Besseres Wärmemanagement zur Verbesserung der Halbleiterverpackung

Da Mikrochips immer kleiner werden, müssen alle bei der Herstellung von Mikrochips verwendeten Verfahren neu gestaltet oder ersetzt werden, um mit noch kleineren und dünneren Schaltkreisen arbeiten und die Präzision erhöhen zu können. Dies gilt insbesondere für das „Advanced Packaging“. Unter Advanced Packaging versteht man den Produktionsschritt, bei dem einzelne integrierte Schaltkreise (sogenannte „Dies“) montiert, elektrisch mit einer Trägerplatte oder einer Leiterplatte verbunden und anschließend versiegelt werden.  

Grundlagen zu Flip-Chips

Eine der gängigen fortschrittlichen Verpackungstechnologien ist das „Flip-Chip“-Verfahren. Da dieses Verfahren gegenüber herkömmlichen Methoden wie der Drahtbindung einige Vorteile bietet, hat es in den letzten zehn Jahren zunehmend an Beliebtheit gewonnen. Zu diesen Vorteilen zählen Kosteneinsparungen, eine höhere Verpackungsdichte und eine verbesserte Zuverlässigkeit. 

Um Schaltungen für Flip-Chips vorzubereiten, werden zunächst kleine Erhebungen aus einem leitfähigen 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 der einzelne Chip aufgenommen, so gedreht, dass die Kontaktfläche nach unten zeigt, und auf die zu bestückende Leiterplatte gelegt. Bei dieser Leiterplatte handelt es sich in der Regel um eine Leiterplatte. Der Chip wird äußerst präzise ausgerichtet, sodass die Chip-Bumps mit den entsprechenden leitfähigen Pads (die nach oben zeigen) auf der Leiterplatte übereinstimmen. Die Chip-Bumps kommen dabei mit den Leiterplatten-Pads in Kontakt. 

Anschließend wird diese Baugruppe in den Ofen geschoben und auf eine Temperatur erhitzt, die über dem Schmelzpunkt des Lötzinns (oder des Materials der Bumps) liegt. Das Lötzinn schmilzt und haftet an den leitfähigen Kontaktflächen sowohl des Chips als auch der Leiterplatte, wodurch es „reflowt“. Schließlich kühlt der Ofen ab und das Lötzinn erstarrt, wodurch eine elektrische und mechanische Verbindung zwischen dem Chip und der Leiterplatte entsteht. 

Heißpressverbindung – Die Lösung für dünne Werkstücke

Der Flip-Chip-Prozess stößt zunehmend auf Probleme, da sowohl die ICs als auch die Leiterplatten immer dünner werden und die Größe der Lötperlen sowie der Abstand zwischen ihnen (der sogenannte „Pitch“) auf unter 100 μm schrumpfen. Insbesondere der Erwärmungszyklus kann zu Verformungen des ICs und der Leiterplatte führen. Ursachen für solche Verformungen sind Temperaturgradienten innerhalb dieser Bauteile während des Erwärmungszyklus sowie Abweichungen im Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) zwischen den verschiedenen Komponenten. 

Wenn die Verformung der Bauteile groß genug ist, kann es zu einer Fehlausrichtung zwischen dem Stanzwerkzeug und der Leiterplatte kommen. Dies kann zu einem offenen Stromkreis (fehlende Verbindung) oder in manchen Fällen zu einem Kurzschluss (Lötbrücken) führen. 

Das Thermokontaktieren (TCB) ist eine Technologie, die speziell zur Erweiterung der Funktionsmöglichkeiten von Flip-Chips entwickelt wurde. Insbesondere bietet TCB eine zuverlässigere Methode für die Massenmontage dünner Chips. 

Der Unterschied zwischen herkömmlicher Flip-Chip-Montage und TCB besteht darin, dass bei letzterem die Temperatur, die aufgebrachte Kraft sowie die Position und Ausrichtung von Chip und Substrat während des gesamten Prozesses mit sehr hoher Präzision aktiv überwacht und gesteuert werden. Jeder Prozessschritt wird vor dem Übergang zum nächsten Schritt überprüft. Dank all dieser Kontrollmaßnahmen ist die Verbindung hochwertiger und stabiler, und die Konsistenz zwischen den einzelnen Bauteilen ist höher.  

Die wichtigsten Komponenten des TCB-Systems, mit denen all dies erreicht wird, sind in der Abbildung dargestellt. Dazu gehören Linearservomotoren mit Luftlagerachsen, die den Chip mit einer Genauigkeit von 1 μm vertikal positionieren können. Außerdem gibt es eine Tip-Tilt-Einheit, die die Winkelposition festlegt, um die Koplanarität von Chip und Die zu gewährleisten. Sowohl der Heizer als auch der Kühler regeln präzise die Temperatur des Chips sowie die Geschwindigkeit, mit der diese Temperatur steigt oder sinkt. Ganz unten in diesem Bauteilstapel befindet sich ein Vakuumspannfutter oder eine Düse, die den Chip selbst fixiert. Darüber hinaus ist eine Reihe von Sensoren integriert, die während des gesamten Arbeitsvorgangs kontinuierlich die Temperatur, die ausgeübten Kräfte sowie die Position und Ausrichtung von Chip und Substrat überwachen. 

Das Heißpress-Verbindungssystem umfasst einen Schritt zur Festlegung der Position und Ausrichtung von Chip und Substrat, Heiz- und Kühlvorrichtungen zur Temperaturregelung von Chip und Substrat, eine Vakuumdüse zur Fixierung des Chips sowie verschiedene Sensoren und Bildverarbeitungssysteme (nicht dargestellt) zur Überwachung und Steuerung des Prozesses.  

Der Beginn des TCB-Prozesses entspricht dem herkömmlichen Flip-Chip-Verfahren. Das heißt, der Chip wird zunächst mit Lötperlen vorbereitet. Anschließend wird der Chip angehoben, auf die Leiterplatte ausgerichtet und dann nach unten abgesenkt, bis die Lötperlen Kontakt mit der Leiterplatte haben. Danach beginnt der Zyklus aus Erhitzen und Verschieben des Chips.  

Während das Lot schmilzt, bewegt sich der Stempel zunächst in Richtung der Leiterplatte, entfernt sich dann etwas von ihr und bewegt sich schließlich wieder auf die Leiterplatte zu. Auch die Temperatur und die ausgeübte Kraft variieren. All dies gewährleistet eine hervorragende Ausrichtung und Verbindung zwischen Stempel und Leiterplatte, eine gleichmäßige Lotnahthöhe sowie eine fehlerfreie Verbindung.

Coherent ist ein Unternehmen, das Materialien und fertige Komponenten für TCB-Düsen in vertikal integrierter Fertigung herstellt. Es kann Düsen in verschiedenen Größen und Formen sowie Düsen mit internen Elementen wie diesen 4H-SiC-Bauteilen produzieren.  

Hochwertige Werkstoffe für Düsen

Neben den Stufen, Heizelementen und Sensoren des TCB-Systems sind die Düsen ein weiterer wichtiger Faktor. Die Düsen erfüllen im Wesentlichen drei Funktionen. Erstens verfügen sie über verschiedene Öffnungen oder Kanäle für den Luftstrom und können so als Vakuumspannvorrichtung dienen. Zweitens sorgt sie während des gesamten Prozesses für die Ebenheit der Form (da das Vakuum die Teile fest an der Oberfläche hält). Und schließlich leitet sie Wärme weiter, damit die Heiz- und Kühlelemente des TCB-Systems die Temperatur der Form verändern können.

Um diese Anforderungen zu erfüllen, ist es ideal, die Düsen aus einem Material herzustellen, das mechanisch robust ist und sich gleichzeitig für die Fertigung sehr glatter und ebener Teile eignet. Nur so kann die Düse während des gesamten Prozesses fest und eben in der Form gehalten werden, auch wenn sich die auf die Form einwirkenden Kräfte ändern. 

Zudem muss das Material der Düse eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Denn so können Temperaturänderungen, die durch Heiz- und Kühlelemente verursacht werden, schnell an die Form weitergeleitet werden. Die Fähigkeit, die Temperatur der Form präzise zu regeln und eine schnelle Wärmeumwälzung zu gewährleisten, ist entscheidend für den Erfolg des Prozesses und die Minimierung der gesamten Produktionszeit.  

Es gibt kaum Materialien, die all diese Anforderungen erfüllen, doch Coherent stellt drei verschiedene Materialien her, aus denen jeweils fertige TCB-Düsen hergestellt werden können. Beidiesen Materialien handelt es sich um reaktionsgebundenes Siliziumkarbid(SiC), einkristallines SiC und polykristallinen Diamant. Jedes dieser Materialien weist einzigartige Eigenschaften und Vorteile auf, die in der Tabelle zusammengefasst sind.

Alle diese Materialien weisen im Vergleich zu anderen Stoffen eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, wobei Diamant die höchste Wärmeleitfähigkeit aller Materialien aufweist. Eine der Hauptmerkmale von reaktionsgebundenem SiC ist, dass sich die erforderlichen Durchgangsbohrungen oder inneren Kanäle unabhängig von ihrer Form problemlos 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 sie sichtbares Licht und Nahinfrarotstrahlung durchlassen. Dadurch können verschiedene Messtechniken zur Bestimmung der Ebenheit, Dicke und Parallelität der Endbauteile eingesetzt werden, was eine präzisere Fertigung ermöglicht.

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

Auch bei den Kosten für Düsen, die aus diesen drei Materialien hergestellt werden, gibt es Unterschiede. Da Düsen Verbrauchsmaterialien sind, die regelmäßig ausgetauscht werden müssen, ist dies ein wichtiger Aspekt.  

Coherent ist ein vertikal integrierter Hersteller von TCB-Düsen. Das Unternehmen führt den gesamten Prozess selbst durch, von der Herstellung der eigenen Werkstoffe bis hin zur Fertigung der fertigen Bauteile. Ein zentraler Bestandteil Coherent ist die Fähigkeit, äußerst ebene Oberflächen zu erzeugen, und das Unternehmen verfügt über eine umfangreiche Messausrüstung zur Überprüfung dieser Ebenheit. 

Erfahren Sie mehr über reaktionsgebundenes Siliziumkarbid(SiC), einkristallines SiC und polykristallinen Diamantvon Coherent.

Weiterführende Ressourcen