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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Niedertemperaturkontaktierung für mikroelektronische Aufbauten.
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Die Kontaktierung stellt einen der Kernprozesse für den Aufbau von Mikrosystemen dar. Mit der Kontaktierung von Komponenten auf einem Systemträger ist eine leitfähige Verbindung herzustellen, die neben elektrischen auch mechanischen und chemischen Belastungen widerstehen muss.
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Bislang werden hauptsächlich folgende Verfahren zur Herstellung einer leitenden Verbindung zwischen einem Chip und einem Substrat angewendet:
- • Löten, Schmelzen des Lotmaterials im Reflowofen,
- • Kontaktierung mit Thermokompressionsbonden durch mechanischen Druck, Ultraschall oder ähnliches,
- • Drahtbonden, Reibschweißen mit Al-Draht,
- • Sintern oder Drucksintern, beispielsweise mit Silberpartikeln,
- • mit Plasmagas gereinigte Kontakte sowie
- • Kleben mit elektrisch leitenden isotropen oder anisotropen Klebstoffen wie auch mit speziellen nicht leitenden Klebstoffen.
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Zur Kontaktierung von Chips mit einer flächigen Kontaktanordnung werden vorwiegend Löt- und Klebeprozesse in der Flip Chip Technologie als zukunftsweisend angesehen, da mit diesen Verfahren kürzeste Leitungslängen realisiert werden können und die simultane Kontaktierung einer großen Anzahl von Kontakten möglich ist. Daher stehen diese Verfahren bei der Entwicklung von reaktiven Kontakten im Vordergrund.
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Bei besonders temperaturempfindlichen Bauelementen aus biologischen Stoffen wie beispielsweise Biosensoren oder Materialien auf Polymerbasis wie Polyester, Polyolefine und ähnlichen, liegt die maximal zulässige Temperatur deutlich unter den üblichen Löttemperaturen. So dürfen Bauteile auf Polymerbasis häufig nicht über 80 °C erwärmt werden und Bauteile, die auf einem biologischen Material basieren, in der Regel nicht auf mehr als 45 °C.
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In der Mikroelektronik werden derzeit zur elektrischen Kontaktierung von Bauelementen meist Lote verwendet, die erst bei Temperaturen von deutlich über 100 °C schmelzen, beispielsweise SAC (SnAgCu) Lot bei 221 °C. Um eine niederohmige und für hohe Frequenzen geeignete, elektrische Verbindung herzustellen, werden die Bauteile zusammen mit dem Lotmaterial auf eine entsprechende Temperatur erhitzt, damit das Lot schmilzt. Insbesondere wird dieses Verfahren verwendet, um Mikrochips beispielsweise in der Flip Chip Technologie mit einem Substrat elektrisch leitend zu verbinden.
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Auch bei der ausschließlichen Verwendung von Niedertemperaturloten mit Schmelztemperaturen unterhalb von 100 °C wie beispielsweise BiPbCd-Lot mit Tm = 91,5 °C, InBiSn mit Tm = 60,5 °C oder Woodschem Metall BiPbCdSn mit Tm = 70 °C kann aufgrund einer bei der Lötung unumgänglichen Überschreitung der Schmelztemperatur des Lotes um 20 bis 30 °C eine Schädigung von temperaturempfindlichen Strukturen nicht ausgeschlossen werden.
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Bei elektrisch leitfähigen Klebestrukturen fallen ebenfalls höhere Temperaturen an, spezielle Aushärteprofile erfordern 150 °C über etwa 30 Minuten oder mehr, und so genannte Niedertemperatursysteme härten bei Temperaturen um 80 °C über 10 Minuten und sind dementsprechend für eine Kontaktierung von Biosensoren ungeeignet.
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All diese Verfahren erfordern zur Herstellung der Verbindung eine Erwärmung der gesamten Baugruppe. Daher sind diese Verfahren für eine Kontaktierung von temperaturempfindlichen Bauelementen und Substraten nicht geeignet.
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Um eine Erwärmung der gesamten Baugruppe zu umgehen, existiert die Möglichkeit die Wärmezufuhr nur lokal an den Verbindungspunkten zwischen Substrat und Bauelement einzubringen. Unter Nutzung fokussierter Licht- oder Laserstrahlung wird das Lot an der Verbindungsstelle gezielt erwärmt, um so eine Kontaktierung herstellen.
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Derartige Verfahren sind zwar verfügbar, für die Kontaktierung von Chips mit flächiger Kontaktanordnung jedoch nicht geeignet, da diese Verfahren kostenintensiv und schwierig umsetzbar sind. Das gilt insbesondere für eine Fertigung von Mikrosystemen in großer Stückzahl. Zudem kann die unkontrollierte Absorption von Licht- oder Laserenergie in der Kontaktregion zur Schädigung eines Chips führen.
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Gleiches gilt für derzeit im Forschungsstadium befindliche Verfahren zur lokalen Wärmezufuhr durch Mikrowellen. Zwar soll es mit so einem Verfahren möglich sein, eine große Anzahl von Kontakten gleichzeitig herzustellen, es stellt jedoch eine Herausforderung dar gerade bei polaren und organischen Stoffanteilen die Absorption von Mikrowellenenergie durch den Biosensor und das Substrat sicher zu verhindern.
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US 4 810 672 A zeigt ein Verfahren zur Befestigung von elektronischen Bauelementen auf ein Substrat, bei dem eine aus Metallpulver und einem Lösungsmittel bestehende Paste auf die Kontaktierung des Bauelementes aufgebracht wird, wobei das Bauelement und das Substrat für einen Drucksinterprozess auf eine Temperatur von mindestens 100 °C erwärmt werden.
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Weiterer Stand der Technik verwandter Art ist in dem Dokument
US 2006/0160270 A1 beschrieben. Jenes Verfahren zur Herstellung eines anisotropen leitenden Films, der eine Schicht aus elektrisch isolierendem Material und leitende Durchgangseinsätze aufweist, umfasst die Bildung mindestens einer Materialschicht mit Durchgangslöchern auf einem Substrat und das Füllen der Durchgangslöcher zur Bildung von leitenden Einsätzen. Ferner wird die Herstellung einer Maske, die ein erstes Ende der leitenden Einsätze teilweise bedeckt, und das Ätzen des unmaskierten Teils der Enden der leitenden Einsätze vorgeschlagen, um leitende Einsätze mit spitzen Enden zu erhalten.
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Keines der genannten Verfahren erfüllt die Anforderung an eine kostengünstige Kontaktierung bei niedrigen Temperaturen, insbesondere nicht für Fine Pitch Aufbauten - eine kompakte Kugelgitteranordnung der Anschlüsse eines Chips -, so dass hier Weiterentwicklungsaktivitäten erforderlich sind.
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Es ergibt sich die Aufgabe eine Kontaktierung für mikroelektronische Aufbauten zu entwickeln, mit der eine zuverlässige, einfache und kostengünstige Verbindung bei niedrigen Temperaturen, vorzugsweise unterhalb von 45 °C, hergestellt wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich mit den Merkmalen der Unteransprüche.
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Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Niedertemperaturkontaktierung für mikroelektronische Aufbauten vorgeschlagen, wobei es folgende Schritte umfasst: Aufbringen eines photostrukturierbaren Materials auf eine Anschlusskontakte aufweisende Fläche eines mikroelektronischen Bauelementes, Belichten ausgewählter Bereiche des auf die Anschlusskontakte aufweisende Fläche des Bauelementes aufgebrachten photostrukturierbaren Materials, Herstellen von Strukturen auf den Anschlusskontakten durch Herauslösen der unbelichteten Bereiche des photostrukturierbaren Materials zur partiellen Freilegung der Anschlusskontakte, Einbringen eines leitfähigen Mediums in die auf den Anschlusskontakten hergestellten Strukturen, Positionieren des Bauelementes auf ein Substrat und Herstellen einer Verbindung zwischen Bauelement und Substrat durch mechanischen Druck. Mit diesem Verfahren können insbesondere temperaturempfindliche mikroelektronische Bauelemente wie beispielsweise Biosensoren in einem Temperaturbereich unterhalb von 45 °C auf einem konventionellen Substrat zuverlässig elektrisch leitend und mechanisch stabil kontaktiert werden. Erreicht wird dies durch eine Trennung der Funktionalitäten Komponentenfixierung und leitfähige Verbindung. Das in die Strukturen eingebrachte, leitfähige Medium benetzt zwischen den Anschlusskontakten des Bauelementes, den Strukturen und den Anschlusskontakten des Substrates entstandene Hohlräume und es entsteht eine Kontaktierung. Ohne eine Zufuhr von Wärme wird so eine leitfähige und langzeitstabile Verbindung hergestellt. Da keine grundlegend neuen Verfahrensschritte durchzuführen sind, kann das Verfahren kostengünstig realisiert werden.
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Anstelle des photostrukturierbaren Materials und der anschließenden Belichtung kann zur Herstellung der Strukturen auch ein nicht leitfähiger Klebstoff mittels Schablonen- oder Siebdruck, Dispensen oder Jet-Printing strukturiert auf die Anschlusskontakte aufweisende Fläche des mikroelektronischen Bauelementes aufgebracht werden, wobei als nichtleitfähiger Klebstoff Acrylate, Epoxide oder Polyester verwendet werden.
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Die Endmetallisierung der Anschlusskontakte des Bauelementes kann aus Au und/oder NiPd und/oder Cu hergestellt; werden. Für das erfindungsgemäße Verfahren sind also keine speziellen Endkontaktierungen erforderlich. Dementsprechend können mit konventionellen Anschlusskontakten versehene Bauelemente verwendet werden.
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Um für eine mechanische Fixierung, durch beispielsweise eine Lösemittelklebung, leicht quellbar zu sein, darf das photostrukturierbare Material nur leicht vernetzen. Diese Anforderung wird beispielsweise mit Polymethylmethacrylat (PMMA) erfüllt, das daher vorzugsweise als photostrukturierbares Material verwendet werden kann.
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Die selektive Belichtung des photostrukturierbaren Materials kann vorteilhafterweise entweder mit einer Schablone oder durch eine Laserdirektbelichtung ohne die Verwendung einer Schablone durchgeführt werden.
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Die Strukturen können in einer kreisumrandet rosettenartigen Form hergestellt werden. Damit wird eine vorteilhafte Verteilung des einzubringenden leitfähigen Mediums auf den Anschlusskontakten erreicht.
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Um eine sichere mechanische Fixierung zu erreichen, können die Strukturen nicht nur auf den Anschlusskontakten des Bauelementes, sondern auch auf Bereichen des Bauelementes ohne Anschlusskontakte hergestellt werden.
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Als leitfähiges Medium werden leitfähige Tinten mit Kohlenstoffnanoröhrenpartikeln, vorzugsweise zusätzlich mit Silberpartikeln, oder leitfähige Polymerlösungen, vorzugsweise wie Polyethylendixythiopen-Polystyrensulfonat, eingesetzt.
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Mit einem Mikrodosierverfahren wie Jetten, Dippen oder Drucken kann das leitfähige Medium in die hergestellten Strukturen eingebracht werden.
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Um die Viskosität bis zur Ausformung der Verbindung einstellen zu können, kann die leitfähige Polymerlösung als Mischung einer Mehrzahl von Lösungen mit unterschiedlichen Dampfdrücken verwendet werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine zuverlässig leitfähige und mechanisch stabile Niedertemperaturkontaktierung für mikroelektronische Aufbauten, die in einem Temperaturbereich von 20 °C bis 50 °C hergestellt werden kann.
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Des Weiteren wird eine Anordnung einer Niedertemperaturkontaktierung für mikroelektronische Aufbauten vorgeschlagen, die mindestens ein mikroelektronisches Bauelement mit Anschlusskontakten und ein Substrat mit Anschlusskontakten aufweist, wobei eine Aufteilung von einer mechanischen und einer elektrischen Verbindung der Anschlusskontakte des mikroelektronischen Bauelementes mit den Anschlusskontakten des Substrats hergestellt ist, wobei die mechanische Verbindung durch Lösemittel- oder Schmelzkleber und die elektrische Verbindung durch in die strukturierten Lösemittel- oder Schmelzkleber eingebrachte lösemittelbasierte Metall Polymer Verbunde oder leitfähige Polymere gebildet ist. Mit dieser Anordnung ist eine zuverlässige und langzeitstabile mechanische und elektrische Verbindung zwischen mikroelektronischen Bauelementen und einem Substrat bei niedrigen Temperaturen unterhalb von 45 °C ermöglicht.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der 1 bis 6 erklärt.
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Es zeigen
- 1 eine Aufsicht und eine Seitenansicht eines mit Anschlusskontakten versehenen, mikroelektronischen Bauelementes,
- 2 eine Aufsicht und eine Seitenansicht des Bauelementes aus 1 mit einer Beschichtung,
- 3 eine Aufsicht und eine Seitenansicht des Bauelementes aus 2 mit einer strukturierten Beschichtung, sowie zwei Strukturformen,
- 4 eine Aufsicht und eine Seitenansicht des Bauelementes aus 3, während ein leitfähiges Medium in die Strukturierungen eingebracht wird,
- 5 eine Seitenansicht des erfindungsgemäß behandelten Bauelementes aus 4 und eines Substrats,
- 6 eine Seitenansicht des erfindungsgemäß behandelten Bauelementes aus 5, das mit dem Substrat verbunden ist.
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1 zeigt eine Aufsicht und eine Seitenansicht eines mikroelektronischen Bauelementes 1, das mit Anschlusskontakten 2 versehen ist. Die Endmetallisierung der Anschlusskontakte ist aus Gold, NiPd oder Kupfer hergestellt. Dargestellt ist ein mikroelektronisches Bauelement, das typischerweise im Waferverbund vorliegt.
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2 zeigt eine Aufsicht und eine Seitenansicht des Bauelementes 1 aus 1 mit einer Beschichtung. Eine Anschlusskontakte aufweisende Fläche 3 des Bauelementes 1 ist mit einem photostrukturierbaren Material 4 beschichtet, das zur mechanischen Fixierung des Bauelementes 1 durch eine Lösemittelklebung geeignet ist. Als photostrukturierbares Material 4 wird in diesem Ausführungsbeispiel Polymethylmethacrylat (PMMA) eingesetzt.
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3 zeigt eine Aufsicht und eine Seitenansicht des Bauelementes 1 aus 2 mit einer strukturierten Beschichtung, sowie zwei Strukturformen 6 und 7. Mittels einer Schablone, die eine Strukturform 6 aufweist oder einer Laserdirektbelichtung wird das photostrukturierbare Material 4 auf den Anschlusskontakten 2 wie auch auf Bereichen, die keine Anschlusskontakte 2 aufweisen, für eine Herstellung von Strukturen belichtet.
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Die Schablone weist eine kreisumrandet rosettenartige Strukturform 5 oder eine alternative, ebenfalls rosettenartige Strukturform 6 auf. Auch die Laserdirektbelichtung ist auf das Belichten derartiger Strukturformen voreingestellt.
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Optional wird für eine Vereinzelung der im Waferverbund vorliegenden Bauelemente die Beschichtung mit photostrukturierbarem Material 4 an den Randbereichen der Bauelemente im belichteten und unstrukturierten Zustand gesägt, woraufhin die weitere Behandlung der Bauelemente aufgespannt auf einem Sägetape erfolgt.
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Das auch als Photolack bezeichnete, photostrukturierbare Material 4 wird entwickelt, woraufhin unbelichtete Bereiche herausgelöst sind und die Fläche 3 strukturiert beschichtete Anschlusskontakte 7 und strukturiert beschichtete Bereiche ohne Anschlusskontakt 8 aufweist.
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Alternativ kann zur Herstellung der Strukturen anstelle des photostrukturierbaren Materials und anschließender Belichtung auch ein nicht leitfähiger Klebstoff mittels Schablonen- oder Siebdruck, Dispensen oder Jet-Printing strukturiert auf die Anschlusskontakte aufweisende Fläche des mikroelektronischen Bauelementes aufgebracht werden, wobei als nichtleitfähiger Klebstoff Acrylate, Epoxide oder Polyester verwendbar sind.
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4 zeigt eine Aufsicht und eine Seitenansicht des Bauelementes 1 aus 3, während ein leitfähiges Medium 9 in die Strukturierungen eingebracht wird. Mit einem auch als Jetten bezeichneten, berührungsfreien Mikrodosierverfahren wird das leitfähiges Medium 9 in die strukturiert beschichteten Anschlusskontakte 7 wie auch in die strukturiert beschichteten Bereiche ohne Anschlusskontakt 8 eingebracht.
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Als Medium sind leitfähige Tinten mit Kohlenstoffnanoröhren- oder Silberpartikeln oder leitfähige Polymerlösungen wie Polyethylendixythiopen-Polystyrensulfonat einsetzbar.
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Anstelle des Jettens können auch andere Mikrodosierverfahren wie Dippen oder Drucken verwendet werden.
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Wird eine leitfähige Polymerlösung als Medium eingesetzt, kann diese auch ein Blend von Lösemitteln mit unterschiedlichen Dampfdrücken sein, damit verschiedene Viskositäten einstellbar sind.
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5 zeigt eine Seitenansicht des erfindungsgemäß behandelten Bauelementes 1 aus 4 und eines Substrats 11. Das in die strukturiert beschichteten Anschlusskontakte 7 und in die strukturiert beschichteten Bereiche ohne Anschlusskontakte eingebrachte, leitfähige Medium 10 benetzt die Strukturierungen und löst die Oberflächen der aus Polymer bestehenden Strukturen an, auf denen sich eine Lösemittel gequollene Polymerstruktur bildet. Anschließend wird das derart vorbehandelte Bauelement 1 in einem Temperaturbereich von vorzugsweise 20 °C bis 50 °C auf einem mit Anschlusskontakten 12 versehenen Substrat 11 platziert.
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6 zeigt eine Seitenansicht des erfindungsgemäß behandelten Bauelementes 1 aus 5, das mit dem Substrat 1 verbunden ist. Durch einen mechanisch aufgebrachten Druck wird eine Verbindung zwischen den strukturiert beschichteten Anschlusskontakten 7 und dem darin eingebrachten, leitfähigen Medium 10 mit den Anschlusskontakten 12 des Substrates 11 hergestellt. Das in die Strukturen eingebrachte, leitfähige Medium 10 benetzt zwischen den Anschlusskontakten 2 des Bauelementes 1, den Polymerstrukturen und den Anschlusskontakten 12 des Substrates 11 entstandene Hohlräume und es entsteht eine Kontaktierung. Nach Abdampfen des Lösemittels ist ein stabiler Endzustand der erfindungsgemäßen Niedertemperaturkontaktierung erreicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Mikroelektronisches Bauelement
- 2
- Anschlusskontakt
- 3
- Anschlusskontakte aufweisende Fläche
- 4
- Photostrukturierbares Material
- 5
- Strukturform
- 6
- Alternative Strukturform
- 7
- Strukturiert beschichteter Anschlusskontakt
- 8
- Strukturiert beschichteter Bereich ohne Anschlusskontakt
- 9
- Leitfähiges Medium
- 10
- In die Strukturierungen eingebrachtes, leitfähiges Medium
- 11
- Substrat
- 12
- Anschlusskontakt des Substrats