-Ofen. Die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens wird dadurch nachhaltig in Frage gestellt.

Reflow-Löten auf Basis von Diodenlasern als Alternative

In Anbetracht dieser Verfahrensprobleme stellt sich mit Blick auf hochfiligrane Bauteile die Frage nach anderen Fertigungsoptionen. Eine sehr interessante, in der Praxis erfolgreich erprobte Alternative ist das Reflow-Löten auf Diodenlaserbasis, auch als Laser Assisted Bonding (LAB) bezeichnet. Bei diesem Verfahren werden Chips und Leiterplatten von oben durch den Laserspot bestrahlt und so durch Aufschmelzen der Bumps die Lötverbindungen zwischen Chips und Leiterplatten erzeugt (Bild 2).

Bild 2: Beim diodenlaserbasierten Reflow-Löten werden Chips und Leiterplatten von oben durch den Laserspot bestrahlt und so durch Aufschmelzen der Bumps die Lötverbindungen zwischen Chips und Leiterplatten erzeugt.
Bild 2: Beim diodenlaserbasierten Reflow-Löten werden Chips und Leiterplatten von oben durch den Laserspot bestrahlt und so durch Aufschmelzen der Bumps die Lötverbindungen zwischen Chips und Leiterplatten erzeugt. (Bild: Laserline)

Diodenlaser sind für dieses Verfahren besonders geeignet, da sie im Gegensatz zu anderen Lasertypen keinen klassischen Gaußstrahl, sondern ein sogenanntes Top-Hat-Profil besitzen: Die Energie ist nicht wie beim Gaußprofil in der Spotmitte konzentriert und zu den Rändern hin abfallend, sondern gleichmäßig über die ganze Fokusebene verteilt. Das ermöglicht einen homogenen Energieeintrag in der Fläche und bietet damit exzellente Voraussetzungen für das parallele Aufschmelzen aller Bumps eines Chips.

Größter Vorteil des LAB mit Diodenlasern ist die weitaus geringere thermische Belastung der Bauteile. Chips und Leiterplatten werden nicht – wie noch im Konvektionsofen – einer minutenlangen Dauererwärmung ausgesetzt, sondern nur für 1 bis 2 Sekunden mit hoher Laserleistung im Multikilowattbereich bestrahlt. Diese kurze Einwirkzeit des Laserspots reicht aus, um das Lot aller Bumps sicher aufzuschmelzen, minimiert Verformungen bei Chips und Leiterplatten und stellt so eine lückenlose Kontaktierung sicher (Bild 3a und b).

Bild 3a: Die Baugruppen werden nur für 1 bis 2 Sekunden mit hoher Laserleistung im Multikilowattbereich bestrahlt.
Bild 3a: Die Baugruppen werden nur für 1 bis 2 Sekunden mit hoher Laserleistung im Multikilowattbereich bestrahlt. (Bild: Protec)

Fig. 3b: Diese kurze Einwirkzeit des Laserspots reicht aus, um das Lot der Bumps aufzuschmelzen. Sie minimiert Verformungen bei Chips und Leiterplatten und stellt so eine lückenlose Kontaktierung sicher (unten).
Fig. 3b: Diese kurze Einwirkzeit des Laserspots reicht aus, um das Lot der Bumps aufzuschmelzen. Sie minimiert Verformungen bei Chips und Leiterplatten und stellt so eine lückenlose Kontaktierung sicher (unten). (Bild: Protec)

Das gilt auch für sehr dünne Komponenten, bei denen im Konvektionsofen praktisch immer mit Verzug gerechnet werden muss. Sie können mit Diodenlasern zuverlässiger und materialschonender verlötet werden als mit jedem anderen Lötinstrument. Zugleich entfällt gegenüber dem ofenbasierten Reflow-Löten ein ganzer Prozessschritt: Aufgrund der kurzen Wärmeeinwirkung muss keine Abkühlstation mehr eingeplant werden. Der komplette Vorgang kommt mit Vorheizen zur Flussmittelaktivierung, Laserausrichtung und der eigentlichen Bestrahlung aus.

Eine optimale Umsetzung dieses materialschonenden Lötprozesses ermöglichen Hochleistungsdiodenlaser wie die fasergekoppelten Systeme der Laserline LDM Serie. Sie punkten bereits durch ihre hochkompakte Bauweise: Konzipiert als 19‘‘-Einschubmodule, nehmen sie nur einen geringen Anteil der kostenintensiven Reinraumfläche in Anspruch. Alle wesentlichen Systemkomponenten wie Laserkopf, Kühlung, Elektronik und Spannungsversorgung sind bereits in die Module integriert, was den Aufbau sehr kompakter und platzsparender Reflow-Lötanlagen ermöglicht (Bild 4a und b).

Bild 4a: Die 19‘‘-Bauart der Laserline LDM Diodenlasersysteme LDM 4000-100, macht den Aufbau sehr kompakter und platzsparender Reflow-Lötanlagen möglich.
Bild 4a: Die 19‘‘-Bauart der Laserline LDM Diodenlasersysteme LDM 4000-100, macht den Aufbau sehr kompakter und platzsparender Reflow-Lötanlagen möglich. (Bild: Laserline)

Bild 4b: LDM 6000-100
Bild 4b: LDM 6000-100 (Bild: Laserline)

Mit Ausgangsleistungen von derzeit 0,5 bis 6 kW bieten die LDM Systeme ein Leistungsspektrum, das alle Varianten des Chipbondens mittels LAB unterstützt. Die präzise regulierbare Leistungsabgabe – bis hin zur Feinabstufung im Millisekundentakt bei laufendem Prozess – ermöglicht eine hochflexible Anpassung an alle Materialstärken. Überhitzungen des Chip- oder Leiterplattenmaterials können so systematisch ausgeschlossen werden.

Laser-Spot lässt sich flexibel an die PCB-Geometrie anpassen

Für eine optimale Anpassung des Laserspots an die Chip- und Leiterplattengeometrie sind jedoch nicht allein flexible Leistungsabstufungen, sondern auch variable Spotabmessungen notwendig. Letztere lassen sich durch den Einsatz spezieller optischer Systeme wie etwa der zweiachsigen Laserline OTZ Zoomoptiken realisieren.

Diese Optiken optimieren zum einen das Top-Hat-Profil. Zum anderen ermöglichen sie die Formung rechteckiger Spots, deren Längen und Breiten sich über einen integrierten Stellmotor präzise festlegen und sogar bei laufendem Prozess verändern lassen. Diese hochdynamische Spotkonfiguration ermöglicht einen wohlausgewogenen und selektiven, exakt an die Bauteilerfordernisse angepassten Energieeintrag, der jede übermäßige thermische Belastung der Baugruppe vermeidet und zugleich eine hocheffiziente Energienutzung sicherstellt.

Von großflächig-quadratischen bis zu quasi-linearen Spotgeometrien sind dabei alle denkbaren Varianten von Rechteckspots darstellbar. Für LAB Anwendungen stehen gegenwärtig standardisierte Spotabmessungen zwischen 8 x 8 und 70 x 107 mm² zur Verfügung, darüber hinaus sind kundenindividuelle Spotgeometrien möglich. Auf dieser Grundlage können Elektronikfertiger beliebige Prozesskonfigurationen realisieren – von der gezielten Bestrahlung einzelner Chips (Single Bonding) über die simultane Bestrahlung ganzer Chipgruppen (Global bzw. Multiple Bonding) bis zum Überstreichen größerer Strecken via Linienspot.

Technologie der Zukunft für hochfiligrane Baugruppen

Das diodenlaserbasierte Reflow-Löten hochfiligraner COB-Baugruppen ermöglicht eine Vermeidung kritischer Bauteilverformungen und stellt so eine lückenlose Kontaktierung zwischen Chip und gedruckter Leiterplatte sicher. In ersten Praxisanwendungen wurden Chips mit Abmessungen von 3 x 3 bis 25 x 30 mm² und Materialstärken zwischen 50 und 780 µm erfolgreich auf alle typischen Grundflächen gelötet.

Single- und Multichip-Module wurden dabei gleichermaßen problemlos und ohne Beschädigungen der Materialien bearbeitet. Der Produktionsausschuss ofenbasierter Lötverfahren gehört damit der Vergangenheit an. Das macht sich vor allem dort wirtschaftlich bemerkbar, wo filigrane COB-Baugruppen in hohen Stückzahlen produziert werden; die Investition in die Diodenlasertechnik rentiert sich deshalb vor allem in der Massenproduktion.

Zudem besitzen Systeme wie die Laserline LDM Diodenlaser mit einem Steckdosenwirkungsgrad von bis zu 50 Prozent die höchste Energieeffizienz aller Industrielaser. Auch die Prozessgeschwindigkeit des diodenlaserbasierten Reflow-Lötens kann bei simultaner Bestrahlung mehrerer Chips die Geschwindigkeit des ofenbasierten Reflow-Lötens übertreffen – gerade in Anbetracht der Tendenz zur verlängerten Ofenlaufzeit.

Weitere Prozessverbesserungen sind durch Leistungssteigerungen der LDM-Systeme zu erwarten. Da dann aufgrund höherer Leistungsabgaben größere Flächen mit identischer Temperatur bestrahlt werden können, ist vor allem beim simultanen Bestrahlen ganzer Chipgruppen mit einer zusätzlichen Steigerung der Prozessgeschwindigkeit zu rechnen.

Punktgenau, schnell und
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15.03.18 - Dank temperaturgeregeltem Diodenlaser und kraftgeregeltem Drahtvorschub ist das reproduzierbare Löten bei hoher Miniaturisierung und Packungsdichte keine Herausforderung mehr. lesen

* Markus Rütering ist Vertriebsleiter Deutschland und Asien bei Laserline in Mülheim-Kärlich.

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