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Die
Erfindung betrifft Halbleiter-Wafer und Chips, die elektrische Kontaktelemente
aufweisen. Insbesondere betrifft die Erfindung den Schutz solcher
Kontaktelemente vor Oxidation oder anderen Umwelteinflüssen.
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Chips
und auch bereits Wafer weisen elektrische Kontaktelemente wie beispielsweise
Kontaktpads oder Lotkugeln auf, über
welche der Chip elektrisch mit seiner Umgebung in Kontakt gebracht
wird. Dabei erschwert eine Oxidation oder andere durch Umwelteinflüsse verursachten
Veränderungen
derartiger Kontaktelemente den Ankontaktierungs-Schritt und kann
eine Verminderung der elektrischen und/oder mechanischen Kontaktqualität bewirken.
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Derartige
Schwierigkeiten können
vermieden werden, wenn der Ankontaktierungs- oder Bond-Prozess unter
Schutz- bzw. Formiergasatmosphäre
durchgeführt
wird. In diesem Fall tritt keine Oxidbildung an der Oberfläche des
Kontaktelements auf. Allerdings erfordert die Chip-Kontaktierung
unter Einsatz eines Schutz- bzw. Formiergases eine aufwändige Prozessführung und
weist darüber
hinaus Zuverlässigkeitsprobleme
auf.
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Eine
weitere konventionelle Möglichkeit
zur Vermeidung von Oxidationsprozessen auf Kontaktelementen besteht
darin, diese mit einer Metallschicht, z. B. aus Nickel, zu plattieren,
die eine geringere Oxidationsneigung hat und als Sauerstoffbarriere
dient. Bei dieser Vorgehensweise kommt es zur Ausbildung von intermetallischen
Legierungen im Kontaktbereich, wodurch unerwünschte Effekte auftreten können.
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Die
Druckschrift
US
2006/0 094 223 A1 offenbart ein auf einem Halbleiterchip
angeordnetes Lotkugelelement, welches mit einer organischen Schutzschicht
bedeckt ist. Bevor der Halbleiterchip mit einem Substrat verlötet wird,
wird die organische Schutzschicht mit Hilfe eines Lösungsmittels
vom Lotkugelelement entfernt.
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Die
Druckschrift
DE 103
18 078 B4 offenbart eine 3D-Struktur, die mit einer organischen
Schutzschicht bedeckt ist. Die Schutzschicht verdampft während eines
Verlötens
der 3D-Struktur
mit einem Lotmaterial. Die Schutzschicht verdampft hierbei nicht
vollständig,
sondern bleibt an den Seitenbereichen der 3D-Struktur bestehen,
da durch die Schutzschicht die Seitenkanten einer Umverdrahtung
geschützt
werden sollen.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vereinfachtes Verfahren
zum Schützen
der Kontaktelemente eines Halbleiterwafers bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird durch Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die Unteransprüche definieren
vorteilhafte und bevorzugte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung.
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Gemäß einem
ersten Aspekt ist ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Wafers
vorgesehen, in welchem Lotkugelelemente zur elektrischen Kontaktierung
elektrisch betreibbarer Strukturen des Halbleiter-Wafers mit einer
organischen Schicht bedeckt werden. Die Lotkugelelemente sind für eine Flip-Chip
Kontaktierung ausgelegt und die organische Schicht besteht aus einer
Substanz, die bei einem Kontaktierungsvorgang vollständig von
der Oberfläche
der Lotkugelelemente verdampft.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt ist ein Verfahren zur Herstellung eines Chips vorgesehen,
in welchem ein Chip bereitgestellt wird, welcher Lotkugelelemente
aufweist, die für
eine Flip-Chip Kontaktierung
ausgelegt sind. Die Lotkugelelemente werden mit einer organischen
Oberflächenschutzschicht
bedeckt, wobei die organische Schicht aus einer Substanz besteht,
die bei einem Kontaktierungsvorgang vollständig von der Oberfläche der
Lotkugelelemente verdampft.
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Nachfolgend
werden Ausführungsformen
in beispielhafter Weise anhand von Figuren beschrieben; in diesen
zeigt:
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1 einen
Chip mit einem Chip-Kontakt;
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2 einen
Chip mit einem Chip-Kontakt, der von einer organischen Oberflächenschutzschicht bedeckt
ist;
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3 den
in 2 dargestellten Chip benachbart einer Wärmequelle;
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4 die
Herstellung einer Wirebond-Verbindung zwischen einem Chip und einem
Leadframe;
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5 die
Herstellung einer Wirebond-Verbindung zwischen einem Chip und einem
Interposer;
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6 ein
an einem Chip oder Halbleiter-Wafer angebrachtes Kontaktelement
in Form einer Lotkugel;
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7 eine
Flip-Chip-Anordnung auf einem Interposer;
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8 eine
Flip-Chip-Anordnung auf einer Leiterplatte;
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9 ein
Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Wirebond-Kontaktierung eines
Chips mit einem Chipträger;
und
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10 ein
Flussdiagramm zur Veranschaulichung einer Flip-Chip-Kontaktierung eines Chips auf einem
Chip-Träger.
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Die
in den 1 bis 5 und 9 dargestellten
Ausführungsformen
betreffen Wirebond-Verbindungen und sind nicht von den Ansprüchen umfasst.
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Im
Folgenden werden Chips, Halbleiter-Wafer und Anordnungen von Chips
auf Chip-Trägern
sowie Verfahren zur Herstellung derartiger Strukturen beschrieben,
bei den chip- bzw. waferseitige Kontaktelemente mit einer organischen
Schicht bedeckt sind bzw. bedeckt werden. Dabei können die
in dem Halbleiter-Wafer
ausgebildeten elektrisch betreibbaren Strukturen sowie die Chips
von unterschiedlichster Art sein und insbesondere elektrische, elektromechanische
und/oder elektrooptische Bauelemente, z. B. integrierte Schaltungen,
Sensoren, Aktoren, mikroelektromechanische Bauelemente, Laserdioden, usw.
enthalten. Die Kontaktelemente können
z. B. metallische Anschlussflächen
sein, die im Herstellungsprozess des Wafers an diesem ausgebildet werden.
Bevorzugt handelt es sich bei den Kontaktelementen um eine auf Kupfer
basierende Verbindung oder Reinkupfer. Es kann sich aber auch um
nachträglich
angebrachte Kontaktelemente, wie beispielsweise Lotkugeln und dergleichen,
handeln.
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Sämtliche
Materialien, deren Oberfläche
unter Umwelteinwirkung degradiert, können durch die organische Schicht
bedeckt und somit geschützt
werden. Insbesondere kann durch die organische Schicht ein Schutz
gegen Oxidation erreicht werden, d. h. es wird verhindert, dass
sich durch Lufteinwirkung an der Oberfläche des Kontaktelementes eine Oxidschicht
bildet, die den Kontaktierungsvorgang beeinträchtigt.
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Eine
organische Oberflächenschutzschicht kann
beispielsweise durch Wärmeeinwirkung
oder mechanische Einwirkung vor oder während des Ankontaktierens entfernt
oder durchbrochen werden. Da typischerweise sowohl bei einer Wirebond-Kontaktierung
als auch bei einem Reflow-Prozess Wärme für das Ausbilden der Kontakte
zugeführt
wird, kann die Materialwahl für
die organische Schicht so getroffen werden, dass bei den üblich auftretenden Kontaktierungstemperaturen
(beim Wirebonden z. B. Temperaturen > 200°C)
die organische Schicht, vorzugsweise im Wesentlichen rückstandsfrei,
von dem Kontaktelement verdampft. Da das Kontaktelement in diesem
Fall erst unmittelbar vor dem Kontaktierungsvorgang freiliegt, ist
eine störende
Oxidbildung vor dem Kontaktierungszeitpunkt nicht mehr möglich.
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Das
Material für
die organische Oberflächenschutzschicht
sollte nach dem Aufbringen bei Umgebungstemperaturen thermisch stabil
sein und eine beständige,
anhaftende, insbesondere feste Schutzschicht bilden. Ein geeignetes
Material ist beispielsweise Imidazol oder dessen Derivate sowie
aromatisches Stickstoffheterocyclen oder dessen Derivate.
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Chip-Träger können jede
Art von Trägern sein,
die zur Halterung eines Chips geeignet sind, z. B. metallische,
keramische oder aus einem organischen Material bestehende Träger. Beispielsweise kann
als Chip-Träger
ein Leadframe, ein Interposer, eine Leiterplatte (PCB) oder auch
ein zweiter Chip vorgesehen sein.
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1 zeigt
einen Chip 1, an dessen Außenseite Chip-Kontakte 2 angebracht
sind. Die Chip-Kontakte 2 stehen in nicht näher dargestellter Weise
mit Verdrahtungsebenen im Chip 1 in elektrischer Verbindung.
Sie sind von der Außenseite
frei zugänglich,
sodass eine Kontaktierung des Chips 1 über die Chip-Kontakte 2 erfolgen
kann. Die Chip-Kontakte 2 sind metallisch und können beispielsweise
Kupfer- oder Aluminiumkontakte sein.
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Die
Chip-Kontakte 2 sind gegenüber Oxidationsprozessen ungeschützt. Es
bildet sich daher eine undefinierte Oxidschicht auf diesen Kontakten 2 aus. Insbesondere
bei Kupferkontakten ist eine hohe Oxidationsneigung vorhanden.
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Um
die Bildung einer Oxidschicht zu vermeiden, wird auf die Chip-Kontakte 2 eine
vor Oxidation oder anderen Umwelteinflüssen schützende organische Oberflächenschutzschicht 3 (OSP:
Organic Surface Protection) aufgebracht. Diese bildet mit dem Chip-Kontakt 2 eine
stabile aber gegebenenfalls unter Wärmezufuhr flüchtige Verbindung.
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3 zeigt
in vereinfachter Darstellung einen Wirebond-Prozess. Beim Wirebonden wird ein dünner Metalldraht 6,
vorzugsweise aus Kupfer, an dem Chip-Kontakt 2 befestigt.
Unmittelbar vor oder beim Wirebond-Prozess wird über eine Wärmeplatte 4 Wärme auf
den Chip 1 und damit auf die Chip-Kontakte 2 übertragen.
Durch den Wärmeeintrag
wird die organische Oberflächenschutzschicht 3 im
Wesentlichen wieder vollständig
entfernt. Anschließend
erfolgt die Bondung, d. h. die Befestigung des Bonddrahtes 6 an
dem nicht oxidierten metallischen Chip-Kontakt (Wirebond-Kontaktpad) 2.
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Bei
einer Kupfer-Kupfer-Bondung treten daher weder eine intermetallische
Mischphase noch eine Oxidphase im Kontaktbereich auf.
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Die
Wirebond-Kontaktierung wird in einem Drahtkontaktierautomaten (sogenannter ”Wirebonder”) durchgeführt. Wie
noch später
näher erläutert, ist
der Chip 1 zu diesem Zeitpunkt bereits fest mit einem Chip-Träger (z.
B. Interposer oder Leadframe) verbunden. Die Wärmeplatte 4 im Wirebonder
befindet sich unterhalb des in 3 nicht
dargestellten Chip-Trägers, d.
h. der Chip-Träger
mit dem darauf angebrachten Chip 1 liegt auf der Wärmeplatte 4 auf. Der
für die
Kontaktierung benötigte
Bonddraht 6 wird über
eine dünne
Kanüle 5 zugeführt. Die
Kapillare 5 dient gleichzeitig als Andruckwerkzeug. Eine
am freien Ende des Bonddrahtes 6 durch Aufschmelzen gebildete
Drahtkugel 6a wird durch Niederbringen der Kapillare 5 auf
den Chip-Kontakt 2 aufgepresst und dadurch daran befestigt.
Beim Anpressvorgang wird Ultraschallenergie eingekoppelt. Die Temperatur
der Wärmeplatte 4,
die Ultraschallenergie-Einkopplung sowie der angewandte Anpressdruck
sind Parameter, die auf die Qualität der Bondverbindung Einfluss haben. Üblicherweise
liegen Wirebond-Temperaturen über
200°C vor.
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Die
Materialwahl der Oberflächenschutzschicht 3 kann
so getroffen werden, dass diese erst bei den üblich auftretenden Wirebond-Temperaturen (d.
h. z. B. bei 200°C
oder darüber)
rückstandsfrei vom
Chip-Kontakt 2 verdampft. Hierfür ist z. B. ein Material auf
der Basis von Imidazol, dessen Derivate oder Stickstoffheterocyclen
geeignet. Es ist jedoch auch möglich,
dass bei den genannten Temperaturen keine Verdampfung der Oberflächenschutzschicht 3 stattfindet,
sondern dass diese beim Kontaktierungsprozess aufgebrochen und „durchkontaktiert” wird.
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Die 4 und 5 veranschaulichen
verschiedene Möglichkeiten
zur Kontaktierung eines Chips 1 mit einem Chip-Träger. In 4 wird
als Chip-Träger
ein Leadframe 10 eingesetzt. In 5 wird als
Chip-Träger
ein sogenannter Interposer 11, d. h. ein Substrat, verwendet.
Die oberen Darstellungen in den 4 und 5 zeigen
jeweils das Anbringen des Chips 1 auf dem jeweiligen Chip-Träger 10, 11 (”die attach”).
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Neben
der elektrischen Kontaktierung besteht die Aufgabe des Chip-Trägers 10, 11 darin,
eine mechanisch und thermisch definierte Unterlage für den Chip 1 zur
Verfügung
zu stellen.
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Die
unteren Darstellungen in den 4 und 5 zeigen
das bereits beschriebene Ausbilden einer Drahtverbindung (wirebonding)
zwischen dem Chip 1 und dem jeweiligen Chip-Träger 10, 11.
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6 zeigt
eine Kontaktierungsmöglichkeit eines
Chips 1 gemäß der Erfindung.
Die Kontaktierung erfolgt über
eine Lotkugel 20, die auf einer metallischen Kontaktfläche 21,
z. B. aus Aluminium oder Kupfer, des Chips 1 angebracht
ist. Die Kontaktfläche 21 entspricht
dem Chip-Kontakt 2 in den 1 bis 3 und
kann dessen Eigenschaften aufweisen. Zwischen der metallischen Kontaktfläche 21 und
der Lotkugel 20 können
sich weitere elektrisch leitfähige Zwischenschichten 22 befinden,
beispielsweise eine Haftschicht und/oder eine Benetzungsschicht
usw. Eine Passivierungsschicht 23 kann die Kontaktfläche 21 umgeben.
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Die
bereits im Zusammenhang mit der Wirebond-Kontaktierung (1 bis 3)
beschriebene organische Oberflächenschutzschicht 3 befindet
sich hier gemäß einer
ersten Ausführungsform
auf der Oberfläche
der Lotkugel 20. Damit ist die Lotkugel 20 gegen
eine Oxidation oder andere Umwelteinflüsse geschützt.
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Die 7 und 8 veranschaulichen
verschiedene Möglichkeiten
der Anbringung eines Chips 1 durch Flip-Chip-Kontaktierung
auf einem Chip-Träger.
Bei der Flip-Chip-Anordnung ist die aktive Oberfläche des
Chips 1 stets dem Chip-Träger zugewandt.
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Gemäß der oberen
Darstellung in 7 werden zunächst Lotkugeln 20 an
metallischen Kontaktflächen 21 eines
Halbleiter-Wafers 30 angebracht (”wafer bumping”). Dies
kann z. B. durch einen galvanischen Prozess erfolgen. Danach wird
der Wafer 30 mit den bereits angebrachten Lotkugeln 20 in
Chips 1 aufgetrennt (”dicing”). Jeder
Chip 1 wird dann auf einen Chipträger platziert, wobei die elektrische
Kontaktierung über die
Lotkugeln 20 erfolgt. Hierzu werden die Lotkugeln 20 durch
Wärmeeinwirkung
aufgeschmolzen und bilden dabei einen elektrisch leitenden Kontakt
mit gegenüberliegenden
Kontaktflächen (nicht
dargestellt) auf dem Chip-Träger
aus (”reflow soldering”).
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Wie
in 7 dargestellt, kann jeder Chip 1 auf
einem einzelnen Chip-Träger 11 in
Form eines Interposers oder Substrats aufgebracht werden. Der Interposer 11 wird
dann mit dem Chip 1 vergossen und über geeignete elektrische Kontaktierungen
an einer elektrischen Leiterplatte (nicht dargestellt) angebracht.
Eine andere Möglichkeit
besteht darin, den Chip 1 direkt in Flip-Chip-Anordnung
auf eine Leiterplatte 12 zu kontaktieren, die in diesem
Fall als Chip-Träger
für einen
oder mehrere Chips 1 dient. In beiden Fällen kommt es beim Reflow-Prozess
zu einer Zerstörung
bzw. einem Verdampfen der organischen Oberflächenschutzschicht 3 auf
den Lotkugeln 20.
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Eine
weitere Ausführungsform
besteht darin, die organische Oberflächenschutzschicht 3 vor
dem Anbringen der Lotkugel 20 auf der metallischen Kontaktfläche 21 anzubringen.
Die organische Oberflächenschutzschicht 3 befindet
sich dann bei noch nicht angebrachter Lotkugel 20 an der
Stelle der in 6 erkennbaren Zwischenschicht 22.
Da die organische Oberflächenschutzschicht 3 vor
oder beim Anbringen der Lotkugel 20 entfernt wird, ist
sie in 6 nicht mehr vorhanden.
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Beide
Ausführungsformen
können
kombiniert werden, d. h. es kann zunächst eine organische Oberflächenschutzschicht 3 auf
der metallischen Kontaktfläche 21 angebracht
werden und nach Ausbildung der Lotkugel 20 an der Kontaktfläche 21 kann die
Lotkugel 20 in der bereits beschriebenen Weise mit der
organischen Oberflächenschutzschicht 3 belegt
werden.
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9 veranschaulicht
in exemplarischer Weise Verfahrensschritte zur Wirebond-Kontaktierung
eines Chips 1 gemäß den
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1 bis 5.
In einem ersten Schritt S1 wird ein Halbleiter-Wafer bereitgestellt.
Die elektrisch betreibbaren Strukturen des Wafers werden in Schritt S2
getestet. Anschließend
erfolgt die Beschichtung der Chip-Kontakte 2 auf dem Wafer
mit der organischen Oberflächenschutzschicht 3 in
Schritt S3. Hierfür
kann ein Spin-on-Beschichtungsverfahren (Schleuderbeschichtung)
durchgeführt
werden. Die organische Oberflächenschutzschicht 3 benetzt
bei diesem Verfahren lediglich die metallischen Chip-Kontakte 2 und
nicht die übrige
Oberfläche
des Wafers, d. h. es bedarf typischerweise keiner Strukturierung
der aufgebrachten organischen Oberflächenschutzschicht 3.
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Die
organische Oberflächenschutzschicht 3 kann
auch auf andere Weise auf den metallischen Chip-Kontakten 2 angebracht
werden. Beispielsweise kann anstelle des Spin-on-Beschichtungsverfahrens
ein Tauchverfahren eingesetzt werden. Das Tauchverfahren kann sowohl
für den
Wafer als auch – zu
einem späteren
Zeitpunkt – für die einzelnen Chips 1 durchgeführt werden.
Danach sind die Chip-Kontakte 2 am Wafer insbesondere in
Hinblick auf eine längere
Zeitdauer (Lagerung, Transport) bis zur Weiterverarbeitung geschützt.
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In
einem späteren
Schritt S4 wird der Wafer in einzelne Chips 1 aufgetrennt.
Danach werden in den Schritten S5 und S6 die Chips 1 in
der bereits beschriebenen Weise an den Chip-Trägern 10, 11 angebracht
und über
Bonddrähte 6 kontaktiert.
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Die 10 veranschaulicht
in beispielhafter Weise den Herstellungsprozess im Falle der in
den 6 bis 8 veranschaulichten Flip-Chip-Kontaktierung.
In den Schritten S1 und S2 erfolgt wie in 9 das Bereitstellen
des Wafers 30 und das Testen der elektrischen Strukturen
auf dem Wafer 30. Das Testen kann auch zu einem späteren Zeitpunkt, z.
B. nach dem noch zu beschreibenden Schritt S4', erfolgen.
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Sofern
eine organische Oberflächenschutzschicht 3 über den
metallischen Kontaktflächen 21 angebracht
werden soll, erfolgt dies im Schritt S3. Hierfür kann wie beim Verfahren nach 9 ein Spin-on-Verfahren
eingesetzt werden.
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In
einem Schritt S4' erfolgt
das Ankontaktieren der Lotkugeln 20 an den Wafer 30,
wobei zuvor oder beim Ankontaktieren die organische Oberflächenschutzschicht 3 auf
den metallischen Kontaktflächen 21 beseitigt
wird.
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Eine
Beschichtung der Lotkugeln 20 mit der organischen Oberflächenschutzschicht
kann in dem darauffolgenden Schritt S5' erfolgen. Danach sind die Lotkugeln
insbesondere in Hinblick auf eine längere Zeitdauer (Lagerung,
Transport) bis zur Weiterverarbeitung geschützt.
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Später wird
der Wafer 30 in einzelne Chips 1 aufgetrennt (Schritt
S6'). Dann werden
in der bereits beschriebenen Weise die Chips 1 auf einem Chip-Träger 11, 12 platziert
und in Schritt S8' mittels eines
Reflow-Prozesses kontaktiert.
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Für die Ausführungsformen
gilt, dass die beschriebenen Verfahren und Maßnahmen kompatibel zu bestehenden
Verfahren und in der Chipfertigung eingesetzten Herstellungsgeräten sind.
Dadurch wird im Vergleich zur konventionellen Vorgehensweise (Verwendung
eines Schutz- oder Formiergases, Verwendung einer Metallbeschichtung
als Oxidationssperre) eine Kostenersparnis und Verfahrensvereinfachung
erreicht. Insbesondere bei Verwendung von Chip-Kontakten 2 bzw.
Kontaktflächen 21 aus
reinem Kupfer und Kupferdrähten 6 für das Wirebonden
ergibt sich der Vorteil, dass keine intermetallische Phase ausgebildet
und dadurch die Zuverlässigkeit
der Verbindung erhöht
wird. Es ist in diesem Fall keine Reduktionsprozess notwendig, da
sich auf dem Kupfer keine Oxidschicht ausbildet. Die Kostengünstigkeit
des Verfahrens (Kupferdrähte
sind ohnehin preislich sehr attraktiv) wird dadurch noch erhöht.