Eine Verbesserung des Wärmemanagements kann die Halbleiterverpackung optimieren

Angesichts der stetigen Verkleinerung von Mikroschaltungen müssen alle zu ihrer Herstellung verwendeten Verfahren angepasst oder ersetzt werden, um sie auf kleinere, dünnere Schaltungen anwenden zu können und eine höhere Präzision zu gewährleisten. Dies gilt insbesondere für den Bereich der „fortschrittlichen Verpackung“. In diesem Produktionsschritt werden die einzelnen integrierten Schaltkreise (sogenannte „Dies“) auf einer Trägerplatte oder Leiterplatte montiert und elektrisch verbunden, um anschließend verpackt zu werden.  

Grundlagen der Flip-Chip-Technologie

Eine weit verbreitete fortschrittliche Verpackungstechnik 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 zahlreiche Vorteile bietet. Zu diesen Vorteilen zählen geringere Kosten, eine höhere Packungsdichte und eine höhere Zuverlässigkeit. 

Zur Vorbereitung der Flip-Chip-Schaltung müssen zunächst kleine Erhebungen aus leitfähigem Material (in der Regel Lot oder Gold) auf die leitfähigen Anschlüsse auf der Oberseite des Halbleiterwafers aufgebracht werden. Anschließend wird der Wafer in einzelne Chips zerschnitten (sogenanntes „Die-Slicing“).

Anschließend wird ein einzelner Chip aufgenommen, so gedreht, dass die Kontaktfläche nach unten zeigt, und über dem Substrat platziert, auf dem er montiert werden soll. Bei diesem Substrat handelt es sich in der Regel um eine Leiterplatte. Der Chip wird äußerst präzise ausgerichtet, sodass die Kontaktpads auf dem Chip mit den entsprechenden (nach oben gerichteten) leitfähigen Kontaktflächen auf dem Substrat übereinstimmen. Die Kontaktpads des Chips werden mit den Kontaktflächen des Substrats in Kontakt gebracht. 

Anschließend wird die Baugruppe in den Ofen geschoben und auf eine Temperatur erhitzt, die über dem Schmelzpunkt des Lötzinns (oder eines der Bestandteile der Lötperlen) liegt. Das Lötzinn schmilzt und „reflowt“, wodurch es an den leitfähigen Kontaktflächen des Chips und der Leiterplatte haftet. Schließlich kühlt der Ofen ab, das Lötzinn verfestigt sich und bildet eine elektrische und mechanische Verbindung zwischen dem Chip und der Leiterplatte. 

Heißpressverbund – Lösungen für die Verpackung dünner Wafer

Da ICs und Leiterplatten immer dünner werden und die Abmessungen der Lötpads sowie die Abstände zwischen ihnen (die sogenannten Pitch-Abstände) auf unter 100 µm schrumpfen, stößt das Flip-Chip-Verfahren zunehmend auf Probleme. Konkret führen Erwärmungszyklen zu einer Verformung der ICs und Leiterplatten. Dies kann auf Temperaturgradienten zwischen diesen Bauteilen während der Erwärmungszyklen sowie auf unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) der einzelnen Komponenten zurückzuführen sein. 

Wenn die Verformung der Bauteile sehr stark ist, kann dies zu einer Fehlausrichtung zwischen dem Chip und der Leiterplatte führen. Dies kann zu einem offenen Stromkreis (fehlende Verbindung) oder in manchen Fällen sogar zu einem Kurzschluss (Brückenbildung zwischen den Lötkugeln) führen. 

Das Thermokontaktbonden (TCB) ist eine Technologie, die speziell zur Erweiterung der Funktionen von Flip-Chip-Bauteilen entwickelt wurde. Konkret bietet TCB eine zuverlässigere Methode für die Massenmontage dünner Wafer. 

Der Unterschied zwischen dem herkömmlichen Flip-Chip-Bonding und dem TCB-Verfahren besteht darin, dass bei letzterem die Temperatur, die aufgebrachte Kraft, die Position und die Ausrichtung des Wafer-Rohlings und des Substrats während des gesamten Prozesses mit höchster Präzision aktiv überwacht und gesteuert werden. Jeder einzelne Schritt des Prozesses wird überprüft, bevor der nächste Schritt ausgeführt wird. All diese Kontrollmaßnahmen führen zu besseren und zuverlässigeren Bond-Ergebnissen sowie zu einer höheren Konsistenz zwischen den einzelnen Anlagen.  

Die Hauptkomponenten des TCB-Systems, das all diese Aufgaben erfüllt, sind in der Abbildung dargestellt. Dazu gehören Linearservomotoren auf Luftlagerachsen, die in der Lage sind, Wafer mit einer Genauigkeit von 1 µm vertikal zu positionieren. Außerdem gibt es eine neigbare Plattform zur Winkelpositionierung, um die Koplanarität von Chip und Wafer zu gewährleisten. Heiz- und Kühlvorrichtungen ermöglichen eine präzise Steuerung der Wafer-Temperatur sowie der Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeit.Am Boden dieser Anordnung befindet sich ein Vakuumsauger oder eine Düse, mit der der Wafer selbst fixiert wird. Außerdem ist eine Reihe von Sensoren eingebaut, die während des gesamten Vorgangs die Temperatur, die aufgebrachte Kraft sowie die Position und Ausrichtung des Wafers und des Substrats kontinuierlich überwachen. 

Das Heißpress-Bond-System umfasst eine Plattform zur Positionierung und Ausrichtung der Wafer und Substrate, Heiz- und Kühlvorrichtungen zur Temperaturregelung, Vakuumdüsen zur Aufnahme der Wafer sowie verschiedene Sensoren und Bildverarbeitungssysteme (nicht abgebildet) zur Überwachung und Steuerung des Prozesses. 

Der Startvorgang des TCB-Verfahrens entspricht dem herkömmlichen Flip-Chip-Verfahren. Das heißt, es wird ein Wafer mit Lötpads hergestellt. Anschließend wird der Wafer aufgenommen, auf das Substrat ausgerichtet und abgelegt, bis die Lötpads Kontakt mit dem Substrat haben. Danach beginnt der Zyklus aus Erhitzen und Bewegen des Wafers.  

Wenn das Lot schmilzt, bewegt sich der Chip zunächst auf das Substrat zu, dann etwas von diesem weg und schließlich wieder zurück zum Substrat. Auch die Temperatur und die ausgeübte Kraft variieren. All dies gewährleistet eine gute Ausrichtung und Verbindung zwischen Chip und Substrat, eine gleichmäßige Lotkugelhöhe sowie eine fehlerfreie Verbindung.

Coherent vertikal integrierter Hersteller, der sowohl TCB-Düsenmaterialien als auch fertige Bauteile liefert. Wir können Düsen in verschiedenen Größen und Formen mit inneren Merkmalen herstellen, wie beispielsweise dieses 4H-SiC-Bauteil. 

Moderne Werkstoffe für Düsen

Neben der Plattform, den Heizelementen und den Sensoren im TCB-System ist die Düse ein weiterer wichtiger Bestandteil. Sie erfüllt drei wesentliche Funktionen. Erstens verfügt sie über verschiedene Luftkanäle oder -öffnungen, wodurch sie als Vakuumsauger fungieren kann. Zweitens sorgt sie während des gesamten Prozesses für die Ebenheit des Wafers (da das Vakuum die Bauteile fest an seiner Oberfläche hält). Und schließlich leitet sie Wärme weiter, sodass die Heiz- und Kühlelemente im TCB-System die Temperatur des Wafers verändern können.

Um diese Anforderungen zu erfüllen, muss die ideale Düse aus einem mechanisch steifen Material bestehen, aus dem sich sehr glatte und ebene Teile herstellen lassen. Dies ist notwendig, um das Wafer fest zu fixieren und während des gesamten Prozesses seine Ebenheit zu gewährleisten, selbst wenn sich die auf das Wafer einwirkenden Kräfte ändern. 

Zudem muss das Material der Düsen eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Dadurch wird sichergestellt, dass die durch Heiz- und Kühlelemente verursachten Temperaturänderungen schnell auf den Wafer übertragen werden. Die Fähigkeit, die Temperatur des Wafers präzise zu steuern und ihn schnellen Temperaturwechseln auszusetzen, ist entscheidend für den Erfolg des Prozesses und die Minimierung der Gesamttaktzeit.  

Es gibt nur wenige Materialien, die all diese Anforderungen erfüllen, doch Coherent , drei verschiedene Materialien herzustellen, aus denen jeweils fertige TCB-Düsen gefertigt werden können. Dabei handelt es sich umreaktionsgesintertes Siliziumkarbid (SiC),einkristallines Siliziumkarbidund polykristallinen Diamant. Jedes dieser Materialien weist spezifische Eigenschaften und Vorteile auf, die in der folgenden Tabelle zusammengefasst sind.

Im Vergleich zu anderen Materialien weisen alle diese Werkstoffe eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf – Diamant hat dabei die höchste Wärmeleitfähigkeit aller Materialien. Ein wesentliches Merkmal von reaktionsgesintertem Siliziumkarbid ist, dass sich darin problemlos beliebige Durchgangsbohrungen oder Innenkanäle herstellen lassen. Darüber hinaus lassen sich durch Laserbearbeitung eine sehr hohe Ebenheit und eine geringe Oberflächenrauheit erzielen.

Diamant und einkristallines Siliziumkarbid zeichnen sich dadurch aus, dass sie im sichtbaren und nahen Infrarotbereich lichtdurchlässig sind. Dies ermöglicht den Einsatz verschiedener Messverfahren zur Bestimmung der Ebenheit, Dicke und Parallelität der Fertigteile und sorgt so für eine höhere Fertigungsgenauigkeit.

Polykrystalliner Diamant und 6H-Einkristall-Siliziumkarbid sind elektrische Isolatoren. Diese Eigenschaft findet vielfältige Anwendung, unter anderem zum Schutz von Halbleiter-Wafern vor Beschädigungen durch elektrostatische Entladungen (ESD).

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

Coherent vertikal integrierter Hersteller von TCB-Düsen. Wir beginnen mit der Entwicklung unserer eigenen Materialien und reichen bis hin zur Fertigung der fertigen Bauteile. Ein wesentlicher Bestandteil unserer Fertigungskompetenz ist unsere Fähigkeit, äußerst ebene Oberflächen herzustellen, und wir verfügen über eine Vielzahl von Messgeräten, um diese Ebenheit zu überprüfen. 

Erfahren Sie mehr überreaktionsgesintertes Siliziumkarbid (SiC),einkristallines Siliziumkarbid undpolykristallinen Diamant Coherent .

Relevante Ressourcen