Ein besseres Wärmemanagement verbessert Halbleiter

Da sich die Mikroschaltungen immer weiter verkleinern, müssen alle zu ihrer Herstellung verwendeten Verfahren angepasst oder ersetzt werden, um mit kleineren, dünneren Schaltungen arbeiten zu können und Präzision höhere Präzision zu gewährleisten. Dies gilt insbesondere für das „Advanced Packaging“. Dabei handelt es sich um den Produktionsschritt, bei dem einzelne integrierte Schaltungen (sogenannte „Dies“) auf einem Substrat oder einer Leiterplatte montiert und elektrisch verbunden und anschließend gekapselt werden.  

Grundlagen zu Flip-Chips

Eine weit verbreitete fortschrittliche Verpackungstechnologie ist das sogenannte „Flip-Chip“-Verfahren. 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 Verpackungsdichte und eine verbesserte Zuverlässigkeit. 

Zur Vorbereitung der Schaltkreise für die Flip-Chip-Montage werden zunächst kleine Erhebungen aus leitfähigem Material – in der Regel Lot oder Gold – auf die leitfähigen Pads auf der Oberseite des Halbleiter aufgebracht. Anschließend wird der Wafer in einzelne Chips zerschnitten (sogenannte „Die-Singulation“).

Anschließend wird ein einzelner Chip aufgenommen, so gedreht, dass die Kontaktseite nach unten zeigt, und 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 Kontaktperlen auf dem Chip mit den entsprechenden leitfähigen Kontaktflächen auf dem Substrat (die nach oben zeigen) übereinstimmen. Die Kontaktperlen des Chips werden mit den Kontaktflächen des Substrats in Kontakt gebracht. 

Diese Baugruppe wird anschließend in einen Ofen gegeben, wo sie auf eine Temperatur über dem Schmelzpunkt des Lötzinns (oder des Materials, aus dem die Bumps bestehen) erhitzt wird. Das Lötzinn schmilzt und „fließt“ zurück, wobei es an den leitfähigen Kontaktflächen sowohl auf dem Chip als auch auf dem Substrat haftet. Schließlich kühlt der Ofen ab, und das Lötzinn erstarrt, wodurch sowohl elektrische als auch mechanische Verbindungen zwischen dem Chip und dem Substrat entstehen. 

Thermisches Pressverbinden – die Lösung für dünne Chips

Der Flip-Chip-Prozess stößt auf Schwierigkeiten, wenn sowohl die ICs als auch die Substrate dünner werden und die Größe der Lötperlen sowie der Abstand zwischen ihnen (der sogenannte Pitch) unter 100 µm sinken. Insbesondere kann der Erwärmungszyklus zu Verformungen des ICs und des Substrats führen. Dies kann durch Temperaturgradienten über diese Komponenten hinweg während des Erwärmungszyklus sowie durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) der verschiedenen Teile verursacht werden. 

Wenn die Verformung des Bauteils stark genug ist, kann dies zu einer Fehlausrichtung zwischen der Gussform und dem Substrat führen. Dies kann zu Unterbrechungen (fehlende Verbindung) oder in manchen Fällen sogar zu Kurzschlüssen (Brückenbildung durch Lötkugeln) führen. 

Das Thermo-Compression-Bonding (TCB) ist eine Technologie, die speziell entwickelt wurde, um die Möglichkeiten des Flip-Chip-Verfahrens zu erweitern. Insbesondere bietet TCB eine zuverlässigere Methode für die Massenmontage dünner Chips. 

Der Unterschied zwischen dem herkömmlichen Flip-Chip-Bonden und dem TCB-Verfahren besteht darin, dass bei Letzterem Temperatur, Aufbringkraft, Position und Ausrichtung des Chips und des Substrats während des gesamten Vorgangs aktiv und mit extrem hoher Präzision überwacht und gesteuert werden. Jeder Prozessschritt wird überprüft, bevor der nächste durchgeführt wird. All diese Kontrollmaßnahmen führen zu besseren, zuverlässigeren Verbindungen und einer höheren Einheit-zu-Einheit-Konsistenz.  

Die Hauptkomponenten des TCB-Systems, das zur Umsetzung all dieser Aufgaben eingesetzt wird, sind in der Zeichnung dargestellt. Dazu gehören lineare Servomotoren auf Luftlagerachsen, die den Chip vertikal mit einer Präzision 1 µm positionieren können. Außerdem ist ein Tip-Tilt-Tisch für die Winkelpositionierung vorhanden, um die Koplanarität von Chip und Substrat aufrechtzuerhalten. Sowohl eine Heizung als auch ein Kühler regeln präzise die Temperatur des Chips sowie die Geschwindigkeit, mit der diese Temperatur ansteigt oder abfällt. Am unteren Ende dieses Bauteilstapels befindet sich ein Vakuumspannfutter oder eine Düse, die den Chip selbst hält. Eine Reihe von Sensoren ist eingebettet, um während des gesamten Vorgangs kontinuierlich die Temperatur, die ausgeübte Kraft, die Position und die Ausrichtung des Chips und des Substrats zu überwachen. 

Ein thermisches Kompressionsbonding-System umfasst Vorrichtungen zum Positionieren und Ausrichten des Chips und des Substrats, Heiz- und Kühlvorrichtungen zur Temperaturregelung, eine Vakuumdüse zum Halten des Chips sowie verschiedene Sensoren und Bildverarbeitungssysteme (nicht dargestellt) zur Überwachung und Steuerung des Prozesses. 

Der TCB-Prozess beginnt genauso wie das herkömmliche Flip-Chip-Verfahren. Das heißt, ein Chip wird mit Lötperlen versehen. Anschließend wird der Chip aufgenommen, auf das Substrat ausgerichtet und abgesenkt, bis die Lötperlen Kontakt mit dem Substrat herstellen. Danach beginnt der Zyklus aus Erwärmung und Chipbewegung.  

Während das Lot schmilzt, wird der Chip zunächst auf das Substrat zu bewegt, dann leicht davon weg und schließlich wieder auf das Substrat zu. Auch die Temperatur und die ausgeübte Kraft werden variiert. All dies gewährleistet eine gute Ausrichtung und Verbindung zwischen Chip und Substrat, eine gleichmäßige Höhe der Lötstelle sowie eine fehlerfreie Verbindung.

Coherent ein vertikal integrierter Hersteller von Werkstoffen und Fertigteilen für TCB-Düsen. Wir können Düsen in einer Vielzahl von Größen und Formen sowie mit inneren Strukturen fertigen, wie beispielsweise dieses 4H-SiC-Bauteil. 

Hochleistungswerkstoffe für Düsen

Neben den Stufen, den thermischen Bauteilen und den Sensoren im TCB-System ist die Düse ein weiteres entscheidendes Element. Sie erfüllt drei wesentliche Funktionen. Erstens verfügt sie über verschiedene Öffnungen oder Kanäle für den Luftstrom, wodurch sie als Vakuumspannvorrichtung fungiert. Zweitens sorgt sie während des gesamten Prozesses für die Ebenheit der Form (da das Vakuum das Werkstück fest an deren Oberfläche hält). Und schließlich leitet sie Wärme weiter, damit die Heiz- und Kühlelemente im TCB-System die Temperatur der Form regulieren können.

Um diese Anforderungen zu erfüllen, muss die ideale Düse aus einem mechanisch stabilen Material gefertigt sein, aus dem sich Teile herstellen lassen, die sowohl sehr glatt als auch eben sind. Dies ist notwendig, um die Matrize fest zu halten und während des gesamten Prozesses eben zu halten, auch wenn sich die auf sie einwirkenden Kräfte ändern. 

Zudem muss das Material der Düse Wärmeleitfähigkeit hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Dadurch wird sichergestellt, dass die durch die Heiz- und Kühlvorrichtungen ausgelösten Temperaturänderungen schnell auf die Form übertragen werden. Die Fähigkeit, die Temperatur der Form präzise zu steuern – und sie schnell thermisch zu zyklisieren – ist entscheidend für den Erfolg des Prozesses und für die Minimierung der Gesamt-Taktzeit.  

Es gibt nur sehr wenige Werkstoffe, die all diese Anforderungen erfüllen, doch Coherent drei verschiedene Coherent und kann aus jedem davon fertige TCB-Düsen herstellen. Dabei handelt es sich um reaktionsgebundenes Siliziumkarbid (SiC), einkristallines SiC und polykristallinen Diamant. Jeder dieser Werkstoffe weist spezifische Eigenschaften und Vorteile auf, die in der Tabelle zusammengefasst sind.

Alle diese Materialien weisen Wärmeleitfähigkeit Vergleich zu anderen Stoffen Wärmeleitfähigkeit hohe Wärmeleitfähigkeit auf – Diamant hat die höchste Wärmeleitfähigkeit Materialien. Ein wesentliches Merkmal von reaktionsgebundenem SiC ist, dass es problemlos mit beliebigen Durchgangslöchern oder inneren Kanälen hergestellt werden kann. Zudem lässt es sich laserbearbeiten, um eine sehr hohe Ebenheit und eine geringe Oberflächenrauheit zu erzielen.

Ein Vorteil sowohl von Diamant als auch von einkristallinem SiC besteht darin, dass sie im sichtbaren und nahen Infrarotbereich lichtdurchlässig sind. Dadurch kann eine Vielzahl von Messverfahren zur Bestimmung der Ebenheit, Dicke und Parallelität des fertigen Bauteils eingesetzt werden, was Präzision höherer Präzision ermöglicht.

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

Auch bei den Kosten für Düsen, die aus diesen drei Materialien hergestellt werden, gibt es Unterschiede. Dies ist wichtig, da Düsen Verbrauchsmaterialien sind, die regelmäßig ausgetauscht werden müssen.  

Coherent ein vertikal integrierter Hersteller von TCB-Düsen. Wir beginnen mit der Herstellung unserer eigenen Werkstoffe und begleiten den gesamten Prozess bis hin zur Fertigung der Endprodukte. Ein wesentlicher Bestandteil unserer Fertigungskapazitäten ist unsere Fähigkeit, äußerst ebene Oberflächen zu erzeugen, und wir verfügen über umfangreiche Messtechnik, um diese Ebenheit zu überprüfen. 

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

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