DE19528062A1 - Lösbare elektrische Verbindung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine lösbare elektrische Verbindung zwischen einem elektri­ schen oder elektronischen Bauelement und einem Substrat, insbesondere zum Ge­ brauch in der Mikroelektronik.

Heutzutage bekannte Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindung sind beispielsweise Löten, Schweißen, Crimpen, Einpressen, Schneid-Klemm-Verbin­ den, Wire-Bonden, Leitkleben oder ähnliches. Diese Verfahren weisen neben ihren Vorteilen eine Reihe von Nachteilen auf, wie beispielsweise die Belastung der zu ver­ bindenden Partner durch Temperatur (Löten, Schweißen . . . ), Krafteinwirkung (Ein­ pressen), Ablegierungserscheinungen beim Verbindungsprozeß, Umweltbelastung beim Herstellen der Verbindung bzw. beim Recyceln der entsprechenden Baugrup­ pen, schlechte Lösbarkeit der Verbindung beim Reparieren, bzw. beim Recyceln der Baugruppen, mangelnde Elastizität der Verbindung bei Relativbewegungen der Ver­ bindungspartner zueinander, sowie die zeitlichen und maschinellen Aufwendungen zum Herstellen der Verbindung, oder auch die mangelnde Dauerfestigkeit der Verbin­ dung (Leitkleber).

Bei der Fertigung von Baugruppen in der Halbleitertechnik wird heutzutage zuneh­ mend auf die Recycelfähigkeit einer ausgedienten Baugruppe geachtet. Hierbei wird insbesondere auf die einfache Trennung der Verbindungspartner, auf die Wiederver­ wendbarkelt der elektrischen und elektronischen Bauelemente, sowie auf die Wieder­ verwendung von für die elektrische Verbindung notwendigen Hilfsstoffen geachtet. In diesem Zusammenhang muß beispielsweise ein Verbot bestimmter Materialien, z. B. Blei, in bestimmten Ländern beachtet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine lösbare elektrische Verbindung bereit­ zustellen, bei deren Herstellung sowohl die elektrischen oder elektronischen Bauele­ mente als auch das Substrat keiner Temperaturbelastung unterworfen werden. Im Betrieb auftretende äußere Belastungen durch Kräfte auf Substrat und/oder elektro­ nisches Bauteil sowie eine Relativbewegung zwischen Substrat und elektronischem Bauteil z. B. aufgrund von unterschiedlichen Wärmeausdehnungen sollen zu keiner mechanischen Belastung der elektrischen Verbindung führen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Der Erfindung liegt die Erkenntis zugrunde, daß die gewünschten Anforderungen für die elektrische Verbindung durch folgenden Verbindungsaufbau gegeben sind:

Die jeweils zu einem Bauelement und einem Substrat gehörigen Kontaktiermittel wer­ den in einem vorbestimmten Abstand zueinander plaziert, weisen jeweils eine flächig ausgebildete hartmagnetisch und elektrisch leitende Schicht auf, die jeweils gegen­ überliegend entgegengesetzt magnetisch gepolt ist, wobei eine Vielzahl von magne­ tisch und elektrisch leitenden Leitpartikeln derart zwischehgelagert ist, daß der vorbe­ stimmte Abstand ausgefüllt wird. Durch den Kontakt der elektrisch leitenden Leltpartikel wird die elektrische Verbindung hergestellt. Eine derartige, aus einer Viel­ zahl von magnetischen Brücken bestehende elektrische Verbindung, ist mit vielen Vorteilen verbunden. So entfällt zunächst eine Temperaturbelastung der Verbin­ dungspartner im Gegensatz zu einer Löt- und/oder Schweißverbindung. Weiterhin lassen sich die im Stand der Technik genannten Nachteile eliminieren oder mildern. Eine beispielswiese im Betrieb der Bauelemente auftretende mechanische Belastung durch die starren elektrischen Verbindungen zum Substrat können durch die erfin­ dungsgemäße elektrische Verbindung unterbunden werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht die einheitliche Polung der hart­ magnetischen Schicht am Bauelement vor, so daß die Magnetisierung der entspre­ chenden Kontaktmittel durch ein einziges übergreifendes Magnetfeld geschehen kann. Dementsprechend muß die Polung der hartmagnetischen Schichten an den Kontaktiermitteln des Substrates ebenfalls einheitlich, aber entgegengesetzt sein.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht die teilweise oder vollständige Abdeckung der hartmagnetischen Schicht mit einer elektrisch leitenden Schicht vor, so daß ein elektrischer Kontakt mittelbar über die hartmagnetischen Schichten bzw. direkt zu darunterliegenden elektrischen Leitern (Leiterbahnen, Anschlußflecken, . . . ) herge­ stellt wird. Dieser Aufbau läßt den Einsatz von hartmagnetischen Schichten zu, die aus einem hartmagnetischen Material bestehen, das korrosionsanfällig oder nicht elektrisch leitend sein kann.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung betrifft den Aufbau der Leit­ partikel. Um beim Aufbau der Leitpartikel ebenfalls unabhängig von den Material­ kennwerten des magnetischen Kerns zu sein, werden die Leitpartikel mit einer elek­ trisch leitenden Umhüllung versehen. Diese ist derart ausgelegt, daß die Wirkung des magnetischen Kernes nach außen hin nicht beeinträchtigt wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprüchen entnommen werden.

Im folgenden wird anhand von schematischen Figuren ein Ausführungsbeispiel be­ schrieben.

Fig. 1 zeigt den Aufbau des Leltpartikels 5,

Fig. 2 zeigt die Schnittdarstellung einer lösbaren elektrischen Verbindung zwi­ schen einem Bauelement 13 und einem Substrat 14.

Die erfindungsgemäße lösbare elektrische Verbindung sieht vor, daß die elektrisch leitende Verbindung durch magnetische Partikel, im folgenden als Leitpartikel be­ zeichnet, zustande kommt. Diese Partikel weisen eine elektrisch gut leitende Oberflä­ che auf.

Die Fig. 1 zeigt einep Querschnitt eines solchen Leitpartikels 5. Der magnetische Kern 8 ermöglicht die Ausbildung von magnetischen Brücken im Einflußbereich von zwei entgegengesetzt gepolten hartmagnetischen Schichten 3, 4. Zur Herstellung der elektrischen Verbindung muß die Oberfläche eines Leitpartikels 5 elektrisch leitend sein, so daß durch die Aneinanderlagerung einer Vielzahl von Leitpartikeln 5 die elek­ trische Verbindung zustande kommt. Ist das Material des magnetischen Kernes 8 ein schlechter elektrischer Leiter, so ist es zweckmäßig, eine Umhüllung 9 um den ma­ gnetischen Kern eines Leitpartikels 5 zu legen, so daß eine elektrische Verbindung zuverlässig herstellbar ist. Ferromagnetische Partikel zum Einsatz als Leitpartikel 5 sind marktverfügbar. Sie können beispielsweise eine Größe von 0,02 µm oder größer aufweisen. Verfahren, mit denen solche Partikel mit einer gut leitenden, chemisch sta­ bilen Oberfläche versehen werden können, sind hinlänglich bekannt. Als Umhüllung 9 ist Gold besonders vorteilhaft. Die Leitpartikel 5 stellen die elektrisch leitende Ver­ bindung zwischen zwei gegenüberliegenden Kontaktiermitteln 1, 2 von einem elektro­ nischen Bauelement 13 und einem Substrat 14 her.

Die Kontaktiermittel 1, 2 sind folgendermaßen aufgebaut:

Auf einer elektrisch leitenden Grundschicht wie beispielsweise einer Leiterbahn 12 bzw. einem Anschlußflecken (Pad) 11, die in der Regel aus demselben Material beste­ hen wie zuführende Leiterbahnen, wird eine hartmagnetische Schicht 3, 4 aufge­ bracht. Dies kann beispielsweise durch Sputtern geschehen. So kann beispielsweise eine hartmagnetische Schicht aus Sm-T-Fe oder Sm-Co durch Sputtern bei Raum­ temperatur erzeugt werden. Eine derartige Schicht weist eine Koerzltivfeldstärke von bis zu 31 000 A/m sowie eine Remanenz von 0,4 Tesla auf. Je größer der Abstand 10 der Kontaktiermittel 1, 2 zueinander ist, desto größer ist die Remanenz, die erforder­ lich ist, damit sich die Leitpartikel 5 zu magnetischen Brücken zwischen den Kontak­ tiermitteln ausbilden. Über den hartmagnetischen Schichten 3, 4 befindet sich jeweils eine elektrisch leitende Schicht 6, 7. Diese kann ebenfalls durch Sputtern oder galva­ nisches Abscheiden aufgebracht werden. Die Magnetisierung der hartmagnetischen Schichten 3 auf der Bauelementseite erfolgt in dem Sinne, daß die beiden sich gegen­ überliegenden Kontaktiermittel unterschiedliche Polarität aufweisen. Auf der Sub­ stratseite liegt somit eine entgegengesetzte Polarisierung wie auf der Bauelementsei­ te vor. In dem Kraftlinienfeld zwischen den beiden Kontaktiermitteln 1, 2 bilden die magnetischen Leitpartikel magnetische Brücken aus, so daß neben der magneti­ schen Verbindung auch eine elektrisch leitende Verbindung jeweils über die Oberflä­ chen der Leltpartikel 5 zwischen den Kontaktiermitteln 1, 2 zustande kommt.

Die mechanische Verbindung der beiden Kontaktierpartner (Bauelement und Sub­ strat) kann im allgemeinen nicht durch die magnetischen Kräfte der beschriebenen Verbindung an den elektrischen Anschlüssen erfolgen. Hierfür ist es notwendig, daß die beiden Kontaktierpartner durch gegenseitige Arretierung gegeneinander ausge­ richtet und fixiert sind. Dies kann beispielsweise durch eine Klebung, durch mechani­ sches Einrasten, durch die Verwendung eines Niederhalters oder durch andere me­ chanische Verbindungsverfahren geschehen. Die hierbei aufzubringende Kraft ist im Verhältnis zu Verbindungsverfahren aus dem Stand der Technik vernachlässigbar klein.

In einer weiteren Ausführung kann man sich vorstellen, daß die magnetischen Leit­ partikel 5 in eine chemisch inerte (korrosionshemmende) Flüssigkeit eingebunden sind. Somit ist ein wirksamer Korrosionsschutz hergestellt. Weiterhin wird die Hand­ habung der Leitpartikel 5 verbessert, indem die Flüssigkeit reibungsmindernd wirkt.

Die reibungsmindernde Flüssigkeit wirkt sich auch vorteilhaft bei Relativbewegungen der Kontaktiermittel zueinander aus. Außerdem erschwert die Flüssigkeit, daß sich einzelne Leitpartikel 5 aus der Leitpartikelmenge zwischen den Kontaktiermitteln 1, 2 lösen. Derartige Flüssigkeiten sind beispielsweise Ester, Fluorcarbon oder ähnliche.

Dadurch wird die Aufbringung der Leitpartikel 5 mittels Dispenser möglich. Die Leit­ partikel 5 bzw. deren Kern 8 können beispielsweise aus Weicheisen bestehen. In die­ sem Fall haben sie weichmagnetischen Charakter, was damit verbunden ist, daß die Restmagnetisierung der Leitpartikel 5 nach Wegnahme eines äußeren Magnetfeldes, in diesem Fall dem zwischen den hartmagnetischen Schichten 3, 4, annähernd gleich Null ist.

Die hartmagnetischen Schichten 3, 4 können ebenfalls aus Ferriten bestehen. Dies sind keramische Materialien, die aus entsprechenden Komponenten gemischt sind, so daß ihr magnetisches Verhalten genau bestimmbar ist.

Die Herstellung einer lösbaren elektrischen Verbindung entsprechend der Erfindung kann wie folgt aussehen:

Auf ein Substrat mit magnetisierten Kontaktiermitteln werden die Leitpartikel durch Schütten auf das Substrat und Verteilen durch Hin- und Herschütteln des Substrates aufgebracht. Die überschüssigen Leitpartikel werden durch Abblasen oder Umdre­ hen des Substrates entfernt.

Das Aufbringen der in einer Flüssigkeit befindlichen Leitpartikel auf ein Substrat kann durch einen Dispenser oder durch Siebdrucken erfolgen.

Nach dem Aufbringen der Leitpartikel auf die Kontaktiermittel des Substrates können die elektronischen Bauelemente beispielsweise analog zum derzeitigen Bauteile-Be­ stücken montiert werden.

Die Vorteile der so hergestellten elektrischen Verbindung sind:

Das Herstellen der elektrischen Verbindung geschieht ohne thermische Belastung der Partner.

Die mechanische Belastung beim Herstellen der elektrischen Verbindung ist vernach­ lässigbar klein.

Die elektrische Verbindung ist elastisch und gleicht Höhendifferenzen und Relativbe­ wegungen zwischen gegenüberliegenden Kontaktiermitteln aus.

Die Herstellung der elektrischen Verbindung ist umweltfreundlich, da kein Blei ver­ wendet wird und ein Waschen von Flußmittelresten gegenüber beispielsweise Lötver­ bindungen nicht erforderlich ist. Eine ausgediente elektronische Baugruppe ist leicht recycelbar, da die Verbindungspartner leicht voneinander gelöst werden können. Die Leitpartikel einer ausgedienten elektronischen Baugruppe können wiederver­ wendet werden.

Die Bauelemente einer ausgedienten elektronischen Baugruppe können ohne Tem­ peraturbelastung separiert und einer Wieder- oder Weiterverwendung zugeführt wer­ den.

Die Reparatur einer elektronischen Baugruppe wird durch die leicht lösbare und ein­ fach wiederherstellbare elektrische Verbindung erleichtert.

Die elektrische Verbindung ist im Vergleich zu anisotropen Leitklebern hochstromfä­ hig.

Im Vergleich zu herkömmlichen Leitklebern unterliegt die elektrische Verbindung kei­ ner Alterung.

Claims (9)

1. Lösbare elektrische Verbindung zwischen korrespondierenden elektrischen Kontaktiermitteln (1, 2) elektronischer oder elektrischer Bauelemente (13) und einem Substrat (14), die jeweils derart dreidi­ mensional zueinander positioniert und fixiert sind, daß sich korrespondierende Kon­ taktiermittel (1, 2) mit ihren zu verbindenden Oberflächen in einem vorbestimmten Ab­ stand (10) gegenüberliegen, mit einer flächig ausgebildeten hartmagnetischen und elektrisch leitenden Schicht (3, 4) auf jedem Kontaktiermittel (1, 2), deren sich gegen­ überliegende Oberflächen jeweils magnetisch entgegengesetzt gepolt sind, und ei­ ner Vielzahl von aus einem magnetischen und elektrisch leitenden Material beste­ henden Leitpartikel (5), die zwischen korrespondierenden Kontaktiermitteln (1, 2) plaziert sind und den vorbestimmten Abstand (10) ausfüllen, wobei die Leitpartikel (5) aufgrund des von gegenüberliegenden hartmagnetischen Schichten (3, 4) erzeugten Magnetfeldes magnetische Brücken bilden und durch gegenseitigen Kontakt der Leit­ partikel (5) die elektrische Verbindung bilden.

2. Elektrische Verbindung nach Anspruch 1, worin die Polung der hartmagnetischen Schicht (3) für ein Bauelement an sämtlichen Kontaktiermitteln (1) gleich ist.

3. Elektrische Verbindung nach Anspruch 1 oder 2, worin über den hartmagnetischen Schichten (3, 4) zusätzlich eine elektrisch leitende Schicht (6, 7) aufgebracht ist, die einen elektrisch leitenden Kontakt mittelbar über die Schichten (3, 4) oder direkt zu darunterliegenden elektrischen Leitern aufweist.

4. Elektrische Verbindung nach Anspruch 3, worin die elektrisch leitende Schicht (6, 7) die äußere Oberfläche der hartmagnetischen Schicht (3, 4) vollständig bedeckt.

5. Elektrische Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Leitpartikel (5) aus einem magnetischen Kern (8) und einer elektrisch leitenden Um­ hüllung (9) bestehen.

6. Elektrische Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Leitpartikel (5) bzw. deren Kern (8) aus einem weichmagnetischen Material bestehen.

7. Elektrische Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin sich die Leitpartikel in einer Flüssigkeitsmatrix befinden.

8. Elektrische Verbindung nach Anspruch 6, worin die Flüssigkeit korrosionshem­ mend ist.

9. Elektrische Verbindung nach Anspruch 6 oder 7, worin die Flüssigkeit reibungsmin­ dernde Eigenschaften aufweist.