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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anbringen eines Chips an einem
Substrat sowie ein Halbleiter-Package (Halbleiterkapselung).
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Eine
bekannte Art von Chip (das heißt,
ein zum großen
Teil aus Halbleitermaterial zusammengesetzter Körper, der darin gebildete elektronische Schaltkreise
enthält
und der ein Fragment eines Halbleiter-Wafers ist) weist auf mindestens
einer seiner Hauptseiten ein Array elektrischer Kontakte auf. Der
Chip wird in den folgenden Schritten an einem Substrat (typischerweise
einer Leiterplatte) angebracht. Als erstes wird ein Array elektrisch
leitfähiger Hügel (Lotkugeln)
auf den jeweiligen elektrischen Kontakten des Chips gebildet, um
einen Flip-Chip zu bilden. (Optional werden die Lotkugeln auf dem
Wafer platziert, bevor der Wafer zu einzelnen Chips zerteilt wird,
wodurch die Flip-Chips gebildet werden.)
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Der
Flip-Chip wird dann umgedreht und mit den Lotkugeln auf jeweiligen
Bondkontaktstellen des Substrats mit einem kleinen Zwischenraum
zwischen dem Chip und dem Substrat positioniert. Das Lot wird dann
erhitzt, um ein Wiederaufschmelzen (Reflow) zu verursachen, bei
dem eine elektrische Verbindung zwischen den Kugeln und den jeweiligen
Bondkontaktstellen des Substrats erzeugt wird. Dann wird ein elektrisch
isolierender Kleber (”Unterfüllung”) in den Zwischenraum
injiziert und dann ausgehärtet.
Die Unterfüllung
ergibt eine starke mechanische Verbindung zwischen dem Chip und
dem Substrat und eine Wärmebrücke zwischen
ihnen und stellt sicher, dass die Lötverbindungen während der
Benutzung aufgrund unterschiedlicher Erwärmung des Chips und des Rests
des Systems nicht verspannt werden.
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Dieser
Prozess ist relativ langsam, weil es beträchtliche Zeit in Anspruch nimmt,
den Zwischenraum zwischen dem Chip und dem Substrat zu füllen. Dies
kann für
einen 6 mm-Chip mit einer 3 mm-Lücke zum
Beispiel 4 bis 5 Minuten in Anspruch nehmen. Da dieser Schritt individuell
für jedes
Substrat (z. B. jede Leiterplatte) ausgeführt wird, kann er einen Engpass
in einem Prozess verursachen, der aus jedem Wafer sehr viele Chips
produziert. Ferner kann die separate Aushärtprozedur eine bis vier Stunden
in Anspruch nehmen. Ferner können
Luftblasen zwischen dem Chip und dem Substrat eingeschlossen werden,
wodurch Hohlräume
(”Voids”) erzeugt
werden. Außerdem
wird während
des Einfügens
der Unterfüllungsschicht
eine laterale Kraft auf die Lotkugeln angewandt, wodurch diese versetzt
werden können.
Es wird erwartet, dass dies in der Zukunft zu einem zunehmenden
Problem wird, da der Rasterabstand der Chipkontaktstellen des Flip-Chips
immer feiner wird.
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Das
Unterfüllungsmaterial
ist typischerweise ein thermisch aushärtendes Material, so dass,
nachdem der Chip und das Substrat angebracht sind, sie nur schwer
wieder zu trennen sind. Die Wahl des Unterfüllungsmaterials unterliegt
sich entgegenstehenden Anforderungen. Wenn das Material einen hohen Füllstoffzusatz
aufweist, tendiert es dazu, langsam in den Zwischenraum zwischen
dem Chip und dem Substrat zu fließen. Wenn es umgekehrt einen
niedrigen Füllstoffzusatz
aufweist, unterliegt es dem ”Popcorn-Effekt” (Volumenausdehnung
durch rasches Verdampfen an dem Chip angereicherter Feuchtigkeit).
Außerdem
weisen bestimmte geeignete Unterfüllungsmaterialien eine relativ
kurze Werkshaltbarkeit auf, bevor sich ihre Aushärteigenschaften verschlechtern.
Wenn nachfolgende Prozessschritte die Unterfüllungsschicht Lösungsmitteln
aussetzen, können
die Lösungsmittel
außerdem
Hohlraum- oder Blasenbildung in der ausgehärteten Unterfüllung verursachen.
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Eine
alternative Anbringprozedur besteht darin, die flüssige Unterfüllung auf
die Bondkontaktstellen aufzubringen, bevor der Flip-Chip darauf
positioniert wird. Das heißt,
der Flip-Chip wird
dergestalt in Richtung des Substrats bewegt, dass die Lotkugeln den
Kleber verdrängen,
bis die Lotkugeln mit den jeweiligen Bondkontaktstellen des Substrats
in Kontakt kommen. Nachdem die Lotkugeln die jeweiligen Bondkontaktstellen
des Substrats kontaktiert haben, wird ein Wärmebehandlungsprozess durchgeführt, um
die Lotkugeln an die Bondkontaktstellen zu Bonden und die Unterfüllung auszuhärten.
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Man
beachte, dass, nachdem die Bondkontaktstellen des Substrats durch
die Unterfüllung
bedeckt sind, die Ausrichtung des Flip-Chips an ihnen nicht sehr
einfach ist. Obwohl die Ausrichtung vor dem Abgeben des Unterfüllungsmaterials
durchgeführt
werden kann, kann sich diese Ausrichtung verschlechtern, wenn der
Flip-Chip in Richtung des Substrats bewegt wird, und es besteht
eine Tendenz, dass der Chip auf dem Unterfüllungsmaterial ”aufschwimmt” (das heißt, dass
der Widerstand der Unterfüllung
den Flip-Chip von seiner korrekten Position versetzt). Außerdem kann
Unterfüllungsmaterial
zwischen den Lotkugeln und den Bondkontaktstellen eingeschlossen
bleiben, wodurch mechanischer oder elektrischer Verbindungsausfall
riskiert wird.
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Außerdem besitzt
diese alternative Prozedur auch viele der Nachteile der oben erläuterten
ersten Technik. Sie wird auf Kapselungsebene durchgeführt und
ist somit relativ langsam. Außerdem
ist sie auch anfällig
für Hohlraumbildung
(„Voids”). Außerdem sind
Materialien, mit denen die sie zuverlässig durchgeführt werden
könnte,
noch nicht verfügbar.
Zum Beispiel sollte das Material einen Wärmeausdehnungs-Koeffizienten (CTE)
von nicht mehr als 80 ppm/K aufweisen, um sicherzustellen, dass
es während
des Wärmebehandlungsprozesses
nicht beschädigt
wird, und solche Materialien sind nicht ohne weiteres verfügbar. Außerdem besteht
die Möglichkeit
einer Absorption von Feuchtigkeit in die Unterfüllung, wodurch sie beschädigt wird.
Nachdem der Aushärtvorgang
abgeschlossen ist, ist die resultierende Kapselung (d. h. das hergestellte
Package) außerdem
nicht umbearbeitbar.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung
anzugeben, mit dem bzw. der der Bondprozess von Flip-Chips auf Substraten
und/oder Trägern
beschleunigt, vereinfacht und/oder zuverlässiger gestaltet werden kann.
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Die
Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterbildungen
finden sich in den abhängigen
Ansprüchen.
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung schlagen vor, dass eine Oberfläche eines
Chips mit einem Bandsegment bedeckt wird, das mehrere Öffnungen
umfasst, die sich mit elektrischen Kontakten des Chips decken. In
die Öffnungen
werden leitfähige
Elemente eingeführt
und mit den Kontakten gebondet. Der Chip wird so auf einem Substrat
angeordnet, dass die leitfähigen
Elemente mit Chipkontaktstellen des Substrats ausgerichtet sind,
und die leitfähigen
Elemente werden durch eine Wärmebehandlung
an die Chipkontaktstellen gebondet.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung wird nun lediglich in beispielhafter Weise mit Bezug
auf die folgenden Figuren beschrieben. Es zeigen:
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1, die aus 1A bis 1E besteht, die
Schritte einer Ausführungsform
der Erfindung; und
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2 ein
Flussdiagram der Schritte der Ausführungsform.
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Unter
Bezugnahme auf 1 ist ein Verfahren
gezeigt, das eine Ausführungsform
der Erfindung ist. Die Schritte des Verfahrens sind in 2 gezeigt. In 1A weist
ein (in Seitenansicht gezeigter) Chip 10 auf seiner Hauptoberfläche 12 ein
regelmäßiges Array
elektrischer Kontakte 11 auf.
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Die
Hauptoberfläche 12 des
Chips 10 ist mit einem Segment aus Band 20 (in
einer Querschnitts-Seitenansicht gezeigt) bedeckt, das ein regelmäßiges Array
von Öffnungen
(Durchgangslöchern) 21 darin
aufweist (Schritt 61). Obwohl in 1 der
Einfachheit halber nur ein einziger Chip 10 und ein Bandsegment 20 separat
gezeigt sind, kann das Bandsegment 20 tatsächlich vor
dem Zerteilungsprozess, der mehrere Chips aus einem einzigen Wafer heraustrennt,
auf den Chip 10 aufgebracht werden. Zum Beispiel kann ein
Band so auf dem Wafer aufgebracht werden, dass sich das Band über mehrere
Teile des Wafers erstreckt, die zu jeweiligen Chips zerteilt werden
sollen. Dann kann das Band während
der Zerteilung des Wafers segmentiert (d. h. in Bandsegmente 20 aufgeteilt)
werden, so dass auf jeden jeweiligen Chip 10 ein Bandsegment 20 aufgebracht
ist.
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Das
Band ist typischerweise ein Elastomermaterial, das Gummi und/oder
Silika und/oder Harz umfasst. Es besitzt eine Dicke, die mindestens
etwa 15 μm
beträgt,
und kann signifikant mehr betragen. Es trägt eine erste Schicht aus Kleber
auf der dem Chip zugewandten Seite zum Ankleben jedes Bandsegments 20 an
den jeweiligen Chip 10. Wie später ausführlicher beschrieben wird,
umfasst es auch eine zweite Schicht aus Kleber auf der dem Chip 10 abgewandten
Seite.
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Eine
Ansicht des einer seiner Hauptoberflächen zugewandten Bandsegments 20 ist
in 1B gegeben.
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Danach
werden in 1C das Bandsegment 20 und
der Chip 10 unter einem Reservoir 30 platziert,
das viele Lotkugeln 41 hält. Das Reservoir 30 enthält Öffnungen 31,
durch die die Lotkugeln 41 auf die Oberfläche des
Bands 20 fallen (Schritt 62). Die Öffnungen 31 sind
mit den Öffnungen 21 ausgerichtet.
Die Kugeln 41 sind etwas kleiner als die Löcher 21 und
kommen in jeweiligen Löchern 21 zur Ruhe.
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Dann
wird ein erster Wärmebehandlungsprozess
(”Chip-Reflow”) ausgeführt, bei
dem die Lotkugeln 41 an die Hauptoberfläche 12 des Chips 10 gebondet
werden (Schritt 63).
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Dann
wird der Chip 10 umgedreht und auf ein Substrat 50 (das
eine Leiterplatte PCB sein kann) platziert, das ein Array von Bondkontaktstellen 51 aufweist,
wie in 1D gezeigt (Schritt 64).
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Dann
wird ein zweiter Wärmebehandlungsprozess
(”Reflow”-Wiederaufschmelzen)
ausgeführt, bei
dem die Lotkugeln 41 zu Scheiben geschmolzen werden, die
die Öffnungen 21 füllen und wobei
insbesondere die Lotkugeln 41 an die Bondkontaktstellen 51 gebondet
werden (Schritt 65). Die schmelzenden Lotkugeln 41 werden
durch das Bandsegment 20 an Ort und Stelle gehalten, um
eine hochzuverlässige Lötverbindung
zu ergeben. Die zweite Schicht aus Kleber (die dieselbe Art von
Kleber wie in der ersten Schicht oder eine andere Art von Kleber
sein kann) auf der Oberfläche
des Bandsegments 20, die dem Chip 10 abgewandt
ist, klebt das Bandsegment 20 an einen Teil des Substrats 50 (z.
B. an seine Bondkontaktstellen 51 wie in 1E gezeigt).
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Durch
das Bandsegment 20, das bei der Verwendung nicht entfernt
wird, wird es unnötig,
eine Unterfüllungsschicht
zwischen dem Chip 10 und dem Substrat 50 bereitzustellen.
Das Bandsegment 20 ergibt eine Wärmebrücke zwischen dem Chip 10 und dem
Substrat 50 und Verspannungsentlastung, wenn die Struktur
von 1E im Gebrauch ist. Das Bandsegment 20 hält jede
Lotkugel fest in zu der Hauptseite des Chips 10 parallelen
Richtungen. Aufgrund der Elastizität des Bandsegments 20 wirkt
es wie viele Mikrofedern, um die Zuverlässigkeitsleistung zu verbessern.
Das Bandsegment 20 verstärkt die Verbindung der Lotkugeln
zwischen den Chipkontaktstellen und den PCB-Leiterplattenkontaktstellen,
wodurch übliche
Lotkugel-Bruchprobleme
aufgrund von Fehlanpassung des CTE (Wärmeausdehnungs-Koeffizienten)
verringert werden.
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Da
keine Unterfüllungsschicht
erforderlich ist, entfallen die verschiedenen mit einer Unterfüllungsschicht
verbundenen Probleme (z. B. Unteraushärtung und Hohlraum-Bildung).
Da kein Prozess des Aufbringens einer Unterfüllung vorliegt, wird ferner
keine laterale Verspannung auf die Lotkugeln ausgeübt. Dies
ist insbesondere für
Flip-Chips mit feinem Rasterabstand wichtig.
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Die
Dicke des Abstands zwischen dem Chip 10 und dem Substrat 50 wird
durch die Dicke des Bandsegments 20 garantiert. Das heißt, es besteht einheitliche
Abstandshaltung (”Standoff”). Typischerweise
ist der Abstand der Kontakte 11 und der Bondkontaktstellen 51 im
Wesentlichen gleich der Dicke des Bandsegments 20. Dies
gilt sogar, obwohl die Lotkugeln 41 aufgrund des Wiederaufschmelzprozesses
im Wesentlichen kollabieren. Die Dicke des Bandsegments wirkt außerdem als
Z-Richtungs-Verspannungsabsorber zur Chip-Verspannungsentlastung
nach dem Wiederaufschmelzen des Lots und im Gebrauch.
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Obwohl
nur eine einzige Ausführungsform der
Erfindung ausführlich
beschrieben wurde, sind innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung,
der durch die angeführten
Ansprüche
definiert wird, viele Varianten möglich.
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Wie
oben erwähnt,
können
zum Beispiel die Bandsegmente produziert werden, indem man ein einziges
Band so auf einen Wafer aufbringt, das es sich über mehrere Teile erstreckt,
die zu Chips zu zerteilen sind, und dann das Band gleichzeitig mit
der Zerteilung des Wafers zerteilt, um jeweilige an jedem Chip angebrachte
Bandsegmente zu bilden. Bei einer Alternative können die Bandsegmente jedoch diskret
sein und individuell an Chips angeklebt werden, die bereits zerteilt
wurden.
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Obwohl
bei den beschriebenen Ausführungsformen
die Bandsegmente durch Kleber an den Chip (oder Wafer) angeklebt
werden, kann das Band ferner bei bestimmten Ausführungsformen durch einen Erwärmungsprozess
angebracht werden, der die Oberfläche des Bands teilweise auf
die Chip- und/oder Waferoberfläche
aufschmilzt.
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Ähnlich können bei
bestimmten Ausführungsformen
die Bandsegmente mindestens teilweise durch einen Erwärmungsprozess
an dem Substrat angebracht werden.
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Obwohl
der Chip oben als ein Array von nur zwölf elektrischen Kontakten aufweisend
gezeigt ist, kann die Anzahl der Kontakte größer oder kleiner sein.
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Die
elektrischen Kontakte können
nicht nur ein rechteckiges Array aufweisen, sondern auch ein beliebiges
anderes Array, wie etwa ein sechseckiges Array. Der Chip kann auch
ein Flip-Chip derart
sein, der zusätzlich
auf einer dem Substrat abgewandten Seite elektrische Kontakte aufweist,
und die für Drahtbondung
(z. B. an weitere Chipkontaktstellen auf dem Substrat) bestimmt
sind. Der Chip kann eine beliebige elektronische Funktionalität aufweisen
(z. B. kann er ein Speicher, ein Mikrocontroller usw. sein).