Verbesserung der Halbleiterverpackung durch ein besseres Wärmemanagement

Angesichts der fortschreitenden Miniaturisierung von Mikroschaltungen müssen alle bei der Herstellung eingesetzten Verfahren neu konzipiert oder ersetzt werden, um bei immer kleineren und dünneren Schaltungen eine höhere Präzision zu gewährleisten. Dies gilt insbesondere für die „fortschrittliche Verpackung“, also den Fertigungsprozess, bei dem einzelne integrierte Schaltkreise (sogenannte „Chips“) auf einer Leiterplatte oder einem Substrat montiert, elektrisch verbunden und anschließend versiegelt werden.

Grundlagen des Flip-Chip-Verfahrens

Eine der weit verbreiteten modernen Verpackungstechnologien ist das sogenannte „Flip-Chip“-Verfahren. Da dieses Verfahren im Vergleich zu älteren Methoden wie dem Drahtbonden einige Vorteile bietet, hat es sich in den letzten zehn Jahren weit verbreitet. Zu diesen Vorteilen zählen Kostensenkungen, eine höhere Packungsdichte und eine verbesserte Zuverlässigkeit. 

Um Schaltungen für Flip-Chips vorzubereiten, werden zunächst kleine Erhebungen aus leitfähigem Material (in der Regel Lot oder Gold) auf die leitfähigen Pads auf der Oberseite des Halbleiterwafers aufgebracht. Anschließend wird der Wafer in einzelne Chips zerschnitten (dies wird als „Die-Singulation“ bezeichnet).

Anschließend wird jeder einzelne Chip aufgenommen, so gedreht, dass die Kontaktfläche nach unten zeigt, und auf die Montageplatine gelegt. Bei dieser Platine handelt es sich in der Regel um eine Leiterplatte. Der Chip wird äußerst präzise ausgerichtet, sodass die Bumps auf dem Chip genau mit den entsprechenden leitfähigen Pads (nach oben gerichtet) auf der Platine übereinstimmen. Die Chip-Bumps werden mit den Pads auf der Platine in Kontakt gebracht. 

Anschließend wird diese Baugruppe in den Ofen geschoben und auf eine Temperatur erhitzt, die über dem Schmelzpunkt des Lötzinns (oder des Materials, aus dem die Bumps bestehen) liegt. Das Lötzinn schmilzt und „reflowt“, wodurch es sich an die leitfähigen Pads sowohl des Chips als auch der Leiterplatte anlegt. Nach dem Abkühlen des Ofens verfestigt sich das Lötzinn, wodurch eine elektrische und mechanische Verbindung zwischen dem Chip und der Leiterplatte entsteht. 

Thermisches Kompressionsbonden – Die Lösung für flache Chips

Bei der Flip-Chip-Montage treten Probleme auf, sobald sowohl der IC als auch die Leiterplatte dünner werden und die Größe sowie der Abstand (der sogenannte „Pitch“) der Lötperlen unter 100 μm liegen. Konkret kann es durch die Erwärmungszyklen zu Verformungen des ICs und der Leiterplatte kommen. Dies wird durch Temperaturgradienten zwischen den Bauteilen während der Erwärmungszyklen sowie durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) der verschiedenen Bauteile verursacht. 

Wenn die Verformung der Bauteile relativ stark ist, kann es zu einer Verschiebung zwischen der Stanzform und der Leiterplatte kommen. Dies kann zu einem offenen Stromkreis (fehlende Verbindung) oder in manchen Fällen zu einem Kurzschluss (Brückenbildung durch Lötkugeln) führen. 

Das Thermokompressionsbonden (TCB: Thermo-Compression Bonding) ist eine Technologie, die speziell zur Erweiterung der Funktionen von Flip-Chips entwickelt wurde. Konkret handelt es sich bei TCB um ein Verfahren, das eine zuverlässigere Massenmontage dünner Chips ermöglicht. 

Der Unterschied zwischen herkömmlichem Flip-Chip-Bonden und TCB besteht darin, dass bei TCB die Temperatur von Chip und Leiterplatte sowie die ausgeübte Kraft, die Position und die Ausrichtung während des gesamten Prozesses mit äußerst hoher Präzision aktiv überwacht und gesteuert werden. Jeder Schritt des Verfahrens wird überprüft, bevor der nächste Schritt eingeleitet wird. Durch diese umfassende Steuerung werden hochwertigere und zuverlässigere Verbindungen erzielt und die Konsistenz zwischen den einzelnen Einheiten verbessert.

Die Abbildung zeigt die Hauptkomponenten des TCB-Systems, das zur Umsetzung dieser Anforderungen eingesetzt wird. Dazu gehört ein Linearservomotor mit Luftlagerachse, der den Chip mit einer Genauigkeit von 1 μm vertikal positionieren kann. Außerdem ist ein Chip-Kippstativ zur Winkelpositionierung vorhanden, um die Koplanarität von Chip und Chip zu gewährleisten. Heiz- und Kühlvorrichtungen regeln präzise sowohl die Temperatur des Chips als auch dessen Temperaturanstiegs- bzw. -abfallgeschwindigkeit.Am unteren Ende dieses Bauteilstapels befindet sich ein Vakuumspanner oder eine Düse, die den Chip selbst hält. Außerdem ist eine Reihe von Sensoren integriert, die die Temperatur von Chip und Substrat, die ausgeübte Kraft sowie die Position und die geometrische Anordnung kontinuierlich überwachen. 

Ein thermisches Kompressionsbonding-System umfasst einen Tisch zur Positionierung und Ausrichtung von Chip und Substrat, Heiz- und Kühlvorrichtungen zur Temperaturregelung, eine Vakuumdüse zur Halterung des Chips sowie verschiedene Sensoren und Bildverarbeitungssysteme (nicht abgebildet) zur Überwachung und Steuerung des Prozesses. 

Der TCB-Prozess beginnt genauso wie das herkömmliche Flip-Chip-Verfahren. Das heißt, es wird ein Chip mit Lötperlen vorbereitet. Anschließend wird der Chip aufgenommen, auf der Leiterplatte ausgerichtet und abgesenkt, bis die Lötperlen Kontakt mit der Leiterplatte haben. Danach beginnt der Zyklus aus Erhitzen und Bewegen des Chips.

Während das Lot schmilzt, bewegt sich der Chip zunächst auf die Leiterplatte zu, entfernt sich dann geringfügig von ihr und kehrt schließlich wieder auf die Leiterplatte zurück. Zudem werden die Temperatur und die ausgeübte Kraft variiert. Dadurch werden eine gute Ausrichtung und Verbindung zwischen Chip und Leiterplatte, eine gleichmäßige Lötverbindungshöhe sowie eine fehlerfreie Verbindung gewährleistet.

Coherent ist ein vertikal integrierter Hersteller, der sowohl die Materialien für TCB-Düsen als auch die fertigen Komponenten liefert. Wir sind in der Lage, Düsen in verschiedenen Größen, Formen und mit unterschiedlichen inneren Strukturen herzustellen, wie die in der Tabelle aufgeführten 4H-SiC-Komponenten zeigen. 

Spitzenmaterialien für Düsen

Neben der Bühne, den Heizelementen und den Sensoren sind die Düsen ein weiterer wichtiger Bestandteil des TCB-Systems. Sie erfüllen drei wesentliche Funktionen: Erstens verfügen sie über verschiedene Öffnungen und Kanäle für den Luftstrom, sodass sie als Vakuumspannvorrichtung dienen können. Zweitens gewährleisten sie die Ebenheit des Wafers während des gesamten Bearbeitungsprozesses (da das Bauteil durch das Vakuum sicher an der Oberfläche gehalten wird). Und schließlich leiten die Heiz- und Kühlelemente des TCB-Systems Wärme weiter und beeinflussen so die Temperatur des Wafers.

Um diese Anforderungen zu erfüllen, muss die ideale Düse aus einem mechanisch hochfesten Material gefertigt sein, das die Herstellung äußerst glatter und ebener Teile ermöglicht. Dies ist notwendig, damit die Düse während des gesamten Bearbeitungsprozesses fest gehalten wird und ihre Ebenheit beibehält, auch wenn die auf sie einwirkenden Kräfte schwanken. 

Darüber hinaus muss das Material der Düse eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Dadurch werden die durch Heiz- und Kühlelemente verursachten Temperaturänderungen schnell auf den Chip übertragen. Die Fähigkeit, die Temperatur des Chips präzise zu regeln und schnelle Temperaturwechsel durchzuführen, ist entscheidend für den Erfolg des Verarbeitungsprozesses und die Minimierung der Gesamtdurchlaufzeit.

Es gibt kaum Materialien, die alle diese Anforderungen erfüllen, doch Coherent stellt drei verschiedene Materialien her, aus denen sich fertige TCB-Düsen herstellen lassen. Bei diesen Materialienhandelt es sich umreaktionsgebundenes Siliziumkarbid(SiC),einkristallines SiCundpolykristallinen Diamant. Die jeweiligen Eigenschaften und Vorteile sind in der Tabelle zusammengefasst.

Alle diese Materialien weisen im Vergleich zu anderen Stoffen eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, wobei Diamant die höchste Wärmeleitfähigkeit aller Materialien aufweist. Ein wesentliches Merkmal von reaktionsgebundenem SiC ist, dass sich die erforderlichen Durchgangsbohrungen und inneren Kanäle leicht herstellen lassen. Zudem lassen sich durch Laserbearbeitung eine sehr hohe Ebenheit und eine geringe Oberflächenrauheit erzielen.

Der Vorteil von Diamant und einkristallinem SiC besteht darin, dass beide Materialien sichtbares Licht und Nahinfrarotstrahlung durchlassen. Dadurch können für die Messung der Ebenheit, Dicke und Parallelität der Endprodukte vielfältige Messtechniken eingesetzt werden, was eine Fertigung mit höherer Präzision ermöglicht.

Polykristalliner Diamant und 6H-Einkristall-SiC sind elektrische Isolatoren. Diese Eigenschaft ist aus verschiedenen Gründen von Nutzen, beispielsweise zum Schutz von Halbleiterchips vor Schäden durch elektrostatische Entladungen (ESD).

Auch bei den Kosten für die aus diesen drei Materialien hergestellten Düsen gibt es Unterschiede. Da Düsen regelmäßig ausgetauschte Verschleißteile sind, ist dies ein wichtiger Aspekt.

Coherent ist ein vertikal integrierter Hersteller von TCB-Düsen. Wir decken den gesamten Prozess ab, angefangen bei der Herstellung unserer eigenen Werkstoffe bis hin zur Fertigung der fertigen Bauteile. Ein wesentlicher Bestandteil unserer Fertigungskapazitäten ist die Fähigkeit, äußerst ebene Oberflächen zu erzeugen, und wir verfügen über ein umfangreiches Messinstrumentarium zur Überprüfung dieser Ebenheit. 

Erfahren Sie mehr überreaktionsgebundenes Siliziumkarbid(SiC),einkristallines SiCundpolykristallinen Diamantvon Coherent.

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