Ein besseres Wärmemanagement verbessert die Halbleiterverpackung

Die Mikroschaltkreise werden immer kleiner. Um mit kleineren, dünneren Schaltkreisen arbeiten zu können und eine höhere Präzision zu erzielen, müssen daher alle in der Herstellung verwendeten Prozesse umgerüstet oder ersetzt werden. Dies gilt insbesondere für das „Advanced Packaging“. Dabei handelt es sich um einen Produktionsschritt, bei dem einzelne integrierte Schaltkreise (sogenannte „Dies“) montiert und elektrisch mit dem Substrat oder der Leiterplatte verbunden und anschließend eingekapselt werden.  

Grundlagen der Flip-Chip-Technologie

Eine weit verbreitete, hochentwickelte Verpackungstechnologie ist „Flip-Chip“. Diese Methode hat in den letzten zehn Jahren zunehmend an Beliebtheit gewonnen, da sie gegenüber älteren Verfahren wie dem Drahtbonden mehrere Vorteile bietet. Zu diesen Vorteilen zählen geringere Kosten, eine höhere Packungsdichte und eine verbesserte Zuverlässigkeit. 

Um Schaltkreise für Flip-Chip-Anwendungen vorzubereiten, werden zunächst kleine Erhebungen aus leitendem Material – typischerweise Lot oder Gold – auf leitende Pads auf der Oberseite des Halbleiterwafers aufgebracht. Anschließend wird der Wafer in einzelne Chips zerschnitten (sogenannte „Die-Vereinzelung“).

Als Nächstes wird ein einzelner Chip aufgenommen, so gedreht, dass die Kontaktseite nach unten zeigt, und dann über dem Substrat positioniert, auf dem er montiert werden soll. Bei diesem Substrat handelt es sich in der Regel um eine Leiterplatte. Der Chip wird sehr präzise ausgerichtet, sodass die Höcker auf dem Chip mit den entsprechenden leitfähigen Pads auf dem Substrat (die nach oben zeigen) übereinstimmen. Die Chip-Höcker werden mit den Substrat-Pads in Kontakt gebracht. 

Diese Baugruppe wird dann in einen Ofen gegeben, wo sie auf eine Temperatur erhitzt wird, die über dem Schmelzpunkt des Höckermaterials (Lot oder anderes Material) liegt. Das Lot schmilzt, fließt zurück und haftet an den leitfähigen Pads auf dem Chip und dem Substrat. Beim Abkühlen des Ofens verfestigt sich das Höckermaterial und bildet sowohl elektrische als auch mechanische Verbindungen zwischen dem Chip und dem Substrat. 

Thermisches Kompressionsbonden – die Lösung für dünne Stanzformen

Der Flip-Chip-Prozess stößt an seine Grenzen, da sowohl die Schaltkreise als auch die Substrate immer dünner werden und sobald die Größe der Lötperlen und der Abstand zwischen ihnen (der sogenannte „Pitch“) unter 100 µm sinken. Insbesondere kann der Erwärmungszyklus zu einer Verformung von Schaltkreis und Substrat führen. Dies kann aufgrund von Temperaturgradienten zwischen diesen Komponenten während des Erwärmungszyklus und aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten der Teile auftreten. 

Wenn die Verformung des Bauteils groß genug ist, kann es zu einer Fehlausrichtung zwischen Chip und Substrat kommen. Dies kann zu offenen Schaltkreisen (keine Verbindung) oder in manchen Fällen sogar zu Kurzschlüssen (Lötkugelbrücken) führen. 

Das Thermo-Compression-Bonding (TCB) ist eine Technologie, die speziell die Möglichkeiten des Flip-Chip-Verfahrens erweitert. Insbesondere ermöglicht TCB eine zuverlässigere Anbringung von Chips in großen Stückzahlen. 

Der Unterschied zwischen herkömmlichem Flip-Chip-Bonden und TCB besteht darin, dass letzteres die Temperatur, die ausgeübte Kraft, die Position und die Ausrichtung des Chips zum Substrat während des gesamten Vorgangs aktiv und mit äußerst hoher Präzision überwacht und steuert. Das Ergebnis jedes Prozessschritts wird überprüft, bevor der nächste eingeleitet wird. All diese Kontrollen führen zu besseren, zuverlässigeren Verbindungen und einer höheren Konsistenz von Einheit zu Einheit.  

Die Hauptelemente des TCB-Systems, mit dem all dies erreicht wird, sind in der Zeichnung dargestellt. Dazu gehören lineare Servomotoren auf luftgelagerten Achsen, die das Die mit einer Genauigkeit von 1 µm vertikal positionieren können. Darüber hinaus erfolgt die Winkelpositionierung in einem Tip-Tilt-Schritt, um die Koplanarität von Chip und Die aufrechtzuerhalten. Sowohl eine Heizeinheit als auch eine Kühleinheit steuern präzise die Temperatur des Dies und die Geschwindigkeit, mit der die Temperatur ansteigt oder abfällt. Die Unterseite dieses Bauteilstapels bildet ein Vakuumspannfutter oder eine Düse, die das Die selbst hält. Eine Reihe eingebetteter Sensoren überwacht während des gesamten Vorgangs kontinuierlich die Temperatur, die ausgeübte Kraft sowie die Position und die Ausrichtung des Dies auf dem Substrat. 

Zu einem System für das Thermokompressionsbonden gehören die Prozessschritte des Positionierens und Ausrichtens des Chips auf dem Substrat, Heiz- und Kühlelemente zur Temperaturregelung, eine Vakuumdüse zum Halten des Chips sowie verschiedene Sensoren und optische Systeme (nicht dargestellt) zur Überwachung und Steuerung des Prozesses. 

Der TCB-Prozess beginnt genauso wie das herkömmliche Flip-Chip-Verfahren. Zunächst wird ein Chip mit Lötpads vorbereitet. Dann wird der Chip aufgenommen, am Substrat ausgerichtet und nach unten bewegt, bis die Lötpads Kontakt mit dem Substrat aufnehmen. Danach beginnt für den Chip der Zyklus aus Erwärmen und Verformen.  

Das Lot schmilzt, wobei der Chip zunächst in Richtung Substrat bewegt, dann leicht davon weg und schließlich wieder zum Substrat hin geführt wird. Auch die Temperatur und die ausgeübte Kraft werden dabei variiert. All diese Schritte sorgen für eine gute Ausrichtung und Verbindung von Chip und Substrat, eine gleichmäßige Höhe der Lötstellen und eine fehlerfreie Verbindung.

Coherent ein vertikal integrierter Hersteller von Werkstoffen und Endkomponenten für TCB-Düsen. Wir fertigen Düsen in verschiedenen Größen und Formen sowie mit internen Merkmalen wie dieser 4H-SiC-Komponente. 

Hochentwickelte Werkstoffe für Düsen

Neben den Prozessstufen, den thermischen Geräten und Sensoren des TCB-Systems ist die Düse ein weiteres entscheidendes Element. Sie erfüllt drei Schlüsselaufgaben. Erstens verfügt sie über verschiedene Öffnungen oder Kanäle für den Luftstrom, die es ihr ermöglichen, als Vakuumspannfutter zu dienen. Zweitens sorgt sie während des gesamten Prozesses für die Ebenheit der Form (da das Vakuum das Teil sicher an der Oberfläche hält). Schließlich leitet sie die Wärme weiter, damit die Heiz- und Kühlelemente des TCB-Systems die Temperatur der Form variieren können.

Um diese Anforderungen zu erfüllen, muss die ideale Düse aus einem mechanisch steifen Material bestehen, das sich sowohl zu sehr glatten als auch zu sehr flachen Teilen verarbeiten lässt. Dies ist erforderlich, um die Düse auch bei sich ändernden einwirkenden Kräften während des gesamten Prozesses fest und flach zu halten. 

Darüber hinaus muss das Düsenmaterial eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Dies gewährleistet, dass die durch die Heiz- und Kühleinheit ausgelösten Temperaturänderungen schnell auf die Form übertragen werden. Der Schlüssel zum Erfolg des Prozesses und zur Minimierung der Gesamttaktzeit liegt in der Fähigkeit, die Temperatur der Form präzise zu steuern und zyklisch schnell anzupassen.  

Nur sehr wenige Materialien erfüllen alle diese Anforderungen, doch Coherent drei davon her und fertigt daraus einsatzbereite TCB-Düsen. Diese Materialien sind: reaktionsgebundenes Siliziumkarbid (SiC), Einkristall-SiC und polykristalliner Diamant. Jedes weist spezifische Eigenschaften und Vorteile auf, die in der Tabelle zusammengefasst sind.

Alle diese Materialien weisen im Vergleich zu anderen Stoffen eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf – Diamant hat die höchste Wärmeleitfähigkeit aller Materialien. Ein wesentliches Merkmal von reaktionsgebundenem SiC ist, dass es problemlos mit allen erforderlichen Durchgangsöffnungen oder Kanälen hergestellt werden kann. Außerdem lässt es sich laserbearbeiten, wodurch ein sehr hoher Grad an Ebenheit und eine geringe Oberflächenrauheit erreicht werden.

Ein Vorteil von Diamant und einkristallinem SiC besteht darin, dass diese Materialien im Bereich des sichtbaren Lichts und des nahen Infrarotlichts durchlässig sind. Dies ermöglicht den Einsatz einer breiten Palette von Messtechniken zur Bestimmung der Ebenheit, Dicke und Parallelität der Endteile und damit Fertigungsverfahren mit höherer Präzision.

Polykristalliner Diamant und 6H-Einkristall-SiC sind elektrische Isolatoren. Diese Eigenschaft ist aus mehreren Gründen nützlich; unter anderem schützt sie den Halbleiter-Chip vor Beschädigungen durch elektrostatische Entladungen.

Auch die Preise der aus diesen drei Materialien hergestellten Düsen unterscheiden sich. Dies ist relevant, da Düsen Verschleißteile sind, die regelmäßig ausgetauscht werden müssen.  

Coherent ein vertikal integrierter Hersteller von TCB-Düsen. Die Integration reicht von der Entwicklung unserer eigenen Werkstoffe bis hin zur Fertigung der einsatzbereiten Teile. Ein wesentlicher Bestandteil unserer Fertigungskompetenz ist unsere Fähigkeit, sehr ebene Oberflächen herzustellen. Darüber hinaus verfügen wir über eine umfassende Messausrüstung, um diese Ebenheit auch zu überprüfen. 

Erfahren Sie mehr über reaktionsgebundenes Siliziumkarbid (SiC), Einkristall-SiC und polykristallinen Diamanten.

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