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Wie Sie Lotpaste reproduzierbar kleiner 100 Mikrometer dosieren können

| Autor / Redakteur: Christoph Knes * / Dr. Anna-Lena Gutberlet

Lotpaste und Dispenser sind entscheidend für reproduzierbare Dosier­ergebnisse im Mikrometerbereich. Ein neues Verfahren soll Standardmethoden, die hier an ihre Grenzen kommen, ablösen.

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Bild 1: Vergleich zwischen Kartuschen-Dispenser (links), Schnecken-Dispenser (mitte) mit einer Punktgröße von jeweils 100 µm und der neuen NSW Squeezing Pump (rechts). Nur die Squeezing Pump liefert reproduzierbare Ergebnisse und das bei einem Durchmesser von 80 µm.
Bild 1: Vergleich zwischen Kartuschen-Dispenser (links), Schnecken-Dispenser (mitte) mit einer Punktgröße von jeweils 100 µm und der neuen NSW Squeezing Pump (rechts). Nur die Squeezing Pump liefert reproduzierbare Ergebnisse und das bei einem Durchmesser von 80 µm.
(Bild: Kummer)

Lotpasten werden seit Jahrzehnten in vielen Bereichen der Elektronik als leitende Verbindung angewandt. Hierfür gibt es unterschiedliche Auftrags- und Dosiermethoden. Beim Schablonendruck wird zum Beispiel über eine Schablone mit Maschenöffnungen im Mikrometerbereich Material auf flachen Bauteilen aufgetragen.

Die Industrie strebt aber in der Mikroelektronik nicht selten ein inhomogenes Design an unterschiedlichen Komponenten auf einer Baugruppe an. Diese sollen in der Regel so platzsparend und klein wie möglich verbaut werden. Oft bietet dann das Drucken von Lotpasten nicht mehr die geforderten Möglichkeiten, weshalb alternative Dosiermethoden gewählt werden müssen. Damit eine Mikrodosierung reproduzierbar umgesetzt werden kann, muss die richtige Kombination zwischen Lotpasten und Dosiersystem gegeben sein.

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Einfluss der Lotpaste auf die Wahl der Dosiermethode

Lotpasten bestehen im Prinzip aus Flussmittel und Lotmetallpulver. Beides in Kombination erzeugt ein viskoelastisches Verhalten. Dies hat zur Folge, dass bei niedriger Scherung Lotpasten elastisch/stabil bleiben. Bei hoher Scherung wiederum wird das Material niederviskoser und damit fließfähiger.

Auch Faktoren wie die Dichte, der Füllgrad oder die Legierung beeinflussen das Fließverhalten der Lotpasten. Größter Problemträger ist jedoch die Partikelgröße der Füllstoffe, da diese nicht selten aus verschiedenen Gründen die Nadel eines Dosiersystems verstopfen können. Als Faustregel gilt es deswegen, eine Dosiernadel mit einem Durchmesser zu wählen, welcher fünf bis sieben Mal größer ist als die Partikelgröße der verwendeten Lotpaste.

Schnecken- und Kartuschen-Dispenser im Vergleich

Auch zu beachten ist, dass eine feinere Partikelgröße eher zum Kaltlöten neigt. Dies ist übrigens auf die höhere Oberflächenstruktur und kleinere Masse der Partikel zurück zu führen. Dosiermethoden wie Schnecken- oder Kartuschen-Dispenser, die mit hohen Drücken oder mechanischen Kräften arbeiten, kommen deshalb beim Mikrodispensen an ihre Grenzen.

Um einen Vergleich zu starten, wurden Punkte mit einem Förderschnecken-Dosierventil und einem pneumatischen Kartuschen-Dispenser auf einen Wafer dosiert und untersucht. Ziel des Vergleichs ist es, eine reproduzierbare Punktgröße von 100 µm über 4.000 Punkte zu erreichen.

Als letztes wichtiges Bindeglied im Dosierprozess ist für ein einwandfreies Ergebnis ein präzises Führungssystem unerlässlich. Hierfür wurde die S400H von NSW-Automation mit einer Wiederholgenauigkeit von ±5 µm gewählt. Der Dosierabstand zur Waferoberfläche betrug dabei 30 µm – als Faustregel gilt etwa ein Drittel der gewollten Punktgröße als Dosierabstand zu wählen. Für den Versuch wurde die Lotpaste SAC305 T6SG 78% sowie eine Dosiernadel aus Keramik mit einem Durchmesser von 100 µm verwendet.

Bild 1 zeigt die Ergebnisse mit Kartuschen- (links) und Schnecken-Dispenser (mitte). Trotz Anpassung der Dosierparameter an den Dispenser haben beide Methoden versagt. Es konnten kein gleichbleibendes Dosierergebnis über die 4.000 Dosierpunkte erzielt werden.

Neue Dosiermethode führt zum gewünschten Erfolg

Bild 2: Das Funktionsprinzip der NSW Squeezing Pump
Bild 2: Das Funktionsprinzip der NSW Squeezing Pump
(Bild: Kummer)

Unter dem gleichen Setup wurde auch die NSW Squeezing Pump (Bild 1, rechts) getestet. Diese arbeitet nach dem Quetschpumpenprinzip (Bild 2), in welcher eine flexible Quetschkammer das Material aus einer zuvor gelagerten Kartusche erhält und die Lotpaste deformationsfrei und präzise auf die Wafer-Oberfläche dosiert.

Bild 3: Vermessung der Dosierpunkte
Bild 3: Vermessung der Dosierpunkte
(Bild: Kummer)

NSW hat die Anforderungen in den Versuchen für die Squeezing Pump noch weiter verschärft und eine Punktgröße von 80 µm als Vorgabe gesetzt. Die anschließende Vermessung der einzelnen Punkte (Bild 3) hat ergeben, dass diese in einem Toleranzbereich von nur ±8 µm aufgetragen werden konnten. Der kleinste Dosierpunktdurchmesser beträgt 72 µm, der größte 84 µm.

Bild 4: Verteilung der Punktgröße über 4.000 Dosierpunkte
Bild 4: Verteilung der Punktgröße über 4.000 Dosierpunkte
(Bild: Kummer)

Bild 4 zeigt die Punktgrößenverteilung über 4.000 Punkte. Dabei ist zu sehen, dass der Löwenanteil der Dosierpunkte bei einem Durchmesser von 80 µm liegt. Das Ergebnis der Versuchsreihe zeigt, dass es mit der NSW Squeezing Pump möglich ist, Lotpasten reproduzierbar mit einer Dot Size von 80 µm zu dosieren. Es wurde eine weitere Versuchsreihe mit der NSW Squeezing Pump und der gleichen Lotpaste durchgeführt. In dieser wurden 400 Linien mit jeweils 80 µm Bahnbreite dosiert. Das Resultat zeigt dieselbe Reproduzierbarkeit wie bei der Dosierung von Punkten (Bild 5 in der Galerie). In Zukunft sollen sogar Punktgrößen von 50 µm möglich sein.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 12/2020 (Download PDF)

* Christoph Knes ist Technischer Vertriebsspezialist für Spezialklebstoffe & Dosiertechnologie bei John P. Kummer in Augsburg.

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